蘇運(yùn)波 俞海輝

(上海振華港機(jī)(集團(tuán))股份有限公司，上海 200125)

港口碼頭作業(yè)的門(mén)座起重機(jī)由工作機(jī)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)、動(dòng)力裝置及控制系統(tǒng)組成，其中金屬結(jié)構(gòu)主要由端梁、橫梁、圓筒體、轉(zhuǎn)盤(pán)、上轉(zhuǎn)柱、小拉桿、平衡梁、大拉桿、象鼻梁及臂架組成。

圖1 象鼻梁變形照片F(xiàn)igure 1 Trunk girder deformation picture

圖2 象鼻梁局部變形照片F(xiàn)igure 2 Local deformation picture of trunk girder

圖3 象鼻梁結(jié)構(gòu)Figure 3 Trunk girder configuration

圖1、圖2 為某港口門(mén)機(jī)象鼻梁突然發(fā)生嚴(yán)重變形的照片，圖3、圖4 為該門(mén)機(jī)象鼻梁結(jié)構(gòu)及變形截面圖。

1 門(mén)座起重機(jī)有限元模型及結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

圖4 象鼻梁變形截面Figure 4 Deformation section of trunk girder

起重量:40 t(抓斗);起升速度:55 m/min;旋轉(zhuǎn):1.2 r/min;變幅:45 m/min。

1.2 設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

按照《歐洲起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(FEM)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。利用等級(jí):U8;載荷狀態(tài):Q4;分類級(jí)別:A8。

1.3 有限元模型及工況計(jì)算

利用ANSYS10.0 中BEMA44 單元，對(duì)該門(mén)座起重機(jī)四連桿系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析［1］，有限元模型見(jiàn)圖5。

計(jì)算工況為:γc×(DL+φ2×(LS+LL)+φ5×(LASL+LALU))+OWL

式中，γc為載荷放大系數(shù);DL 為自重載荷;LL 為吊重;LS 為吊具載荷;φ2為起升沖擊載荷系數(shù);φ5為機(jī)構(gòu)動(dòng)載系數(shù);LASL 為旋轉(zhuǎn)引起的載荷;LALU為變幅引起的載荷;OWL 為風(fēng)載荷［2］。

圖5 四連桿有限元模型Figure 5 Finite element model of four connecting rod system

1.4 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

如圖6 應(yīng)力云圖所示，40 t 抓斗在37 m 幅度，在起升、旋轉(zhuǎn)及變幅三大機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)下，象鼻梁最大拉應(yīng)力為165.607 MPa，最大壓應(yīng)力為164.061 MPa，均 小 于 許 用 應(yīng) 力325/1.33=244.36 MPa。證實(shí)該象鼻梁滿足正常工作要求。

圖6 結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Figure 6 Cloud chart of the configuration

2 象鼻梁結(jié)構(gòu)屈曲分析

《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T3811—2008)中5.7.1.1規(guī)定:當(dāng)加勁肋滿足規(guī)定時(shí)，只需按局部區(qū)格計(jì)算穩(wěn)定性;5.7.1.4 規(guī)定:若受壓翼緣板自由外伸寬度與其厚度之比不大于為設(shè)計(jì)母材的屈服強(qiáng)度)時(shí)，或箱形構(gòu)件兩腹板之間的、或滿足要求的縱向加勁肋之間的受壓翼緣板寬度與厚度之比不大于時(shí)，且板的計(jì)算應(yīng)力不大于0.8 倍的許用應(yīng)力時(shí)，可以不必驗(yàn)算其局部穩(wěn)定性［3］。

象鼻梁損傷處上翼板寬厚比為140，腹板寬厚比為76.25，需驗(yàn)算其局部穩(wěn)定性。且由于上翼板走道上的扁鋼是通過(guò)角鋼進(jìn)行焊接，相當(dāng)于相隔一段距離的電焊形式。從ANSYS 中提取該損傷處的截面應(yīng)力進(jìn)行穩(wěn)定性分析。結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 屈曲計(jì)算結(jié)果Table 1 Buckling calculation results

由表1 計(jì)算結(jié)果可知，上翼板及腹板的σeq＜，均滿足正常工作要求。

3 門(mén)機(jī)象鼻梁變形原因分析

所有門(mén)機(jī)都設(shè)有超載限制器，超載限制器一般設(shè)置為:當(dāng)穩(wěn)定載荷為95%的額定載荷時(shí)，限制器會(huì)預(yù)報(bào)警;當(dāng)瞬間載荷為135%的額定載荷或者105%穩(wěn)定載荷時(shí)，只能下降、收幅，不能旋轉(zhuǎn)。原設(shè)計(jì)計(jì)算按照40 t 抓斗，起升沖擊系數(shù)取1.51，即瞬時(shí)沖擊按40×1.51=60.4 t 進(jìn)行設(shè)計(jì)，而151%的額定載荷已超出超載限制器的保護(hù)范圍。從理論上說(shuō)，該計(jì)算按照FEM 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，偏保守，且計(jì)算應(yīng)力在實(shí)際情況下不可能發(fā)生。

對(duì)于鋼材來(lái)說(shuō)，當(dāng)實(shí)際應(yīng)力超過(guò)許用應(yīng)力時(shí)，板會(huì)產(chǎn)生局部失穩(wěn)，但根據(jù)鋼材特性及屈曲理論，產(chǎn)生局部失穩(wěn)的板材不會(huì)馬上發(fā)生明顯的損傷或坍塌，而是造成鋼板承載能力下降。在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的頻繁超載后，使板材屈曲累計(jì)損傷，最終導(dǎo)致板材承載能力急劇下降，造成結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷。

后經(jīng)過(guò)實(shí)地查看，根據(jù)CMS 的故障顯示檢查，發(fā)現(xiàn)事故當(dāng)天下午設(shè)備超載頻繁。證實(shí)了對(duì)象鼻梁變形事故原因的分析是正確的。

4 改進(jìn)措施

針對(duì)門(mén)座起重機(jī)象鼻梁結(jié)構(gòu)發(fā)生變形的現(xiàn)象，對(duì)結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算和屈曲分析，根據(jù)計(jì)算及分析結(jié)果，得出以下兩點(diǎn)改進(jìn)措施:

(1)從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，將象鼻梁梯子兩側(cè)的扁鋼直接焊接到上翼板上，采用間斷焊，并嚴(yán)格控制其寬厚比，這樣的操作將大大提高結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定性。

(2)從實(shí)際使用的角度看，有必要進(jìn)一步完善安全操作規(guī)程，嚴(yán)禁超載作業(yè)。

［1］博嘉科技.有限元分析軟件—ANSYS 融匯與貫通.北京:中國(guó)水利水電出版社.

［2］潘鐘林譯.歐洲起重機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范(1998 年修訂版).上海振華港口機(jī)械公司譯叢.

［3］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB/T3811—2008).中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008 年.