主梁结构维护及起重机操作运行的安全措施

2022-09-12

桥式起重机是最为常见的搬运设备设在室内的起重机中, 桥式起重机约占90%。随着桥式起重机向高温、高速、重载方向发展, 其工作应力越来越高, 使用条件越来越恶劣, 疲劳破坏事故时有发生;桥式起重机主梁等构件是典型的焊接结构, 在工作过程中结构承受随时都在变化的交变载荷, 其主要失效形式是在随机载荷作用下的疲劳破坏。由于疲劳破坏前不会出现明显的宏观塑性变形, 其破坏十分突然, 常常造成灾难性事故[1,2]。因此, 展开对桥式起重机焊接结构, 尤其是对起重机的疲劳累积损伤规律和疲劳寿命的研究, 对于预防疲劳断裂事故的发生, 指导桥式起重机的设计、制造、检验与管理具有重要意义。

1 桥式起重机的疲劳破坏特性

桥式起重机主梁等构件是典型的焊接结构, 焊接结构的裂纹源一般产生于焊缝处, 即焊趾、焊缝交叉点、焊缝起弧处等。桥式起重机疲劳裂纹多出现在主梁跨中和端部, 表明疲劳强度与应力幅值有密切关系。焊接箱形梁主要有两种破坏形式:跨中受拉翼缘焊缝疲劳破坏和跨中加强板下端焊缝疲劳破坏。

有学者曾经指出, 如大隔板位于集中加载点附近, 则大隔板处焊缝易出现疲劳破坏;如大隔板离加载点较远, 则易于出现翼缘焊缝的裂纹。实际的起重机小车总要移动, 轮压位置两种情况并存, 因而两种破坏型式均有可能出现。还提出, 如果限制箱形梁腹板的长宽比, 减少腹板的变形, 可减少疲劳裂纹。但它又与大隔板的间距有关, 间距大则腹板易于变形, 易于出现翼缘焊缝疲劳破坏。

残余应力对结构疲劳强度的影响取决于残余应力的分布状态。桥式起重机焊接箱形结构在焊缝附近的腹板和翼缘板都存在高达屈服点的拉伸残余应力, 而在腹板和翼缘板的中间存在压缩残余应力。文献[3]通过试验证明了焊接残余应力的分布规律, 并指出影响箱形梁疲劳强度的主要因素是纵向焊缝的残余应力, 同时上盖板中部残余应力降低了它的屈曲强度, 也是造成箱形梁桥架下挠的主要原因之一。

焊接缺陷对疲劳强度的影响取决于缺陷的种类、尺寸、方向和位置等, 在工作载荷和焊缝缺陷的共同作用下, 桥式起重机结构易在焊缝附近开裂并逐渐扩展, 出现开裂的时间和扩展速度均取决于焊接缺陷的程度:当缺陷率为2%时, 疲劳强度将降低1 5%;当缺陷率为5%时, 疲劳强度将降低35%;当焊缝咬边深度小于2mm时, 对疲劳强度的影响不大;当焊缝咬边深度大于2mm时, 疲劳强度最小时只有致密焊缝接头的40%。

2 桥式起重机桥架疲劳寿命分析

疲劳累积损伤计算是变幅载荷下的有限寿命设计的核心问题, 到现在为止, 先后提出的疲劳累积损伤理论已有几十种之多, 但真正在工程中得到较好应用的有Corten-Dolan损伤理论和修正Miner法则有较高的计算精度[4], 计算方法比双线性理论简单, 因此在工程中得到广泛应用。当缺乏相应的试验数据时, 一般采用修正Miner法则进行寿命估算。变幅载荷作用下的疲劳寿命估算一般包括三个步骤: (1) 确定疲劳载荷谱。 (2) 选定合适的疲劳损伤法则。 (3) 进行寿命估算。桥式起重机焊接结构的疲劳强度主要却决于危险点的应力幅值, 本文通过现场试验和有限元计算得到危险部位的载荷谱, 采用修正Miner法则对其进行累积损伤疲劳寿命的估算。

所以从上述表格中可以看出: (1) 主梁上、下翼缘板及主、副腹板母材的疲劳强度有足够的裕量, 具有持久疲劳寿命。 (2) 主、副腹板与端梁之间焊缝的最大剪应力远小于其疲劳极限, 具有持久疲劳寿命。 (3) 两侧主梁主腹板与下翼缘板跨中焊缝应力较大, 该处载荷谱中最大应力接近于其疲劳极限。司机室侧主梁该处焊缝的疲劳寿命为187.6年, 导电侧主梁该处焊缝的疲劳寿命为164.5年。按现在的工况工作, 该处焊缝具有持久疲劳寿命。

3 主梁结构维护及保证其安全运行的对策措施

两侧主梁下翼缘板与跨中加强板靠近主腹板端焊缝、两侧主梁主腹板与跨中加强板下端焊缝的疲劳寿命较短, 除此之外主梁其余部分具有足够长的疲劳寿命。如果下翼缘板与跨中加强板靠近主腹板端焊缝、主腹板与跨中加强板下端焊缝的疲劳裂纹不扩展到主腹板、下翼缘板母材, 则对起重机安全运行没有影响;一旦焊缝疲劳裂纹扩展到主腹板、下翼缘板母材, 则会影响起重机的安全运行。因此, 及时发现焊缝中的疲劳裂纹并防止其向母材扩展是问题的关键所在。考虑到该机已工作16余年, 建议采取以下措施。

(1) 加强对起重机桥架的点检工作。定时检查下翼缘板与跨中加强板靠近主腹板端焊缝、主腹板与跨中加强板下端焊缝, 及时发现早期疲劳裂纹。

(2) 根据计算, 两侧主梁主腹板与下翼缘板跨中焊缝具有持久疲劳寿命, 考虑到焊缝存在初始缺陷, 应定时检查此处焊缝, 及时发现早期疲劳裂纹。

(3) 每年对下翼缘板与跨中加强板焊缝、主腹板与跨中加强板焊缝和主腹板与下翼缘板跨中焊缝进行一次探伤检查。

(4) 如果发现早期裂纹 (裂纹深度小于2mm, 裂纹长度小于30mm) , 可在裂纹扩展方向两端各钻一个12~15的孔, 既可阻止裂纹扩展, 又释放了焊缝中的残余应力。同时加强对该处裂纹扩展的监检。

(5) 如果裂纹已较深较长, 则用电弧气刨将该段焊缝金属熔化吹掉, 形成坡口 (针对主腹板与跨中加强板之间焊缝、下翼缘板与跨中加强板之间焊缝、主腹板与下翼缘板跨中焊缝) , 然后再补焊。焊后用锥形砂轮打磨焊趾, 磨去焊缝表面0.5mm深一层, 以减小焊缝的应力集中。

摘要：本文就桥式起重机的的疲劳累积损伤规律和疲劳寿命进行研究, 在分析桥式起重机的疲劳破坏特性基础上, 利用修正Miner法则计算的两侧主梁焊缝的疲劳寿命, 最后就得到结果提出主梁结构维护及保证其安全运行的对策措施。

关键词：桥式起重机,主梁结构,疲劳寿命,安全措施