高曉慧,張 君,文 豪,王全偉

(1.太原科技大學(xué),太原 030024;2.太原理工大學(xué),太原 030002)

橋式起重機(jī)在港口、貨場、工廠等地方的運(yùn)用發(fā)揮著不可替代的作用,橋式起重機(jī)需要將一般起重機(jī)無法完成的大型機(jī)械設(shè)備運(yùn)輸、調(diào)配工作,同時(shí)也是國家規(guī)定的特種設(shè)備之一[1-4]。起重機(jī)的骨架是金屬結(jié)構(gòu),金屬結(jié)構(gòu)傳遞和承受著來自工作時(shí)的各種載荷,金屬結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)和工作情況直接影響到起重機(jī)的工作壽命、工作效率,一旦發(fā)生故障損壞起重機(jī),將造成巨大的間接或直接的損失,更嚴(yán)重會威脅到工作人員的生命安全[5-8]。起重機(jī)的使用過程中主梁通常因?yàn)槭芰?fù)雜而發(fā)生彎曲變形,事故常有發(fā)生,因此研究橋式起重機(jī)主梁在各種載荷工況下的應(yīng)力測試是很有必要的,基于一定的應(yīng)力測試可以分析得出主梁各點(diǎn)的應(yīng)力承受能力以及主梁受力薄弱點(diǎn)和最易發(fā)生撓度變形的作用點(diǎn);基于一定的數(shù)據(jù)分析可以驗(yàn)證橋式起重機(jī)主梁設(shè)計(jì)的合理性。因此橋式起重機(jī)主梁進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試的研究具有重要意義[9-10]。

1 1 300 t橋式起重機(jī)簡述

1.1 起升機(jī)構(gòu)技術(shù)性能

該橋式起重機(jī)由兩部分構(gòu)成,其中主小車起重量為1 300 t,起重量大于400 t時(shí)起升速度為(0.15～1.5)m/min,起升高度可達(dá)36 m,工作制度采用M4,電機(jī)功率由兩臺250 kW構(gòu)成。副小車起重量為160 t,起重量大于50 t時(shí)起升速度為(0.4～4)m/min,起升高度可達(dá)38 m,工作制度采用M5,電機(jī)功率為132 kW.

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

測試的橋式起重機(jī)為四梁結(jié)構(gòu),具體橋架總圖如圖1所示,計(jì)算所用設(shè)計(jì)參數(shù)見表1.

表1 計(jì)算所用設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 橋架總圖

2 起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測試

2.1 測點(diǎn)布置與試驗(yàn)工況

2.1.1 主梁

共設(shè)置7個(gè)測試部位,都在主腹板一側(cè),其中跨中4個(gè)測試部位,端部3個(gè)測試部位。

跨中4個(gè)測試部位都為單應(yīng)變片,記為測點(diǎn)1、測點(diǎn)2、測點(diǎn)3、測點(diǎn)4.測點(diǎn)1位于下部角焊縫附近的下蓋板上,測點(diǎn)2位于下部角焊縫附近的主腹板上,測點(diǎn)3位于軌道附近的上蓋板中點(diǎn)處,測點(diǎn)4位于上蓋板距離中點(diǎn)176 mm處。

端部3個(gè)測試部位都為應(yīng)變花,每個(gè)測試部位3個(gè)測點(diǎn),共9個(gè)測點(diǎn)。測點(diǎn)5、測點(diǎn)6、測點(diǎn)7位于端部變截面處主腹板上部,測點(diǎn)8、測點(diǎn)9、測點(diǎn)10位于端部變截面處主腹板中部,測點(diǎn)11、測點(diǎn)12、測點(diǎn)13位于彎板處。每處應(yīng)變花3個(gè)測點(diǎn)按照水平、45°、豎直順序表示。

測點(diǎn)具體位置見圖2-圖4.

圖2 測試點(diǎn)總體分布情況

圖3 測試點(diǎn)分布情況

圖4 測試點(diǎn)分布情況

2.1.2 試驗(yàn)工況

工況由不同大小載荷與小車不同位置組合而成。以額定載荷1 300 t為基準(zhǔn),分別施加75%、100%、110%、125%共4檔載荷,對應(yīng)載荷數(shù)值為975 t、1 300 t、1 430 t、1 625 t.位置是指遠(yuǎn)離司機(jī)側(cè)大車軌道中心距離大車中心的距離值。

3 試驗(yàn)步驟及結(jié)果分析

試驗(yàn)步驟如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)步驟

3.1 烏東德左岸1 300 t橋機(jī)

以烏東德左岸1 300 t橋機(jī)為例,分別對75%載荷、100%載荷、110%載荷、125%載荷進(jìn)行載荷試驗(yàn),測試分析測點(diǎn)處的線應(yīng)力、主應(yīng)力轉(zhuǎn)換等內(nèi)容。

3.1.1 75%載荷(975 t)

以下分析為75%載荷時(shí)跨中、13.15 m、10.5 m、8.9 m、7 m這五個(gè)工況處各測點(diǎn)的應(yīng)力變換情況。75%載荷應(yīng)力變換見表2,其中σ1為最大主應(yīng)力,σ2為最小主應(yīng)力,τ為最大切應(yīng)力,θ最大主應(yīng)力角度。

表2 75%載荷(975 t)

3.1.2 100%載荷(1 300 t)

以下分析為100%載荷時(shí)跨中處各測點(diǎn)的應(yīng)力變換情況。100%載荷1 300 t見表3,其中σ1為最大主應(yīng)力,σ2為最小主應(yīng)力,τ為最大切應(yīng)力,θ最大主應(yīng)力角度。

表3 100%載荷(1 300 t)

3.1.3 110%載荷(1 430 t)

以下分析為110%載荷時(shí)跨中工況處各測點(diǎn)的應(yīng)力變換情況。110%載荷1 430 t見表4.其中σ1為最大主應(yīng)力,σ2為最小主應(yīng)力,τ為最大切應(yīng)力,θ最大主應(yīng)力角度。

表4 載荷1 430 t@跨中

3.1.4 125%載荷(1 625 t)

以下分析為125%載荷時(shí)跨中工況處各測點(diǎn)的應(yīng)力變換情況。125%載荷1 625 t見表5.其中σ1為最大主應(yīng)力,σ2為最小主應(yīng)力,τ為最大切應(yīng)力,θ最大主應(yīng)力角度。

表5 載荷1 625 t@跨中

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

(1)比較4檔載荷分別施加在主梁跨中各測點(diǎn)的應(yīng)力,其中載荷值為配重質(zhì)量與主小車質(zhì)量的疊加,可以得出跨中各測點(diǎn)應(yīng)力值與載荷大致承線性

關(guān)系,如圖6所示;表6為4檔載荷分別施加在跨中時(shí)主梁跨中各測點(diǎn)的應(yīng)力值,由此可看出各工況下,下蓋板應(yīng)力稍大于腹板下部應(yīng)力,這是由于下蓋板測點(diǎn)比腹板下部測點(diǎn)更遠(yuǎn)離中性軸;從表中還可以看出,跨中上蓋板測點(diǎn)應(yīng)力值要略小于跨中上蓋板偏離0.176 m處測點(diǎn)應(yīng)力值,這是由于小車輪壓作用的緣故,使得跨中上蓋板偏離0.176 m處測點(diǎn)產(chǎn)生了應(yīng)力集中。

表6 不同載荷施加主梁跨中各測點(diǎn)的應(yīng)力值

圖6 各測點(diǎn)應(yīng)力值與載荷

圖7為同一載荷(75%檔)作用在主梁不同位置時(shí),主梁各測點(diǎn)應(yīng)力值。由圖可知在相同載荷作用下,載荷位置越遠(yuǎn)離跨中,主梁跨中應(yīng)力越小,而主梁端部等效應(yīng)力越大,這也與主梁設(shè)計(jì)中的理論計(jì)算吻合。

圖7 75%載荷作用下主梁各測點(diǎn)應(yīng)力值

4 起重機(jī)主梁上拱下?lián)蠝y試

4.1 測試內(nèi)容

根據(jù)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14405-2011來分別檢測主梁跨中上拱度、以及下?lián)隙取?/p>

4.2 測試方法

起重機(jī)主梁的上拱度、下?lián)隙染捎萌緝x測試。在起重機(jī)主梁上蓋板跨中及非司機(jī)室側(cè)端部各布置一個(gè)測點(diǎn),并將提前貼好全站儀專用反射片的磁性塊吸附在該測點(diǎn)之上。全站儀站點(diǎn)設(shè)在副梁跨中,以測量范圍足夠覆蓋兩個(gè)既定測點(diǎn)為宜。測點(diǎn)及全站儀布置點(diǎn)示意如圖8所示。

圖8 測點(diǎn)及全站儀布置點(diǎn)示意

在起重機(jī)未加載時(shí),用全站儀測量主梁端部測點(diǎn)1、主梁跨中測點(diǎn)2 的高度,兩者之差即為主梁上拱度;起重機(jī)額定載荷作用在跨中時(shí),再次用全站儀測量主梁端部測點(diǎn)1、主梁跨中測點(diǎn)2的高度,測點(diǎn)2 的高度下降數(shù)值減去測點(diǎn)1的高度下降數(shù)值即為主梁下?lián)隙取?/p>

4.3 測試結(jié)果

4.3.1 上拱度測試結(jié)果

電氣主梁、非電氣主梁、副主梁上拱度測試結(jié)果如表7所示。

表7 主梁上拱度測試結(jié)果表/m

4.3.2 下拱度測試結(jié)果

非電氣主梁1 300 t載荷、1 430 t載荷、副主梁上拱度測試結(jié)果如表8所示。

表8 非電氣主梁不同載荷下?lián)隙葴y試結(jié)果表/m

5 結(jié)論

綜上所述,得出結(jié)論具體如下:

(1)主梁的材料為Q345,其屈服極限為345 MPa,根據(jù)起重機(jī)相關(guān)設(shè)計(jì)資料,起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力為[σ]=345/1.4=246.43 MPa.在主主梁額定載荷下,大車主梁下蓋板中點(diǎn)主應(yīng)力為114.08 MPa;在1.25倍載荷時(shí),最大主應(yīng)力為140 MPa;在主小車到極限位置時(shí)候,此時(shí)主梁端部受到等效應(yīng)力最大為129.7 MPa,這些關(guān)鍵應(yīng)力均小于許用應(yīng)力,還有較大余量,說明在額定載荷、靜載荷、額定載荷主梁端部結(jié)構(gòu)下,結(jié)構(gòu)安全。

(2)跨中各測點(diǎn)應(yīng)力值與載荷大致承線性關(guān)系,其中載荷值為配重質(zhì)量與主小車質(zhì)量的疊加,其載荷值最大時(shí)所對應(yīng)的應(yīng)力都在許用應(yīng)力范圍內(nèi),符合安全要求;主梁跨中下蓋板測點(diǎn)比腹板下部測點(diǎn)更遠(yuǎn)離中性軸,因?yàn)樗軕?yīng)力更大。

(3)GB/T 14405-2011中要求上拱度f≥0.7S/1000,電氣主梁與非電氣主梁的上拱度分別為0.030 m、0.027 m,符合標(biāo)準(zhǔn)要求;GB/T 14405-2011中要求靜態(tài)下?lián)隙萬≤S/1000,在1 300 t額定載荷時(shí)主梁的下?lián)隙葹閒=0.025,符合標(biāo)準(zhǔn)要求。在1.1倍載荷即1 430 t時(shí)下?lián)隙葹閒=0.027;在1.25倍載荷即1 625 t時(shí)下?lián)隙葹閒=0.029,隨著載荷加大,主梁變形量越來越大。

在額定載荷(1 300 t)與1.1倍載荷(1 430 t)下,主梁跨中垂直高度與跨端垂直高度僅相差0.001 m～0.002 m,說明在正常載荷下,主梁近似變?yōu)樗街本€,小車運(yùn)行時(shí)避免了爬坡現(xiàn)象,起重機(jī)設(shè)計(jì)非常合理。

(4)通過布置分析應(yīng)變片,對橋式起重機(jī)進(jìn)行載荷試驗(yàn),針對特殊工況和位置進(jìn)行強(qiáng)度和剛度檢測,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示安全,驗(yàn)證了測點(diǎn)布置方法的準(zhǔn)確性,對起重機(jī)的檢驗(yàn)檢測和安全評估有重要的工程意義。