莊玉洋，錢紅飆，洪 波，蘇樂(lè)德，于業(yè)超，杜慶升，孫紹琳

（1.大連船舶重工集團(tuán)有限公司，遼寧 大連116000；2.大連益利亞工程機(jī)械有限公司，遼寧 大連116025）

0 概述

在對(duì)大型門座起重機(jī)臂架鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修時(shí)，為避免過(guò)度維修、無(wú)效維修的現(xiàn)象，目前，國(guó)內(nèi)外通常的作法都是先對(duì)損壞的結(jié)構(gòu)區(qū)域，進(jìn)行受力和變形狀況的理論分析，再根據(jù)計(jì)算結(jié)果來(lái)指導(dǎo)維修工藝的設(shè)計(jì)。

本文將以某船舶集團(tuán)一臺(tái)QY027（25t×42m）造船門座起重機(jī)臂架維修方案設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行闡述。從結(jié)構(gòu)受力分析入手，配合工藝條件，來(lái)制定了相應(yīng)的臂架維修改造方案。通過(guò)維修實(shí)踐證明本文所用的理論方法是正確、可靠的。

1 臂架腐蝕情況

某船舶集團(tuán)一臺(tái)QY027造船門座起重機(jī)，在進(jìn)行臂架結(jié)構(gòu)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)：在臂架中部距底部鉸點(diǎn)約21.5 m處的直腹桿腐蝕嚴(yán)重，該直腹桿的中部出現(xiàn)腐蝕洞，長(zhǎng)度約150 m，下端與主弦桿連接處已變形且連接焊縫處形成約100 m長(zhǎng)的裂紋，具體形式如圖1所示。

圖1 臂架腐蝕情況

從檢查結(jié)果來(lái)看，受腐蝕的直腹桿已基本失去維修價(jià)值，符合GB/T6067.1-2010《起重機(jī)械安全規(guī)程第1部分總則》規(guī)定的結(jié)構(gòu)件報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)[1]。且直腹桿下端產(chǎn)生變形和裂紋區(qū)域是在主弦桿處，如不及時(shí)維修，裂紋將有可能擴(kuò)展到主弦桿上，造成更加嚴(yán)重的危害。

2 結(jié)構(gòu)受力分析與校核

臂架整體受力形式可視為懸臂梁形式（見圖2），腐蝕嚴(yán)重的直腹桿處于臂架中間部位，結(jié)構(gòu)受力后彈性變形較大，因此，在制定修復(fù)方案前，需對(duì)臂架維修部位進(jìn)行受力分析，以保證后序施工的安全及維修質(zhì)量，并提高臂架維修的有效性和可靠性。

圖2 整機(jī)結(jié)構(gòu)形式

2.1 設(shè)備描述

QY027（25t）門座起重機(jī)是船廠于1988年設(shè)計(jì)建造的，從結(jié)構(gòu)形式上描述，屬于杠桿滑輪組鋼絲繩補(bǔ)償?shù)膯伪奂軋A筒門架式門座起重機(jī)，該機(jī)具有變幅過(guò)程中吊鉤的位移軌跡近似水平線的特點(diǎn)。變幅結(jié)構(gòu)采用螺桿螺母?jìng)鲃?dòng)形式。

該機(jī)主要結(jié)構(gòu)分為臂架、對(duì)重拉桿、對(duì)重平衡梁、上轉(zhuǎn)柱、轉(zhuǎn)盤和門架等。表1是QY027（25t）門座起重機(jī)技術(shù)性能表。整機(jī)結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

表1 QY027（25t）門座起重機(jī)技術(shù)性能

圖3 整機(jī)結(jié)構(gòu)形式

2.2 臂架結(jié)構(gòu)受力分析

2.2.1 臂架載荷

載荷工況是空載，臂架在最大幅度（42 m），此時(shí)的臂架狀態(tài)有利于施工作業(yè)。臂架上施加的載荷包括：臂架自重、主吊鉤重量、對(duì)重拉桿力和變幅絲桿拉力。具體計(jì)算結(jié)果見表2所示。

表225 t門座臂架42m幅度時(shí)臂架力計(jì)算

2.2.2 有限元分析與計(jì)算

應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析。為便于建模和有限元分析，忽略對(duì)強(qiáng)度影響不大的構(gòu)件，其它主要部件均按照實(shí)際結(jié)構(gòu)建模。臂架橫梁結(jié)構(gòu)采用板殼單元SHELL63進(jìn)行構(gòu)建，自由方式進(jìn)行四邊形網(wǎng)格劃分。臂架載荷見前述。建模時(shí)將腐蝕嚴(yán)重的直腹桿去除，分析計(jì)算臂架結(jié)構(gòu)的受力及變形情況。由計(jì)算結(jié)果知，撤除直腹桿后，腐蝕區(qū)域的最大應(yīng)力63.8 MPa，為壓應(yīng)力，發(fā)生在臂架的下側(cè)主弦桿上，形式如圖4所示。去除直腹桿后，兩點(diǎn)間產(chǎn)生了5.5 mm的相對(duì)位移，形式如圖5所示。

圖4 直腹桿區(qū)域應(yīng)力云圖

圖5 直腹桿區(qū)域位移云圖

2.3 補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析

根據(jù)臂架維修工況的計(jì)算結(jié)果，為保證腐蝕的直腹桿區(qū)域結(jié)構(gòu)尺寸不變，在切斷直腹桿前，先作撐桿予以補(bǔ)強(qiáng)。將撐桿結(jié)構(gòu)加入到有限元模型中進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)比補(bǔ)強(qiáng)前后有限元計(jì)算結(jié)果，撐桿區(qū)域的最大應(yīng)力82.787 MPa，位于補(bǔ)強(qiáng)管的上端，應(yīng)力雖略有增加，但遠(yuǎn)低于材料許用應(yīng)力，符合GB/T3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，形式如圖5所示。直腹桿兩端結(jié)構(gòu)位移基本沒(méi)有變化，形式如圖6所示。說(shuō)明撐桿結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到預(yù)期的效果。

圖6 撐桿區(qū)域應(yīng)力云圖

圖7 撐桿區(qū)域位移云圖

3 臂架維修改造方案

根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，制定了臂架的維修工藝流程，具體如下：

（1）按圖8所示安裝撐桿補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。先按圖劃定位置尺寸并與實(shí)際尺寸進(jìn)行校對(duì)；然后安裝一段主弦桿的外貼補(bǔ)強(qiáng)板；再組對(duì)焊接兩塊角筋板；最后組對(duì)焊接撐桿，對(duì)撐桿管端進(jìn)行焊接封堵密閉。

圖8 撐桿補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)安裝

（2）切斷腐蝕嚴(yán)重的直腹桿，切斷位置尺寸如圖9所示。注意，切割時(shí)不得損傷主弦桿。

圖9 直腹桿切斷位置尺寸

（3）按圖10所示位置尺寸組對(duì)新的直腹桿、主弦桿外貼補(bǔ)強(qiáng)板和角筋板等。對(duì)直腹桿管端進(jìn)行焊接封堵密閉。

圖10 新直腹桿安裝

（4）焊后檢查所有焊縫。所有對(duì)接焊縫保證焊透，焊縫外觀上不得有裂縫、咬邊、焊瘤等缺陷，焊接采用的焊條牌號(hào)為E4315，焊條直徑Φ3.2 mm；焊后對(duì)焊縫進(jìn)行磁粉檢查，焊縫質(zhì)量達(dá)到JB/T 10559-2006規(guī)定的Ⅰ級(jí)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

QY027造船門座起重機(jī)臂架維修方案的設(shè)計(jì)、實(shí)施過(guò)程，是典型的以理論分析為基礎(chǔ)，來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐的金屬結(jié)構(gòu)維修案例。實(shí)施后取得了良好的效果，在達(dá)到維修質(zhì)量的同時(shí)，又提高了生產(chǎn)效率。