主梁下挠对起重机安全性能的影响及解决方案

陈希杨

（福建省劳安设备技术开发中心，福建福州 350001）

0 引言

据国家市场监督管理局关于2019 年特种设备安全状况的通报，我国的起重机械保有量已达到245 万余台。从历年市场监督管理总局（原质监总局）特种设备的事故统计分析，起重机安全事故的出事率逐年居高不下，其中有人为的操作因素，也有设备本身不安全因素引起的事故，其中主梁下挠问题一直是起重机械事故的一个重要原因。鉴于此种情况，对起重机主梁下挠问题进行研究，同时也对下挠的各种情况进行探讨，及在各种情形下的使用情况，尽量避免因此而产生的危害。本文主要从理论上对起重机械主梁的相关要求和大量实际工作两个方面，分析其形成原因，并总结预防措施。

1 主梁下挠成因分析

有多方面的原因能够引起起重机械的主梁下挠，通过理论分析和检验工作实践总结，得出最常见是设计、制造、运输、安装和使用等方面的原因。

1.1 设计原因

我国最早的起重机械设计理论参照的是苏联的标准，对主梁静刚度按S/700 进行设计，而且标准对疲劳计算未作要求。采用此标准作为起重机械的设计标准时，考虑到我国钢材物理性能与国外钢材的差距，如果生产过程中过度关注起重机械的轻量化，会造成所设计的主梁界面尺寸偏小，腹板偏薄，其刚度差，主梁在使用过程中，即使不超重使用，也可能过早的产生下挠变形[1]。

检验中经常遇到有些起重机械采用的是箱型主梁，这类主梁结构比较特殊，一般采用焊接结构。用焊接方法制造的主梁，最大的问题在于其焊接应力较为复杂。对钢材进行焊接时，由于焊接过程可以比拟成为一次熔融金属再结晶的过程，焊缝及其附近区域，在由高温到低温的过程中，由于金属收缩，会产生残余应力。有研究表明，这些残余应力达到一定的数量级，会引起主梁变形。从理论上分析，主梁焊缝附近残余应力呈以下特征：上、下盖板焊缝附近为拉应力，中间为压应力；腹板焊缝附近为拉应力，中间为压应力。起重机械的实际使用过程中，主梁承载前后的应力是有区别的，不仅仅是焊接工艺的影响，还存在诸如制造材料的自身内应力，主梁的成拱制造工艺都会产生应力[2]。制造时，主梁腹板不按成拱的要求选用材料、通过火焰矫正或强力矫正来进行上拱成型，都会使箱型梁的内应力变得复杂。在检验中发现，采用铆接梁或焊接桁架梁其下挠变形控制的较好，不易出现上述问题。

1.2 制造工艺原因

主梁拱度的成拱方法不同，对主梁拱度的保持具有不同的影响。随着制造技术的不断提高，成拱方法所带来的影响有逐渐减小的趋势。下面概述常用的三种成拱方法对拱度的影响。

（1）敲打法。梁的腹板下料时不作预留，在焊接完成之后，采用风锤在上盖板和腹板连接焊缝之间进行锤击，释放焊接残余应力的同时，使其产生部分不可逆的塑性变形；同时对下盖板采取火焰加热和重锤顶压的方法也产生一定的塑性变形，以达到标准要求的拱度。其优点在于上盖板的应力得以释放，缺点是下盖板的应力不但没有释放，而且会由于重锤的顶压和加热产生新的不可预知的应力，而且锤压会使钢材产生硬化，硬度上升塑性下降。因此，采用这种方法形成的拱度不稳定，下梁受力时易产生塑性变形，降低拱度。

（2）局部加热法。主梁腹板下料平直，通过控制主梁焊缝焊接顺序使拱度达到要求的方法。其关键在于利用了钢材的热塑性，使其产生了上拱的残余变形，缺点是残余应力值较大，在外载荷的作用下，拱度不稳定，有减小的趋势。

（3）预成型法。在箱型梁制造成形时，将主梁的腹板下料成拱形。由于主梁上部分焊接的筋板较多，焊接残余应力也比下部分大，因此其收缩也大。基于这个原因分析，腹板拱度一定要比制成的主梁拱度大。标准规定：腹板下料时，因保持F=（2.5-3.5）S/1000的上拱量，单根主梁拼焊后保持1.8S/1000 上拱量；桥架组装并焊接轨道后，出厂时应保证其上拱量为S/1000。与敲打法和局部加热法相比，预成型法由于其腹板下料成拱形，受载后拱度消失情况比前者小得多。由此可见，制造方法对拱度的影响较大。

1.3 使用条件的影响

使用单位一般将车间的生产能力、设备重量和使用环境等作为主要因素来购置起重机，安装的起重机一般满足当时选择的参数。检验过程中发现有的单位因生产扩大等原因超负荷使用，如超载使用；吊拔使用场所中未知重量的埋设物；钢丝绳未做好预备措施就起吊；制动器故障；重物冲击等，使主梁下挠发生破坏，不符合标准要求。

1.4 腹板波浪变形的影响

根据力学理论，起重机主梁吊运重物时，腹板承受剪切应力。腹板正常时，剪切变形对于挠度的影响几乎可以忽略不计。但当腹板存在较大的波浪变形时，这种影响将成倍体现。有研究表明，此时剪切变形产生的挠度与波浪数值的平方成正比。随着剪切变形的增大，腹板的压应力也增加，会造成弯曲。当小车在主梁上来回运行时，腹板的受力在45°对角线方向呈时而受拉时而受压的反复交替，这种反复交替的力和腹板本身的波浪变形相叠加，可能会导致腹板产生残余的塑性变形[3]。因此，腹板原始波浪变形越大，其主梁下挠也越大，进而导致受压区域的弯曲应力也越大，如此恶性循环，由于腹板波浪变形而导致的下挠就会越来越严重。

1.5 温度的影响

在起重机械定期检验过程中发现，工作环境温度较高的起重机械，其下挠相对而言更为严重。特别是吊运熔融金属的起重机，长期在温度较高的环境下使用，再加上所吊运工件热辐射共同作用，会导致大梁上下盖板的温度差值较大，其中下部分因距离近受热辐射大而伸长，从而导致主梁拱度自然减小。对于这类起重机械，应在主梁的下盖板采取有效的隔热措施，以减少因温度差异对挠度产生的不利影响。

1.6 安装过程中的不规范操作

起重机械新装或者移装时，其桥架的存放、搬运、起吊和安装的方法均对下挠有影响。桥架属于长径比较大的金属构件，制造时的焊接残余应力较大，这些应力在不合理的存放、搬运、起吊和未按照规程安装的情况下，主梁的下挠会受到严重影响。

1.7 维修工艺不当

维修起重机械主梁时，应在维修前编制相关的维修工艺，否则在桥架上进行气割、焊接等热加工时，会影响主梁的下挠。对于小车轨道的安装，一般采用压板直接焊接在主梁盖板上的方式，工艺比较简单实用，但如果小车轮存在啃轨的起重机械，轨道更换的次数越多，割旧焊新，主梁更容易下挠。建议在拆换小车轨道时，采用电弧气刨或风铲等方法，避免采用加热的工艺方法。压板在气割或焊接时宜将主梁中间顶起，这样可大大减少加热所引起的下挠变形。如果小车轨道采用螺栓固定压板，就免去了割、焊加热的影响。

2 主梁下挠的影响及危害

桥式起重机主梁是起重机主要结构件,在吊运重物的情况下，主梁下挠几乎难以避免,其应保持在规定的范围内，如果下挠超过了规定值，则可能会影响起重机械的安全运行，不及时修复会对人身和财产造成威胁。通过大量的起重机械检验经验，对主梁下挠出现的问题进行总结分析，得出其对起重机械的影响有以下7 个方面。

（1）影响小车运行。主梁下挠会导致小车在主梁上运行时阻力增大。当阻力增大40% 时，将降低小车运行机构寿命或者容易损坏机构零件，增大动力消耗，严重时将烧坏电机。另一方面，由于坡度的影响，小车停机时无法精确定位，对于车间有些对设备定位精度高的场合，影响其使用，严重者发生事故。

（2）影响大车运行。主梁的下挠，对集中传动的大车运行机构影响很大，它将使传动轴在受弯矩的作用下旋转。传动轴转速越高，造成的后果越严重，另外，动力消耗也越大。

（3）影响主梁水平旁弯和腹板。由于主梁下挠，常常引起主梁向内侧水平旁弯。若旁弯超过一定值，小车轨距就要超差。当超差过大时，小车车轮会发生啃道和夹轨现象，同时小车运行阻力也增大，动作迟缓，严重时，在大车受到振动的情况下，还会引起小车脱轨。

（4）主梁下绕往往伴随主梁水平弯曲，局部腹板翘曲变形，腹板与上盖板连接处焊缝开焊、腹板与下盖板连接出现裂纹，主梁几何尺寸的改变会改变桥架及大小车跨度的尺寸。

（5）主梁下绕对集中驱动的大车运行机构影响较大。主梁下绕程度严重，小车车轮形成“三条腿”现象，长期运行小车易产生疲劳损伤和裂纹。

（6）下绕造成的啃轨现象，会增加运行阻力，加速车轮、轨道磨损。啃轨运行产生较大的侧向力，主要集中在端梁头部的横向加筋板处，久而久之使端梁容易开焊或产生裂纹。

（7）对主梁和端梁连接处的影响。主梁下绕引起啃轨，是桥架频繁地由矩形向平行四边形交变，主梁和端梁的T 形连接处，竖向角焊缝抵抗此类变形的能力很差，久之必产生危害。

3 预防措施

（1）起重机供货单位根据使用单位设备的利用等级和载荷状态，合理选定起重机的额定起重量和工作级别。

（2）严禁超载使用。

（3）在高温区域作业时，下翼缘板采取隔热措施；不用时不能停放在高温区域。

（4）严格遵守定期检验制度，加强日常检查。

4 结术语

主梁作为起重机械的重要构件，了解其下挠的成因和产生的危害，对于预防起重机械事故的发生和保障生命财产安全具有重要意义。