基于疲劳强度设计的铸造起重机箱梁结构研究★

于万成

（太原重工股份有限公司技术中心， 山西 太原 030024）

铸造起重机是钢铁厂生产线上的主要设备，其主要通过龙门吊具运输高温液态金属。由于工作环境极其恶劣，金属结构又随时都在承受变化的交变载荷，因此疲劳破坏是铸造起重机金属结构最主要的一种失效形式，其破坏的程度往往决定着铸造起重机的使用寿命。本文通过对当前大型铸造起重机箱梁金属结构的特点，结合铸造起重机箱梁焊接结构的疲劳性能以及理论分析，从设计人员角度出发为提高起重机箱梁结构疲劳强度提出若干措施和方法，对于提高起重机整机使用寿命有重要影响。

1 验算点的确定

起重机偏轨箱形梁一般是由上翼缘板、下翼缘板、型钢、主腹板和副腹板围成一个封闭的长方形的箱形结构，其结构如图1 所示。主腹板与上翼缘板采用由“H”型钢制成的“T”型钢相连接，避免了不加“T”型钢时主腹板与上翼缘板的连接焊缝容易开裂的问题。主梁跨端截面由于高度方向发生变化，主腹板与副腹板在长度方向分别与主副腹板加厚板相连接。为了保证力流的顺畅，“T”型钢的腹板与主腹板和主腹板加厚板均对中连接，小车轨道布置在主腹板上方，用可调式轨道压板装置进行固定。由于该箱梁有较好的垂直和水平刚度，同时梁内有较大的空间，易于安装大车运行机构和电控设备，因此广泛被大型铸造起重机所采用。

主梁的疲劳破坏大多发生在最大正应力、最大剪应力或者正应力和剪应力都较大的位置附近，并且主要发生在受拉区。起重机的主梁在跨中截面附近（如图1A-A剖视）有最大的正应力，在1/4 跨度截面（如图1B-B剖视）内的正应力和剪应力都比较大[1-3]，在跨端（如图1C-C剖视）有最大的剪应力。因此偏轨箱形梁进行疲劳强度验算时，可选上述截面中的三个计算点：跨中附近最大弯矩作用截面的副腹板下角点（见图1A-A视图），是受拉区；1/4 跨度截面的副腹板下角点（见图1B-B视图），是受拉区；跨端截面副腹板加厚板下角点（见图1C-C视图），是受拉区，如图1 中1、2、3 点所示。

图1 主梁简图

2 确定应力集中情况等级

偏轨箱形梁为满足梁腹板的局部稳定性内部均设有隔板，隔板与翼缘板和腹板间采用双面连续角焊缝进行连接。隔板用角焊缝（S.Q）焊接的带切角的横隔板，焊缝不包角且四周焊缝均打磨的情况，为中等应力集中情况等级可定为k2级，因此在计算跨中最大弯矩截面和1/4 跨度截面时，应力集中情况等级均可取为k2。

主梁端部截面高度变小且在此处有大车车轮支承，副腹板加厚板采用k形焊缝与弯板进行连接。凡属用k形焊缝（S.Q）连接承受弯曲应力和剪切应力的构件且焊缝打磨的情况，为中等应力集中情况等级可定为k2级，因此在计算跨端截面时，应力集中情况等级可取为k2。

3 计算最大应力与最小应力

箱梁中的最大应力σx，max、σy，max、τx，ymax是按“起重机金属结构的载荷与载荷组合表”中载荷组合A 中最不利工况确定的，在疲劳计算点上的各个应力循环中，沿x、y轴线方向的绝对值最大计算正应力和x，y轴线形成的平面上的绝对值最大计算剪应力。最小应力σx，min、σy，min、τx，ymin应是和最大应力处在相同应力组合下，同一计算截面同一计算点的最小应力绝对值[1]。

4 验算疲劳强度

针对上述所选计算截面：

1）首先计算该截面计算点的应力循环特性r。当构件单独或同时承受正应力（σx、σy）和剪应力τx，y作用时，应力循环特性值rx、ry、rxy，分别按下式计算：

式中：rx、ry、rx，y分别为应力循环特性值；σx，max、σy，max、τx，y，max分别为构件在疲劳计算点上的绝对值最大正应力和绝对值最大剪应力；σx，min、σy，min、τx，y，min分别为应力循环中与σx，max、σy，max、τx，y，max相对应的同一疲劳计算点上的一组应力值（各带正负号），其差值的绝对值为最大，计算应力循环特性值r（包括rx、ry、rx，y）时，最小应力和最大应力应带各自正负号，拉应力为正号，压应力为负号，剪应力按变化约定。

2）根据构件的工作级别、构件连接的应力集中情况等级以及构件所使用的材质等三个因素，按《起重机设计规范》中表33[1]“拉伸和压缩疲劳许用应力的基本值[σ-1]”中查得疲劳许用应力基本值[σ-2]。

3）根据[σ-1]和应力循环特性r，按《起重机设计规范》中表31[1]“构件疲劳许用应力”，可计算出疲劳许用应力[σr，t]、[σr，c]和[σx，y，r]；

5）文献[2-4]中有关于疲劳强度详细的计算过程，本文不再赘述。

5 提高箱梁疲劳强度的措施

1）由于起重机设计寿命是基于用户所要求的工作时间、载荷循环数、载荷谱等参数。如果用户在产品订货时能够准确提供设计参数：如钢水包重量、钢水重量、每天吊运多少个满包和多少个空包、每个循环中箱梁的受力情况等信息，作为起重机设计的计算依据，箱梁设计将会更加合理。

2）一般铸造起重机起重量较大，大车每侧端梁下有多组车轮，每个车轮经过厂房轨道接头处时都会造成冲击载荷，将会严重降低箱梁的使用寿命，导致起重机早期失效。轨道接头缺陷对使用寿命的影响程度可参见《铸造起重机报废条件》[5]。钢厂必须定期对厂房上的起重机轨道进行检查，同时按照GB/T 10183《起重机车轮及大车和小车轨道公差第1 部分：总则》的要求对轨道进行修复工作。

3）起重机的安装质量能够影响箱梁的使用寿命。如起重机的跨度公差、车轮的水平歪斜和垂直歪斜将会增加车轮啃轨机率，增大车轮磨损，同时也会加大箱梁的水平侧向力所产生的应力水平，从而降低箱梁使用寿命。

4）从《起重机设计规范》表33[1]“拉伸和压缩疲劳许用应力的基本值[σ-2]”可见，随着连接应力集中等级的递增，结构疲劳强度递减，应尽量采用较为合理的应力集中情况等级k值，设计时重要结构件疲劳计算中焊接件的连接类别只允许小于或等于k2，以提高焊缝的拉伸和压缩疲劳许用应力，从而提高构件的疲劳许用应力。

5）采用增加箱梁腹板高度或者翼缘板厚度的方式，使得箱梁跨中截面拥有较大的抗弯截面模量，从而降低箱梁应力水平。

6）为了避免箱梁截面高度突变产生过大的应力集中点，主腹板和副腹板端部宜采用加厚板且弯板以大圆弧进行过渡，使得应力平滑顺畅，不至于产生较大的应力集中情况。同时弯板弯折半径在满足尺寸要求的情况下越大越好，当弯板厚度较厚时建议采用热弯的方式，避免冷弯时在圆弧部位产生裂纹和应力。

7）箱形主梁的主要焊缝（翼缘板和腹板自身的拼接焊缝，翼缘板与主腹板和副腹板的连接焊缝，采用“T”型钢时“T”型钢与翼缘板或腹板的连接焊缝）应采用引、灭弧板，避免焊缝起弧、灭弧时产生应力集中点。

8）“T”型钢与主腹板或主腹板加厚板单面对接时采用1/5 的斜度，双面对接时采用1/5 的斜度，以提高焊缝的应力集中情况等级。

9）上翼缘板上的舱口盖镶圈和副腹板上的门镶圈在保证机电设备正常进入箱梁的情况下，孔口应尽量小且过渡圆弧半径尽量大，从而降低应力集中情况等级，保证应力水平平滑过渡。

10）箱形主梁中用角焊缝将纵向加劲肋焊到翼缘板和腹板上时，应采用双面连续焊缝且焊缝包过纵向加劲肋的各角，避免焊缝起弧、灭弧时产生应力集中点。

11）在箱形主梁中隔板四角切角，应采用双面连续贴角焊缝将其焊到翼缘板和腹板上且焊缝包过隔板的各角[6]，跨中三至四块以及主梁头部左右两端各2 块隔板与翼缘板、腹板之间的焊缝要求打磨光滑，降低隔板与翼缘板、腹板连接处的焊接应力集中情况等级。

12）钢包满载处于上极限位置时，箱梁的下翼缘板长时间受热辐射的影响将使板材金相组织发生蠕变，力学性能降低，从而降低箱梁的承载能力。因此要求铸造起重机箱梁的下翼缘板增设防辐射装置，其能够有效的隔离高温对箱梁下翼缘板的热辐射，提高箱梁的使用寿命。

13）小车轨道宜用整根轨道或将轨道接头焊为一体，以减少小车运行时车轮在轨道接头处对箱梁结构的冲击载荷，同时在轨道下铺设橡胶复合垫板，使其能够完全把载荷传递到箱梁上，降低由小车轮压引起的局部压应力，阻止轨道横向和纵向滑移，有效降低小车的震动和噪音，减小对箱梁的冲击载荷，并能够有效保护小车运行机构，延长箱梁的使用寿命。

6 结论

铸造起重机由于工作任务繁重，工作环境恶劣，寿命受构造形式、载荷状态、设计应力、制造工艺、安装质量、轨道误差、工作环境、操作方式、维护保养等综合因素影响。同时又承受交变载荷的反复作用，疲劳破坏是其主要的失效形式，设计时可以从构件连接的应力集中情况等级、构件接头型式和焊接质量等方面出发，采取不同的措施提高构件的疲劳许用应力，使得结构件疲劳强度设计更加安全可靠。