馬 文

(太原重工股份有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030024)

0 引言

冶金橋式起重機是冶金工業(yè)生產(chǎn)線中承擔(dān)物料搬運的關(guān)鍵設(shè)備，設(shè)備在高頻、高載荷的工況下運行。橋式起重機的主梁是金屬結(jié)構(gòu)的骨架，主梁結(jié)構(gòu)的安全性決定著設(shè)備的工作級別和安全等級。在傳統(tǒng)設(shè)計中，冶金起重機有一定安全系數(shù)，會留有一定的強度儲備，這為設(shè)備升級改造留下空間。隨著設(shè)備使用年限的增加和生產(chǎn)環(huán)境的改變，設(shè)備的安全性儲備會逐步降低，而冶金起重機造價高昂，部分企業(yè)有實施設(shè)備升級技術(shù)改造的需求，為使此類工程建立在嚴(yán)格的科學(xué)依據(jù)基礎(chǔ)上，本文結(jié)合有限元分析技術(shù)、現(xiàn)代檢測技術(shù)總結(jié)了一套評估方法和流程，并以一臺實際升級改造的設(shè)備為例進行評估研究，對該技術(shù)進行有效驗證。

1 橋式起重機結(jié)構(gòu)測試和評估的技術(shù)路線和方法

橋式起重機結(jié)構(gòu)測試和評估的工作流程為：

(1) 按照國家標(biāo)準(zhǔn)要求進行設(shè)備質(zhì)量檢測，并記錄測試過程和測試數(shù)據(jù)，主要包括上拱度、腹板局部平面度、主梁上翼緣板的水平偏斜、主梁腹板的垂直偏斜、小車軌距偏差、同截面小車軌道高度差等。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5905起重機試驗規(guī)范和程序[1]、GB/T 14405通用橋式起重機[2]、JB 7688冶金起重機技術(shù)條件完成設(shè)備的質(zhì)量檢測[3]，評價起重機的質(zhì)量現(xiàn)狀和測試其是否能夠達到設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)。

(2) 應(yīng)用無損檢測手段進行探傷檢測。對主要結(jié)構(gòu)件的可見焊縫及母材，由目測進行詳細的裂紋檢查；對重要焊縫內(nèi)部進行超聲波抽檢無損探傷，超聲波檢測執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為JB/T 4730.3—2005[4]，可測試微觀裂紋、結(jié)構(gòu)內(nèi)部焊接質(zhì)量，從而評價設(shè)備整體焊接質(zhì)量。

(3) 進行結(jié)構(gòu)強度測試。在滿負荷狀態(tài)下完成結(jié)構(gòu)最大受力部位的強度試驗，選用應(yīng)力測試技術(shù)，選擇金屬結(jié)構(gòu)危險截面進行應(yīng)變計的安裝和載荷試驗，測試整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平和強度儲備，結(jié)合載荷測試數(shù)據(jù)可進行有限元計算和現(xiàn)場試驗關(guān)鍵點數(shù)據(jù)比對和校核，從而為設(shè)備升級提供理論依據(jù)。結(jié)合有限元計算分析，綜合評估結(jié)構(gòu)最大受力部位的強度安全性。

(4) 有限元計算。按照有限元計算的方式進行設(shè)備三維結(jié)構(gòu)建模，大噸位橋式起重機目前較多采用箱形框架梁結(jié)構(gòu)，通常由兩個主梁、兩個端梁構(gòu)成，采用對稱箱形結(jié)構(gòu)，小車的運行軌道采用T型鋼，與主梁的主腹板焊接成一體，主梁為偏軌箱形梁結(jié)構(gòu)，有限元計算通常選用Shell單元。建模時，主梁簡化為簡支梁，按照簡支梁的約束進行計算，計算工況包含自重工況、載荷工況。

(5) 起升運行機構(gòu)部件驗算。依據(jù)GB 3811起重機設(shè)計規(guī)范,完成對傳動機構(gòu)、運行機構(gòu)、起升機構(gòu)的驗算[5]。

最后綜合質(zhì)量檢測、強度試驗、機構(gòu)驗算、無損探傷、有限元計算等幾項內(nèi)容，形成冶金起重機起升重量升級改造安全評估結(jié)論。

2 某鋼廠起重機升級改造案例

由于生產(chǎn)需要，某鋼廠決定將原額定重量為100 t的鑄造起重機升級為110 t，現(xiàn)就橋架結(jié)構(gòu)的安全性按照上述方法、依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)進行質(zhì)量檢測和試驗評估，并驗證上述方法和流程的正確性，此項工作包括結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測、強度測試、有限元計算、無損探傷檢測等內(nèi)容。

2.1 結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測

結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測包括各結(jié)構(gòu)部件檢查、電器設(shè)備絕緣性檢查、防護裝置檢查、傳動設(shè)備檢查、起升機構(gòu)檢查、運行機構(gòu)檢查、制動器檢查、照明和信號系統(tǒng)檢查、控制系統(tǒng)檢查等。主梁測試項目見表1。表1中，S為起重機的跨度，δ為腹板厚度，B為上翼緣板的寬度，H為腹板高度。

2.2 現(xiàn)場無損檢測

超聲波檢測執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為JB/T 4730.3—2005、GB 1134—1989。對重要焊縫抽檢，超聲波探傷結(jié)果詳見無損探傷檢測報告。報告顯示，該鑄造起重機主梁重要焊縫未發(fā)現(xiàn)裂紋顯現(xiàn)。

表1 主梁檢測主要項目 mm

2.3 結(jié)構(gòu)強度測試和起升能力測試

選擇非司機室側(cè)主梁跨中截面，布置應(yīng)變計1、2、3、4，測試這些部位的動態(tài)應(yīng)變信號。測點1位于T型鋼直角變化區(qū)域，該部位是主梁跨中截面最大壓應(yīng)力校核點；測點2位于主腹板與T型鋼對接主焊縫邊緣；測點3位于下蓋板與主腹板角接主焊縫邊緣，該部位是主梁跨中截面最大拉應(yīng)力校核點；測點4位于上蓋板與副腹板角接主焊縫邊緣。測點具體位置見圖1。

圖1 非司機室側(cè)主梁跨中截面和端部測點布置圖

起升能力試驗部分包括動載試驗和靜載試驗。

靜載試驗起吊額定載荷的工況是：小車空載停于端部極限位，儀器調(diào)零；小車起吊額定載荷，行至主梁跨中，靜止10 min，記錄應(yīng)力數(shù)據(jù)和主梁下?lián)隙?；起吊額定載荷行至主梁跨端，記錄應(yīng)力數(shù)據(jù)；卸載，小車回初始位，記錄數(shù)據(jù)回零。

動載試驗起吊1.1倍額定載荷的工況是：小車空載停于端部極限位，儀器調(diào)零；小車起吊1.1倍額定載荷全行程運行，并且在起升下降中各檔速度制動，記錄應(yīng)力數(shù)據(jù)；卸載，小車回初始位，記錄數(shù)據(jù)回零。測點2的應(yīng)變測試曲線見圖2。

圖2 測點2應(yīng)變測試曲線

應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為：

σ=Eε.

其中：E為彈性系數(shù)；σ為應(yīng)力；ε為應(yīng)變值。故由測得的應(yīng)變值可計算得到應(yīng)力。

各測點詳細測試值見表2。

2.4 有限元計算

計算模型本體部分采用三維板殼元，其余部分采用計算精度較高的直角四邊形單元和少量三角形單元，梁中間和邊部為高應(yīng)力區(qū)，計算工況按小車位于跨中和跨端兩類。小車位于跨中起吊時，主梁跨中受力為危險部位，分析其變形和應(yīng)力分布；小車位于跨端起吊時，主要分析主梁變截面處剪應(yīng)力大小及分布，并與測試數(shù)據(jù)進行比對，分別計算自重情況下不同測點應(yīng)力大小和分布[6]，有限元模型見圖3。

表2 各測點應(yīng)力測試數(shù)據(jù)值 MPa

圖3 主梁有限元計算模型

計算結(jié)果：分別加載額定載荷和1.1倍額定載荷進行計算，圖4為額定載荷下主梁的應(yīng)力云圖，圖5為1.1倍額定載荷下主梁的應(yīng)力云圖，詳細計算值見表3。額定載荷下測試應(yīng)力和計算應(yīng)力的比較和評價見表4。

圖5 1.1倍額定載荷下主梁的應(yīng)力云圖

表3 詳細計算值 MPa

表4 額定載荷下測試應(yīng)力和計算應(yīng)力的比較和評價 MPa

3 結(jié)論

通過設(shè)備質(zhì)量檢測、強度試驗、有限元計算、無損探傷等手段，可對現(xiàn)有設(shè)備主梁結(jié)構(gòu)的安全性做出科學(xué)評價，為設(shè)備改造提供依據(jù)。