桥式起重机结构失效与轻量化设计制造的问题探讨

呙中樑 张 勇 蒋秉栋 黄国建

（广州特种机电设备检测研究院 广州 510180）

通用桥式起重机（以下简称“桥机”）是船厂产品制造中不可或缺的生产设备，统计分析表明，船厂用桥机的工作级别一般达到A5-A8，是一种在运行过程中存在较高风险的起重设备。本文以某船厂的一台服役了近10年的桥机（见图1）为例进行分析。

在使用单位日常巡检中发现主梁腹板存在较为严重变形现象（见图2、图3），设备主要参数见表1，笔者通过桥机的主梁进行开箱检测发现内部加强筋出现失稳变形，利用有限元分析软件ANSYS预先建立结构的有限元模型，从结构设计角度出发验算计算出结构的结构强度及稳定性，同时采用应力测试方法实测主梁结构在加载过程中的应力变化，通过现场实测得到的应力值与解析分析法的计算值两种结果参考寻找结构变形的原因。

图1 待测样机

图2 腹板变形

图3 腹板变形量

表1 设备参数

1 形位测试结果

目测可知，若以走道为参照线，腹板与走道“踢脚线”有连续不均匀的间隙（见图2），加之变形部位在主梁跨中部位，若产生失稳，会造成严重的事故，经测试，最大变形量已达到22mm（见图3），已超标（标准要求离上翼缘板H/3区域最大允许值6.8mm，其他区域最大允许值11.6mm）。

开箱后目视检测结果：主梁内部未见明显异常腐蚀、锈蚀现象，主梁内部隔板未见明显变形，主梁外侧腹板变形处内部加强筋有4处明显变形，隔板、筋板与主梁连接角焊缝无明显可见裂纹。

2 主梁有限元模型及计算

2.1 强度校核

材料：Q345，强度系数n=1.48，许用应力：

工况描述：32t小车处于跨中位置。

有限元模型见图4。

主梁端部变截面处出现较大应力，最大应力192.5MPa，主梁下盖板最大受力109.4MPa，该工况下主梁中间上、下盖板应力均小于许用应力。结构设计强度满足实际工况使用需求。

图4 有限元分析结果图

2.2 主梁局部稳定性分析

1）两纵肋之间的上盖板的局部稳定性（见图5）。

图5 主梁跨中截面简图

2）腹板的局部稳定性（见图6）。

图6 腹板应力分布图

t= 14mm;a= 2000mm;b= 2640mm

σ1=-101.15MPa，σ2=-110.86MPa，τ=14.45MPa

板1的局部稳定性（见图7）。

图7 板1应力分布图

由计算结果知，临界局部压应力为93.7MPa，与板的局部稳定性许用应力110.35MPa已经十分接近。

3 应力测试

本次测试选取整机6处关键性位置或变截面位置，具体布点位置如图8所示：

图8 测点布置方案图

测试结果对比见图9、图10、图11。

应力测试结果分析：

1）主梁在吊载30t载荷时，最大受力小于材料许用应力，结构强度符合实际使用要求。

2）从受力对称性可知，对称测点数据反映出主梁受力对称性较好。外侧腹板发生变形，但并未导致主梁两侧受力产生较大差异。

图9 主梁1号-2号测点应力测试数据对比图

图10 主梁3号-4号测点应力测试数据对比图

图11 主梁5号-6号测点应力测试数据对比图

4 结论

1）现代经济快速发展，企业为确保生产效率，起重装卸设备基本都处于超负荷运转状态，实际工作级别高于设计值，加之工作环境恶劣，对操作人员的管理、培训措施不到位，设备极容易提前进入疲劳期，进而引发安全事故。

2）本案例中的起重机就是典型的实际工作级别高于设计值的例子，结构应力测试结果反映出主梁结构强度在满足工况使用要求的前提下，腹板已出现失稳的“疲态”。通过强度校核可知，起重机制造单位在结构的强度及稳定性设计上虽满足使用工况，但由稳定性计算结果可知，设计稳定临界值与许用应力已经十分接近，在长期高强度作业工况下安全裕度不足。

3）近年来，起重机轻量化设计与制造的理念引导下，很多起重机制造企业为了追求利益最大化，在制造工艺并不完全达标的情况下，或者在设计时对使用单位的实际工况考虑不足时，极易导致起重机在“正值壮年”时就出现较大的安全隐患，使用寿命缩短。反观船厂许多的大型起重设备，多由自己设计制造，虽然实际使用的工作级别较低，但设计时一般都会留足安全裕度，加之用料足，许多设备在使用了20～30年之久后仍然保持良好的结构状态。

4）此案例提醒起重设备的使用单位和设计制造单位，对起重机选型问题应引起高度重视。虽然起重设备轻量化能节省购买成本，但设备的提前退役或者因设备结构问题导致的安全事故才是更大的浪费。