桥式起重机箱形主梁的失效研究

冯保生

（遵义市特种设备检验所，遵义 563000）

桥式起重机箱形主梁是桥式起重机的重要组成部分，是一种横跨于起重机两侧的主要结构，用于支撑和承载起重机的运行和起重作业。箱形主梁通常由钢材制成，具有较高的强度和刚度。它的形状呈箱状，由上下两个平行的梁板和连接这两个梁板的立柱和腹板组成。箱形结构使得主梁具有较高的承载能力和抗弯性能。桥式起重机的两个主梁通过一组横梁或轨道连接在一起，形成桥式结构。起重机的行走机构和起升机构安装在主梁上，通过主梁的行走和起升运动实现起重作业。由于箱形主梁容易受多种因素影响导致失效，必须重点分析。

1 桥式起重机箱形主梁的失效形式及原因分析

1.1 弯曲失效形式及原因分析

桥式起重机箱形主梁的弯曲失效形式通常包括3种。第一，弯曲破裂。主梁受到过大的弯曲力矩而发生破裂，可能由超载、意外负荷或设计缺陷引起[1]。第二，塑性变形。主梁受到弯曲力矩而发生塑性变形，超出其可接受的变形范围，可能由长期使用、过载或材料疲劳引起。第三，屈曲失稳。主梁受到过大的弯曲力矩而发生屈曲失稳，可能由设计不合理、材料强度不足或长期受力引起。

导致箱形主梁弯曲失效的主要原因分为5 点。第一，超载。主梁承受的负荷超出其设计载荷能力，导致弯曲力矩过大。第二，材料质量问题。主梁的材料强度不足、质量不合格或存在缺陷，使其无法承受预期的弯曲力矩。第三，设计缺陷。主梁的设计存在缺陷，如断面尺寸过小、连接方式不合理等，导致其无法有效抵抗弯曲力矩。第四，疲劳损伤。长期使用或频繁受力导致主梁材料出现疲劳损伤，降低了其抵抗弯曲力矩的能力。第五，不当使用。错误的操作或使用方式，如突然改变负荷方向、频繁超载等，会导致主梁受到过大的弯曲力矩。

若要避免箱形主梁出现弯曲失效的情况，应注意合理使用和维护，确保负荷在设计范围内，并定期检查主梁的材料和结构状态，及时修复或更换受损部分。另外，在设计和制造过程中，应严格遵守相关标准和规范，确保主梁的强度和稳定性。

1.2 疲劳失效形式及原因分析

桥式起重机箱形主梁的疲劳失效形式通常包含裂纹的形成和扩展，最终导致主梁断裂。疲劳失效的主要原因如图1 所示。第一，周期性加载。桥式起重机在工作中会受到周期性加载，如起重物的吊起和落下，这种循环加载会导致主梁受到反复应力的作用，从而加速疲劳裂纹的形成和扩展。第二，过载。当起重机超过额定工作负荷、频繁进行超载工作时，主梁的受力将超过其设计极限，从而引起疲劳裂纹的产生和扩展。第三，材料缺陷。主梁的材料存在缺陷，如内部夹杂物、孔洞等，这些缺陷会导致主梁的强度和韧性下降，容易引发疲劳断裂。第四，不当使用和维护。如果起重机的操作者不按照正确的操作规程使用，或者忽视对主梁的定期检查和维护，如未及时修复表面的腐蚀和损伤，会导致主梁寿命降低，出现疲劳失效。

图1 疲劳失效原因

为了预防桥式起重机箱形主梁的疲劳失效，延长其使用寿命，应定期对主梁进行全面检查，包括外观、焊接接头、内部缺陷等，发现问题及时修复。同时，确保起重机在额定工作负荷范围内使用，避免频繁超载[2]。主梁的设计和选材应符合相关标准和要求，确保其强度和韧性。另外，还应对起重机的操作人员进行培训，使其能够正确操作和维护起重机。

1.3 腐蚀失效形式及原因分析

桥式起重机箱形主梁的腐蚀失效形式主要有4 种。第一，表面腐蚀。主梁表面受到外界环境中的氧气、水分和腐蚀介质等的侵蚀，导致表面金属发生氧化、锈蚀等现象。第二，孔蚀。在主梁表面或内部的孔洞处发生腐蚀，形成孔蚀缺陷。这种腐蚀失效形式通常是介质中的腐蚀物质在孔洞处聚积，导致局部腐蚀。第三，焊缝腐蚀。主梁焊接处的焊缝容易受到腐蚀影响，导致焊缝区域发生腐蚀失效。第四，底部腐蚀。主梁底部长期受到潮湿环境、积水等因素的影响，容易发生腐蚀。

导致箱形主梁腐蚀失效的主要原因如图2 所示。第一，环境因素。主梁长期处于高温、高湿、强酸碱性或含有腐蚀物质的环境中，容易导致腐蚀失效。第二，材料选择不当。主梁材料的选择不合理，如使用的钢材抗腐蚀性能较差，容易导致腐蚀失效。第三，表面处理不当。主梁表面的防腐涂层质量不过关或未按照要求进行定期维护，使得主梁表面容易受到腐蚀。第四，焊接质量问题。主梁焊接处的焊缝质量不过关，如焊接接头处出现锈蚀、氧化等现象，容易导致腐蚀失效。

图2 焊接失效原因

为了减少主梁的腐蚀失效，需要选择抗腐蚀性能较强的材料，并采取有效的防腐措施。例如，定期检查和维护主梁表面的防腐涂层，加强焊接工艺控制，以及控制工作环境的湿度和腐蚀物质的接触等。

1.4 焊接失效形式及原因分析

桥式起重机箱形主梁的焊接失效形式主要包括4 种。第一，焊缝开裂。焊缝在受力条件下发生断裂，通常是焊接过程中出现焊接缺陷、材料质量问题或者受到过大的外力作用导致[3]。第二，焊接接头断裂。焊接接头处发生断裂，通常是焊接接头设计不合理、焊接质量差、应力集中等原因。第三，焊缝腐蚀。焊缝受到腐蚀，通常由受外界环境的腐蚀介质、湿度、温度等因素的影响。第四，焊接变形。焊接过程中产生的热变形或冷却过程中的残余应力导致结构变形，通常由焊接工艺控制不当、焊接时产生的应力未得到合理消除等原因引起。造成焊接失效形式的原因主要包括焊接工艺不合理、焊接质量差、材料质量问题、受力过大和环境腐蚀等。为了避免焊接失效问题，需要在焊接过程中严格控制焊接工艺，选择优质材料，合理设计焊接接头，并进行必要的检测和维护工作。

1.5 开裂失效形式及原因分析

当桥式起重机箱形主梁出现疲劳失效、弯曲失效、腐蚀失效后，如果未得到及时处置，便有可能导致主梁开裂[4]。第一，疲劳失效导致开裂。主梁长期受到重载荷载和频繁工作循环的影响，主梁中的金属材料会发生疲劳损伤，导致开裂失效。第二，弯曲失效导致开裂。主梁在受到不均匀荷载或过载作用时会出现弯曲变形，超出其承载能力，从而导致开裂失效。第三，冲击引发的开裂。主梁在起重操作中，由于负载的突然变化或碰撞力的作用，产生冲击载荷，超出主梁的强度极限，引发开裂失效。第四，腐蚀失效导致开裂。主梁长期暴露在潮湿、腐蚀环境中，如海洋、化工厂等，会引起金属材料的腐蚀，导致开裂失效。

造成此种失效形式的原因分为4 条。第一，设计不合理。主梁的设计参数、截面形状和尺寸选择不当，无法满足实际工况下的承载要求，导致开裂失效。第二，制造质量问题。主梁在制造过程中存在焊接缺陷、材料质量不达标等问题，使主梁的强度和韧性受到影响，容易发生开裂失效。第三，过载使用。主梁长期承受超负荷工作，超出其设计承载能力，导致开裂失效。第四，维护保养不当。主梁未按要求进行定期检查、维护和保养，导致潜在缺陷无法及时发现和修复，从而引发开裂失效。

为了避免桥式起重机箱形主梁的开裂失效，需要合理设计、选择合适的材料、加强制造质量控制，严格按照操作规程使用，并定期进行维护和保养。

2 桥式起重机箱形主梁失效案例分析

2.1 某桥式起重机箱形主梁失效分析

2.1.1 失效形式及主要缺陷

某铸造企业购置一台用于吊运熔融金属的通用桥式起重机，运行2 年后发现其运转效率降低，且常出现较大异常声响，初步判断其在一定程度上存在失效问题。经过检查后发现，该起重机的主梁腹板与大车运行机构减速器连接的底板处出现明显裂纹。对该处裂纹进行焊补处理后，失效现象依然未能得到解决。

2.1.2 导致失效的原因分析

针对焊补处理后并未达到理想效果的现状进行深度原因分析。经探查后得知，在出现本次失效故障前约5 个月，检修人员便已经发现主梁腹板与减速器连接底板处出现裂纹。为防止裂纹进一步扩大，当时采用焊接方式进行加固。此举虽然暂时解决了失效问题，恢复了设备功能，但是焊接作业属于局部加热，会导致局部金属在高温环境下液化。在金属材料高温液化、低温固化的过程中，金属主体实际上会持续受到拉应力，为后续出现裂缝埋下隐患。

2.2 处理箱形主梁焊接失效的方法

检修人员经过分析后，认为案例中的失效属于焊接失效，于是继续采用焊接修补作业，但是适当加入同类型金属填补，以降低设备修补后受到的内部拉应力，避免后续再出现同类型失效。在此基础上，应首先检查焊接接头的裂纹、疲劳、变形或脱焊等情况，确定焊接失效的程度，并根据失效程度决定是否需要修复或更换焊接接头。其次，使用合适的清洁剂和工具，将焊接接头表面的污垢、锈蚀和涂层等物质清除干净，确保焊接接头表面干净、光滑[5]。最后，根据焊接失效的具体情况选择合适的修复方法，如重新焊接、加固支撑、更换焊接接头等。

3 结语

桥式起重机箱形主梁的设计和制造需要考虑起重机的额定载荷、工作环境和使用要求，其需要具备足够的强度和刚度，以确保起重机的安全运行和稳定起升。在实际应用时，桥式起重机箱形主梁常见的失效形式包括但不限于弯曲失效、疲劳失效、腐蚀失效、焊接失效和开裂失效。当发现箱形主梁失效时，应及时查明具体形式及原因，进行针对性处理，恢复箱形主梁的功能，最终达到延长设备寿命、提高生产效率和质量的目的。