如何保证箱形主梁的拱度

孟凡荣　王立芳

摘 要：文章针对箱形主梁的预起拱，阐述了主梁腹板下料预起拱曲线的选型、腹板跨中预拱值的确定方法，组装焊接过程中如何保证箱形主梁拱度的工艺方法。

关键词：拱度曲线；预拱值；焊接应力

中图分类号：TH215 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）29-0071-02

起重机主梁是起重机刚结构中主要的承力件之一，若在承载时主梁产生弹性下挠，将不利于小车的运行，所以起重机主梁在设计过程中常设计出预拱度。

1 箱形主梁腹板下料

由于主梁的自重下挠和在制造过程中产生焊接变形的影响，为保证设计出的预拱度，在制造过程中必须确定主梁的工艺预起拱曲线。

1.1 箱形主梁腹板下料预拱曲线线型的选择

起重机主梁上拱度和拱度曲线，决定于腹板的下料预拱曲线。合理的腹板的下料预拱曲线是起重机主梁制造过程中的关键。考虑到随主梁结构形式和焊缝的分布不同，主梁焊接的下挠量也不同，结合经验可得，桥式起重机偏轨箱形梁一般焊接下挠变形小，腹板下料在平台上放地样，按四次曲线

y=f中（1-4x2/S2）2或三折线较为合适；对于正轨箱形梁，主梁焊接下挠变形较大，主梁腹板下料最佳曲线为四次曲线加二次抛物线，即y=1.3 S/1 000×（1-4x2/S2）2+（f中-1.3S/1 000）（1-4x2/S2）。f中为主梁跨中拱度值。

1.2 箱形主梁跨中腹板下料预拱值的确定

所谓主梁跨中腹板下料预拱值，即是为保证主梁焊接成形后的规定拱度而在腹板下料时预先给定的拱度。主梁在制造过程中，由于箱形主梁上部焊缝数量多于下部，焊后容易产生向下的挠曲变形和因为主梁是长而细的构件而由自重引起的主梁下挠变形是主梁下挠变形的两个主要因素。因此主梁跨中腹板下料预拱值可按下式计算：F=F技-f焊F自+K。式中，F技-起重机技术条件要求主梁上拱值F技=0.9 S/1 000～1.4S/1 000，可取中间值；F自为自重引起的主梁变形；F焊为主梁在垂直方向的焊接挠曲变形；K为调整系数，5～10 t通用桥式起重机正轨箱形主梁K值为5～15 mm，跨度小的可取小值，偏轨箱形梁K值为5～10 mm。

1.2.1 箱形主梁焊接挠曲变形的理论计算

①箱形梁焊接变形计算的假设条件。

计算箱形梁焊接变形，除材料力学假设条件之外，还要有以下假设：

材料本身没有原始应力和变形；

梁在焊接过程中不考虑自重和环境温度的影响；

梁在不受外载荷和外部约束的情况下焊接；

梁在指定的焊接方法和恒定的焊接规范下焊接。

尽管在实际生产中上述假设条件是不完全满足，但这将有助于得出基本的结论，而且通过工艺控制可使有些条件接近理想值，如：板材的波浪变形可通过平板矫正来消除，板材的内应力可通过抛丸除锈和自然实效来减少；为保证梁的焊缝质量，焊接规范在选定的焊接方法之下通常是恒定的，必须改变时则可分阶段计算；梁在正常情况下是不加外载荷和没有外部约束条件下焊接的。

因此在实际生产中，焊接变形的计算值基本能够反映梁焊接实际变形的规律。

②纵向焊缝引起的挠曲变形。

挠曲变形量f可近似的计算式为：f=CS2/8。

式中：C为曲率，其计算式为：C=-3.53×10-6qnZ'/J

其中Z'为构件截面重心到纵向焊缝的距离，

J为构件截面惯性距，

qn为焊接线能量，即由焊接能源输入给单位长度焊缝上的能量，其值可按式：qn=2 350 ΨU/aH×K2ε'计算

其中：Ψ为焊缝形成系数；U为电弧电压，V；aH为熔敷系数，g/（A.h）；K为焊脚尺寸；ε'为重叠系数。

整理并简化以上公式得出焊接一条纵向焊缝引起的挠曲变形的计算公式为：f=CS2/8=-3.53×2 350×10-6ΨUK2ε'Z'S2/（8aHJ）=-（1.03694×10-3 ΨU/aH）K2ε'Z'S2/J。令θ=1.03694×10-3ΨU/aH为纵向焊缝工艺系数，代入上式得：

f=-θε'Z'K2'S2/J（1）

对应于不同的焊接方法，θ值列见表1。ε'的取值：单面角焊缝为1，双面角焊缝为1.3；对接开坡口双面角焊缝为1.3，单面对接焊缝为1。

③横向焊缝引起的挠曲变形。

对称于构件长度的中心焊若干横向焊缝时，其挠曲量f可以求每条焊缝引起的构件末端相对于焊缝所在截面的变形总和来计算，即：

f=f1+f2+…+fn=a1Tgφ+a2Tgφ+…+anTgφ=Tgφ∑a≈φ∑a

式中，φ为长度为b的横向焊缝所引起的角位移（弧度），用下式计算：

C=-3.53×10-6 qnZ'b/J

由上式可得横向焊缝引起得挠曲量为：

f=φ∑a=-3.53×10-6 ΨUK2ε'Z'b∑a/（8aHJ）

=-8.2955×10-3 ΨU/aH）ε'Z'bK2∑a/J

令r=8.2955×10-3 ΨU/aH为横向焊缝工艺系数，则代入上式得出横向焊缝引起得挠曲值计算式：

f=-rε'Z'bK2∑a/J（2）

对于不同焊接方法，r值列见表2。

当焊缝等距d对称分布时，构件挠曲量f为：

f=dφ（1+2+·…+n）=dφ（n+1）n/2

即f=-rK2（n+1）nε'Z'db/2J（3）

式中：d为筋板得间距，mm；n为半根构件上得横向焊缝间距数（通常即筋板间距数）。

以上是针对不带悬臂的主梁导出的计算公式，对带悬臂的门式起重机主梁，公式1和公式2仍然适用。

④箱形主梁焊接总挠曲变形。

箱形主梁的制造通常由几道工序完成，每道工序的焊接变形要根据每道工序中结构的截面特性、焊角大小和焊接方法等分别进行计算。由n道工序焊接的构件总的挠曲量为：

f=f1+f2+…+fn

⑤箱形主梁焊接变形规律。

箱形主梁焊接弯曲变形的大小与施焊焊缝距形心坐标轴的距离成正比，与焊缝截面积大小成正比，并与梁的截面惯性矩成反比。同时梁的弯曲变形大小与施焊的焊缝长度和工艺系数有关。

1.2.2 箱形主梁自重引起的挠曲变形

箱形主梁在制造过程中的半成形梁和成形梁，由于长度大、截面小，因此自重会引起主梁的下挠变形。

①梁内支垫的情况。

主梁正立，对称放置的两个垫架距离小于梁长，如图1（a）所示。

自重引起主梁跨中的位移可按下式计算：

f自中=qL2（24λ2-5）/（384 EJ）（4）

计算的正值表示向上拱起，负值表示下挠。

式中：q为单位长度重量，kg；J为主梁截面惯性矩；L为两支点距离，mm；

λ=m/L

其中：m为支点到主梁端距离，mm。

自重引起的悬臂端位移按下式计算：

fc=fd=qmL3（1-6λ2-3λ3）/（24EJ）（5）

计算的正值表示向上拱起，负值表示下挠。

②梁端支垫的情况。

垫架放在主梁的两端点，见图1（b），其自重引起主梁跨中的位移可由公式4求得：

令m=0，λ=0得

f自中=-5qL4/（384EJ）（6）

负值表示下挠。

1.2.3 箱形主梁跨中腹板下料预拱值

在实际生产中箱形主梁的自重对焊接变形是有一定影响的，同时组装焊接工艺对主梁的焊接变形也有很大影响。因此在最终确定箱形主梁跨中腹板下料预拱值时必须统筹考虑。

①应力状态对焊接变形的影响。

焊接变形形成过程是，焊接时金属的热膨胀受阻而形成压应力，当压应力超过弹性范围时进入高温朔性状态。冷却时金属收缩产生变形，可见，焊接变形与工件在施焊时的原始应力状态有关。主梁在外力作用下焊接变形的规律为，在受拉区施焊焊接变形小，在受压区施焊，焊接变形大。

②自重对梁焊接变形的影响。

自重以均布载荷形式做用于主梁上，若梁支座在两端，主梁上部受压，下部受拉，则在焊接主梁上部压应力区焊缝时，与没有自重作用情况相比，会产生较大的下挠变形。

③箱形主梁半成品组装对工艺对焊接变形的影响。

箱形主梁半成品梁是指由盖板、腹板和筋板组成的Π形梁。在我国普遍采用平台组装工艺。平台组装分为以盖板为基准组装和以腹板为基准组装两种。

以盖板为基准的平台组装是以上盖板为基准，组装上盖板、筋板和腹板以及内部焊缝均以最小挠区焊接变形为依据。当主梁高度很大时，腹板竖立过高，采用将主腹板放在平台上为基准的组装工艺，先将Π形梁组装定位成形后，再进行焊接。对这种工艺方法，筋板与盖板不能在Π形梁组装前焊接。焊接筋板与上盖板焊缝会产生下挠变形。因此采用这种工艺方法，腹板下料时的预拱度应较以上盖板为基准平台组装的预拱度大些。

2 组装焊接时箱形主梁拱度的调整

检查Π形梁的拱度值，然后使用吊具将下盖板吊放在平台上，按图纸划出跨度中心线和大筋板位置线和腹板定位线。支承垫要比槽钢高些，可用钢轨。再将Π形梁用吊具放在下盖板上进行装配。并在跨中S/4左右上盖板处加压力，使Π形梁产生下挠；若拱度偏小，可用同样的方法进行调整，使Π形梁产生上拱。在焊接外部四条纵向焊缝时，对拱度偏小的应先焊接下盖板与腹板的焊缝；拱度偏大的应先焊上盖板与腹板的焊缝。若组焊完毕后主梁的拱度还不满足设计要求，可用火焰矫正。

3 结 语

本文对保证箱形主梁提供了一套理论和实践相结合的制造工艺。由于各制造厂家的制造工艺、设备、技术及生产条件的不同主梁腹板跨中拱度值会有些差异，在确定主梁腹板跨中拱度值时，应结合自己的经验和生产条件略作调整。

参考文献：

[1] 付荣柏.起重机刚结构制造工艺[M].北京：中国铁道出版社，1996.

[2] 徐灏.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，1992.

④箱形主梁焊接总挠曲变形。

箱形主梁的制造通常由几道工序完成，每道工序的焊接变形要根据每道工序中结构的截面特性、焊角大小和焊接方法等分别进行计算。由n道工序焊接的构件总的挠曲量为：

f=f1+f2+…+fn

⑤箱形主梁焊接变形规律。

箱形主梁焊接弯曲变形的大小与施焊焊缝距形心坐标轴的距离成正比，与焊缝截面积大小成正比，并与梁的截面惯性矩成反比。同时梁的弯曲变形大小与施焊的焊缝长度和工艺系数有关。

1.2.2 箱形主梁自重引起的挠曲变形

箱形主梁在制造过程中的半成形梁和成形梁，由于长度大、截面小，因此自重会引起主梁的下挠变形。

①梁内支垫的情况。

主梁正立，对称放置的两个垫架距离小于梁长，如图1（a）所示。

自重引起主梁跨中的位移可按下式计算：

f自中=qL2（24λ2-5）/（384 EJ）（4）

计算的正值表示向上拱起，负值表示下挠。

式中：q为单位长度重量，kg；J为主梁截面惯性矩；L为两支点距离，mm；

λ=m/L

其中：m为支点到主梁端距离，mm。

自重引起的悬臂端位移按下式计算：

fc=fd=qmL3（1-6λ2-3λ3）/（24EJ）（5）

计算的正值表示向上拱起，负值表示下挠。

②梁端支垫的情况。

垫架放在主梁的两端点，见图1（b），其自重引起主梁跨中的位移可由公式4求得：

令m=0，λ=0得

f自中=-5qL4/（384EJ）（6）

负值表示下挠。

1.2.3 箱形主梁跨中腹板下料预拱值

在实际生产中箱形主梁的自重对焊接变形是有一定影响的，同时组装焊接工艺对主梁的焊接变形也有很大影响。因此在最终确定箱形主梁跨中腹板下料预拱值时必须统筹考虑。

①应力状态对焊接变形的影响。

焊接变形形成过程是，焊接时金属的热膨胀受阻而形成压应力，当压应力超过弹性范围时进入高温朔性状态。冷却时金属收缩产生变形，可见，焊接变形与工件在施焊时的原始应力状态有关。主梁在外力作用下焊接变形的规律为，在受拉区施焊焊接变形小，在受压区施焊，焊接变形大。

②自重对梁焊接变形的影响。

自重以均布载荷形式做用于主梁上，若梁支座在两端，主梁上部受压，下部受拉，则在焊接主梁上部压应力区焊缝时，与没有自重作用情况相比，会产生较大的下挠变形。

③箱形主梁半成品组装对工艺对焊接变形的影响。

箱形主梁半成品梁是指由盖板、腹板和筋板组成的Π形梁。在我国普遍采用平台组装工艺。平台组装分为以盖板为基准组装和以腹板为基准组装两种。

以盖板为基准的平台组装是以上盖板为基准，组装上盖板、筋板和腹板以及内部焊缝均以最小挠区焊接变形为依据。当主梁高度很大时，腹板竖立过高，采用将主腹板放在平台上为基准的组装工艺，先将Π形梁组装定位成形后，再进行焊接。对这种工艺方法，筋板与盖板不能在Π形梁组装前焊接。焊接筋板与上盖板焊缝会产生下挠变形。因此采用这种工艺方法，腹板下料时的预拱度应较以上盖板为基准平台组装的预拱度大些。

2 组装焊接时箱形主梁拱度的调整

检查Π形梁的拱度值，然后使用吊具将下盖板吊放在平台上，按图纸划出跨度中心线和大筋板位置线和腹板定位线。支承垫要比槽钢高些，可用钢轨。再将Π形梁用吊具放在下盖板上进行装配。并在跨中S/4左右上盖板处加压力，使Π形梁产生下挠；若拱度偏小，可用同样的方法进行调整，使Π形梁产生上拱。在焊接外部四条纵向焊缝时，对拱度偏小的应先焊接下盖板与腹板的焊缝；拱度偏大的应先焊上盖板与腹板的焊缝。若组焊完毕后主梁的拱度还不满足设计要求，可用火焰矫正。

3 结 语

本文对保证箱形主梁提供了一套理论和实践相结合的制造工艺。由于各制造厂家的制造工艺、设备、技术及生产条件的不同主梁腹板跨中拱度值会有些差异，在确定主梁腹板跨中拱度值时，应结合自己的经验和生产条件略作调整。

参考文献：

[1] 付荣柏.起重机刚结构制造工艺[M].北京：中国铁道出版社，1996.

[2] 徐灏.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，1992.

④箱形主梁焊接总挠曲变形。

箱形主梁的制造通常由几道工序完成，每道工序的焊接变形要根据每道工序中结构的截面特性、焊角大小和焊接方法等分别进行计算。由n道工序焊接的构件总的挠曲量为：

f=f1+f2+…+fn

⑤箱形主梁焊接变形规律。

箱形主梁焊接弯曲变形的大小与施焊焊缝距形心坐标轴的距离成正比，与焊缝截面积大小成正比，并与梁的截面惯性矩成反比。同时梁的弯曲变形大小与施焊的焊缝长度和工艺系数有关。

1.2.2 箱形主梁自重引起的挠曲变形

箱形主梁在制造过程中的半成形梁和成形梁，由于长度大、截面小，因此自重会引起主梁的下挠变形。

①梁内支垫的情况。

主梁正立，对称放置的两个垫架距离小于梁长，如图1（a）所示。

自重引起主梁跨中的位移可按下式计算：

f自中=qL2（24λ2-5）/（384 EJ）（4）

计算的正值表示向上拱起，负值表示下挠。

式中：q为单位长度重量，kg；J为主梁截面惯性矩；L为两支点距离，mm；

λ=m/L

其中：m为支点到主梁端距离，mm。

自重引起的悬臂端位移按下式计算：

fc=fd=qmL3（1-6λ2-3λ3）/（24EJ）（5）

计算的正值表示向上拱起，负值表示下挠。

②梁端支垫的情况。

垫架放在主梁的两端点，见图1（b），其自重引起主梁跨中的位移可由公式4求得：

令m=0，λ=0得

f自中=-5qL4/（384EJ）（6）

负值表示下挠。

1.2.3 箱形主梁跨中腹板下料预拱值

在实际生产中箱形主梁的自重对焊接变形是有一定影响的，同时组装焊接工艺对主梁的焊接变形也有很大影响。因此在最终确定箱形主梁跨中腹板下料预拱值时必须统筹考虑。

①应力状态对焊接变形的影响。

焊接变形形成过程是，焊接时金属的热膨胀受阻而形成压应力，当压应力超过弹性范围时进入高温朔性状态。冷却时金属收缩产生变形，可见，焊接变形与工件在施焊时的原始应力状态有关。主梁在外力作用下焊接变形的规律为，在受拉区施焊焊接变形小，在受压区施焊，焊接变形大。

②自重对梁焊接变形的影响。

自重以均布载荷形式做用于主梁上，若梁支座在两端，主梁上部受压，下部受拉，则在焊接主梁上部压应力区焊缝时，与没有自重作用情况相比，会产生较大的下挠变形。

③箱形主梁半成品组装对工艺对焊接变形的影响。

箱形主梁半成品梁是指由盖板、腹板和筋板组成的Π形梁。在我国普遍采用平台组装工艺。平台组装分为以盖板为基准组装和以腹板为基准组装两种。

以盖板为基准的平台组装是以上盖板为基准，组装上盖板、筋板和腹板以及内部焊缝均以最小挠区焊接变形为依据。当主梁高度很大时，腹板竖立过高，采用将主腹板放在平台上为基准的组装工艺，先将Π形梁组装定位成形后，再进行焊接。对这种工艺方法，筋板与盖板不能在Π形梁组装前焊接。焊接筋板与上盖板焊缝会产生下挠变形。因此采用这种工艺方法，腹板下料时的预拱度应较以上盖板为基准平台组装的预拱度大些。

2 组装焊接时箱形主梁拱度的调整

检查Π形梁的拱度值，然后使用吊具将下盖板吊放在平台上，按图纸划出跨度中心线和大筋板位置线和腹板定位线。支承垫要比槽钢高些，可用钢轨。再将Π形梁用吊具放在下盖板上进行装配。并在跨中S/4左右上盖板处加压力，使Π形梁产生下挠；若拱度偏小，可用同样的方法进行调整，使Π形梁产生上拱。在焊接外部四条纵向焊缝时，对拱度偏小的应先焊接下盖板与腹板的焊缝；拱度偏大的应先焊上盖板与腹板的焊缝。若组焊完毕后主梁的拱度还不满足设计要求，可用火焰矫正。

3 结 语

本文对保证箱形主梁提供了一套理论和实践相结合的制造工艺。由于各制造厂家的制造工艺、设备、技术及生产条件的不同主梁腹板跨中拱度值会有些差异，在确定主梁腹板跨中拱度值时，应结合自己的经验和生产条件略作调整。

参考文献：

[1] 付荣柏.起重机刚结构制造工艺[M].北京：中国铁道出版社，1996.

[2] 徐灏.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，1992.