450t铸造起重机主梁端部开裂原因分析及改进

2018-08-23陈永胡长义罗会信

中国设备工程 2018年16期

陈永，胡长义，罗会信

（1.武汉钢铁股份有限公司炼钢总厂3分厂；2.武汉科技大学，湖北武汉 430000）

1 450t铸造起重机结构及裂纹介绍

武钢第三炼钢厂钢水接受跨2#450t铸造起重机主要用于在钢水跨将钢水吊运至连铸回转大包台上，承受300 t钢水转运工作。该机整体结构形式为四梁六轨式，属于特大吨位铸造起重机。其四根主梁上铺设六根轨道，副小车占用内侧两根轨道，在两根内主梁内侧腹板上方铺设的轨道上运行；主小车占用四根轨道，在外主梁内侧腹板上方和内主梁外侧腹板上方铺设的轨道上运行。内外主梁之间用铰轴连接，两根内主梁之间用连杆连接，结构简图如图1所示。

图1 450t铸造起重机结构简图

由于该起重机工作频繁，承载重，需要定期进行专门的安全检查。近一段时间，对上述起重机桥架金属结构进行无损探伤时，发现主梁主腹板端部与端梁的连接处出现了严重的疲劳裂纹，威胁着该起重机的安全生产。图2为该裂纹的现场实拍照片及其裂纹部位尺寸示意图。

图2 主梁端部裂纹及示意图

2 现场测试

为了分析该裂纹产生的原因，以便有针对性地加固处理，特对该起重机金属结构的危险部位进行了现场的应力测试。

2.1 测点布置

应力信号采用电阻应变片来测取，其贴片位置如图3所示，其中1#、2#、3#应变片组成一个应变花，用于测取外主梁南端的应力状况，4#应变片位于主梁跨中下盖板处，用于测取主梁跨中的正应力，5#、6#位于主梁北端，分别与1#、3#相对应便于比较。

图3 应变片布置示意图

2.2 应力测试结果及分析

带负载测试是在该起重机正常工作状态下进行的。大、小车分别做相应的运动，到达钢水罐存放位置，吊起钢水罐（450t），再次分别运动。整个工况下主梁端部动态等效应力和剪应力信号如图4所示（调零位置：主小车位于桥架北端）。

从图中可以看出：整个历程中最大值出现在起重机做复合运动时，负载主小车位于南极限瞬间，此时，等效应力稳定值达到57.8MPa，剪切应力稳定值达到55.5MPa，考虑到动态效应，最大等效应力达到73.4MPa，最大剪切应力达到70.8MPa。从图4可以看出，等效应力的变化幅值高达67.4MPa，剪切应力的变化幅值高达59.9MPa。此外，从起吊额定载荷来看，虽只测取了一个工作循环，但从图4可以看出，由于大车运行，导致主梁端部测点处（即该起重机开裂处）出现较大应力幅值的循环数至少有10次之多。正是在同一工作循环中因大车运行存在如此多的高应力循环，使得主梁端部疲劳强度不足，导致该处出现疲劳裂纹。

图4 外主梁南端应变花计算等效应力和剪应力

3 有限元仿真分析

3.1 仿真模型的建立

现场测试的应力是活动载荷引起的测点处的应力，并不是测点的全部应力，实测只能获得测点处的应力。为了全面了解该起重机桥架结构的应力分布规律，以桥架结构为对象，进行了有限元仿真分析。

铸造起重机桥架金属结构比较复杂，在建立有限元模型时对于分析结果影响不大的部位做了适当的简化，去掉了一些辅助的栏杆、加强筋板、走台、扶梯、配电管道等。主体为箱形结构，箱形结构的特点是板材长宽尺寸远大于其厚度尺寸，所以在进行总体分析的时候对箱形梁选用壳单元进行分析。所建立的有限元模型见图5。

图5 450t起重机有限元分析模型

3.2 边界条件

在进行有限元建模时，可将吊车的车轮处视为铰支座，将一端作为固定铰支座，则另一端为一个活动铰支座，按这一思想对吊车的有限元模型施加约束。计算载荷为：①起升载荷，主起升额定载荷450t，副起升额定载荷80t；②小车自重载荷：主小车247.24t；副小车32.181t；③桥架自重载荷（通过重力加速度施加）。动载系数为1.05 (实测所得)，运行冲击系数取1.2。