焦學(xué)勇

1太原重工股份有限公司技術(shù)中心 太原 030024 2礦山采掘裝備及智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030024

0 概述

某鋼廠鋼水接受跨有3臺(tái)200/63 t-27 m鑄造起重機(jī)，2008年投入使用，承擔(dān)鋼水罐（180～200 t）和空罐（約50 t）的搬運(yùn)工作。在檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，3臺(tái)鑄造起重機(jī)平衡架支撐和端梁下蓋板的角焊縫多處開(kāi)裂，補(bǔ)焊修復(fù)運(yùn)行一段時(shí)間后再次開(kāi)裂，裂紋長(zhǎng)度最長(zhǎng)處約130 mm，并已延伸到母材，如不及時(shí)處理會(huì)有極大安全隱患，焊縫開(kāi)裂情況如圖1所示。

圖1 平衡架支撐焊縫開(kāi)裂位置

1 大車(chē)軌道檢測(cè)

鑄造起重機(jī)運(yùn)行過(guò)程中水平側(cè)向力過(guò)大可能會(huì)使平衡架支撐與端梁下蓋板的角焊縫開(kāi)裂。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)3臺(tái)起重機(jī)均存在偏斜運(yùn)行情況，考慮到鑄造起重機(jī)大車(chē)軌道可能存在公差超差，遂用全站儀對(duì)大車(chē)軌道頂部水平面直線度公差、軌道中心頂部垂直面直線度公差、跨度公差及同一截面高度差等進(jìn)行了檢測(cè)。依據(jù)GB/T 10183.1—2010《起重機(jī)車(chē)輪及大車(chē)和小車(chē)軌道公差 第一部分總則》中“表7 公差等級(jí)1～4級(jí)的大車(chē)和小車(chē)運(yùn)行軌道及起重機(jī)和小車(chē)車(chē)輪運(yùn)行公差”有關(guān)條款，對(duì)大車(chē)軌道各項(xiàng)公差進(jìn)行了等級(jí)劃分，結(jié)果如表1所示。

表1 大車(chē)軌道檢測(cè)結(jié)果 mm

一般地，工作繁忙的鑄造起重機(jī)大車(chē)軌道公差等級(jí)不能低于2級(jí)。若公差超標(biāo)并長(zhǎng)期運(yùn)行，會(huì)造成鑄造起重機(jī)結(jié)構(gòu)損傷，影響起重機(jī)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

2 應(yīng)力試驗(yàn)

此跨上的3臺(tái)鑄造起重機(jī)均為四梁四軌橋架，鉸接端梁，每側(cè)端梁下有10個(gè)車(chē)輪，左右兩端4個(gè)車(chē)輪為主動(dòng)輪，如圖2所示。

圖2 車(chē)輪布置示意圖

為了解平衡架支撐在鑄造起重機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)應(yīng)力水平，對(duì)其中1臺(tái)起重機(jī)進(jìn)行了應(yīng)力測(cè)試，測(cè)點(diǎn)分布如圖3所示。其中，2號(hào)測(cè)點(diǎn)和4號(hào)測(cè)點(diǎn)、12號(hào)測(cè)點(diǎn)和14號(hào)測(cè)點(diǎn)分別為同一側(cè)軌道上的2對(duì)測(cè)點(diǎn)；2號(hào)測(cè)點(diǎn)和12號(hào)測(cè)點(diǎn)、4號(hào)測(cè)點(diǎn)和14號(hào)測(cè)點(diǎn)分別為同一截面上的2對(duì)測(cè)點(diǎn)。前者在主動(dòng)輪上的平衡架支撐上，后者在從動(dòng)輪上的平衡架支撐上，每個(gè)測(cè)點(diǎn)上布置1個(gè)應(yīng)變花，如圖4所示。

圖3 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)分布圖

圖4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖

當(dāng)大車(chē)靜止、主小車(chē)空鉤位于跨中時(shí)，采集儀調(diào)零點(diǎn)，記錄各工況下測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化，測(cè)試工況如表2所示，部分測(cè)試結(jié)果如圖5～圖8所示。

圖5 工況2下2號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變曲線

圖6 工況2下4號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變曲線

圖7 工況2下12號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變曲線

圖8 工況2下14號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變曲線

從工況2下各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變曲線中可以看出，鑄造起重機(jī)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)有1個(gè)車(chē)輪不能與軌道充分接觸的情況，導(dǎo)致其他車(chē)輪承受幾乎2倍的輪壓。計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的等效應(yīng)力，分析同一側(cè)軌道上的2個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖9和圖10所示。

從圖9、圖10中可以看出，2號(hào)測(cè)點(diǎn)和4號(hào)測(cè)點(diǎn)等效應(yīng)力變化呈相反趨勢(shì)，說(shuō)明鑄造起重機(jī)運(yùn)行過(guò)程中存在著水平側(cè)向力。各測(cè)點(diǎn)最大等效應(yīng)力如表3所示。

圖9 2號(hào)和4號(hào)測(cè)點(diǎn)等效應(yīng)力對(duì)比1

圖10 2號(hào)和4號(hào)測(cè)點(diǎn)等效應(yīng)力對(duì)比2

表3 各測(cè)點(diǎn)最大等效應(yīng)力統(tǒng)計(jì) MPa

由表3可知，E軌道上平衡架支撐等效應(yīng)力比D軌道上平衡架支撐等效應(yīng)力大，說(shuō)明鑄造起重機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的偏斜運(yùn)行以同一側(cè)端梁下最外側(cè)車(chē)輪卡軌運(yùn)行為主。

3 水平側(cè)向力

鑄造起重機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中與軌道方向垂直的力稱為水平側(cè)向力。由制動(dòng)載重小車(chē)所產(chǎn)生的側(cè)向力是比較次要的，該側(cè)向力是由起重機(jī)大車(chē)偏斜運(yùn)行產(chǎn)生的作用在輪緣上的水平力。由于起重機(jī)及大車(chē)軌道在制造、安裝、使用時(shí)不能達(dá)到完全精準(zhǔn)無(wú)誤差的理想情況，故起重機(jī)偏斜運(yùn)行在所難免。根據(jù)起重機(jī)使用情況，可能會(huì)出現(xiàn)2種偏斜運(yùn)行即卡軌現(xiàn)象：對(duì)角線方向上的2個(gè)車(chē)輪卡軌、由同一端梁上最外端的2個(gè)車(chē)輪卡軌，而后者往往是主要的。

水平側(cè)向力的大小與車(chē)輪輪壓大小有關(guān)，當(dāng)小車(chē)位于跨度某一側(cè)極限位置上，這時(shí)該側(cè)的垂直支撐反力最大，其側(cè)向力也最大。

GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定了起重機(jī)偏斜運(yùn)行時(shí)水平側(cè)向力的計(jì)算公式為

式中：PS為起重機(jī)偏斜運(yùn)行時(shí)的水平側(cè)向載荷；ΣP為起重機(jī)承受側(cè)向載荷一側(cè)的端梁上與有效軸距有關(guān)的相應(yīng)車(chē)輪經(jīng)常出現(xiàn)的最大輪壓之和，不考慮各種動(dòng)力系數(shù)；λ為水平側(cè)向載荷系數(shù)，與起重機(jī)跨度S和起重機(jī)基距B（或有效軸距a）的比值S/B（S/a）有關(guān)，根據(jù)圖11 確定。

圖11 水平側(cè)向載荷系數(shù)λ

由于水平側(cè)向力的大小不能直接測(cè)量，故而通過(guò)有限元計(jì)算的方法分析軌道對(duì)水平側(cè)向力的影響，研究平衡架支撐與端梁下蓋板焊縫開(kāi)裂的原因。

4 有限元計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立平衡架支撐、車(chē)輪組及軌道在內(nèi)的有限元模型。為便于計(jì)算，在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，對(duì)模型中的部分細(xì)節(jié)進(jìn)行了簡(jiǎn)化。由于端梁非剛性，主、副小車(chē)自重及吊重是動(dòng)載荷，故小車(chē)沿軌道運(yùn)行時(shí)傳遞到端梁的力是變化的。當(dāng)小車(chē)在極限位置時(shí)，傳遞到一側(cè)端梁上的力最大，此時(shí)車(chē)輪承受最大輪壓，最大輪壓分布如圖12所示。

圖12 起重機(jī)輪壓分布圖

選擇以下3種工況進(jìn)行計(jì)算：

1）工況1（車(chē)輪承受極限輪壓）

主要看鑄造起重機(jī)理想運(yùn)行過(guò)程中，車(chē)輪只承受極限輪壓而無(wú)側(cè)向力的情況下，平衡架支撐部位的應(yīng)力大小。由圖13所示工況1的應(yīng)力云圖可知，正常情況下平衡架支撐受力水平較低，應(yīng)力較大區(qū)域集中在焊縫中間部位，最大為50 MPa。

圖13 工況1應(yīng)力云圖

2）工況2（車(chē)輪承受極限輪壓和此輪壓下的水平側(cè)向力）

這是鑄造起重機(jī)運(yùn)行過(guò)程中最常出現(xiàn)的情況，計(jì)算結(jié)果可反映出大部分起重機(jī)運(yùn)行過(guò)程中平衡架支撐的受力情況。由圖14所示工況2的應(yīng)力云圖可知，鑄造起重機(jī)以比較常見(jiàn)的方式運(yùn)行時(shí)，平衡架支撐的受力水平依然較低，應(yīng)力較大區(qū)域集中在焊縫外側(cè)兩端，最大為53 MPa。此情況下一般也不會(huì)造成平衡架支撐與端梁下蓋板焊縫的開(kāi)裂。

圖14 計(jì)算工況2應(yīng)力云圖

3）工況3（車(chē)輪承受雙倍極限輪壓和此輪壓下的水平側(cè)向力）

根據(jù)平衡架支撐應(yīng)力測(cè)試結(jié)果可知，在軌道狀態(tài)較差時(shí)，鑄造起重機(jī)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)1個(gè)車(chē)輪承受雙倍極限輪壓的情況，再加上此輪壓下的水平側(cè)向力，平衡架支撐受力最大，這是最不利的工況。

由圖15所示工況3應(yīng)力云圖可知，在最不利工況下，測(cè)試部位計(jì)算應(yīng)力為41 MPa，與試驗(yàn)應(yīng)力42 MPa相差不大，說(shuō)明鑄造起重機(jī)在以最不利的工況運(yùn)行。此時(shí)，平衡架支撐焊縫處外側(cè)兩端的最大應(yīng)力已達(dá)到108 MPa，在這種狀態(tài)下起重機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行，極易導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生。在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，裂紋產(chǎn)生于外側(cè)一端，向周?chē)鷶U(kuò)展。

5 驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述研究結(jié)果的正確性，根據(jù)大車(chē)軌道檢測(cè)結(jié)果，選擇一段狀況不良的軌道進(jìn)行測(cè)試，此時(shí)主小車(chē)吊空罐位置靠近司機(jī)室側(cè)，大車(chē)從10號(hào)柱行走到11號(hào)柱。4號(hào)測(cè)點(diǎn)等效應(yīng)力如圖16中紅框所示。此時(shí)，4號(hào)測(cè)點(diǎn)最大等效應(yīng)力達(dá)到試驗(yàn)最大值42 MPa。

圖16 4號(hào)測(cè)點(diǎn)等效應(yīng)力圖

如圖17所示，當(dāng)4號(hào)測(cè)點(diǎn)等效應(yīng)力最大達(dá)到42 MPa時(shí)，14號(hào)測(cè)點(diǎn)等效應(yīng)力接近于0，說(shuō)明此時(shí)14號(hào)測(cè)點(diǎn)的車(chē)輪與軌道沒(méi)有充分接觸，導(dǎo)致4號(hào)測(cè)點(diǎn)的車(chē)輪承受著雙倍的輪壓和此輪壓下的水平側(cè)向力。

圖17 4號(hào)和14號(hào)測(cè)點(diǎn)等效應(yīng)力對(duì)比

6 結(jié)論

由于大車(chē)軌道同一截面高低差及跨度公差超差，鑄造起重機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了偏斜運(yùn)行的情況，主要以同一側(cè)端梁上最外側(cè)車(chē)輪卡軌運(yùn)行為主，使該側(cè)車(chē)輪運(yùn)行時(shí)受到較大水平側(cè)向力。由于大車(chē)軌道中心頂部垂直面直線度公差嚴(yán)重超差，使鑄造起重機(jī)運(yùn)行至軌道高低差相差較大區(qū)域時(shí)有1個(gè)車(chē)輪不能與軌道充分接觸，導(dǎo)致其他車(chē)輪中的某個(gè)以幾乎2倍正常輪壓運(yùn)行。由于水平側(cè)向力與輪壓大小有關(guān)，使該車(chē)輪承受的水平側(cè)向力也成倍增加。有限元計(jì)算結(jié)果表明：在最不利工況下，平衡架支撐與端梁下蓋板焊縫處最大應(yīng)力達(dá)到108 MPa，在這種狀態(tài)下起重機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行，極易導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生，上述研究結(jié)果在后續(xù)試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。