張 誠

（江西銅業(yè)股份有限公司貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

橋式起重機(jī)是國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)和流通領(lǐng)域物資裝卸、裝卸、吊裝的基本工具。由于這種起重機(jī)在高空作業(yè)，作業(yè)范圍能掃大范圍區(qū)域，因此受到用戶的歡迎，得到了很大的發(fā)展。為了能滿足各種使用場合的起重使用性能要求，分為各種類型的電動(dòng)橋式橋梁起重機(jī)，主要類型包括:電動(dòng)葫蘆單梁同軸橋式重型起重機(jī)、電動(dòng)葫蘆雙梁同軸橋式重型起重機(jī)、單主梁雙梁橋式重型起重機(jī)、電動(dòng)葫蘆橋式雙梁同軸橋式重型起重機(jī)。目前使用范圍最廣的還是電動(dòng)葫蘆雙梁同軸橋式重型起重機(jī)［1］。橋式起重機(jī)已成為中國核電站、水電站、重工業(yè)、化工、冶金等行業(yè)重要的起重設(shè)備，它的安全使用性直接程度影響著整到生產(chǎn)企業(yè)的安全性和生產(chǎn)管理能力［2］。在近期某大型冶煉廠橋式起重機(jī)使用過程中，發(fā)現(xiàn)吊車梁及端梁出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，為防止裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大，本文通過現(xiàn)場調(diào)查檢測，根據(jù)缺陷狀況，結(jié)合現(xiàn)場情況分析缺陷產(chǎn)生的原因，制定了維修計(jì)劃。

2 橋式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)原理

2.1 橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)形式

橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)主要由端梁欄桿、大梁、移動(dòng)平臺等構(gòu)成［5］。結(jié)構(gòu)又分為箱梁拆裝和單梁拆裝，各種金屬起重機(jī)的主梁多采用雙梁箱型結(jié)構(gòu)，如圖1。

雙梁箱型起重機(jī)的端梁一般也是箱梁，有三種結(jié)構(gòu)形式，這三種結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)有下面幾點(diǎn)。

（1）A結(jié)構(gòu)形式：雙梁箱梁吊車剛性好，制造和裝配方便。

（2）B結(jié)構(gòu)形式：雙梁橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)不一般。不同于端梁的橫截高度，主梁安裝在端梁頂面以下。在高度有限的地方使用最多，但是端梁的橫截面可以很容易地改變。

（3） C結(jié)構(gòu)形式：這種大型起重機(jī)的基本結(jié)構(gòu)形式，通常承載力較低，提升能力較高。雖然經(jīng)過車輪的氣流系數(shù)增加，車輪對大氣壓的阻力減小，但是金屬框架車的整體硬度卻大大下降。

本次研究中所考慮的橋式起重機(jī)為雙梁橋結(jié)構(gòu)形式，基本由橋體、大車、小車行走裝置、電氣設(shè)備及附件組成，長31.5m。這個(gè)機(jī)構(gòu)有一個(gè)16t的主起升和一個(gè)10t的起升兩套起升機(jī)構(gòu)，裝在一輛大車上，它的轉(zhuǎn)向裝置驅(qū)動(dòng)整個(gè)起重機(jī)來控制設(shè)備的橫梁。圖1顯示了橋式起重機(jī)橋架的結(jié)構(gòu)形式。

圖1 橋式起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)

橋式起重機(jī)正常工作載荷不損傷后梁柱。前梁開裂的主要原因是施加載荷。端梁時(shí)，附加載荷僅發(fā)生在輪對位置，且水平輪固定性較差，輪子受壓嚴(yán)重，軸張力不減，端梁開裂。

2.2 橋式起重機(jī)工作原理

橋式起重機(jī)是一種起重運(yùn)輸設(shè)備，可減少繁重的體力勞動(dòng)，提高工作效率并實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。它同時(shí)可以在一定高度范圍內(nèi)通過垂直向上提升和或者水平下降移動(dòng)整個(gè)物體，具有可以間歇連續(xù)運(yùn)動(dòng)和重復(fù)操作較長周期的兩種特點(diǎn)［6］。起重機(jī)產(chǎn)品可以根據(jù)其具體主要用途和整體結(jié)構(gòu)功能特點(diǎn)對其進(jìn)行不同分類。按照其主要用途不同可以細(xì)分為普通船舶起重機(jī)，建筑船舶起重機(jī)，冶金船舶起重機(jī)，鐵路船舶起重機(jī)，港口船舶起重機(jī)，造船船舶起重機(jī)，橋式吊車起重機(jī)等。該橋式裝卸起重機(jī)主要廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)的裝卸車間、倉庫、鐵路、港口及其他大型貨場的固定式大跨度起重物料的運(yùn)輸裝卸。橋式桁架起重機(jī)的主要的重金屬結(jié)構(gòu)之一是起重橋式桁架，該起重橋的桁架可以水平直接安裝在起重車間兩側(cè)的由豎直的立柱所構(gòu)成支撐的橋架軌道上，并且機(jī)體可以在其軌道上前后雙向移動(dòng)［7］。除橋架之外，還有手推車，其配備有舉升機(jī)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)構(gòu)，可攜帶舉起的物品沿鋪設(shè)在橋架上的軌道行進(jìn)。由手推車的左右操作，橋架的前后操作以及提升機(jī)構(gòu)形成的三維空間范圍是橋式起重機(jī)所載貨物的服務(wù)空間。橋式起重機(jī)工作流程圖如圖2所示。

圖2 橋式起重機(jī)工作流程圖

3 橋式起重機(jī)大梁與端梁開裂分析

3.1 斷裂理論分析

2019年12月24日上午工作人員按計(jì)劃對6#行車大車聯(lián)軸器（北面）進(jìn)行更換檢修，在對聯(lián)軸器中心校正的同時(shí)，對南面大車減速機(jī)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)南面大車減速機(jī)處的主梁與端梁連接部位側(cè)板有開裂現(xiàn)象，通過進(jìn)一步的全面檢查，發(fā)現(xiàn)端梁與側(cè)板連接的焊縫已開裂，裂紋一直延續(xù)到底部；南面底部主梁與端梁的連接腹板也發(fā)現(xiàn)裂縫；北面主梁與側(cè)板連接的焊縫也有裂縫，具體開裂情況如圖3所示。

圖3 橋式起重機(jī)大梁與端梁開裂圖片

3.1.1 斷裂特征分類

為了便于理論研究，本次研究將橋式起重機(jī)的大梁與端梁等實(shí)際部位的故障簡化為平面或大平面裂縫［8］。根據(jù)吊車大梁和端部大梁的強(qiáng)度和斷裂特征，將裂縫分為三類，如圖4所示。

圖4 橋式起重機(jī)大梁與端梁裂紋分類

（1）Ⅰ型（張開型）裂紋：這類裂紋的特征是垂直裂紋表面的拉應(yīng)力和垂直裂紋擴(kuò)展面。受外力的影響，裂縫向原始裂縫的方向擴(kuò)展。

（2）Ⅱ型（滑開型）裂紋：這種裂縫的特征是剪應(yīng)力 R與裂縫表面平行，但與裂縫擴(kuò)展面垂直。受這一外力的影響，裂縫擴(kuò)展偏離裂隙附近的方向，形成一個(gè)角。

（3）Ⅲ型（撕開型）裂紋：這類裂紋以與裂紋表面相平行的剪應(yīng)力 R為特征，但也平行于裂紋擴(kuò)展的前緣，從而形成裂紋表面。這一外力的作用通常會使裂縫向原始裂縫擴(kuò)展。

3.1.2 斷裂力學(xué)分析

本次研究中包含了描述平面應(yīng)變斷裂狀態(tài)的斷裂力學(xué)規(guī)則“N”。這里的解釋是應(yīng)力強(qiáng)度因子在物體的裂紋載荷下，是表示裂紋尺寸的獨(dú)立參數(shù)［9］。通過確定裂紋周長來確定應(yīng)力尖端的強(qiáng)度，應(yīng)力場在裂紋或缺陷尖端處不斷擴(kuò)大，最終成為構(gòu)件損壞的基礎(chǔ)。客體在裂紋擴(kuò)展過程中會產(chǎn)生一定的阻力，只有當(dāng)N達(dá)到或超過臨界值時(shí)，才能可靠地?cái)U(kuò)展和失效。主要破斷裂的臨界條件為N>Nc。因?yàn)?Nc是裂紋材料抗宏觀破壞(或裂紋擴(kuò)展)的參量，它被稱為斷裂韌性，是材料本身的物理特征，顯示了其在破壞前吸收能量的能力。指材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，它是材料強(qiáng)度的量化指標(biāo)。當(dāng)加載速率和溫度一定時(shí)，Nc是材料的特定常數(shù)，與裂縫本身的大小、形狀及外部應(yīng)力無關(guān)，它是材料的固有屬性［10］。當(dāng)裂紋大小得到確定時(shí)，材料的斷裂韌度越高，非穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展所需要的臨界應(yīng)力越大。當(dāng)施加外力時(shí)，材料的斷裂韌度越高，不穩(wěn)定裂紋生長的臨界閾值越高。所以它是應(yīng)力強(qiáng)度系數(shù)的臨界值。計(jì)算力因數(shù)N的公式方法如公式（1）：

在公式（1）中所受應(yīng)力由F表示，與裂紋形狀和加載方法有關(guān)的形狀修正系數(shù)由S表示，L和R為裂紋長度系數(shù)。

公式（1）表明，對于某一裂縫，臨界裂縫的大小取決于應(yīng)力 F。為防止進(jìn)一步產(chǎn)生失穩(wěn)和裂紋發(fā)展，需要對應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行分析，將應(yīng)力減至最低。

3.2 大梁與端梁有限元分析

采用SWK軟件對橋吊的斷裂問題進(jìn)行了建模，并利用SWK有限元軟件對其主梁和端梁進(jìn)行了SWK分析，研究橋式起重機(jī)橋架部位斷裂問題。

3.2.1 建立有限元模型

首先建立起重機(jī)橋的梁和端梁的三維模型。該金屬橋?yàn)橄湫坞p梁結(jié)構(gòu)，基本由兩個(gè)主梁和兩個(gè)端梁連接而成。梁頂和底板縱向采用角焊連接。梁體內(nèi)部主要由一塊大木、一小塊木料和一塊加固板組成。將主梁與端梁通過連接板焊接在一起，端梁用抗剪螺栓固定，使橋梁形成一個(gè)剛性的金屬箱結(jié)構(gòu)。主梁端梁采用普通碳鋼制造，拉伸強(qiáng)度為220～460MPa，彈性模量為280 GPa。在有限元分析中，首先對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分割，在模型中采用混合曲率雅可比點(diǎn)型網(wǎng)絡(luò)5。最大元素為850mm，最小元素為165mm，并且網(wǎng)格質(zhì)量高，劃分網(wǎng)格后，有69，530個(gè)節(jié)點(diǎn)和27，450個(gè)元素。

3.2.2 載荷分析

質(zhì)量負(fù)荷包括主梁、后軸梁和金屬機(jī)架結(jié)構(gòu)，它們對計(jì)算結(jié)果有重要影響。橋上主梁自重為G1=18.5t，底盤金屬重量為G2=11.2t，本研究中所用起重機(jī)最大承載能力為G3=36t。起重吊車在起升過程中要經(jīng)常起重制動(dòng)，根據(jù)動(dòng)能原理，需要額外的力來抵抗這些變化，所以要往相反的方向加速，就必須抵抗速度的變化。所以，起重機(jī)的主梁和懸梁在起重過程中受到的沖擊載荷最大。吊車水平運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)起動(dòng)或突然停車時(shí)，將產(chǎn)生一種動(dòng)力水平荷載(T)，通過小輪子作用于橋梁結(jié)構(gòu)。大梁和端梁水平動(dòng)載荷T，計(jì)算公式如公式（2）。

在公式（2）中m為起重機(jī)啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)的加速度，加速度a=0.45m/s，k為水平動(dòng)載荷系數(shù)。

3.2.3 確定開裂原因

由于橋式起重機(jī)及其附屬部件的重力載荷是恒定的，輸送電荷是不斷變化的，橋梁和橫梁的軸承載荷是機(jī)械零件，所以，在車輛左空轉(zhuǎn)極限位置時(shí)，所產(chǎn)生的各種載荷應(yīng)按實(shí)際位置解析為不同的運(yùn)行條件，從而進(jìn)行載荷組合分析。大梁與端梁實(shí)測有限元計(jì)算值如表1所示。

表1 大梁與端梁實(shí)測有限元計(jì)算值

通過表1可以看出，在相同工況下，計(jì)算值與實(shí)測值非常接近，說明有限元模型是正確的。經(jīng)過綜合調(diào)查和計(jì)算，找出了梁和端梁的開裂原因。主要原因：在氣刨和氣刨過程中，發(fā)現(xiàn)角焊縫在焊接過程中偏于電弧焊，從而使成形時(shí)焊縫不熔合，焊接質(zhì)量不好，對應(yīng)力焊縫不進(jìn)行焊接。在設(shè)備的長期高負(fù)荷運(yùn)行中，大梁經(jīng)常上下振動(dòng)，從而導(dǎo)致主應(yīng)力焊縫不被焊接，側(cè)板被拉開。次要原因：由于維修人員缺乏專業(yè)素養(yǎng)，未采用間歇焊接等操作方法，導(dǎo)致局部過熱，對主梁有一定影響，主梁可能會下?lián)?，?dǎo)致焊縫開裂。

4 橋式起重機(jī)大梁與端梁開裂處理方法

4.1 大梁和端梁加固

研究發(fā)現(xiàn)起重機(jī)具有較大的橫向咬合力，因此增大了梁和端梁的橫截面積，可以提高梁的彎曲模量和梁端的橫向強(qiáng)度，已成為起重機(jī)吊車梁的基本原理。因?yàn)榈踯嚧罅菏峭瑫r(shí)發(fā)展的，而大梁的裂縫集中在角箱板的兩端，所以在加固時(shí)只對大梁的極限支承兩端進(jìn)行加固。通過計(jì)算原始設(shè)計(jì)的裂縫位置和應(yīng)力，并與改進(jìn)設(shè)計(jì)進(jìn)行比較，說明改進(jìn)設(shè)計(jì)是合理的。在加固后的橋梁結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果中，當(dāng)相同的12 t在側(cè)向力的作用下，在交叉端，橫梁處承載轎廂和梁腹板彎曲部分的等效應(yīng)力為47.4 MPa，而之前未加固時(shí)達(dá)到31.8 MPa，大梁和端梁承受重量提升了43.6%，效果非常明顯，表明加固方案是合理的。

4.2 焊接修復(fù)處理方法

同時(shí)考慮到這兩種情況，該車需要進(jìn)行快速修復(fù)該車大梁與梁柱端梁的內(nèi)外轉(zhuǎn)彎，有效地消除梁柱端結(jié)構(gòu)與大梁之間的裂縫根源。但此車已連續(xù)使用很多年年，臨近該車報(bào)廢處理年限，做較大的裂紋修復(fù)在經(jīng)濟(jì)上已不劃算，考慮該車廠方在使用幾年后就出現(xiàn)可以自行更換新加工設(shè)備的可能，建議只將該車大梁與梁柱端梁間的裂紋進(jìn)行作反覆修復(fù)后做加強(qiáng)板的處理，即在端梁裂紋修復(fù)處理時(shí)采用鋼板焊接的加工方式對該車大梁與梁柱端梁間的加強(qiáng)板裂紋進(jìn)行反覆加強(qiáng)修復(fù)處理，加強(qiáng)板施工工藝如下。

（1）在裂縫擴(kuò)展方向鉆一個(gè)直徑10mm的邊界孔。

（2）用砂輪機(jī)清除原焊縫，在凹處磨出新的裂紋，然后重新焊接。

（3）用研磨機(jī)研磨焊縫和鋼筋表面，使其相對于鋼筋板平整。

（4）焊接加固板的水帽，然后填上水帽，最后焊接加固板周圍。

（5）焊條應(yīng)采用ES8501焊接工藝，加強(qiáng)板為O331，厚度 H=8 mm，塞孔直徑25 mm或30 mm，間距110 mm，建議采用焊劑分布法進(jìn)行布置。

（6）加強(qiáng)板的主梁施焊安裝工作一般應(yīng)在兩個(gè)主梁變形板截面連接處同時(shí)一起進(jìn)行，在鋼板施焊前的工作中如需要將兩個(gè)端梁應(yīng)同時(shí)卸下，視卸載組織方式而定?？梢允褂脙蓚€(gè)插槽。將頂梁置于兩根主梁連接的同一端梁上，這樣就可以抬起兩個(gè)千斤頂端梁承載位置，即可然后嚴(yán)格按照焊接工藝對大梁和斷糧開裂位置進(jìn)行焊接。

5 結(jié)束語

橋式起重機(jī)大梁和端梁開裂是經(jīng)常發(fā)生的事故，嚴(yán)重影響了橋式起重機(jī)的使用壽命。本次研究在有限元應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，對橋架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維建模，獲得了梁體及端梁的應(yīng)力云，并對梁體中對應(yīng)的應(yīng)力集中區(qū)及翼緣的偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行了分析，消除了產(chǎn)生裂縫的原因。依照技術(shù)手段發(fā)現(xiàn)了橋式起重機(jī)大梁與端梁開裂的原因，并對大梁與端梁進(jìn)行了加固處理，同時(shí)采用焊接方法對斷裂處進(jìn)行了修復(fù)。研究發(fā)現(xiàn)，橋式起重機(jī)使用過程中的操作不當(dāng)也是造成大梁與端梁開裂的主要原因之一，因此應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)橋式起重機(jī)的使用規(guī)范，嚴(yán)禁猛然起吊和越級加速等違反操作規(guī)程等行為，正確的調(diào)整制動(dòng)器，不可隨意的在主梁上進(jìn)行電焊作業(yè)。本文最后提出針對橋式起重機(jī)大梁與端梁開裂給出了科學(xué)合理的處理方法，希望可為相關(guān)領(lǐng)域從業(yè)人員提供一定的理論指導(dǎo)。