桥式起重机疲劳分析优化设计

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0引言

桥式起重机作为工厂、铁路、港口等跨间距固定的货场的主要搬运设备，可以完成大重量货物的垂直提升和水平移动，其中，主梁是桥式起重机最重要的承载构件之一。在桥式起重机频繁起吊的过程中，主梁将承受动载荷和交变载荷的反复作用，容易下挠，并且主梁是一种典型的焊接钢结构，其母材与焊缝间通常会存在一定的焊接缺陷，因此，在使用过程中，主梁结构上容易发生疲劳破坏。同时，由于疲劳破坏属于脆性断裂，断裂前不会出现明显的宏观塑性变形，这就使得疲劳破坏可能在瞬间发生，从而导致灾难性事故。因此，非常有必要对桥式起重机主梁结构的疲劳破坏现象进行分析，对易发生疲劳破坏的危险截面进行疲劳寿命估算，并采取补强措施，从而尽可能减小疲劳断裂事故的发生几率。

1桥式起重机疲劳破坏分析

对于桥式起重机，其发生疲劳破坏的结构和部位主要是焊接处，此处存在的应力集中、焊接残余应力和焊接缺陷等会造成焊缝处产生疲劳裂纹，进而发生构件断裂。有统计表明，约49％的疲劳破坏都发生在起重机主梁下部翼缘和腹板焊接处。

1．1应力分析

1．1．1起重机承载应力测试由于桥式起重机在起吊过程中承载的是交变载荷，因此采用静态应变仪和动态应变仪测试起重机易发生疲劳破坏部位（如主梁上下翼缘板、主梁端部主腹板等）的应力情况，可以判断其金属结构是否可以满足静强度和动强度的要求。以一台50t×30m桥式起重机的桥架为例，起吊重量为35．5t。在静态测试条件下，当重载小车在主梁跨中部位时，主梁上下翼缘板承载的应力最大（约22～30MPa），其中上翼缘板为压应力，下翼缘板为拉应力，而拉应力是影响疲劳破坏的主要因素；对于主梁端部主腹板，其主应力和剪切应力接近，但是通常材料的抗拉能力明显强于其抗剪切能力，因此影响疲劳破坏的主要应力是剪切应力，并且在重载小车位于固定梁端时，固定梁端主腹板的剪切应力最大（约10MPa）。对于静态测试下应力较大的关键测点，在起重机起吊和移动过程中，进行动态应力测试，以司机室侧主梁下翼缘板和主腹板为例，下翼缘板处的拉应力在110s内经历了小—大—小的循环过程，最大拉应力为26．33MPa；类似地，主腹板处经历了剪切应力循环变化，最大剪切应力达7．67MPa。这种结构应力的循环特征，会促进疲劳裂纹的形成和扩展，因而与金属结构的疲劳有密切关系。

1．1．2焊接残余应力分析起重机主梁的上、下翼缘板和主腹板一般通过焊接工艺与主梁进行连接。在焊接过程中，焊缝处经历了不均匀的热循环变化，从而在焊缝处产生残余应力，而这种残余应力对焊接质量的影响非常突出，容易引发裂纹，导致焊缝强度和韧性下降。焊接残余应力的主要产生原因主要包括以下几个方面：

（1）热应力：焊接部位局部急速加热到高温，焊接接收后快速冷却，形成了温度梯度，极易产生残余应力。

（2）塑性变形应力：母材焊接前的轧制或拉拔等塑性变形加工，也会产生残余应力，并且可以与焊接的热应力进行叠加。

（3）相变应力：焊接过程中，焊缝处局部高温，会引起母材和焊料的组织发生相变，导致组织比容变化，从而产生应力。

1．2疲劳裂纹的形成

起重机主梁的损坏大部分是承载焊缝的疲劳失效引起，通常是从受力最大部位的缺陷处开始。一般在焊缝缺陷处（如气孔、位错等）存在局部应力集中，加上焊接残余应力的叠加作用，容易发生位错滑移和聚集，引发裂纹萌生，在循环应力作用下，裂纹不断扩展，一旦超过临界尺寸就会发生脆性断裂破坏。即使焊缝不存在缺陷，在焊缝的焊趾处也会存在较明显的应力集中，从而容易在该处引发疲劳破坏。焊缝热影响区内的焊趾处发生开裂，沿焊缝的焊根边缘发生开裂。这说明裂纹在焊缝或母材上的热影响区内萌生，在交变应力作用下，都能扩展进入焊缝或母材，引发焊缝处断裂。

2桥式起重机应对疲劳破坏的措施

2．1焊缝截面的优化

在桥式起重机主梁主腹板和上盖板焊接时，应根据具体情况采用K形坡口或V形坡口焊接。对于大吨位桥式起重机，其主梁的主腹板厚度达16mm，V形坡口难以熔透板厚，会导致焊接强度下降，宜采用K形坡口；而对于轻量化桥式起重机，主腹板厚度减小，宜采用V形坡口进行内部施焊。另外，坡口角度过大，会造成焊缝缺陷增多，导致焊缝疲劳寿命小于母材，因此主腹板坡口角度一般不超过50°。焊缝的表面有内凹和外凸两种，会影响焊缝应力流的传递，有研究表明，内凹形焊缝应力较低、疲劳寿命较长，因此在焊接后需对主要承载焊缝进行表面处理，使其表面呈内凹形。

2．2应力集中结构的改造

在主梁主腹板和下盖板连接处和端梁的变截面弯角处存在局部应力集中，是主要裂纹源之一。在焊接时，不应将下盖板与主腹板对接焊接，可将下盖板向箱梁内延伸一段后进行焊接，这样可以降低焊接处的挤压应力，缓解应力集中。对于变截面弯角处，应设置过渡圆弧，且圆弧半径不宜太小，同时，在弯角处加焊肋板，以缓解应力集中对主腹板的影响。

2．3主腹板的改造

将桥式起重机的平直主腹板沿纵向进行形状改造，形成波形腹板，使其沿桥架纵向形成一定规律的波形变化，从而显著增加腹板的承载面积和垂直方向的稳定性，有研究表明，波形腹板梁的应力要比平直腹板梁小38％左右。不过，仅使用波形腹板，其抗扭刚度和水平刚度较弱，在水平冲击力下，容易导致主梁沿水平方向发生较大变形。因此，需将波形腹板和平直腹板配合使用，结合平直腹板在水平方向的刚度和波形腹板在垂直方向的刚度特点，提高主梁的稳定性。

3结语

本文结合断裂力学和疲劳损伤分析，对桥式起重机主梁结构进行技术改进，对延长主梁疲劳寿命和减少疲劳断裂事故具有重要的意义。同时，还应该应用先进的检测技术，如磁粉探伤检测技术对起重机主梁进行检测和评估，以及时发现存在的缺陷，并进行修复，做到防患于未然。

作者：袁明敏 单位：江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院