冶金起重机主梁舱门裂纹分析

刘 毅

（福建省特种设备检验研究院，福建 福州 350008）

冶金起重机主梁舱门裂纹分析

刘 毅

（福建省特种设备检验研究院，福建 福州 350008）

文中就某钢铁厂内一台冶金桥式起重机主梁腹板舱门拐角发生裂纹，运用应力测试、有限元分析等技术手段，分析其产生的原因，并提出相应的修复方案，为起重机设计提供参考。

冶金起重机；舱门；应力测试；有限元分析

1 引言

冶金起重机往往处于高温粉尘环境，为了更有效地保护电气元件和节省空间，冶金起重机普遍采用箱型梁的结构形式，并将电气室设置在主梁内部[1]。因此，为了方便使用，需要在冶金起重机主梁腹板上开一个舱门，但该舱门对主梁结构的安全影响，往往在设计过程中，并没有引起足够的重视。2014年12月宁德市某钢铁厂一台冶金桥式起重机主梁腹板两侧舱门拐角处均发生了裂纹，并导致了母材开裂，裂纹长度达到了300mm，如图1所示。

针对这一问题，文中利用应力测试和有限元分析等方法进行深入研究，分析裂纹产生的原因，以便于制定修复方案，排除安全隐患。

图1 冶金起重机舱门拐角出现裂纹

2 应力测试

对该台设备进一步检查，该设备起重量限制器完整有效，钢丝绳、制动器等部件也没有发现超载使用的迹象。从使用情况看，该冶金起重机主要用于吊运钢水包，载重量基本一致，基本可以排除超载使用导致起重机开裂的可能。为进一步校验该该冶金起重机的强度，笔者通过应力测试的方法，对该起重机的主要工作状况进行检验。

为准确的测定舱门周边的应力状况，在舱门产生裂纹的部位布置一定数量的应变花，如图2所示。分别测定额定载荷位于跨中和舱门上方位置时，各应变花处的应力值。通过应变花的应力合成公式，在这两种工况下，应变花的最大应力值为-54.23MP。该冶金起重机主梁结构采用Q235B钢材。可见，应变花处的应力值明显小于母材的许用应力值，冶金起重机的主梁设计有足够的安全余量。由于拐角的存在，该位置的应力梯度较大。但由于应力测试条件和工艺限制，应变花的布置位置与舱门的拐角有一定的偏差，应力测试结果值无法完全反应舱门拐角处的应力值。

图2 应力测试应变花布置示意图

3 有限元分析

传统的设计计算公式只限于跨中和跨端等截面的传统危险点，对既不在跨中，也不在跨端的舱门拐角处，还没有任何成熟的应力计算公式[2]。为进一步确认舱门拐角处应力值，笔者采用有限元分析的方法进行进一步分析。

在ANSYS有限元分析软件中，按照该冶金起重机制造图纸建立起该起重机结构的三维有限元模型，模拟起重机主要受力工况，起重机主梁跨中承受额定载荷时，舱门受力分析如图3所示。从图中可见，主梁主要受力部分应力值与应力测试值较为接近，但该舱门拐角处应力最大，且应力梯度较大，存在明显应力集中。该起重机舱门拐角最大应力达到165MPa，冶金起重机在工作过程中，频繁起吊钢水包，在启动和制动时起重机均作衰减震动，若考虑起重机工作时的动载荷，则该处的应力值已经很接近许用应力值。起重机主梁长期受到交变应力作用，达到金属材料的屈服极限，从而导致焊缝和金属母材均发生裂纹。

图3 有限元分析应力云图

4 设计分析

以上分析表明，舱门拐角的应力集中是引起该位置产生裂纹的主要原因。从舱门的设计看，舱门的开门宽度B、开门高度H、过度圆弧半径R及四周是否加厚和镶边等多个因素对舱门四周圆角处的应力集中都有不同程度影响。通常是过度圆弧半径R越大越好，开门宽度B及开门高度H越小越好。从制造单位提供的设计图纸（如图4所示）可以看出，该起重机舱门尺寸开门宽度B为800mm，开门高度H=1800mm，其中过度圆弧半径R=20mm。从尺寸看，该起重机舱门开门宽度B和开门高度H都很大，但过度圆弧半径R却只有20mm,相对于开门宽度和开门高度尺寸而言，舱门几乎没有圆弧过度。这与常见的起重机舱门采用的椭圆结构，且舱门尺寸都做的较小的做法是不相符的。可见，舱门的尺寸设计是该起重机发生裂纹的主要原因。

图4 舱门设计

5 缺陷修复

通过上述分析，舱门尺寸设计的不合理导致应力集中，是该起重机发生裂纹的主要原因。根据以上分析，制造厂商提出了对应的修复方案：

首先，用电钻在开裂处前端钻止裂孔，使裂纹不在进行扩展。接着,在开裂处用碳刨等加工方法，磨出板厚的二分之一的一条倒三角口形状，重新满焊并磨平，并在主梁内外两侧加补强板（如图5）。最后,补强板焊接后进行振动、时效处理或火焰加热释放应力，以免再有应力集中的情况出现。

图5 舱门补强板结构示意图

用ANSYS对补强后的起重机重新建模，模拟其作业工况。从图6可以看出，在主梁跨中承受额定载荷时，舱门拐角处的应力值为120MPa，已经明显减小。

图6 加强后舱门有限元分析图

6 结束语

目前，起重机设计规范和相关的设计手册对起重机舱门设计问题未作明确的指导。文中从一台冶金起重机舱门的裂纹缺陷出发，应用应力测试、有限元分析等技术手段，分析其产生的原因，并制定相关的补强方案，为起重机舱门的设计提供了参考。

[1]于卫红,刘超杰,牛艳青.冶金起重机偏轨箱型梁副腹板开门处应力集中的研究[J].中华民居，2012（12）：133.

[2]徐才发，等.起重机主梁舱门处开裂的故障分析[J].起重运输机械,2000（9）：32-35.

Analysis on Crack of metallurgical crane Compartment Doors

LIU Yi
( Fujian Special Equipment Inspection and Research Institute, Fuzhou, 350008, Fujian, China )

The crack of one metallurgical crane compartment doors in the steel factory is analyzed, by the technology of stress testing and fi nite element analysis. The repair plan is presented and the basis effective countermeasure is proposed.

Metallurgical crane; Compartment doors; Stress testing; Finite element analysis

2017-04-13

刘毅，男，福建省特种设备检验研究院机电设备检验中心，副主任，工程师