（机械制造及其自动化专业论文）起重机钢结构剩余寿命估算及修复.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 桥式起重机是现代工业生产不可或缺的机械设备，其运转状况直接影响生产 进程近年以来，我国在8 0 年代以前投产使用的桥式起重机相当一部分己经接近 或达到报废时限，整机的运转出现各种程度的不良现象，但是出于生产成本的考 虑，大部分桥式起重机依然在服役为了保证其安全运行，为生产使用提供科学 理论依据，本文以断裂力学和有限元软件为基础，估算出了起重机钢结构剩余寿 命，并进一步提出了有科学依据的主梁预应力加固修复方法 桥架作为起重机主要承载构架，其状况直接影响起重机好坏，其承载能力直 接确定起重机的服役时问；本文阐述了主梁下挠的一般规律，以及主梁下挠对主 梁寿命和承载能力的影响，及其控制指标对当前国内外剩余寿命评估方法进行 分析研究，结合起重机使用环境和运行状况建立了适合估算起重机主梁剩余寿命 的模型。 有限元分析软件的日益成熟和完善，考虑到桥式起重机工作工况，应用有限 元分析方法在分析桥架受力，得到了整个桥架的应力和位移分布状态，找到了应 力和位移最大位置，分析结果和实测结果基本吻合，为主粱寿命评估提供了有力 的计算数据。 针对目前主梁下挠常用的修复方法，进行了系统的比较，考虑实际状况对所 研究起重机进行预应力加固该方法是建立在理论计算、科学分析的基础上，为 桥式起重机主梁下挠提出了一种可行性修复方案，有着重要的现实价值 关键词：起重机，疲劳寿命，断裂力学，a n s y s 。修复 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h cb r i d g et w 砖h o i s ta 挑i st l a e 删咖i n d u s l t yp r o d o c c st h ee 醛e n t i a l m e c h a n i c a la c v i c c i t sr e v o l u t i o nc o n d i t i o nd i r e c ti n t l u c n e cp r o d u c t i o na d v a n c e m e n t s i n c el e c 蜘ty e a r s , o u rc o u n t r yi n8 0 sb e f o r eg o e si n t ol , r o d o a i o a - u 鞴b r i d g et y p c h o i s tc l a n cq u i r ep a r to fo n e s e l fa f t e rc l o s eo i ra e l a i c v e dt h ca b a n d o n m 咖t i m el i m i t , t l a c e o m p l c t cm a c h i n cr e v o l u t i o na l ，畔a 巧c a c hk i n do fd e g r e et l a ct m d c s i r a b i ct e n d e n c y , b u t s m m m i n gf r o mt h ep r o d u c t i o nc o s tc o n s i d e r a t i o n , t h em a j o r i t yo fb r i d g ct y p eh o i s t a 随n ci ss t i l lu s i n g i no r d e rt og u a r a n t e ei t ss a f eo p m t l o n ，p r o v i d e st l a cs e i c n t i f i et h e o r y b a s i sf o rt h ep r o d u c t i o nr i s e , t h i sa r t i c l et a k eb r e a k sn m = c h a n i c ia n dt h ef i n i t ec l e m e n t s o f t w a r ca st h ef o u n d a t i o n , c a l c u l a t e d 曲嗜h o i s tc 矗i n cr m a i n i n gl i f e , a n df u l l h c f p r o p o s e dh a dt l a es c i e n t i f i cb a s i sk i n gp o s tl 口r c - s l z c s s c dr c i n f o r m c n t “= p a i rm c t l a o d 1 k b r i d g ct o o kt h eh o i s tm 扯m a i nl o a db e a r i n gs k c l c t o n , i t sc o n d i t i o nd i r e c t i n f l 煳h o i s t 啪n cq u a l i t y , i t sb e a r i n gc a p a c i t yd e t e r m i n e st l a ch o i s tc i a i l cd i r e c t l yt k s e r v i c et i m e ；1 1 i i sa r t i c l ee l a b o r a t e dt l a ck i n gp o s td o w n - w a r p i n gg e n e r a lr u l e 。舔w c l l 鸹 k i n gp c 斌d o w n - w a r p i n g 幻k i n gp o s tl i f ea n db c 矧n gc a p a c i t yi n f l u e n c e , a n de o n l r o l t a r g e t t ot h e c u r r e n td o m e s t i ca n df o r e i g nr e m a i n i n gl i v e sa p p l a i s c at h el a l c t h o d c o n d u c t st h ea n a l y s i sr e s e a r c h , u n i f i e di l l ch o i s t 埘u s ce n v i r o n m e n ta n dt h e m o v e m e l x lc o n d i t i o na d v a n c e sh a ss u i t e dt l a ch o i s ta 眦k i n gp o s tr e m a i n i n gl i l b c o m p u t a t i o nt 1 1 ef e a s i b l em c t h o d 1 1 地f i n i t ec l e m e n ta n a l y s i ss o t t w a r ci 摹d a yb vd a ym a t u r ea n di s p e r f e c t , e o m i d c r e dt h eb r i d g el y ：p ch o i s tc i t n l l ：w o r ko l j c - m t i n gm o a t , t l a ca p p l i t i 衄f i n i t e e l e m c n ta n a l y s i sl l l l c t h o di nt l a ca n a l y s i sb r i d g es t l r 惯s , o b t a i n e dt l a cc n t i r eb r i d g e 翻飘燃 a n dt l a ed i s p l a e e m a a td i s l r i b u t i o nc o n d i t i o n , h a df o u n dt l a cs t r e s sa n dt h ed i s p l a c e m e n t b i g g e s tp o s i t i o n , t h ea n a l y s i sr c s t t l ta m lt h ea c t u a lr e s u l tt a l l i l 墨b a s i e a u y , f o rl h ek i n g p o 吼l i f e 却堆i a i s c dh a sp r o v i d e dt h ep o w e r f u le s t i m a t e dd a t a i nv i e wo ft l 地p r e s e n tk i n gp o s td o w n - w a r p i n ge o m m o n l yu s c d p a i fm e t h o d , h a s e a r r i 例l0 1 1t h cs y s t e mc o m p a r i s o n , c o n s i d e r e dt h ea c t u a lc o n d i t i o nt os t u d i e st l a ch o i s t m 鹏t o c a r r yo nt h ep r e - s t r e s s e dr e i n f o r c c m c n l 撇m e t h o di st h cc s t a b l i s l m a c n ti nt l a c t l a e o r e t i e a le a l e t t l a t i o n , i nt l a cs c i e n t i f i ca n a l y s i sf o u n d a t i o n , p i o l 嘴c df o r1 1 1 cb r i d g et y p e h o i s t 黜k i n gp 0 6 td o w n - w a i p i n g 佃cf e a s i b l ct e l , a i rp l a n , h a st l a ci m p o r t a n tr e a l i s t t i c v a l u e k e y w o r c l s ：c 1 a 1 1 c ，f a t i g u cl i f e ，f r a c t u r em e c h a n i c s ，a n s y s ，r e p a r a t i o n n 诹 l 主工誊火溶 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名：争喝花 日期：尹哆年皇月3r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阕。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 学位论文作者签名： 奄即 日期：卯7 年岁月j1 日 拊教师签名批 吼即年h ? 户 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 目的与意义 第1 章引言 起重机械是用来对物料进行起重、运输、装卸或安装等作业的机械设备，它 在国民经济各部门广泛应用，大大减轻了体力劳动强度，提高了劳动生产率随 着改革开放进程的加快，起重机使用越来越繁重，使用量大，服役周期长，工作 强度大，工作环境恶劣等是起重机工作的现状。目前，在用的起重机中有不少已 使用1 0 年以上，亦有相当数量处于超期服役状态；起重机的设计寿命一般在1 弘3 0 年i l j 由于起重机在施工、使用过程中造成的众多损伤，使得起重机的主要结构件 疲劳强度降低金属结构作为起重机的整机支撑部分，在起重机钢结构破坏中， 有6 0 - 9 0 是在重复应力作用下发生疲劳破坏所致。其疲劳寿命直接影响和决定 了设备的使用寿命据初步调查，全国年均起重机钢结构发生疲劳破坏事故多达 数百起，损失上亿元人民币，严重影响了国民经济的建设和发展田。因此，科学准 确地评估预测大型设备的寿命，实旋设备的科学管理，选择设备的最佳维修加固 方法和更新时间等，对于提高企业的装卸效率、保证企业的安全生产、降低成本、 提高经济效益等，是企业非常关心和迫切需要解决的问题，可实现较大的社会经 济效益，具有广泛的应用前景 1 2 桥式起重机的疲劳破坏特性 材料发生疲劳破坏，要经历裂纹起始或萌生、裂纹稳定扩展和裂纹失稳扩展 ( 断裂) 1 3 1 疲劳破坏起源于高应力或高应变的局部，因为在钢材生产和结构制造 等过程中不可避免地在结构的某些部位存在着局部微小缺陷如钢材化学成分的 偏析、非金属杂质焊接构件表面上的刻痕、轧钢皮的凹凸、轧制缺陷和分层以及 制造时钻孔、剪边、火焰切割带来的毛边和裂纹焊接构件中有焊渣侵入的焊缝 趾部，存在于焊缝内的气孔、欠焊，这些缺陷都是可能产生裂纹源的主要部位， 这一点已为国内外有关焊接接头和焊接结构的大量疲劳试验所证实1 4 , 5 , 6 1 当有重复 连续荷载作用时，这些部位截面应力分布不均，引起应力集中，在高峰应力处将 首先出现微观裂纹同样，有严重应力集中的部位，如截面几何形状突变处，由 于存在高峰应力，又经受多次重复作用的影响，即使在该处不存在缺陷，也会产 生微观裂纹，形成裂纹源【7 i 。 湖北工业大学硕士学位论文 足够多次的扰动载荷作用之后，从高应力或高应变的局部开始，形成裂纹称 为裂纹起始( 或裂纹萌生) 此后随着应力循环次数的增加，裂纹大体上以同心 圆的形式从表面裂源向内部逐渐扩展。开始时扩展十分缓慢，当构件应力较小时， 扩展区所占范围较大，而当构件应力很大时，扩展区就比较小由于疲劳裂纹两 边的表面在循环应力作用下，时而分开，时而压紧，起着研磨的作用，因而扩展 区表面光滑，而且愈近裂纹源愈光滑。疲劳裂纹扩展到一定深度后，达到临界尺 寸，剩余工作截面减小，应力逐渐增加，裂纹加速扩展当截面有效面积小到难 以承受荷载时，在载荷的冲击下就发生完全断裂嘲另外，在严重应力集中的部位， 有载荷作用，部件发生弹性变形，当有重复连续载荷作用时，构件长期处在一定 范围内的变形状态，在这种状况作用下弹性形变就不可能完全恢复，进而转化成 部分塑性变形，这些部位转化为塑性变形后，各种性能指标就有所降低，临界载 荷随之降低，在特定的载荷的冲击下也会发生完全断裂唧 疲劳是一个发展过程，所谓裂纹萌生和扩展，是这一发展过程中不断形成的 损伤的结果。最后的断裂标志着疲劳过程的终结这一过程所经历的时间或扰动 载荷作用的次数，称为寿命i 埘它取决于载荷水平依赖于载荷作用次数，还取决 于材料抵抗疲劳破坏的能力在疲劳破坏的三个历程之中裂纹失稳扩展是快速扩 展，对寿命的影响很小，在估计寿命时可不作考虑。故一般将总寿命分为裂纹起 始或萌生寿命与裂纹扩展寿命两部分 大型起重机械主要是由金属构件组成，承受的是交变载荷，疲劳破坏( 损伤) 是其主要的失效形式【1 1 】因此，起重机械的寿命主要取决于金属结构的疲劳寿命 在设计过程中。金属结构寿命极限是根据规范里载荷谱系数和工作级别确定的， 而这两者应通过实际载荷组合确定但实际载荷组合很难预知，设计时往往凭经 验选取，这会导致所设计的使用寿命与实际不符，甚至出现很大偏差，因此起重 机剩余寿命评估技术应运而生，但目前剩余寿命评估技术在国内外都正处于研究 阶段 i 3 金属结构国内外研究现状 结构疲劳问题的研究已近二百年的历史，目前在微观机理方面，对于疲劳裂 纹的萌生与扩展机制已经有了比较清楚的了解一般说来，疲劳分析的核心问题 可归结为：在给定的载荷及环境下，如何恰当地描述结构各内场( 如应力，应交、 位移、刚度等) 的变化；疲劳分析所关心的主要是结构的剩余强度和剩余寿命i 埘 有关疲劳设计的理论，已经从以最大应力为主要变量发展到以最大应力幅为 2 湖北工业大学硕士学位论文 主要变量；近代又从最大应力幅的许用应力法发展到概率极限状态设计法1 1 2 1 到 目前为止，关于疲劳寿命的估算问题，许多学者己经做了大量的研究，提出了不 少估算寿命的方法，目前国内外在解决该问题时采用的方法可分为两大类：一类 是基于现场检测的方法；另一类是基于理论分析的方法i l 3 , u 1 各种方法由于出发 点和依据不同，估算出的寿命也有差异由于影响金属疲劳的因素复杂，准确预 计起重机金属结构剩余疲劳寿命的工作比较困难 1 3 1 基于现场检测的方法 基于现场检测的方法包括：超声波探伤法、红外线检测法、光纤测试法、涂漆 法和主梁拱度测量法l 堰阚 ( 1 ) 超声波探伤法 超声波探伤法是根据超声波原理，检测金属结构件对超声波的反射信号，通 过其判断金属结构件内部的裂纹程度，从而预测金属结构的剩余疲劳寿命 ( 2 ) 红外线检测法 红外线检测法是通过测量热流或热量来鉴定金属或非金属材料的状况当材 料中的疲劳裂纹被检测后，计算出裂纹对材料疲劳寿命的影响 ( 3 ) 光纤测试法 光纤测试是将光纤或集成光纤柬预制带，粘贴到被测件上，检测结构受重复 应力作用后参数的变化，利用计算机采集和分析预测结构的剩余疲劳寿命 ( 4 ) 涂漆法 美国等国家正在研究一种特殊用途的。油漆0 将该种油漆涂在需要测试的构 件表面在构件受力后，油漆表面将发生变形，然后用特殊仪器来测试其变化量， 由此得出该构件的剩余疲劳寿命【切 ( 5 ) 主粱拱度测量法 主梁拱度测量法是通过水平仪、拉钢丝法和连通器测量出桥式起重机主梁的 上拱度( 下扰度) ，根据起重机械技术检验标准推算主梁的剩余寿命。 1 3 2 基于理论分析的方法 基于理论分析的方法包括：名义应力法、局部应力一应变法、断裂力学法、 概率疲劳设计和功率谱密度法。 ( 1 ) 名义应力法 名义应力法是一种估算裂纹形成和裂纹扩展两部分总寿命的方法【1 日i 以名义 应力为基本设计参数、以材料的s n 曲线为主要设计依据的疲劳设计法称为名义 湖北工业大学硕士学位论文 应力法，也称为常规疲劳设计或影响系数法疲劳破坏是一个累积损伤的过程， 不同研究者根据他们对损伤累积方式的不同假设，提出了不同的疲劳累积损伤理 论 线性疲劳累积损伤理论认为材料在各应力水平下的疲劳损伤是独立的，总损 伤可以线性叠加，当总损伤达到某一数值时，构件就发生破坏1 1 9 1 如工程中常用 的s i l l a r 线性累计损伤法则认为，整个工作期间各应力水平对构件所造成的损伤 d - 罗鲁- 1 时，构件即发生破坏当临界损伤和改为一个不等于1 的其它常数时。 j 爿爿l 称为修正m i n c t 法则g 埘惯和m a n s o n 则将将疲劳过程中的裂纹形成和裂纹扩展 两个阶段区分开来，用两条直线分别表示裂纹形成和裂纹扩展过程，从而建立了 双线性累积损伤理论 非线性累积损伤理论认为。材料在各应力循环下的损伤不能简单相加，载荷 历程与损伤之间存在着相互干涉作用，即各个载荷所造成的疲劳损伤与以前的载 荷历史有关，其中最有代表性的时c o i t c - n - d o l a n 理论【刎该理论认为在构件表面 的许多地方可能出现损伤，损伤核的数目由材料所承受的应力水平决定，由此导 出多级应力循环下的疲劳寿命计算方程。 ( 2 ) 局部应力一应变法 局部应力一应变法是在低周疲劳的基础上发展起来的一种疲劳寿命估算方 法其基本的设计参数为应力集中处的局部应变和局部应力这种方法认为【2 1 】， 构件的疲劳破坏总是从应变集中部位的最大应变处开始，并且在裂纹萌生以前都 要产生一定的局部塑性变形，而局部塑性变形是疲劳裂纹萌生和扩展的先决条件， 因此构件的疲劳性能就取决于该局部的应力状态只要最大局部应力应变相同， 疲劳寿命就相同应力应变分析较精确的方法有弹塑性有限元法和实验应力分析 方法，工程上常采用比较简单实用的近似方法，其中应用广泛的是修正n c u b c r 法 在应力应变分析中需要用到材料的循环应力应变曲线。 在局部应力应变分析的基础上，可以用雨流计法或其它循环计数法把复杂的 载荷时间历程分解为一系列的载荷循环，以便用等幅疲劳实验得到的s - n 曲线进 行疲劳损伤计算阎计算疲劳损伤理论有基于材料循环应变与疲劳寿命关系的 m a r o o n c o f f i n 公式和基于材料循环能量变化理论为了求出每一循环所造成的损 伤量b ，需要采用损伤公式和累积损伤的计算公式从而推导出构件的使用寿命方 程 ( 3 ) 损伤容限设计法 损伤容限设计是一种估算疲劳裂纹扩展寿命的方法例，这是一种以断裂力学 4 湖北工业大学硕士学位论文 为理论基础、以无损检验技术和断裂韧性测定技术为手段、以有初始缺陷或剩余 寿命估算为中心、以断裂控制为保证、确保零构件在使用期内能够安全使用的一 种设计方法。这种疲劳设计方法使断裂力学和疲劳这两门学科结合起来 断裂力学的基本假设是例：承认构件有原始裂纹或裂纹缺陷存在，构件脆性 或疲劳破坏就是从这些缺陷处扩展或从原始裂纹缺陷经过缓慢扩展的结果断裂 力学所研究的就是这些缺陷在载荷作用下发生脆断的特性和规律。损伤容限设计， 允许零构件有初始缺陷，或在使用寿命中出现裂纹，但在下次检修前要保持一定 的剩余强度，能正常使用，直至下次检修时能够发现，予以修复或更换损伤容 限设计就是用断裂力学中关于裂纹扩展的理论和方法来确定零件存在缺陷或出现 裂纹后，在循环载荷作用下，由初始裂纹尺寸扩展到临界尺寸的应力循环次数( 称 作裂纹扩展寿命或剩余寿命) 的设计方法，也根据已知的裂纹来确定零构件的许用 应力 损伤容限设计的关键问题是正确估算裂纹扩展寿命断裂力学为解决裂纹扩 展问题、从而合理地估算裂纹寿命提供了一条有效的途径通常用的裂纹扩展速 率公式有p a r i s 公式随机载荷下的裂纹扩展寿命估算时应将每一个载荷循环所产 生的裂纹长度的增量累加起来，即当裂纹由初始长度扩展到临界裂纹长度4 时 构件就达到其疲劳寿命期限 ( 4 ) 功率谱密度法 按随机过程理论，任何随机过程的基本特征均可用四种统计函数描述。即均 方值、幅值域上的概率密度函数、时间域上的相关函数和频率域上的功率谱密度 函数嘲假定实测的应力一时间历程是真实应力历程的一个样本，由此可给出载 荷幅值的均方值随频率的分布，即功率谱密度函数功率谱方法是利用功率谱密 度函数进行随机疲劳寿命估算的一种较精确的统计方法，但只有在载荷历程是一 种平稳高斯随机过程的条件下，才有可能用功率谱密度函数完全确定该过程功 率谱方法估计疲劳寿命的主要控制因素是峰值的概率密度分布形式 以上几种起重机金属钢结构剩余疲劳寿命的估算方法都有一定的使用范围， 不能完全相互替代从我们对各种估算方法的理解和实际经验都告诉我们，对于 高周疲劳，仍以名义应力法为佳对于低周疲劳，则局部应力应变法具有先天的 优越性，但它只能计算裂纹形成寿命，需要与损伤容限设计法结合起来使用对 于具有初始缺陷和裂纹构件，应当使用损伤容限设计法。 疲劳寿命预测是结构损伤容限分析技术的重要组成部分。在疲劳寿命分析中， 对于裂纹形成寿命的预测，通常采用疲劳累积损伤理论，而对于裂纹扩展寿命的 预测，则采用断裂力学的理论。安全性是衡量起重机性能的一个重要指标，而整 5 湖北工业大学硕士学位论文 机的安全性则主要是通过起重机的金属结构的安全性来体现的对金属结构的安 全性评价涉及到设计、制造，维护各个阶段，这样就需要对金属结构的安全性评 价进行更加深入的研究起重机金属结构安全性评价就是将起重机金属结构看成 一个系统，对系统中的主要元件( 如主粱、臂架) 的技术性能进行分类，确定金属 结构的技术性能状态，进而对起重机设备的剩余寿命进行分析和预测 1 。4 本文研究内容和方法课题 1 4 1 研究对象 本文的研究对象为武汉机械有限责任公司7 跨( 2 0 t x 2 2 5 m ) 双梁桥式起重机 该机型广泛在我国大中型企业扮演着主力军作用，起着举足轻重的地位该起重 机的主梁结构型式为箱型，采用整体钢板焊接而成，具有设计简单、便于焊接、 制造工艺好等优点，是应用最为普遍的一种结构型式但该种结构的起重机主粱 受力复杂，辅助桥架上的工作应力、附加拉应力与焊接残余应力迭加，可使应力 水平偏高，主梁下盖板由于整体弯曲应力大，且下表面难以检查，故具有极大的 潜在危险性l 冽 在生产中发现，小车啃轨，小车向桥架两端运行时出现爬坡现象，电机负荷增 加，电机时有烧坏现象，而小车由两端向中部运行时，出现打滑现象，制动后出 现溜车现象，影响了起重机的正常工作和生产其产生的原因是主梁的下挠度接 近了使用极限值，再进一步对主梁探伤时发现，在左右主粱的下盖板都发现不同 程度的裂纹，其中在传动侧主梁跨中位置偏近操作室侧2 0 0 m m 处，发现了如图l - 1 所示的组合裂纹，其中与整体弯曲应力垂直的张开型裂纹长度己达1 6 9 a n n ，已属 危险状态本文将根据该处可见裂纹和主梁下挠度来研究该台桥式起重机主梁使 用寿命和修复措施 1 4 2 研究的方法与技术路线 本课题来源于湖北省特种设备检验检测所，对武汉机械有限股份责任公司7 跨( 2 0 t 2 2 5 m ) 双梁桥式起重主梁检测时，发现下挠度接近桥式起重机械技术检 验标准最大使用极限，整车运转状况不良，就主梁下盖板呈现大面积可见裂纹和 主梁下挠度来对主梁使用寿命和修复加固进行研究在深入现场进行检测、探伤， 取得了必要的数据资料后，运用大型有限元软件a n s y s 建立主梁的有限元模型， 6 湖北工业大学硕士学位论文 1 一 、 、肚1 ( “ l 冲 2 0 0 r a m 图示1 - 1 传动侧主梁跨中区域组合裂纹 通过有限元的应力计算和基于断裂力学对裂纹扩展长度及应力循环次数的计算， 对该起重机的主梁结构进行了全面的疲劳强度分析；本台桥式起重机已接近使用 寿命，为节约成本考虑须对主梁进行必要的加固；通过理论分析计算采用预应力 法进行加固。本文采用有限元分析与断裂力学分析相结合的方法，为含初始缺陷 结构的寿命预测建立了切实可行的估算模型；采用预应力法进行加固为主粱修复 提供了一种工程上节约成本，合理利用易行的方法 7 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章桥式起重机相关概念 桥式起重机是固定在跨间内装卸和搬运物料的机械设备，被广泛用于车问、 仓库和露天场地 2 1 桥式起重机的概述 通用桥式起重机主要有桥架、大车运行机构、小车运行机构、起升机构和电 气设备组成，另外还包括走台、司机室等部分沿建筑物较长方向的两侧设置较 高的承载轨道梁，在梁上铺设大车运行轨道，将装有4 个车轮的桥架跨在轨道上， 并沿轨道前后运行，这是构成桥式起重机的主要金属结构部分硼除桥架外，它 横架在车f 司两侧还吊有小车，小车上装有起升机构和运行机构这样桥架的前后 运行和小车左右运行以及起升机构的升降动作，三者所构成的立体空问范围是桥 式起重机吊运物品的服务空间如图2 - 1 侧视示意图，图2 - 2 三维桥架模型 图2 - 1 箱形梁桥式起重机 1 起重机总电源导电装置2 桥架3 小车 4 小车导电装置5 司机室6 大车运行机构 8 湖北工业大学硕士学位论文 图2 _ 2 三维起重机桥架模型 2 1 1 桥式起重机桥架构造 桥式起重机的钢结构主要由主粱、端梁、栏杆、走台、轨道和司机室等构件 组成由2 根主粱和2 根端粱及一些零部件组成桥架，桥架是一种移动的金属结 构，是主要的承载构件它一方面承受着承载的起重小车的轮压，另一方面它又 通过支撑桥架的大车运行车轮，将满载起重机的全部总量传给厂房轨道和建筑结 构桥架的重量一般占起重机总重量的以上 桥架的外形尺寸大小，决定于起重机的起重量、跨度、起升高度和桥架的结 构形式桥架的构造型式主要取决于主梁的结构型式主梁是承担小车重量和外 载荷的因此必须有足够的强度、静刚度和动刚度，以保证在规定载荷作用下。 其主粱在弹性下挠值允许的范围内不至于发生变形主粱上拱度是用来抵消工作 中主梁所产生的弹性变形以减轻小车的爬坡、下滑，并保证大车运行机构的传动 性能目前国内外采用的桥架主梁型式繁多，其中比较典型的是四桁架式和箱形 截面的双腹板梁式两种。其它型式都是这两种基本型式发展的结果。四桁架式桥 架主要由主桁架( 或实腹工字形梁) 、辅助桁架及上、下水平桁架以及箱形截面的 端梁所组成它的两根主梁都是由四个平面桁架组合成的封闭空间结构桁架中 各杆件在节点处通常采用节点板来连接。 箱形结构桥架是应用最为广泛的桥架结构的基本型式它由两根主粱和两根 端梁组成，主梁是由上、下盖板和两块垂直腹板组成封闭的箱形截面的实体板梁 结构。起重小车的轨道固定在主梁上盖板上，桥架结构的强度和刚性均由箱形主 9 湖北工业大学硕士学位论文 粱来保证为了保证上盖板和垂直腹板受载时具有足够的稳定性，箱形主梁的内 部要安捧大、小垂直加筋板大加筋板的位置应与走台上运行机构的电动机、减 速器和传动轴的轴承部件等下支撑件的位置相配合，以免这些部件的悬臂重量造 成腹板局部挠曲变形为了能使小车的轮压更直接的传到腹板上去，并进步增 加腹板的局部稳定性，在大加筋板之间腹板受压区域内增设一些垂直的小加筋板 小车轨道焊接在每根主梁的正中间，称为正轨箱形梁；是最为广泛使用的结构形 式小车轨道位于腹板的正上方的截面形式称为偏轨箱形梁，它是从普通桥架的 结构改进而来的闭箱形梁式桥架具有设计简单、制造工艺好、组装方便、通用 性强、利于自动焊，抗扭刚度好等优点缺点是自重大，桥架水平刚度较差，箱 形内部施焊条件差，主梁容易下挠 桥式起重机的端梁是主要受力构件，与主梁之间采用焊接或连接，端粱多用 钢板组焊成箱形结构在端梁下面装置着大车的车轮组，承担着起重机所有垂直 方向的载荷 2 1 2 桥式起重机的工作周期 按照正常工作程序，从起吊动作开始，先开动起升机构，空钩下降，吊起物 品上升到一定高度，然后开动小车运行机构和大车运行机构到指定位置停止；再 开动起升机构降下物品，然后空钩回升到一定高度，开动小车运行机构和大车运 行机构使起重机回到原来位置，准备第二次吊运工作每运送一次物品，就要重 复一次上述的过程，这个过程通常称为一个工作周期在一个周期内，各个机构 并非都是同时工作的有时这个机构工作，其他机构停歇，但每个机构都至少作 一次正向运转和一次反向运转由于具有这样的工作特征，所以起重机械是一种 周期性问歇工作的机械 2 1 3 起重机的利用等级 起重机结构的工作循环等级，可以用起重机结构在使用寿命期问完成总的工 作循环来表征我国将起重机结构总的工作循环次数n 按使用情况分为1 0 级阐， 如表3 - l 所示 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 表3 - l 桥式起重机的利用等级 利用等级总的工作循环次数n 附注 u o 1 6 x 1 0 4 不经常使用 3 2 x 1 0 4 6 3 x 1 0 4 1 2 5 x l o s 2 5 x l o s 5 x l 旷 l x l o s 2 x 1 0 6 4 x 1 0 6 4 1 0 6 不经常使用 不经常使用 不经常使用 经常轻闲地使用 经常中等地使用 不经常繁忙地使用 繁忙地使用 繁忙地使用 特别繁忙地使用 2 1 4 起重机的载荷谱系数 载荷状态表明起重机的轻重程度，它与两个因素有关，即起升的载荷与额定 载荷之比和各种起升载荷的作用次数与总的工作循环次数之比有关载荷谱系数 o 劝表明起重机工作的轻重程度，它与起升载荷和实际的工作循环次数有关 起重机结构的载荷状态按名义载荷谱系数分为四级1 2 9 , 3 0 1 ，见表3 2 表3 - 2 起重机载荷状态及名义载荷谱系数 2 1 5 起重机工作级别的划分 起重机金属结构的工作级别是表明结构工作繁忙程度的参数按结构件中的 载荷状态( 名义载荷谱系数) 和工作循环次数( 利用等级) 分为a l a 8 共8 级，如表 3 - 3 所示。 1 l u仍仍m仍仉价仉m 湖北工业大学硕士学位论文 表3 - 3 起重机工作级别的划分 2 2 起重机主梁挠度 桥式起重机出厂时，为了增强主梁的承载能力及减轻小车的爬坡和下滑，使 主梁有一定的上拱度当起重机使用一段时间后，规定的主粱上拱度就会减少 我们习惯把主梁上拱度低于原始上拱度而仍有部分上拱度称为上拱度减小，将空 载时主梁低于水平线以下者称为下挠，将起重机承载后主梁所产生的拱度称为弹 性下挠p 1 1 2 2 1 主梁下挠的界限 起重机主梁究竟下挠到什么程度就不允许使用，目前尚无明确规定为了不 影响使用，又保证起重机运行安全，g b 6 0 6 7 - 8 5 起重机械安全规程 第1 1 0 4 条 作了原则规定：。对于一般桥式类型起重机，当小车处于跨中，并且在额定载荷 下，主梁跨中的下挠值在水平线下达到跨度的i ，7 0 0 时，如不能修复，应报废 但是在我们实际执行这一标准中也总结出了一些经验为确保安全生产，我国起 重机制造技术条件规定了起重机下挠的允许界限和应惨界限但是，由于使用条 件不同，也不便规定超过允许下挠值就一定修理为了确保安全有必要提出一个 主梁变形应修界限的下限值，也就是说，到了这个界限再继续使用就有可能造成 事故 起重机检验部门规定，将小车停在桥架中间，起升额定载荷，主梁跨中最大 下挠值，从水平线算起；若起重机的工作级别 3 - a 6 级时，主梁跨中的下挠度l s 0 0 ( m m ) ，l 为主梁的跨度：若起重机的工作级别a t - a s 级时，主梁跨中的下挠度 f f i i d l 0 0 0 ( m m ) ，应立即停止使用，考虑修复，否则就有可能发生重大事故阎在 没有条件做试验的单位，可做空载主梁变形测量，一般从水平线算起空载的残余 下挠值i j l 5 0 0 时应考虑修复 湖北工业大学硕士学位论文 2 2 2 主梁上拱度减少的原因 ( 1 ) 结构内应力的影响主梁在制造过程中，由于强制组装控制变形，造成 各部位产生了不同方向的拉、压应力另外，由于焊接过程中局部不均匀加热， 将会造成焊缝及其附近金属的收缩，导致主梁内部产生残余内应力在使用过程 中，残余内应力逐渐均匀化，以致消失，使焊接变形逐步增加，从而使主梁产生 裂纹永久变形 c z ) 超负荷及不合理使用。设计起重机的金属结构，是按额定载荷并考虑其 动载影响而进行强度计算的，不考虑严重的超负荷和超工作级别等不合理使用 但在实际作业中，不少使用单位对此不重视，长期超载和改变其工作级别的使用 情况不少更有甚者，还有用来拖拉重物的这是造成起重机主梁下挠的重要原 因 ( 3 ) 高温工作环境的影响根据使用经验可知，热加工车间用的起重机较冷 加工车间使用的起重机出现主粱下挠问题多，下挠的程度也严重这种高温环境， 在一定程度上降低了金属材料的屈服强度；产生的温度应力，又增加了主梁下挠 的可能性 ( 4 ) 设计和制造工艺的影响。设计时主梁刚度没有得到充分保证，产生下挠 是必然的主梁在制造过程中，由于腹板的波浪变形过大，又导致主梁下挠变形 在组装主梁时，当出现两根主梁挠废相差较大时，必须采取压重或火烤等校正措 施，也影响主梁的下挠。未按设计工艺制造会从根本上达不到拱度的要求 ( 5 ) 起重机不合理的吊运、存放和安装起重机桥架为长大结构件，弹性较 大，不合理的存放、吊运和安装都能一起桥架结构的变形 ( 6 ) 不合理的修理没有掌握在起重机金属结构上加热引起结构变形的规律， 又没有采取防止变形的措施，就在主梁上盖板上施焊或气割小车轨道压板，都会 造成主梁的下挠变形 2 2 3 主梁变形的不良影响 起重机主粱变形对其使用性能的不良影响是很大的，如不及时修复或报废， 将可能造成严重的设备和人身事故。可归纳为下面几个方面 ( 1 ) 对小车运行的影响。当主梁下挠后，小车运行机构不仅要克服正常的运 行阻力，还要克服轨道倾斜产生的爬坡附加阻力，势必降低小车运行机构的使用 寿命，甚至损坏机构，烧坏电机。另外，当小车轨道坡度达到一定程度时，还将 引起小车轮打滑，影响起重机的正常工作 湖北工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 对大车运行机构的影响。主梁下挠，对集中驱动的传动机构影响较大 因为这种传动机构安装时具有一定的上拱度，如果主梁产生较大的下挠度，传动 机构也将随之产生下挠。因此。运转中会造成传动轴扭弯，严重的还可能造成连 轴器齿部折断或连接螺栓断裂等 ( 3 ) 对小车的影响。当两根主粱的下挠程度不同时，会使小车的四个车轮不 能同时与轨道接触，形成小车三条腿现象，同时，随着主粱的下挠，又引起了主 梁的水平弯曲。主粱向内弯曲，使小车轨距减少到一定数值时，双轮缘小车将产 生运行夹轨，外侧单轮缘小车将会造成脱轨 2 3 起重机结构静刚度 桥式起重机主梁静刚度是指满载小车作用在跨中时，主梁在垂直平面内引起 的最大静挠度和跨度之比p 此值是设计中主要控制指标之一，也是桥式起重机 安全寿命检测的重要指标之一 2 3 1 国外的静刚度控制值 苏联对通用桥式起重机静刚度控制值为i 7 0 0 。这个控制值在很长一个时期中 为我国起重机设计所采用有人认为这个值定的比较低，再加上我国过去规章制 度不严，在实际使用中常发生超载现象，引起了相当多的起重机出现下挠现象 日本工业标准和日本起重机构造规范提出桥式起重机主梁最大挠度不得大于 i s 0 0 ，这个控制值近年来逐渐被我国大多数设计人员所采用美国电动桥式起重 机规范规定由固定载荷、小车重量和额定载荷产生的主梁最大垂直挠度每英寸跨 度不超过0 0 0 1 2 5 英寸，它相当于包括主梁自重在内控制值不大于i 8 0 0 这个控 制值最近被上海起重运输机械厂普通桥式起重机所采用。英国电动桥式起重机标 准规定，小车位于跨中时额定载荷与小车自重所造成的垂直挠度不超过 1 3 3 2 3 2 国内厂家所采用的静刚度 起重机设计手册( 1 9 8 0 ) 推荐桥式类型起重机静刚度控制值取l 刀l 1 0 0 0 , 对一般场合使用的起重机取l ，7 ，对冶金起重机和特重级工作类型的起重机取 i j l 0 0 0 大连起重机器厂编写的起重机设计手册( 1 9 7 9 ) 推荐桥式类型起重机静挠 度控制在i j s 0 0 i 1 0 0 0 t 程设计手册( 1 9 7 9 ) 推荐，通用桥式起重机跨中静挠 度控制在i 7 0 0 i 1 0 0 0 从根据大连起重机器厂攻关组对大梁下挠测试统计在调查1 0 个城市2 4 个单 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 位的1 0 6 台桥式起重机，测试结果表明，一般出厂有i 1 0 0 0 的上拱度，使用1 年 后上拱度减少2 0 ，使用2 - 5 年上拱度减少3 0 - 5 0 ，使用5 年以上减少6 0 以 上，使用1 0 年减少1 0 0 ，即上拱值全部消失以后开始下挠值至水平线一下 从这下挠规律来看，把使用1 0 年的主梁处于水平状态作为考虑静刚度的初始状态 比较适宜阎 湖北工业大学硕士学位论文 3 1 理论依据 第3 章课题研究的理论基础 本课题是考虑材料初始缺陷或裂纹的影响，以断裂力学为理论依据，对桥式 起重机主梁结构进行疲劳寿命研究的疲劳断裂是以断裂力学理论为基础，研究 裂纹疲劳扩展的规律、不扩展条件，寿命预测等，是断裂力学在疲劳设计中的应 用 在线弹性断裂力学中，把裂纹体视为线弹性材料，利用弹性力学的方法去分 析裂纹尖端的应力场、位移场及裂纹扩展有关的能量关系，并由此找出控制裂纹 扩展的物理量。实践表明，这样分析得到结果的精度对于高强度和超高强度钢材 是足够的；对于中、低强度钢材，只要裂纹尖端的塑性尺寸远小于裂纹尺寸时， 经过适当的修正，也是有效的对大多数工程材料而言，当载荷增加时，靠近裂 纹尖端处将出现一个塑性变形区域，此区域的形状和尺寸随应力状态不同而异 对于桥式起重机焊接箱形梁常用的0 2 3 5 和1 6 m n 这类塑性好的钢材，塑性区的尺 寸与裂纹尺寸相比为同一量级，线弹性断裂理论的小范围屈服修正理论就无效了， 应该用弹塑性断裂理论。但基于以下原因，处理上述裂纹问题，仍然应该考虑用 线弹性断裂理论闭 ( 1 ) 受预应变后钢材的性能发生变化桥式起重机的部分构件在加工时，会 承受预应变；而在安装完成后，由于构件自重的影响，大多数构件会承受拉压预 应力，使结构在硬度、屈服应力等提高的同时，塑性变形能力降低 ( 2 ) 应变时效桥式起重机金属结构中，虽然外力引起的应力在弹性范围内， 但缺口尖端或结构截面突变处的局部应力和局部应变常常进入塑性范围，经过应 变时效，使塑性良好的钢材向脆性材料转变；而桥式起重机大量存在的焊接结构 中，应变时效同样使得焊接热影响区的金属脆化 ( 3 ) 线弹性和弹塑性断裂理论的特点与发展状况起重机是大型机械，初始 裂纹尺寸与其构件的几何尺寸相比小得多，而线弹性断裂理论正好适用于这一范 围，且求解比较容易。弹塑性断裂理论相对而言求解要困难，其解偏于不安全， 其理论发展还不成熟，弹塑性裂纹体得扩展规律还有待进一步研究。 对已工作多年或进入服役后期桥式起重机来讲，虽然桥架用塑性非常好的钢 材制成，但由于上述原因，钢材。已经变脆”，故裂纹的分析用线弹性断裂理论更 湖北工业大学硕士学位论文 为可靠 3 1 1 断裂力学的产生与发展 断裂力学是在生产实践中产生和发展起来的一门学科嗍断裂力学的基本概 念最早是英国物理学家c , r 蠲t h ( 格里菲斯) 于1 9 2 0 年在对玻璃的断裂研究中提出来 的g r i 伍t h 用材料内部有缺陷( 裂纹) 的观点，解释了材料实际强度仅为理论强度 的千分之一的现象，同时认为，裂纹体受载时，如果裂纹扩展所需的表面能小于 弹性能的释放值，则裂纹就扩展并将最后导致断裂这一理论在玻璃中得到了证 实，但因它只适用于完全弹性体，即完全脆性材料，所以没有得到发展由于当 时生产水平的限制，断裂问题还不是