桥式起重机箱形主梁的失效形式及案例分析_袁贵.pdf

2023年1月机电技术机电技术桥式起重机箱形主梁的失效形式及案例分析桥式起重机箱形主梁的失效形式及案例分析袁 贵（福建省特种设备检验研究院 宁德分院，福建 宁德 352100）摘要桥式起重机能够适应多种环境作业，降低工人作业难度，提升工作效率，其主要承载部件为主梁，为了保证桥式起重机安全高效的施工作业，主梁金属结构的可靠性尤为重要。文章介绍了桥式起重机箱形主梁金属结构，梳理分析了其常见的失效形式及主梁金属结构状态检测，并结合实际检验案例，提出检验注意事项，以期为桥式起重机箱形主梁金属结构的有效检验提供参考，为设备的安全使用提供保障。关键词桥式起重机；金属结构；检验检测中图分类号：TH215文献标识码：A文章编号：1672-4801（2023）01-098-04DOI：10.19508/ki.1672-4801.2023.01.027作者简介：袁贵（1995），男，助理工程师，主要从事机电类特种设备检验研究工作。桥式起重机是一种在工厂、库房等地进行运转、针对货物进行吊装的机械，通常情况下桥式起重机一般包括主梁、端梁、大车运行机构、小车运行机构和起升机构等部分，本文根据桥式起重机的箱形主梁金属结构及其常见的失效形式、主梁金属结构状态检测进行了分析，以期能够为桥式起重机主梁金属结构的有效检验提供参考。1桥式起重机主梁金属结构概述桥式起重机在施工中应用比较广泛，但是随着使用时间的增长，必然会存在一定的安全隐患，而起重机的主梁金属结构作为其重要的主体部分，将直接影响起重机的安全与整体使用寿命1。箱形主梁为桥式起重机常见的主梁结构，是整个起重机的核心结构。起重机承载载荷通过小车轮压传递到主梁，最后主梁将承载载荷及自重传递给大车轨道和建筑结构。主梁结构中，筋板用于保持腹板的局部稳定性2。起重机作业时，上盖板受压，下盖板受拉，由于需要考虑受压构件的局部稳定性，所以一般情况下上盖板厚度大于下盖板3。主梁是一个具有弹性的金属结构，因其在承载荷状态下将产生下挠变形，故主梁跨中采取向上的预拱措施，避免在运行时小车产生爬坡现象，以利于载荷状态下大车的运行稳定，因此桥式起重机的主梁设置为上拱形4。主梁上拱能够减少主梁在承载时承受向下的变形力，避免小车在运行时出现爬坡或溜车现象，提升小车的工作效率；主梁上拱亦能够增强主梁的承载能力，改善主梁的的受力情况5。2桥式起重机主梁金属结构常见的失效形式桥式起重机主梁金属结构，在长期受到重载或加载卸载的交变应力的影响下，将产生一定的缺陷，以下为其常见的失效形式。2.1桥式起重机主梁下挠主梁预设的上拱不断减小甚至产生下挠形变，是主梁的常见缺陷，这将直接影响起重机的正常使用。虽然起重机主梁的金属结构具有一定的弹性，但是在长时间的运行中，依旧会出现永久下挠的情况6，引起主梁下挠的原因主要有：1）起重机经常超载。在使用过程中起重机长时间承载超过额定载荷的货物，将使主梁长时间处于下挠状态，导致主梁下挠不能够及时恢复，造成永久下挠7。2）长期的高温作业亦对主梁有较大的影响。长时间的高温状态，会降低金属材料的力学性能，最终导致主梁下挠。3）箱形主梁的腹板波浪较大，也会间接影响主梁的永久下挠。当主梁腹板波浪较大时，在承载时主梁下挠后，腹板波浪靠近下盖板的位置展平，而靠近上盖板的位置波峰增大，腹板波浪的变迁过程就是主梁下挠的过程8。桥式起重机主梁下挠，除了影响主梁的承载能力，还会使得大车车轮轴线偏斜，影响大车稳定运行；其次架设于主梁上的小车轨道随之发生变形，导致小车运行过程中产生爬坡和溜车的现象9，难以控制小车的运行，进而导致起重机的工作98第1期效率降低，影响起重机的使用寿命，带来安全隐患。2.2桥式起重机主梁裂纹起重机的主梁在使用过程中会出现一定的裂纹。引起主梁裂纹的原因主要有：1）起重机在日常使用中，其主梁受力不断在承载与卸载中变化，连续的交变应力，使得主梁产生疲劳裂纹10。2）超载使用，加之金属结构老化生锈，在焊接联接处等应力集中部位也易出现一定的裂纹。3）频繁的急停骤起，和轨道上的凸起或裂缝引起的冲击振动11。起重机主梁产生裂纹会严重影响主梁的承载能力，并随着日常使用，裂纹进一步扩散，最终导致主梁发生严重形变或者断裂。3桥式起重机主梁金属结构状态检测为了检测主梁金属结构的可靠性，进行桥式起重机主梁金属结构测试：首先，对主梁下挠位移进行检测。在动载荷的情况下，通过下挠位移的大小来评估主梁的刚度，在空载情况下，每隔23 m设置一个检测点，同时在两侧对称设立检测点，分别记录对应测点的高度与下挠位移。其次，对主梁金属结构的局部焊缝进行检测。起重机的主梁一般为一个整体，但是局部位置是通过焊接进行连接的，对起重机进行检测时，要着重对焊缝的检测，可采用无损探伤设备对主梁上金属结构进行检测，以确定焊缝裂纹位置、长度以及未来的发展情况12。通过对起重机主梁金属结构状态的检测，能够精准掌握桥式起重机在实际工作中的具体情况与其目前已经面临的一定风险，并根据风险情况与起重机未来的工作方向对起重机的主梁进行一定的维修与保养，保证起重机的使用寿命与使用效率。4桥式起重机主梁金属结构失效案例分析4.1设备存在的主要缺陷检验人员对某铸造企业1台用于吊运熔融金属的通用桥式起重机进行检验时，发现该起重机的主梁腹板与大车运行机构减速器联接的底板连接处出现肉眼可见的裂纹（如图1），同时连接处周围还有焊补的痕迹。4.2原因分析经与使用单位沟通发现，该设备约半年前在进行维护时发现主梁腹板与减速器联接底板连接图图1 1主梁裂纹主梁裂纹图图2 2主梁腹板与减速器联接主梁腹板与减速器联接处有裂纹，为防止裂纹扩散，多次对裂纹处进行了焊接加固。产生裂纹的可能原因：1）连接处焊缝及周围补焊时出现焊接裂纹。焊接过程是一个局部加热的过程，将局部金属加热到熔化状态，液体金属凝固后将金属连接起来。但是，焊缝金属从液体变成固体时，体积要缩小，同时凝固后的焊缝金属在冷却过程中体积也会收缩，而焊缝周围金属阻碍了上述这些收缩，这样焊缝就受到一定的拉应力作用。当温度继续下降时，焊缝柱状晶体继续生长，拉应力也逐渐增大。如果此时焊缝中有低熔点共晶体存在，液体金属晶粒与晶粒之间的结合就大为削弱，在拉应力的作用下就可能使柱状晶体的空隙增大，因此产生了裂纹。2）主梁腹板应力集中产生裂纹。该设备的大车运行机构减速器立起直接联接在主梁腹板上（如图2）。当大车运行机构运行时，驱动电机运行力矩通过减速器传递到大车运行车轮上，而减速袁贵：桥式起重机箱形主梁的失效形式及案例分析992023年1月机电技术机电技术器提供的力矩将传递至主梁腹板连接处，在连接处产生反向力矩。此外，该起重机长时间处于重载运行，作业频繁，启动和停止时产生的巨大冲击也传递到该连接处，造成腹板连接处应力集中。设备运行时，连接处交替产生拉、压应力。当所受应力超过许用应力时，连接处及周围位置在应力作用下产生延迟破裂的应力腐蚀裂纹。目前行业广泛采用的减速器固定方式是将减速器固定在起重机桥架上（如图3b）所示，而桥架通过密集且均匀布置的角钢联接到主梁腹板、端梁腹板上，减速器上传递的力矩就通过各个联接处分布，避免了连接处的受力集中，这在启动和停止时尤为明显。（a）本例减速器固定方式（b）通用减速器固定方式图图3 3减速器固定方式减速器固定方式4.3处理建议根据 TSG Q70152016 起重机械定期检验规则 C3.1“主要受力结构件的连接焊缝无明显可见的裂纹。”、TSG Q00022008 起重机械安全技术监察规程-桥式起重机 第三十六条“起重机主梁、端梁、小车架、吊具横梁等主要受力结构件产生裂纹时，起重机应当停止使用。只有对裂纹的影响和采取阻止裂纹继续扩展的措施进行安全评价确认可以使用，或者更换有裂纹的结构件后，方可继续使用，否则应当予以报废。”、GB/T 366972018 铸造起重机报废条件 5.2.1.4.3“主要受力部分母材和焊缝的裂纹，应根据受力情况和裂纹情况采取阻止措施，并采取加强或改变应力分布等措施修复。如不能修复或同一位置修复超过三次，应报废。”等标准规范，立即要求使用单位停止使用该设备，因主梁腹板上裂纹多次进行了修复都未能阻止裂纹产生，该主梁必须报废。如继续使用该设备，主梁腹板裂纹可能进一步扩散，主梁将发生变形甚至断裂，小车运行轨道偏离，导致小车架倾覆、脱轨、坠落，造成钢水包掉落事故。4.4注意事项1）制造单位应注意起重机结构件设计。制造单位在起重机载荷计算、结构设计时，应充分考虑主梁腹板受力状况、结构布置合理性。本例中，在对主梁载荷分析、结构设计时不仅要考虑腹板受垂直方向的各类载荷，还应考虑大车运行机构减速器传递的力矩受力。2）使用单位应注意日常使用操作规范及设备维护。起重机作业人员应严格遵守起重机操作规范，避免急停骤起，巨大的冲击将给起重机带来机械损伤。发现设备裂纹缺陷时应及时联系制造单位或相关单位对缺陷进行检测评估鉴定而不应擅自处理，且继续使用。3）检验人员对起重设备检验时应特别注意结构应力集中连接处的检验。5结束语伴随着桥式起重机在各行各业的广泛应用，起重机的主梁作为其核心组成部分，也会在自然环境的影响与使用过程中出现一定的问题与缺陷。本文分析了桥式起重机主梁金属结构的设计与其目前可能存在的缺陷，并阐述了关于金属结构状态检测的相关内容，结合实际检验案例分析，提出检验人员对起重设备检验时应特别注意结构应力集中连接处的检验，以期能够助力桥式起重机的广泛与高效应用。参考文献：1 黄钟佳.桥门式起重机裂纹分析及检验注意事项探究J.现代制造技术与装备，2020，56（7）：136-137.2 王玉龙，柯伟，吕信策.桥门式起重机裂纹分析及检验注意事项J.特种设备安全技术，2018（2）：36-37.3 周凯笛.起重机械结构健康监测系统的研究与开发D.南京：南京理工大学，2018.4 江涛，杨蕾，刘洋帆，等.桥式起重机主梁上拱度测量装置研究J.建筑机械化，2015，36（5）：61-63.100第1期5 黄国兴.桥式起重机箱形主梁焊接质量控制J.焊接技术，2014，43（7）：58-60.6 张礼勇.箱型梁垂直偏斜超差分析J.广东科技，2013，22（18）：168，156.7 陶志强，金少申，高云峰.一起桥式起重机械主梁的开裂事故J.中国特种设备安全，2013，29（8）：47-48.8 孙志海.桥式起重机主梁拱度问题及其处理策略J.港口装卸，2011（5）：12-13.9 孙志海，胡刚.桥式起重机主梁拱度问题的探讨J.港口科技，2011（7）：36-40.10 郄恒昌，王存.桥式起重机箱形主梁的制造J.焊接技术，2009，38（1）：28-29.11 韩英武，任站玖.桥式起重机主梁拱度的快捷准确的检测方法J.中国特种设备安全，2008，24（7）：33-34.12 吴安福.桥式起重机主梁下挠变形的检验及修复J.科技情报开发与经济，2002（6）：125-126.参考文献：1 李嘉瑞，邹春，姚青，等.固体氧化物燃料电池电堆尾气燃烧稳定性研究J.煤气与热力，2021，41（7）：32-36.2 马立彬.固体氧化物燃料电池阴极电流收集的研究D.合肥：中国科学技术大学，2009.3 张龙山.管状固体氧化物燃料电池阳极支撑体的制备与电化学性能表征D.合肥：中国科学技术大学，2009.4 程健，许世森.固体氧化物燃料电池本体模拟研究J.热力发电，2004，32（12）：13-16.5 程健，许世森.固体氧化物燃料电池发电系统的模拟与优化研究J.热力发电，2005，34（12）：23-26.6 王丽俐.煤加氢气化及固体氧化物燃料电池数值模拟D.北京：北京交通大学，2007.7 苏煊埔.固体氧化物燃料电池发电系统建模与空气流量控制研究D.北京：华北电力大学，2020.8 岳秀艳.基于SOFC/GT的冷热电联合循环系统的特性研究D.济南：山东大学，2015.9 帅浚超.基于COMSOL固体氧化物燃料电池（SOFC）的数值模拟仿真D.武汉：华中科技大学，2017：13-17.10 楚迪.板式固体氧化物燃料电池电化学性能数值模拟研究D.郑州：郑