橋式起重機(jī)主梁一次成型技術(shù)應(yīng)用與仿真分析*

趙敬云1，李強(qiáng)2，朱繪麗1

(1.河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校，河南 新鄉(xiāng)453000;2.河南世通電氣自動(dòng)化控制有限公司,河南 新鄉(xiāng) 453000)

摘要：橋式起重機(jī)主梁一次成型技術(shù)是一種新興的起重機(jī)主梁加工工藝。與傳統(tǒng)橋式起重機(jī)主梁分段成型再焊接拼裝的工藝相比，具有整體結(jié)構(gòu)性能高、生產(chǎn)成本低并節(jié)能環(huán)保的突出優(yōu)點(diǎn)。通過對這一新工藝的系統(tǒng)介紹和深入的數(shù)值分析，進(jìn)一步加深了對該工藝的認(rèn)識(shí)，為該工藝的推廣和進(jìn)一步的革新提供了科學(xué)的研究和論證。

關(guān)鍵詞：橋式起重機(jī);主梁一次成型工藝;仿真分析

中圖分類號(hào)：TH16

收稿日期：*2015-04-15

作者簡介：趙敬云(1973-)，男，河南新鄉(xiāng)人，副教授，碩士，主要從事機(jī)械制造及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)研究。

橋式起重機(jī)是工礦企業(yè)中通用的起重設(shè)備，具有設(shè)計(jì)簡單，安裝快捷，維修方便的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于倉庫、車間等場合，社會(huì)需求量極大。其中，LD單梁橋式起重機(jī)主梁的生產(chǎn)工藝一直采用傳統(tǒng)分段焊接的方法，分段焊接是將主梁分為多段拼焊而成，由于焊接工藝的特點(diǎn)，容易出現(xiàn)缺陷，焊接工藝不容易控制，生產(chǎn)效率低下，成本較高。

隨著單梁起重機(jī)市場需求量的不斷增加，以及進(jìn)一步響應(yīng)國務(wù)院提出的“十二五”期間節(jié)能減排目標(biāo)，傳統(tǒng)的橋式起重機(jī)主梁生產(chǎn)工藝方法急需改進(jìn)。橋式起重機(jī)主梁一次成型技術(shù)是一種新興的起重機(jī)主梁加工工藝，它具有主梁一次成型特點(diǎn)，改變了主梁分段成型再多次焊接拼裝的工藝，目前國內(nèi)只有極少起重機(jī)生產(chǎn)廠家采用。

1起重機(jī)主梁加工工藝簡介

1.1　傳統(tǒng)的起重機(jī)主梁加工工藝簡介

傳統(tǒng)的LD電動(dòng)單梁起重機(jī)主梁采用沖壓U形槽的生產(chǎn)工藝[1]。一般選用6mm的鋼板，下料之后通過折彎變?yōu)閁形槽型，由于鋼板尺寸的限制，每段U形槽的長度不超過1.5m，將U形槽通過翼板與工字鋼導(dǎo)軌焊接在一起，見圖1和圖2，兩端焊接端梁后完成加工。由于多段拼接會(huì)產(chǎn)生較大的變形，焊接后往往需要采用一定的矯正方法，對焊接后的構(gòu)件進(jìn)行整形處理，如機(jī)械矯正、手工矯正和熱加工矯正等，主梁的矯正不當(dāng)會(huì)造成主梁的報(bào)廢。

因此，在傳統(tǒng)的起重機(jī)生產(chǎn)過程中，存在如下問題：焊接的固有特性會(huì)引起主梁焊后變形，焊接是一個(gè)不均勻施熱的過程，局部受熱會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力引起的主梁變形，由于U形槽的制造不規(guī)范，在焊接時(shí)需要對主梁矯正，矯正后焊接主梁存在內(nèi)應(yīng)力，使得主梁在焊接后變形。多段拼接存在累積誤差，最終組裝的質(zhì)量依靠后期校正實(shí)現(xiàn)，主梁的質(zhì)量不容易控制。主梁在后期校正時(shí)如果出現(xiàn)了橫向裂縫可能造成主梁報(bào)廢。主梁校正之后的引起主梁加工硬化會(huì)對主梁的壽命產(chǎn)生一定的影響。

1.U形型板　2.翼板　3.工字鋼 圖1　工字形組合截面

圖2　分段焊接結(jié)構(gòu)圖

1.2　主梁U形槽一次成型工藝

隨著鋼鐵加工技術(shù)的發(fā)展，目前鋼廠生產(chǎn)的冷板、熱板出廠的規(guī)格可以根據(jù)用戶要求定制，起重機(jī)生產(chǎn)廠家也可以根據(jù)主梁的截面直接選用型材，但是如果直接使用型材運(yùn)輸時(shí)占空比太大，運(yùn)輸成本較高。如果起重機(jī)生產(chǎn)企業(yè)采用卷板作為原料，利用冷彎設(shè)備將卷板變?yōu)橹髁旱腢形槽可以大大提高生產(chǎn)效率[2]，提高生產(chǎn)質(zhì)量。

相對于主梁傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝而言，整體式主梁生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)是：主梁采用U形槽、翼板、工字鋼一體組合結(jié)構(gòu)，縱向焊縫減少兩條，中間無橫向焊縫，如圖3所示。

從主梁的截面形狀來看，截面由三個(gè)U形截面組成，主槽深度較深，兩側(cè)翼板深度較低淺，對稱布置，根據(jù)翼板和主槽的展開寬度選用卷板，卷板開卷之后需要經(jīng)過校直工序，再經(jīng)過軋制工序，主槽板安排5次軋制，軋制角度為90°，翼板3次軋制，軋制角度為45°，根據(jù)主梁的長度，在U形槽之前根據(jù)主梁的長度利用剪板機(jī)剪板，在每道工序之間適當(dāng)安排對中工序，以保證軋制的U形槽的對中性。鋼板的動(dòng)力由軋制機(jī)構(gòu)牽引，具體工序如圖4所示。

圖3　整體式主梁生產(chǎn)工藝中減少的橫向焊縫和縱向焊縫位置

圖4　設(shè)備生產(chǎn)流程圖

三塊U形槽板冷軋成型之后,利用軌道輸送裝置送焊接工序,根據(jù)主梁的結(jié)構(gòu)需要布置橫向筋板最終得到一體成型主梁。得到的主梁不僅可以用于單梁起重機(jī)，也可以用于雙梁起重機(jī)生產(chǎn)。為了驗(yàn)證主梁的強(qiáng)度,下面利用有限元的方法對主梁進(jìn)行對比分析。

2有限元模型的建立與承載仿真

以通用5噸單梁起重機(jī)橋架為例，橋架由2個(gè)端梁、主梁等結(jié)構(gòu)組成，見圖5和圖6。橋架整體有限元模型采ANSYS實(shí)體單元進(jìn)行單元離散，見圖7和圖8，分別對主梁施加靜載荷、分布載荷、集中載荷、動(dòng)載荷進(jìn)行模擬分析,經(jīng)過認(rèn)真的分析和比對，更為直觀顯性地反映出主梁傳統(tǒng)工藝和一次成型工藝的受力狀態(tài)，同時(shí)提供出有益的數(shù)值依據(jù)[3]。

圖5　橋架分段焊接結(jié)構(gòu)圖

3有限元分析結(jié)果對比和結(jié)論

通過采用有限元分析軟件進(jìn)行仿真分析，對焊接式主梁和整體式主梁的應(yīng)力和應(yīng)變分析，見圖9和圖10，并得到表1數(shù)值對比結(jié)果。

圖6　橋架整體焊接結(jié)構(gòu)圖

圖7　橋架分段焊接結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

圖8　橋架整體焊接結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

圖9　分段焊接應(yīng)變圖

圖10　整體成型應(yīng)變圖

采用整體主梁對焊接缺陷對主梁承載的影響：

由于整體焊接成型主梁無橫向焊縫,因此主梁的應(yīng)力集中較少,主要集中在端梁與主梁的連接區(qū)域，主梁和端梁的連接處不是應(yīng)力最大點(diǎn)，如果出現(xiàn)焊接缺陷，缺陷處的局部應(yīng)力會(huì)增大，對整體主梁的承載影響最小，即使缺陷尺寸較大，也不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力最大點(diǎn)。表面缺陷在截面面積較小處對整體承載有影響，影響不大。

表1　應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值對比表(單位mm)

采用拼焊接主梁焊接缺陷對主梁承載的影響：

從應(yīng)力應(yīng)變圖可以看出，焊接缺陷對于主梁的整體承載性能影響較大，施加不同的載荷在多處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力最大點(diǎn)，表面缺陷也會(huì)使得局部應(yīng)力提高，從而影響主梁的整體強(qiáng)度。由于是拼焊成型，各個(gè)焊縫的出現(xiàn)缺陷的概率是并行的，拼焊的分段數(shù)目直接影響主梁的可靠性。主梁的縱向焊縫對于整體強(qiáng)度影響較小，橫向焊縫出現(xiàn)缺陷對主梁強(qiáng)度的影響是致命的。主梁與端梁的連接強(qiáng)度對于主梁強(qiáng)度影響較小。

4結(jié)論

根據(jù)有限元仿真的結(jié)果可以看出，采用冷軋工藝來生產(chǎn)起重機(jī)主梁，不影響整體強(qiáng)度。為了提高起重機(jī)的穩(wěn)定性，在主梁軋制之前，可以對卷材預(yù)軋制成波浪形或者其他形狀，然后再軋制成主梁的形狀，這樣相當(dāng)于在主梁上增加了縱向加強(qiáng)筋，從而在不增加截面重量的情況下提高了起重機(jī)的承載性能。

軋制主梁的鋼板可以使用鋼板卷材軋制，卷材的寬度可以根據(jù)主梁的寬度在煉鋼廠定制。節(jié)省制造中的鋼板搬運(yùn)、剪切、沖壓、焊接的勞務(wù)費(fèi)用,以及卷材與板材的差價(jià)。與傳統(tǒng)拼焊工藝相比，可以提高成品質(zhì)量，減少污染排放，降低生產(chǎn)成本，提升企業(yè)產(chǎn)品的市場競爭力，社會(huì)效益以及經(jīng)濟(jì)效益良好。

冷軋制成型可以消除橫向焊縫，減少了焊接缺陷以及殘余應(yīng)力,從而提高了起重機(jī)的制造質(zhì)量，相比傳統(tǒng)工藝，剛性更好。單梁橋式起重機(jī)主梁采用一次整體成型工藝，可直接成型所有跨度的起重機(jī)U形主梁。與傳統(tǒng)工藝相比可大幅度提高生產(chǎn)效率，新工藝制作的主梁無焊縫，不會(huì)有焊接缺陷和污染，提高了主梁的強(qiáng)度和剛度，外形美觀，提高了主梁的安全系數(shù)，使起重機(jī)工作更加可靠，延長了使用壽命，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

(責(zé)任編輯呂春紅)

參考文獻(xiàn)：

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Application and Simulation of Bridge Crane GirderProcessing Use U- Shape Groove

ZHAO Jing-yun，et al

(Henan Mechanical and Electrical Engineering College Xinxiang 453000，China)

Abstract:In this article, the author analyses the shortcoming of traditional techniques in making the U - shape groove in the main girder of the LD Electric Single - girder crane. In traditional techniques it is made that it always by graded punching and then jointing together. The author develops a scheme of new techniques for this manufacturing program by cold bending and analyses benefits to business and advantages to society.

Key words: girder crane; Us- shape groove; simulation analysis