桥式起重机主梁一次成型技术应用与仿真分析

桥式起重机主梁一次成型技术应用与仿真分析*

赵敬云1，李强2，朱绘丽1

(1.河南机电高等专科学校，河南 新乡453000;2.河南世通电气自动化控制有限公司,河南 新乡 453000)

摘要：桥式起重机主梁一次成型技术是一种新兴的起重机主梁加工工艺。与传统桥式起重机主梁分段成型再焊接拼装的工艺相比，具有整体结构性能高、生产成本低并节能环保的突出优点。通过对这一新工艺的系统介绍和深入的数值分析，进一步加深了对该工艺的认识，为该工艺的推广和进一步的革新提供了科学的研究和论证。

关键词：桥式起重机;主梁一次成型工艺;仿真分析

中图分类号：TH16

收稿日期：*2015-04-15

作者简介：赵敬云(1973-)，男，河南新乡人，副教授，硕士，主要从事机械制造及计算机辅助设计研究。

桥式起重机是工矿企业中通用的起重设备，具有设计简单，安装快捷，维修方便的特点，广泛应用于仓库、车间等场合，社会需求量极大。其中，LD单梁桥式起重机主梁的生产工艺一直采用传统分段焊接的方法，分段焊接是将主梁分为多段拼焊而成，由于焊接工艺的特点，容易出现缺陷，焊接工艺不容易控制，生产效率低下，成本较高。

随着单梁起重机市场需求量的不断增加，以及进一步响应国务院提出的“十二五”期间节能减排目标，传统的桥式起重机主梁生产工艺方法急需改进。桥式起重机主梁一次成型技术是一种新兴的起重机主梁加工工艺，它具有主梁一次成型特点，改变了主梁分段成型再多次焊接拼装的工艺，目前国内只有极少起重机生产厂家采用。

1起重机主梁加工工艺简介

1.1　传统的起重机主梁加工工艺简介

传统的LD电动单梁起重机主梁采用冲压U形槽的生产工艺[1]。一般选用6mm的钢板，下料之后通过折弯变为U形槽型，由于钢板尺寸的限制，每段U形槽的长度不超过1.5m，将U形槽通过翼板与工字钢导轨焊接在一起，见图1和图2，两端焊接端梁后完成加工。由于多段拼接会产生较大的变形，焊接后往往需要采用一定的矫正方法，对焊接后的构件进行整形处理，如机械矫正、手工矫正和热加工矫正等，主梁的矫正不当会造成主梁的报废。

因此，在传统的起重机生产过程中，存在如下问题：焊接的固有特性会引起主梁焊后变形，焊接是一个不均匀施热的过程，局部受热会导致结构内应力引起的主梁变形，由于U形槽的制造不规范，在焊接时需要对主梁矫正，矫正后焊接主梁存在内应力，使得主梁在焊接后变形。多段拼接存在累积误差，最终组装的质量依靠后期校正实现，主梁的质量不容易控制。主梁在后期校正时如果出现了横向裂缝可能造成主梁报废。主梁校正之后的引起主梁加工硬化会对主梁的寿命产生一定的影响。

1.U形型板　2.翼板　3.工字钢 图1　工字形组合截面

图2　分段焊接结构图

1.2　主梁U形槽一次成型工艺

随着钢铁加工技术的发展，目前钢厂生产的冷板、热板出厂的规格可以根据用户要求定制，起重机生产厂家也可以根据主梁的截面直接选用型材，但是如果直接使用型材运输时占空比太大，运输成本较高。如果起重机生产企业采用卷板作为原料，利用冷弯设备将卷板变为主梁的U形槽可以大大提高生产效率[2]，提高生产质量。

相对于主梁传统生产工艺而言，整体式主梁生产工艺的特点是：主梁采用U形槽、翼板、工字钢一体组合结构，纵向焊缝减少两条，中间无横向焊缝，如图3所示。

从主梁的截面形状来看，截面由三个U形截面组成，主槽深度较深，两侧翼板深度较低浅，对称布置，根据翼板和主槽的展开宽度选用卷板，卷板开卷之后需要经过校直工序，再经过轧制工序，主槽板安排5次轧制，轧制角度为90°，翼板3次轧制，轧制角度为45°，根据主梁的长度，在U形槽之前根据主梁的长度利用剪板机剪板，在每道工序之间适当安排对中工序，以保证轧制的U形槽的对中性。钢板的动力由轧制机构牵引，具体工序如图4所示。

图3　整体式主梁生产工艺中减少的横向焊缝和纵向焊缝位置

图4　设备生产流程图

三块U形槽板冷轧成型之后,利用轨道输送装置送焊接工序,根据主梁的结构需要布置横向筋板最终得到一体成型主梁。得到的主梁不仅可以用于单梁起重机，也可以用于双梁起重机生产。为了验证主梁的强度,下面利用有限元的方法对主梁进行对比分析。

2有限元模型的建立与承载仿真

以通用5吨单梁起重机桥架为例，桥架由2个端梁、主梁等结构组成，见图5和图6。桥架整体有限元模型采ANSYS实体单元进行单元离散，见图7和图8，分别对主梁施加静载荷、分布载荷、集中载荷、动载荷进行模拟分析,经过认真的分析和比对，更为直观显性地反映出主梁传统工艺和一次成型工艺的受力状态，同时提供出有益的数值依据[3]。

图5　桥架分段焊接结构图

3有限元分析结果对比和结论

通过采用有限元分析软件进行仿真分析，对焊接式主梁和整体式主梁的应力和应变分析，见图9和图10，并得到表1数值对比结果。

图6　桥架整体焊接结构图

图7　桥架分段焊接结构网格划分

图8　桥架整体焊接结构网格划分

图9　分段焊接应变图

图10　整体成型应变图

采用整体主梁对焊接缺陷对主梁承载的影响：

由于整体焊接成型主梁无横向焊缝,因此主梁的应力集中较少,主要集中在端梁与主梁的连接区域，主梁和端梁的连接处不是应力最大点，如果出现焊接缺陷，缺陷处的局部应力会增大，对整体主梁的承载影响最小，即使缺陷尺寸较大，也不会出现应力最大点。表面缺陷在截面面积较小处对整体承载有影响，影响不大。

表1　应力应变数值对比表(单位mm)

采用拼焊接主梁焊接缺陷对主梁承载的影响：

从应力应变图可以看出，焊接缺陷对于主梁的整体承载性能影响较大，施加不同的载荷在多处会出现应力最大点，表面缺陷也会使得局部应力提高，从而影响主梁的整体强度。由于是拼焊成型，各个焊缝的出现缺陷的概率是并行的，拼焊的分段数目直接影响主梁的可靠性。主梁的纵向焊缝对于整体强度影响较小，横向焊缝出现缺陷对主梁强度的影响是致命的。主梁与端梁的连接强度对于主梁强度影响较小。

4结论

根据有限元仿真的结果可以看出，采用冷轧工艺来生产起重机主梁，不影响整体强度。为了提高起重机的稳定性，在主梁轧制之前，可以对卷材预轧制成波浪形或者其他形状，然后再轧制成主梁的形状，这样相当于在主梁上增加了纵向加强筋，从而在不增加截面重量的情况下提高了起重机的承载性能。

轧制主梁的钢板可以使用钢板卷材轧制，卷材的宽度可以根据主梁的宽度在炼钢厂定制。节省制造中的钢板搬运、剪切、冲压、焊接的劳务费用,以及卷材与板材的差价。与传统拼焊工艺相比，可以提高成品质量，减少污染排放，降低生产成本，提升企业产品的市场竞争力，社会效益以及经济效益良好。

冷轧制成型可以消除横向焊缝，减少了焊接缺陷以及残余应力,从而提高了起重机的制造质量，相比传统工艺，刚性更好。单梁桥式起重机主梁采用一次整体成型工艺，可直接成型所有跨度的起重机U形主梁。与传统工艺相比可大幅度提高生产效率，新工艺制作的主梁无焊缝，不会有焊接缺陷和污染，提高了主梁的强度和刚度，外形美观，提高了主梁的安全系数，使起重机工作更加可靠，延长了使用寿命，提高了产品质量。

(责任编辑吕春红)

参考文献：

[1]杨李.桥式起重机主梁的生产工艺分析[J].工业设计，2011(2):93-96.

[2]常岚,等. LD型电动单梁起重机主梁U形槽(侧板)冷弯成型工艺的研究与开发[J].河南机电高等专科学校学报，2004 (5)：83-85.

[3]张乐乐. 焊接缺陷对转向架强度的影响[J]. 中国铁道科学，2010 (3)：8-11.

[4]曾光,等.桥式起重机焊接箱形梁疲劳裂纹与剩余寿命的研究[J]. 起重运输机械，2010 (10):8-10.

Application and Simulation of Bridge Crane GirderProcessing Use U- Shape Groove

ZHAO Jing-yun，et al

(Henan Mechanical and Electrical Engineering College Xinxiang 453000，China)

Abstract:In this article, the author analyses the shortcoming of traditional techniques in making the U - shape groove in the main girder of the LD Electric Single - girder crane. In traditional techniques it is made that it always by graded punching and then jointing together. The author develops a scheme of new techniques for this manufacturing program by cold bending and analyses benefits to business and advantages to society.

Key words: girder crane; Us- shape groove; simulation analysis