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(jī)是冶金工業(yè)生產(chǎn)線中承擔(dān)物料搬運(yùn)的關(guān)鍵設(shè)備，設(shè)備在高頻、高載荷的工況下運(yùn)行。橋式起重機(jī)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(jí)別和安全等級(jí)。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，冶金起重機(jī)有一定安全系數(shù)，會(huì)留有一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備，這為設(shè)備升級(jí)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(chǔ)備會(huì)逐步降低，而冶金起重機(jī)造價(jià)高昂，部分企業(yè)有實(shí)施設(shè)備升級(jí)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(cè)技術(shù)總結(jié)了一套評(píng)估方法和流程，并以一臺(tái)實(shí)際升級(jí)改造的設(shè)備為例進(jìn)行評(píng)估研究，對(duì)該技術(shù)進(jìn)行有效驗(yàn)證。

1 橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)測(cè)試和評(píng)估的技術(shù)路線和方法

橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)測(cè)試和評(píng)估的工作流程為：

(1) 按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行設(shè)備質(zhì)量檢測(cè)，并記錄測(cè)試過(guò)程和測(cè)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 5905起重機(jī)試驗(yàn)規(guī)范和程序[1]、GB/T 14405通用橋式起重機(jī)[2]、JB 7688冶金起重機(jī)技術(shù)條件完成設(shè)備的質(zhì)量檢測(cè)[3]，評(píng)價(jià)起重機(jī)的質(zhì)量現(xiàn)狀和測(cè)試其是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)。

(2) 應(yīng)用無(wú)損檢測(cè)手段進(jìn)行探傷檢測(cè)。對(duì)主要結(jié)構(gòu)件的可見(jiàn)焊縫及母材，由目測(cè)進(jìn)行詳細(xì)的裂紋檢查；對(duì)重要焊縫內(nèi)部進(jìn)行超聲波抽檢無(wú)損探傷，超聲波檢測(cè)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為JB/T 4730.3—2005[4]，可測(cè)試微觀裂紋、結(jié)構(gòu)內(nèi)部焊接質(zhì)量，從而評(píng)價(jià)設(shè)備整體焊接質(zhì)量。

(3) 進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測(cè)試。在滿負(fù)荷狀態(tài)下完成結(jié)構(gòu)最大受力部位的強(qiáng)度試驗(yàn)，選用應(yīng)力測(cè)試技術(shù)，選擇金屬結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)截面進(jìn)行應(yīng)變計(jì)的安裝和載荷試驗(yàn)，測(cè)試整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平和強(qiáng)度儲(chǔ)備，結(jié)合載荷測(cè)試數(shù)據(jù)可進(jìn)行有限元計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)比對(duì)和校核，從而為設(shè)備升級(jí)提供理論依據(jù)。結(jié)合有限元計(jì)算分析，綜合評(píng)估結(jié)構(gòu)最大受力部位的強(qiáng)度安全性。

(4) 有限元計(jì)算。按照有限元計(jì)算的方式進(jìn)行設(shè)備三維結(jié)構(gòu)建模，大噸位橋式起重機(jī)目前較多采用箱形框架梁結(jié)構(gòu)，通常由兩個(gè)主梁、兩個(gè)端梁構(gòu)成，采用對(duì)稱箱形結(jié)構(gòu)，小車的運(yùn)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(jì)算通常選用Shell單元。建模時(shí)，主梁簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，按照簡(jiǎn)支梁的約束進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算工況包含自重工況、載荷工況。

(5) 起升運(yùn)行機(jī)構(gòu)部件驗(yàn)算。依據(jù)GB 3811起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范,完成對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)的驗(yàn)算[5]。

最后綜合質(zhì)量檢測(cè)、強(qiáng)度試驗(yàn)、機(jī)構(gòu)驗(yàn)算、無(wú)損探傷、有限元計(jì)算等幾項(xiàng)內(nèi)容，形成冶金起重機(jī)起升重量升級(jí)改造安全評(píng)估結(jié)論。

2 某鋼廠起重機(jī)升級(jí)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(jī)升級(jí)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)和試驗(yàn)評(píng)估，并驗(yàn)證上述方法和流程的正確性，此項(xiàng)工作包括結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)、強(qiáng)度測(cè)試、有限元計(jì)算、無(wú)損探傷檢測(cè)等內(nèi)容。

2.1 結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)

結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)包括各結(jié)構(gòu)部件檢查、電器設(shè)備絕緣性檢查、防護(hù)裝置檢查、傳動(dòng)設(shè)備檢查、起升機(jī)構(gòu)檢查、運(yùn)行機(jī)構(gòu)檢查、制動(dòng)器檢查、照明和信號(hào)系統(tǒng)檢查、控制系統(tǒng)檢查等。主梁測(cè)試項(xiàng)目見(jiàn)表1。表1中，S為起重機(jī)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(chǎng)無(wú)損檢測(cè)

超聲波檢測(cè)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為JB/T 4730.3—2005、GB 1134—1989。對(duì)重要焊縫抽檢，超聲波探傷結(jié)果詳見(jiàn)無(wú)損探傷檢測(cè)報(bào)告。報(bào)告顯示，該鑄造起重機(jī)主梁重要焊縫未發(fā)現(xiàn)裂紋顯現(xiàn)。

表1 主梁檢測(cè)主要項(xiàng)目 mm

2.3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測(cè)試和起升能力測(cè)試

選擇非司機(jī)室側(cè)主梁跨中截面，布置應(yīng)變計(jì)1、2、3、4，測(cè)試這些部位的動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)。測(cè)點(diǎn)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(diǎn)；測(cè)點(diǎn)2位于主腹板與T型鋼對(duì)接主焊縫邊緣；測(cè)點(diǎn)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(diǎn)；測(cè)點(diǎn)4位于上蓋板與副腹板角接主焊縫邊緣。測(cè)點(diǎn)具體位置見(jiàn)圖1。

圖1 非司機(jī)室側(cè)主梁跨中截面和端部測(cè)點(diǎn)布置圖

起升能力試驗(yàn)部分包括動(dòng)載試驗(yàn)和靜載試驗(yàn)。

靜載試驗(yàn)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(dòng)載試驗(yàn)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(yùn)行，并且在起升下降中各檔速度制動(dòng)，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(cè)點(diǎn)2的應(yīng)變測(cè)試曲線見(jiàn)圖2。

圖2 測(cè)點(diǎn)2應(yīng)變測(cè)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(cè)得的應(yīng)變值可計(jì)算得到應(yīng)力。

各測(cè)點(diǎn)詳細(xì)測(cè)試值見(jiàn)表2。

2.4 有限元計(jì)算

計(jì)算模型本體部分采用三維板殼元，其余部分采用計(jì)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(jì)算工況按小車位于跨中和跨端兩類。小車位于跨中起吊時(shí)，主梁跨中受力為危險(xiǎn)部位，分析其變形和應(yīng)力分布；小車位于跨端起吊時(shí)，主要分析主梁變截面處剪應(yīng)力大小及分布，并與測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，分別計(jì)算自重情況下不同測(cè)點(diǎn)應(yīng)力大小和分布[6]，有限元模型見(jiàn)圖3。

表2 各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)值 MPa

圖3 主梁有限元計(jì)算模型

計(jì)算結(jié)果：分別加載額定載荷和1.1倍額定載荷進(jìn)行計(jì)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(xì)計(jì)算值見(jiàn)表3。額定載荷下測(cè)試應(yīng)力和計(jì)算應(yīng)力的比較和評(píng)價(jià)見(jiàn)表4。

圖5 1.1倍額定載荷下主梁的應(yīng)力云圖

表3 詳細(xì)計(jì)算值 MPa

表4 額定載荷下測(cè)試應(yīng)力和計(jì)算應(yīng)力的比較和評(píng)價(jià) MPa

3 結(jié)論

通過(guò)設(shè)備質(zhì)量檢測(cè)、強(qiáng)度試驗(yàn)、有限元計(jì)算、無(wú)損探傷等手段，可對(duì)現(xiàn)有設(shè)備主梁結(jié)構(gòu)的安全性做出科學(xué)評(píng)價(jià)，為設(shè)備改造提供依據(jù)。