在工廠所使用的橋式起重機中主要的金屬結構 就是橋架，橋架由主梁、端梁、欄桿、走臺板等組 成。主梁為承載吊物的最主要的受力結構，一般為 箱型梁。主梁是典型的焊接結構[1]。由于冶金行業 連續化生產節奏的日益加快，起重機工作繁忙，在 使用一段時間后容易在應力集中的部位發生危險裂 紋。通常的維修方案僅是對裂紋部位進行處理，例 如打止裂孔、對裂紋打磨補焊等。這些僅憑經驗的 修復方案，效果并不理想，在唐鋼二鋼軋廠、唐鋼 物流公司等單位都出現過修復后的箱型主梁再次開 裂現象。這不單會影響生產，也對生產安全構成極 大的威脅。如何避免安全問題發生是技術人員首要 解決的一大難題。

現狀 

唐鋼一鋼軋廠成品庫現有3部QD32/5T-28.5M 通用橋式起重機，于2004年投入使用，工作級別為 A6，負責成品鋼卷的入庫及發貨，日常生產繁忙。 點檢人員在一次對設備的周期檢查中發現，其中一 臺在箱型主梁南端靠近端梁腹板的彎角部位發現了 宏觀可見的裂紋，位置如圖1所示，維修人員利用生 產間隙對裂紋兩端打止裂孔處理，但僅維持了幾周 后，裂紋繼續發生擴展。

有限元分析

由于橋架主梁為對稱結構，為了減少計算量，提高計算效率，依照圖紙實際尺寸對此起重機一側 箱型主梁應用SolidWorks軟件進行三維建模，同時 去除欄桿、扶梯、走臺板、線槽等對計算結果影響 極小的部件來簡化模型，提高計算的精準性。因模 型的相互轉換格式難免會產生一定的誤差，首選 圖2 橋架主梁有限元模型 SolidWorks中集成的分析工具SolidWorks Simulation 有限元軟件對此主梁進行分析及處理。因主梁鋼結 構主要由多種不同規格的鋼板整體焊接而成，所以 將橋架整體接觸類型設置為全局結合，對于厚長比 大于1/30的鋼板或長構件選擇對應的殼單元或梁單 元，其他結構件選擇實體單元，由于主梁金屬結構 較為復雜，同時含有殼、梁及實體單元，所以主梁 整體采用混合網格劃分。在進行網格劃分的時候， 對應力集中部位(如彎角、拐角等過渡區域)做特別處 理，細化網格；因為模型的整體尺寸較大，劃分的 網格則較多，所以對應力變化不大且對計算結果影 響較小的區域網格可以粗大些以減少模型整體的計算 量。本模型設置為混合網格劃分，基于曲率的網格， 雅克比點為4，最大單元735 mm，最小單元147 mm， 網格品質為高，劃分完畢節點數為70031個，網格單 元總數為34518個，如圖2所示。

起重機在不同的工況下，主梁受力是不同的。 通過對比不同的工況可知，當小車處于起重機最南 端滿載運行時工況最為惡劣。選此工況進行有限元 模擬分析，計算結果如圖3所示。由應力云圖可知 箱型主梁腹板彎角處所受應力最大，尤其是腹板與 下彎板接合的區域應力最為集中，也是本文所述的 裂紋產生部位。依據有限元模擬求得此區域應力最 大值為197.48 MPa，此起重機箱型主梁鋼板材質為 Q235B，理論屈服強度為235 MPa，雖未超過鋼板理 論屈服極限，但也相對較為接近。經過查詢相關文 獻資料可知，通常Q235B鋼板設計上的許用應力為 168 MPa[2]?？梢姡谧顬閻毫拥墓r下，實際應力 值是大于設計安全應力值的。而當材料長期處于大 應力狀態時，會造成材料長期變形而不能恢復，極 易引起金屬材料的疲勞損壞。應力集中提高了金屬材料的變形抗力，降低了塑性，極易成為金屬材料 發生破壞的起點。因此損壞部位通常發生在應力較 大且集中的區域，本文所描述的起重機主梁腹板裂 紋就具有這一特點。因此如何降低應力水平，消除應力集中，將是修復方案需要主要解決的問題。

裂紋修復處理 

當裂紋發生后，在維修人員的實際工作中，通 常采用鉆孔止裂法、裂紋焊合法、鋼板補強法、人工 楔塊法等一種或幾種的組合來對裂紋進行修復[3]。結 合此臺起重機箱梁的裂紋情況，為達到消除應力集 中及減小應力水平的目的，經過比較，選擇鋼板補 強法，即在開裂板材的應力集中部位內外對稱焊接 補強鋼板，這樣就使部分載荷產生的應力通過補強 板進行傳遞，大幅的減輕了原始鋼板的應力水平， 減小裂紋擴展的驅動力，從而使裂紋不再擴展，達 到止裂的目的。

先對裂紋處打磨補焊。根據開裂部位尺寸及應 力集中區域面積制作補強鋼板。應力集中區域面積 可依據圖3應力云圖紅色部位計算求得。補強板板厚 取8 mm(不能超過母板厚度)，四周打45°坡口圍焊， 離外邊間距250 mm內部間距150 mm均勻布孔塞焊， 孔直徑取30 mm左右。在主梁腹板內外對稱設置，焊 時采用對稱焊，以分散應力，減小裂紋傾向。修復 完成后外側焊接補強鋼板形式如圖4所示(內側補強 鋼板對稱設置)。

修復后的校核 

由于修復后主梁結構已經發生了變化，需要對 修復后的箱型主梁重新建模，將補強板加入到原有的主梁模型中，修正有改動的部分模型，然后對新 模型再次進行有限元應力分析。應力分析依然選取 最惡劣的工況，通過對修正模型進行應力計算，得 到修復后箱型主梁腹板彎角應力云圖(圖5)。從對修 復主梁靜強度應力分析計算結果可知，經過鋼板補強 法修復后，箱型主梁腹板彎角處應力已經大幅降低， 應力集中區域也隨之消失。在載荷、受力位置及約束 均保持不變的情況下，主梁腹板彎角處最大應力已從 197.48 MPa下降到54.9 MPa，已遠小于許用應力。由 此說明修復方案對改善危險部位的應力狀況效果顯 著，從根本上消除了裂紋繼續擴展的可能性。

結束語 

通過對起重機箱型主梁受力狀況進行有限元分 析，找出裂紋發生的根本原因，并根據成因預防治 理，有的放矢，制定修復方案并予以修復。然后對 修復方案進行論證，從校核的結果可知，修復后主 梁裂紋區域的應力狀況得到了大幅的改善，增加了 主梁的整體強度，使起重機裂紋延伸現象得到有效 控制。應用此法修復的起重機至今運行良好。

參考文獻

[1] 殷之平．結構疲勞與斷裂．西安：西北工業大學出版社，2012 

[2] 程靳，趙樹山．斷裂力學．北京：科學出版社，2006 

[3] 張質文，虞和謙，王金諾，等. 起重機設計手冊. 北京：中國鐵道 出版社，1998

文章來源——金屬世界