陳永，胡長義，羅會(huì)信

（1.武漢鋼鐵股份有限公司煉鋼總廠3分廠；2.武漢科技大學(xué)，湖北 武漢 430000）

1 450t鑄造起重機(jī)結(jié)構(gòu)及裂紋介紹

武鋼第三煉鋼廠鋼水接受跨2#450t鑄造起重機(jī)主要用于在鋼水跨將鋼水吊運(yùn)至連鑄回轉(zhuǎn)大包臺(tái)上，承受300 t鋼水轉(zhuǎn)運(yùn)工作。該機(jī)整體結(jié)構(gòu)形式為四梁六軌式，屬于特大噸位鑄造起重機(jī)。其四根主梁上鋪設(shè)六根軌道，副小車占用內(nèi)側(cè)兩根軌道，在兩根內(nèi)主梁內(nèi)側(cè)腹板上方鋪設(shè)的軌道上運(yùn)行；主小車占用四根軌道，在外主梁內(nèi)側(cè)腹板上方和內(nèi)主梁外側(cè)腹板上方鋪設(shè)的軌道上運(yùn)行。內(nèi)外主梁之間用鉸軸連接，兩根內(nèi)主梁之間用連桿連接，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 450t鑄造起重機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

由于該起重機(jī)工作頻繁，承載重，需要定期進(jìn)行專門的安全檢查。近一段時(shí)間，對上述起重機(jī)橋架金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損探傷時(shí)，發(fā)現(xiàn)主梁主腹板端部與端梁的連接處出現(xiàn)了嚴(yán)重的疲勞裂紋，威脅著該起重機(jī)的安全生產(chǎn)。圖2為該裂紋的現(xiàn)場實(shí)拍照片及其裂紋部位尺寸示意圖。

圖2 主梁端部裂紋及示意圖

2 現(xiàn)場測試

為了分析該裂紋產(chǎn)生的原因，以便有針對性地加固處理，特對該起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)部位進(jìn)行了現(xiàn)場的應(yīng)力測試。

2.1 測點(diǎn)布置

應(yīng)力信號(hào)采用電阻應(yīng)變片來測取，其貼片位置如圖3所示，其中1#、2#、3#應(yīng)變片組成一個(gè)應(yīng)變花，用于測取外主梁南端的應(yīng)力狀況，4#應(yīng)變片位于主梁跨中下蓋板處，用于測取主梁跨中的正應(yīng)力，5#、6#位于主梁北端，分別與1#、3#相對應(yīng)便于比較。

圖3 應(yīng)變片布置示意圖

2.2 應(yīng)力測試結(jié)果及分析

帶負(fù)載測試是在該起重機(jī)正常工作狀態(tài)下進(jìn)行的。大、小車分別做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，到達(dá)鋼水罐存放位置，吊起鋼水罐（450t），再次分別運(yùn)動(dòng)。整個(gè)工況下主梁端部動(dòng)態(tài)等效應(yīng)力和剪應(yīng)力信號(hào)如圖4所示（調(diào)零位置：主小車位于橋架北端）。

從圖中可以看出：整個(gè)歷程中最大值出現(xiàn)在起重機(jī)做復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)，負(fù)載主小車位于南極限瞬間，此時(shí)，等效應(yīng)力穩(wěn)定值達(dá)到57.8MPa，剪切應(yīng)力穩(wěn)定值達(dá)到55.5MPa，考慮到動(dòng)態(tài)效應(yīng)，最大等效應(yīng)力達(dá)到73.4MPa，最大剪切應(yīng)力達(dá)到70.8MPa。從圖4可以看出，等效應(yīng)力的變化幅值高達(dá)67.4MPa，剪切應(yīng)力的變化幅值高達(dá)59.9MPa。此外，從起吊額定載荷來看，雖只測取了一個(gè)工作循環(huán)，但從圖4可以看出，由于大車運(yùn)行，導(dǎo)致主梁端部測點(diǎn)處（即該起重機(jī)開裂處）出現(xiàn)較大應(yīng)力幅值的循環(huán)數(shù)至少有10次之多。正是在同一工作循環(huán)中因大車運(yùn)行存在如此多的高應(yīng)力循環(huán)，使得主梁端部疲勞強(qiáng)度不足，導(dǎo)致該處出現(xiàn)疲勞裂紋。

圖4 外主梁南端應(yīng)變花計(jì)算等效應(yīng)力和剪應(yīng)力

3 有限元仿真分析

3.1 仿真模型的建立

現(xiàn)場測試的應(yīng)力是活動(dòng)載荷引起的測點(diǎn)處的應(yīng)力，并不是測點(diǎn)的全部應(yīng)力，實(shí)測只能獲得測點(diǎn)處的應(yīng)力。為了全面了解該起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布規(guī)律，以橋架結(jié)構(gòu)為對象，進(jìn)行了有限元仿真分析。

鑄造起重機(jī)橋架金屬結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在建立有限元模型時(shí)對于分析結(jié)果影響不大的部位做了適當(dāng)?shù)暮喕?，去掉了一些輔助的欄桿、加強(qiáng)筋板、走臺(tái)、扶梯、配電管道等。主體為箱形結(jié)構(gòu)，箱形結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是板材長寬尺寸遠(yuǎn)大于其厚度尺寸，所以在進(jìn)行總體分析的時(shí)候?qū)ο湫瘟哼x用殼單元進(jìn)行分析。所建立的有限元模型見圖5。

圖5 450t起重機(jī)有限元分析模型

3.2 邊界條件

在進(jìn)行有限元建模時(shí)，可將吊車的車輪處視為鉸支座，將一端作為固定鉸支座，則另一端為一個(gè)活動(dòng)鉸支座，按這一思想對吊車的有限元模型施加約束。計(jì)算載荷為：①起升載荷，主起升額定載荷450t，副起升額定載荷80t；②小車自重載荷：主小車247.24t；副小車32.181t；③橋架自重載荷（通過重力加速度施加）。動(dòng)載系數(shù)為1.05 (實(shí)測所得)，運(yùn)行沖擊系數(shù)取1.2。

3.3 計(jì)算結(jié)果

（1）載荷工況1的計(jì)算結(jié)果。載荷工況1是滿載小車居跨中，不計(jì)橋架自重載荷，以與實(shí)測結(jié)果對照。應(yīng)變片測點(diǎn)位置處應(yīng)力場如圖6所示。

圖6 測點(diǎn)位置應(yīng)力圖

從圖6可以看出，滿載小車處跨中時(shí)，仿真得出的主梁主腹板端部的測點(diǎn)處最大應(yīng)力為69.8MPa。而測點(diǎn)測試最大等效應(yīng)力為73.4MPa，誤差為6.3%。表明仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合良好。

（2）載荷工況2的計(jì)算結(jié)果。載荷工況2是考慮主梁端部結(jié)構(gòu)承受最大負(fù)載是處于最危險(xiǎn)情況下的一種工況：滿載小車居跨端，并考慮橋架自重。取運(yùn)行沖擊系數(shù)1.2，模擬滿載小車處于跨端且大車處于運(yùn)行狀態(tài)。該工況下的總體結(jié)構(gòu)應(yīng)力場見圖7。

圖7 活動(dòng)載荷在跨端時(shí)橋架整體的應(yīng)力圖

在這種載荷工況下，橋架中的最大應(yīng)力處于主梁端部彎板處，即主梁端部開裂處。該處局部應(yīng)力分布的放大圖見圖8。

從圖7可以看出，在最危險(xiǎn)工況下，主梁端部的最大應(yīng)力為184MPa。

圖8 主梁端部局部放大圖

4 主梁端部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案及其仿真結(jié)果

為了加強(qiáng)主梁端部的強(qiáng)度，提高其抗疲勞能力，提出主梁端部的局部加強(qiáng)方案，見圖9所示。加強(qiáng)板厚度與原主梁腹板厚度接近，為20mm。

用主梁端部補(bǔ)焊加強(qiáng)板后的有限元模型再次提交計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，得到在最危險(xiǎn)工況下，其主梁端部的最大應(yīng)力已從184MPa下降到144MPa，降低應(yīng)力水平21.7%，效果明顯，可以大大提高橋架的抗疲勞能力。本加固方案于2010年5月實(shí)施，運(yùn)行兩年效果良好。

5 結(jié)語

通過現(xiàn)場應(yīng)力測試和有限元仿真分析，可以得出如下結(jié)論。

圖9 鑄造起重機(jī)主梁端部加強(qiáng)圖

（1）當(dāng)滿載小車處于端部，大車運(yùn)行時(shí)，主梁端部的應(yīng)力水平達(dá)到了184MPa。過高的應(yīng)力水平導(dǎo)致該處產(chǎn)生疲勞裂紋。這就是該車主梁端部開裂的原因。

（2）在相同載荷工況下，所建立的有限元分析模型的仿真結(jié)果與測試結(jié)果吻合良好，表明仿真結(jié)果能反映該吊車的實(shí)際應(yīng)力分布規(guī)律。

（3）提出了在主梁端部局部加強(qiáng)的改進(jìn)方案，通過對加強(qiáng)方案進(jìn)行有限元仿真分析，在同一危險(xiǎn)載荷工況下，主梁端部的最大應(yīng)力已從184MPa下降到了144MPa，可以有效地提高該處的抗疲勞能力。