基于焊接變形軌道梁上拱度的數(shù)值研究

黎 楠 崔貞鵬

(1.湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學院，湖北 武漢 430070；2.武船重型裝備工程有限責任公司，湖北 武漢 430000)

0 前言

能源作為現(xiàn)代經(jīng)濟社會發(fā)展的基礎(chǔ)和制約因數(shù),決定了一個國家的競爭實力和綜合國力,已經(jīng)成為關(guān)系國家和社會安全的重大問題,引起世界各國的高度重視,成為優(yōu)先考慮的國家戰(zhàn)略。與此同時,綠色GDP、環(huán)境友好型的可持續(xù)發(fā)展成為我國在現(xiàn)代化發(fā)展過程新階段中的關(guān)鍵課題[1]。水電作為清潔能源逐步引起各國的重視，通常作為水電站運行配套有船閘、壩頂門機等輔助設(shè)施，很多水電站受落差的影響，不能配備可行走的壩頂門機，只能配備軌道梁和臺車，設(shè)備只需沿一個方向運動，臺車和軌道梁更多的在各種不同的水利工程中使用。

南水北調(diào)中線引江濟漢工程進口段位于長江中游荊州市李埠鎮(zhèn)龍洲垸，我公司承接其中防洪閘（兼通航孔）工作門和軌道梁；防洪閘（兼通航孔）工作門作為荊江大堤的重要組成部分，政治和防洪意義影響深遠，防洪閘工作閘門由2×5000kN單向橋式啟閉機操作，負責啟閉機運行和承載重量的2×5000kN橋機軌道梁為中軌布置的箱型焊接簡支結(jié)構(gòu)。軌道梁型號為長39460mm的變截面梁，每根梁的一端布置一對固定鉸支座，另一端布置一對活動支座。

1 問題描述

如圖1所示，軌道梁由上、下翼緣1和6，腹板5，大隔板3，中隔板4和小隔板2等組成；大隔板的作用是為了提高腹板的穩(wěn)定性，并作為橋機臺車行走軌道的支承，中隔板和小隔板作為橋機臺車行走軌道的支承。

圖1 軌道梁結(jié)構(gòu)圖

按起重機的分類，2x5000KN橋機軌道梁應歸為橋式起重機的類別[2]；軌道梁對應于橋式起重機的橋架，按照國標GB/T14405-93《通用橋式起重機》的規(guī)定：主梁應有上拱，跨中上拱度應為（0.9/1000～1.4/1000）S；且最大上拱度應控制在跨中S/10的范圍內(nèi)（S為兩端部支承點的距離）[3]。

盡管標準規(guī)定上拱度為一范圍，但很多設(shè)計圖紙均設(shè)置一固定的上拱度數(shù)值，而且要求產(chǎn)品成形后上拱度偏差不能大于2mm，如此大的軌道梁，節(jié)段自重和焊接變形的影響均對上拱度影響很大；在綜合考慮各種因素的作用下，腹板放樣和線性胎架的上拱值取多大將是一個很困難的問題，本文從實際工程出發(fā)，根據(jù)引江濟漢軌道梁實物的制造過程和后續(xù)實物測量的比較，確立上拱度的預放數(shù)值。

2 理論計算

軌道梁的上拱度應考慮以下幾個方面對上拱的影響，從而確定具體的數(shù)值：設(shè)計的上拱度f1、自重f2、焊接變形f3。

2.1 設(shè)計選取的上拱度

根據(jù)標準（0.9/1000～1.4/1000）S，此處設(shè)計選擇的為 1.3/1000S，引江濟漢軌道梁的立柱支承跨度S=37500；

f1=1.3/1000S=1.3/1000×37500=48.75mm。

2.2 自重f2

引江濟漢軌道梁為兩端立柱支承，按照材料力學[4]的結(jié)構(gòu)形式，軌道梁可以簡化為簡支梁結(jié)構(gòu)；

圖中：AB為簡化的兩端支承點；L為支承距離；q為均布載荷；

已知：L=37500mm，q；求最大撓度。

查公式：fmax=5ql4/384EI；

軌道梁重 124173.8kg，則 q=124173.8×9.8/37.5=32450N/m；

彈性模量E，查《機械設(shè)計手冊》材料彈性模量及泊松比[5]；碳鋼的彈性模量E=196～206GPa，計算時取E=200；

慣性矩I，軌道梁橫截面圖如圖2。

圖2

將 q、L、E、I帶入撓度公式

fmax=5ql4/384EI=5.17mm；

軌道梁在自重的作用下產(chǎn)生的最大撓度為5.17mm。

2.3 焊接變形

焊接變形不僅與電流、電壓、焊接速度等相關(guān)，同時與結(jié)構(gòu)特點及焊接順序和焊接時機有很大關(guān)系。要想確定軌道梁焊接變形，重點應考慮焊接順序和焊接時機，下面先介紹軌道梁裝配和焊接的過程。

2.3.1 軌道梁裝配、焊接流程

圖3

（1）隔板部件制造；

（2）上蓋板拼板、探傷后上線性胎架（軌道梁采用反造法，上翼緣面作為胎架面，同時胎架模板線性根據(jù)計算估計的撓度值進行布置，此處撓度值已給定，具體在后面敘述）；

（3）上蓋板劃結(jié)構(gòu)定位線、報檢、工字鋼在上蓋板定位；

（4）中隔板定位；

（5）次隔板定位；

（6）左腹板、右腹板定位，中部單元施焊、探傷；

（7）端隔板定位、施焊、探傷、內(nèi)部涂裝；

（8）下蓋板定位，施焊、探傷（為避免仰焊，此處將工件翻身后焊接）。

2.3.2 焊接時機

在裝配過程中第6步可以看出，軌道梁開始焊接，此時軌道梁的下翼緣未裝配，整個軌道梁的箱型結(jié)構(gòu)在開焊時為“π”形。在內(nèi)部所有結(jié)構(gòu)焊接完成后裝焊上翼緣板。

2.3.3 主要焊縫對焊接變形的影響

（1）腹板與翼緣的兩條縱向焊縫和通長的工字鋼與翼緣焊接產(chǎn)生焊接應力的變形趨勢為：整條焊縫產(chǎn)生焊接收縮，從而減小撓度；

（2）中隔板和小隔板與上翼緣的橫焊縫產(chǎn)生焊接應力的變形趨勢為：所有橫焊縫產(chǎn)生焊接收縮，從而減小撓度。

2.4 撓度的選擇

總結(jié)分析軌道梁的撓度由上述三部分組成。

f=f1+f2+f3(焊接變形)

=48.75+5.17+f3

=53.92+f3

根據(jù)上述對焊縫的分析，可以確定焊接后軌道梁的變形趨勢，即焊接應力可能會產(chǎn)生下?lián)?，但具體數(shù)值無法確定，為此選擇軌道梁的上拱度數(shù)值為60mm，此值可以在實物上測量進行比對。

3 實際測量

3.1 原始數(shù)據(jù)

軌道梁在出廠驗收時對所有的產(chǎn)品上拱度均進行了檢查驗收。為檢驗和研究軌道梁焊接后上拱度的變化，對其中三件軌道梁的所有隔板位置的上拱度數(shù)值進行了測量，測量數(shù)據(jù)見表1：

表1

說明：1）軌道梁測量時以兩端為基準調(diào)平，偏差要求小于2mm；

2）測量位置以梁中間為基準（序號14為中間），左右對稱；

3）上表中每根梁的上下兩行數(shù)值為左右對稱位置的數(shù)值；

4）測量采用激光經(jīng)緯儀，上表中讀數(shù)為距離水平激光點的距離，每根梁的水平高度不相同。

3.2 數(shù)據(jù)處理

對表1進行數(shù)據(jù)處理，以中間點為基準零點，所有數(shù)值減去中間點，得出上拱的數(shù)值如表2：

表2

4 結(jié)果比較

由表2的數(shù)據(jù)生成圖4。

由表2的數(shù)據(jù)和圖3所示，可以得出以下結(jié)果：

1）三組數(shù)據(jù)顯示的圖形為拋物線；符合軌道梁上拱的光滑拋物線形狀；

2）三組數(shù)據(jù)中沒有突變點。

圖4

5 結(jié)論

將數(shù)據(jù)和軌道梁的制造過程結(jié)合起來分析，可以確定相類似的軌道梁上拱度預測：

1）實際測量的軌道梁上拱（64mm）超過了預期設(shè)置的60mm預拱，與預計值存在偏差；

2）根據(jù)實際上拱超過預計值可知，此軌道梁的焊接變形趨勢為上凸而非下凹；

3）大噸位的軌道梁結(jié)構(gòu)剛性非常強，在制作胎架和主梁腹板上拱度設(shè)計時重點考慮設(shè)計的要求上拱值。

不同結(jié)構(gòu)形式，不同噸位的橋式起重機的主梁或軌道梁的上拱度設(shè)置均不相同，本文可作為載重量很大的中厚板箱梁的上拱變化趨勢數(shù)值的參考，薄板的橋式起重機主梁與此不相同。

［1］吳蘊臻.優(yōu)先發(fā)展我國水電能源的思考[J].水利經(jīng)濟，2011.

［2］GB/T14405-1993通用橋式起重機[S].

［3］陳守伯.20/5t雙梁橋式起重機主梁裝配焊接的質(zhì)量控制[J].北京：起重運輸機械.

［4］范欽珊.材料力學[M].北京：高等教育出版社.

［5］成大先.機械設(shè)計手冊[S].北京：化學工業(yè)出版社，2011.