冶金桥式起重机主梁裂纹机理分析

孙祥广 陈 勇 王兴涛 贾春明 曲鸿日

(1.抚顺市特种设备监督检验所 抚顺 113006)

(2.中航黎明锦西机械(集团)有限责任公司 葫芦岛 125000)

(3.抚顺新钢铁有限责任公司 抚顺 113000)

冶金桥式起重机主梁裂纹机理分析

孙祥广1陈 勇1王兴涛1贾春明2曲鸿日3

(1.抚顺市特种设备监督检验所 抚顺 113006)

(2.中航黎明锦西机械(集团)有限责任公司 葫芦岛 125000)

(3.抚顺新钢铁有限责任公司 抚顺 113000)

针对冶金桥式起重机腹板靠近端部过渡圆弧处产生的裂纹情况，用传统力学分析的同时也采用ANSYS有限元软件建模分析了裂纹产生机理，讨论了主梁上盖板开设检修舱口对主梁受力情况的影响，提出了补焊措施方案和加强安全技术检验建议，对起重机械的设计和检验具有借鉴意义。

主梁过渡圆弧 腹板裂纹 补焊 ANSYS建模分析

抚顺新钢铁有限责任公司炼钢厂兑铁跨1#冶金桥式起重机用于吊运钢水包,其工作环境的主要特点是高温、粉尘、工作频繁、工作载荷较大(钢水包整备质量85～95t)。在2014年的定期检验中发现该起重机主梁外侧腹板与端梁连接过渡圆弧处出现多处裂纹,该类型裂纹作者在检验中多次发现,相关资料和文献对这种现象的记述也很多,因此研究这类裂纹发生的机理对安全生产和检验工作具有重要意义。

1 起重机裂纹机理分析

1.1 起重机参数

型号:QDY100/30-16.5

额定起重量:100/30t

跨度:16.5m

钢水包整备质量:85～95t

起升高度:20/22m

运行速度:小车/大车 42/78.5m/min;主钩/副钩 4.2/9.5m/min

工作级别:A7

大车轨道型号:QU100

制造日期:1984年

1.2 主梁裂纹位置、状态及使用环境分析

3条裂纹位于驾驶室附近、主梁与端梁连接圆弧过渡处。如图1所示,每条裂纹都是沿圆弧法线方向伸展,其中与水平方向成大约30°的裂纹最长,长度约300mm。

图1 裂纹扩展分布图

炼钢厂兑铁跨共有5台桥式起重机,其中3台冶金桥式起重机,该起重机是其中3台冶金桥式起重机中起重量最大的,由于本台起重机负责钢水产量大约160万t/a,所以工作任务和工作频率也是最繁重的。根据起重机的使用等级和起重机载荷谱系数Kp可以确定该起重机实际工作级别应为A8[1]。所以频繁的接近额定载荷的起重工作状况是产生裂纹的主要影响因素。另外该起重机驾驶室对面有一排高炉,为了避开高炉,钢水包在跨中偏驾驶室侧停留时间较长。因此这种作业模式也是使驾驶室侧容易产生裂纹的又一主要影响因素。

1.3 传统力学分析裂纹产生原因

●1.3.1 自重载荷产生的弯矩Mq

该起重机自重142t,其中小车自重约为50t(忽略司机室自重)。由于主梁采用箱型梁结构,主梁内部有垂直的横向大劲板和小劲板以及水平的纵向加劲板条,因此由主梁自重产生的自重载荷PG可以近似看成是均布载荷q,根据工况取φ=1.1[1]。由此产生的弯矩Mq即为:

●1.3.2 起重机工作载荷产生的弯矩MP

为了简化计算在主梁跨中时集中载荷产生的最大弯矩MP,并且考虑有轨道的支撑,所以小车轮在每根主梁上产生的轮压P1和P2近似相等,小车轮距现场测量为2.94m,由下公式计算得出:

式中:

Vq——主钩稳定起升速度,m/s；

φ2——起升动载荷系数。根据GB/T 3811—2008《起重机设计规范》中由起重机起升动力效应和起升状态级别分别取φ2min=1.05;β2=0.17[1]即:

P ——小车车轮在每根主梁上的轮压,N;

S ——主梁的跨度,m;

b ——小车轮距,m。

●1.3.3 每根主梁的计算弯矩为Mmax

梁中部截面系数

式中:

B——主梁上下盖板宽度,m；

H——主梁上下盖板外侧高度,m；

b——主梁腹板内侧宽度,m；

h——主梁上下盖板内侧高度,m。

(主梁上下盖板厚度及腹板厚度均为12mm)

所以跨中危险截面的最大应力:

该主梁采用16Mn低合金结构钢板焊接,钢板厚度为12mm,根据GB/T 1591—2008当钢板厚度δ≤16mm时,σs≥345MPa,470MPa≤σb≤630 MPa。

安全系数n=345/58.4=5.9。根据GB/T 3811—2008《起重机设计规范》安全系数大于1.5即可[1],所以该起重机的设计安全余量满足要求。

由于该起重机由主梁到端梁处高度由2300mm减小至1400mm,过渡圆角R=175mm。圆角过渡处由于截面尺寸变化较大,圆角半径过小容易产生应力集中[3]。再者,通过现场调查表明集中载荷多在驾驶室侧的主梁上停留频繁,该起重机服役时间超过30年,可以认为长时间的频繁高载荷变化造成的[4]。因此该处裂纹属于疲劳裂纹[5]。

1.4 ANSYS有限元程序建模分析主梁受力情况

如图2所示,在主梁过渡圆弧处上方的上盖板偏近发生裂纹的腹板侧开了一个检修舱口,并且这个双梁起重机8个腹板过渡圆弧处只有这个检修舱口下方的圆弧处开裂,所以应探讨是否由于检修舱口的存在,影响了发生裂纹的腹板乃至主梁的这个部位附近的刚性和受力情况。

图2 主梁上盖板检修舱口位置图

传统力学包括断裂力学在分析主梁裂纹中比较宏观,为了更加明确这个检修舱口对应力集中的影响情况,利用ANSYS有限元程序对主梁有舱口和无舱口两种情况进行建模分析,其应力云图如图3和图4所示[6]。

由应力云图可以看出,开设检修舱口的情况下过渡圆角的应力集中现象比较严重一点,因此在设计制造时应该考虑避免在这个截面变化附近开设检修舱口,如果避免不了的话应该考虑做适当的补强[7]。

图3 开检修舱口时的应力云图

图4 未开检修舱口时的应力云图

2 起重机裂纹修补方案

根据上述分析,制定了如下处理方案:

1)将小车开到主梁另一端处,使裂纹处于最小受力状态。

2)先在裂纹延伸尖端处钻出φ6～10mm的止裂孔,然后采用碳弧气刨在主梁外侧清除裂纹,深度约为腹板厚度1/2～2/3,不能刨透,刨后打磨光滑,同时将止裂孔周围也打磨光滑,检查有无裂纹痕迹,确保裂纹尖端延伸已清除掉。裂纹清除后在主梁外侧进行补焊。

3)外侧补焊后,在主梁里侧同样采用碳弧气刨清除掉裂纹,深度以刨到外侧补焊焊肉为止,保证裂纹清除干净,刨后打磨光滑,对里侧进行补焊。

4)准备2件钢板800×800×10mm作为补强板,材料Q345,按现场圆弧切割并钻孔。分别在腹板里侧和外侧先对钻孔处进行塞焊,再对补强板周圈进行焊接。经过2年的使用和观察,补焊处没有再次出现裂纹。

3 结论

1)利用ANSYS建模分析开设检修舱口和不开设检修舱口时,主梁截面变化处的过渡圆角附近应力集中程度是区别的。希望在起重机的设计和制造中应考虑这种情况的影响,优化设计检修舱口的位置。由于本台起重机的上盖板的检修舱口边缘偏近发生裂纹的腹板,应该对该侧腹板乃至附近的主梁受力产生了影响,如果在设计和制造时安排检修舱口在上盖板宽度方向居中布置并做适当补强,应该能使起重机整体受力情况得到改善。

2)虽然对裂纹进行了补焊,并且经过2年的使用和观察未出现新的裂纹,但金属的疲劳破坏机理还是存在的,补焊只能暂时延长起重机的服役时间,并不能根本解决问题。为了确保安全生产应该做好新设备的更换准备[8]。

3)冶金起重机工作环境恶劣、服役时间长、工作频繁、工作载荷大,所以导致疲劳破坏的几率也大。在特种设备定期检验时一定要克服现场的恶劣条件,着重对这些位置认真检验,及时发现问题解决问题,排除安全隐患。起重机的使用单位安全管理人员也要按照定期检验规则的规定认真自检,确保安全生产。

[1] GB/T 3811—2008 起重机设计规范[S]．

[2] 张庆怀．起重机械主梁受力分析[J]．中国高新技术企业，2010 (13) ：59-60．

[3] 王洪亮，陈全．起重机承重梁产生裂纹的原因分析[J]．机械研究与应用，2009(03)：127-128．

[4] 唐新华，胡佑成． 100/32t双梁桥式起重机主梁裂纹分析及修补[J]．起重运输机械，2006(11)：74-76．

[5] 殷之平． 结构疲劳与断裂[M]．西安：西北工业大学出版社，2012．

[6] 杨先勇，刘安中，李友荣，等． 桥式起重机主梁焊缝有限元计算子模型[J]．起重运输机械，2005(04)：8-10．

[7] 罗辉，易海鹏，罗会信．桥式起重机主梁有限元分析[J]．设计计算，2007(02)：67-69+73．

[8] 朱平． 起重机裂纹动力学分析[J]．广东科技，2011(12)：59-60．

Analysis of Main Girder’s Crack Mechanism of Metallurgical Bridge Crane

Sun Xiangguang1Chen Yong1Wang Xingtao1Jia Chunming2Qu Hongri3
(1. Fushun City Special Equipment Supervision and Inspection Institute Fushun 113006)
(2. Catic Dawn Jinxi Machinery (Group) Co., LTD. Huludao 125000)
(3. Fushun New Iron and Steel Co., LTD. Fushun 113000)

Aiming at the crack produced by the web of the metallurgical bridge crane near the end of the transitional arc, the mechanism of crack generation is analyzed by ANSYS fi nite element software, and the effect of the maintenance hatch on the load of the main girder is discussed, the measures of repair welding and strengthen the safety technical inspection proposal are also put forward in this article, which are of great signi fi cance to the design and inspection of crane in this article.

Main girder transition arc Web crack Repair welding ANSYS modeling analysis

X941

B

1673-257X(2017)11-0054-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.11.014

孙祥广（1982～)，男，硕士，中级工程师，从事特种设备检验检测工作。

孙祥广，E-mail： ftjsxg@163．com。

2017-04-19）