造船龙门起重机大车平衡梁裂纹分析

庄玉洋，钱红飙，洪 波，郭晓光

（1.大连船舶重工集团有限公司，辽宁 大连116021；2.大连益利亚工程机械有限公司，辽宁 大连116025）

0 引言

从起重机日常故障维修比例来看，金属结构裂纹修理占到其他各项故障维修之首。引起起重机金属结构裂纹的因素有多种，主要是超负荷工作、起重机失修、设计制造、材料缺陷及焊接质量等。

本文对某船舶集团一台600 t造船门式起重机大车平衡梁结构裂纹维修进行阐述。从金属结构受力分析入手，配合结构工艺性分析，来查找判断裂纹产生原因，并根据计算分析结果，制定相应的结构维修改造方案。所用方法通过实践证实是正确可靠的。

1 平衡梁裂纹检查

某船舶集团一台600 t造船龙门起重机，起重量600 t，起升高度90 m，跨度188 m，整机自重4 524 t，刚挠腿大车运行机构各配置48个车轮。大车运行机构结构形式见图1所示。

图1 大车运行机构结构形式

在进行日常点检时，发现大车平衡梁铰点结构的焊缝区域产生裂纹，且集中在大、中平衡梁上，对起重机的安全运行产生严重影响。平衡梁结构检查结果见表1所示。符合GB/T6067.1-2010《起重机械安全规程 第1部分 总则》[1]。

表1 平衡梁检查

裂纹区域检查。根据图纸技术要求，裂纹区域的焊缝为开坡口熔透焊缝，但由于无损检测不能反映裂纹处的内在情况，因此，随机抽查两处裂纹，采用气刨将裂纹区域焊缝打开，发现焊缝内部存在夹碴、未熔透等较严重缺陷。

2 裂纹分析

2.1 平衡梁结构受力分析

（1）载荷计算

根据该门吊的计算书，按空载和满载荷组合工况，分别计算刚、挠腿平衡梁的受力情况。各腿分别取最大点载荷加载到大平衡梁铰点上，具体加载数值见表2。

表2 载荷表

（2）有限元模型

应用ANSYS软件进行有限元分析，各级平衡梁主框架结构为箱型焊接结构，通过销轴进行连接。建模时，箱型结构按SHELL板单元建立，销轴连接处建立质量点，作偶合处理，模拟销轴连接方式。有限元模型及约束形式见图2所示。

图2 边界条件

（3）计算结果

刚、挠腿在两种工况下的计算结果见表3。图3和图4分别为空载时刚腿侧的大平衡梁和中平衡梁应力云图。计算的最大应力都发生在出现裂纹的焊缝区域。其中，在空载时刚腿侧的最大应力225.2 MPa，发生在大平衡梁上，满载时的最大应力为273 MPa，超出Q345材料许用应力（按板厚30 mm计算得243 MPa）的1.12倍；挠腿侧在空载时的最大应力203.5 MPa，发生在大平衡梁上，满载时的最大应力为246.6 MPa，略超出Q345材料的许用应力。

表3 刚、挠腿在两种工况下的计算结果

图3 空载时刚腿侧大平衡梁应力云图

图4 空载时刚腿侧中平衡梁应力云图

（4）结果分析

从平衡梁受力分析来看，大车运行机构的各级平衡梁，在空载运行时，裂纹所在的焊缝区域，其计算应力就较大，达到了Q345许用应力（243 MPa）的80%以上；另外，由于最大应力都发生在结构突变处，这是应力集中的体现；对比刚、挠腿平衡梁受力结果，刚腿侧的应力大于同工况下挠腿侧应力。综上分析认为：裂纹的产生与结构所承受应力有关，应力大则破坏就相对严重，这从实际裂纹检查结果得到印证，而且，结构的应力集中也对裂纹的产生起到重要影响。

2.2 裂纹表象分析

（1）裂纹的表象特点

裂纹产生位置都在座板与下盖板的连接焊缝，该焊缝在设计时为开坡口焊透焊缝；产生裂纹的区域，没有发现明显的塑性变形情况；检查焊缝内部存在夹碴、未熔透等较严重缺陷。

（2）表象分析

从裂纹的表象特征来看，裂纹都产生在结构突变处的焊缝上，且该区域布置有多道交叉集中焊缝，其结构工艺性相对较差，由于焊接质量控制不好，在焊缝内部产生了夹碴、未熔透等较严重缺陷，在综合应力作用下，裂纹从焊缝的缺陷部位开始，逐步向外延展形成表象。因此，分析认为，结构工艺性较差、焊接质量缺陷等是导致裂纹产生的主因，

3 平衡梁维修

（1）维修原则

根据分析结果，将平衡梁的维修重点放在解决以下两方面问题上：一是降低裂纹区域的应力水平，减缓应力集中现象；二是去除焊接缺陷，保证焊接质量。

（2）平衡梁结构改造

在大平衡梁的结构拐角区，焊接板厚20 mm的加强筋板，连接采用带衬板单边开坡口熔透焊缝，并在腹板上焊接16 mm的补强板，采用角焊缝连接，图5为大平衡梁补强结构示意图。

在中平衡梁的结构拐角区焊接板厚20 mm加强筋板，连接采用带衬板单边开坡口熔透焊缝，图6为中平衡梁补强结构示意图。

图5 大平衡梁补强结构

图6 中平衡梁补强结构

（3）理论分析校核

采用ANSYS分析软件，建模分析平衡梁结构改造前后应力变化情况。计算工况：小车在刚腿侧，吊载600 t，大车运行，工作风速。计算结果：在裂纹所在区域，应力有了较大改善。其中，大平衡梁在裂纹处的应力由272 MPa下降至181 MPa，中平衡梁在裂纹处的应力由261 MPa下降至224 MPa。图7到图10为平衡梁结构改造前后应力云图。符合GB/T 3811-2008《起重机设计规范》[2]。

图7 大平衡梁结构改造前应力云图

图8 大平衡梁结构改造后应力云图

图9 中平衡梁结构改造前应力云图

图10 中平衡梁结构改造后应力云图

（4）维修措施

为了确保本次平衡梁的维修质量，对现场施工提出了以下要求：

1）在维修期间，应保证大、中平衡梁裂纹区域在维修期间不受力，避免结构内应力对焊接质量产生影响；

2）裂纹区域的缺陷清理要彻底，采用气刨清理裂纹区域的焊缝，清理的深度达到板厚尺寸，气割时不能切割到平衡梁的耳座板，气割后要采用手动打磨方式对焊接区域的氧化皮、飞溅等打磨干净。

3）焊接采用气体保护焊，焊接材料采用H08Mn2-SiA所有开坡口熔透焊缝均要保证焊透，焊缝外观上不得有裂缝、咬边、焊瘤等缺陷。

4）焊后对焊缝进行磁粉无损检测。

4 结束语

通过本案例，使设计人员更深刻地认识到：在图纸设计时应尽可能避免或缓解主承力构件上的应力集中，并加强结构工艺性分析，为加工质量的提高创造条件。以上述理论计算分析为依据制订的维修方案，在大船600 t造船门吊大车平衡梁裂纹维修项目中，进行了具体应用与实施，并取得了良好的效果，保证了该600 t造船龙门起重机的安全使用。