1 300 t橋式起重機主主梁實驗測試研究

高曉慧,張 君,文 豪,王全偉

(1.太原科技大學,太原 030024;2.太原理工大學,太原 030002)

橋式起重機在港口、貨場、工廠等地方的運用發揮著不可替代的作用,橋式起重機需要將一般起重機無法完成的大型機械設備運輸、調配工作,同時也是國家規定的特種設備之一[1-4]。起重機的骨架是金屬結構,金屬結構傳遞和承受著來自工作時的各種載荷,金屬結構的工作狀態和工作情況直接影響到起重機的工作壽命、工作效率,一旦發生故障損壞起重機,將造成巨大的間接或直接的損失,更嚴重會威脅到工作人員的生命安全[5-8]。起重機的使用過程中主梁通常因為受力復雜而發生彎曲變形,事故常有發生,因此研究橋式起重機主梁在各種載荷工況下的應力測試是很有必要的,基于一定的應力測試可以分析得出主梁各點的應力承受能力以及主梁受力薄弱點和最易發生撓度變形的作用點;基于一定的數據分析可以驗證橋式起重機主梁設計的合理性。因此橋式起重機主梁進行實驗測試的研究具有重要意義[9-10]。

1 1 300 t橋式起重機簡述

1.1 起升機構技術性能

該橋式起重機由兩部分構成,其中主小車起重量為1 300 t,起重量大于400 t時起升速度為(0.15～1.5)m/min,起升高度可達36 m,工作制度采用M4,電機功率由兩臺250 kW構成。副小車起重量為160 t,起重量大于50 t時起升速度為(0.4～4)m/min,起升高度可達38 m,工作制度采用M5,電機功率為132 kW.

1.2 設計參數

測試的橋式起重機為四梁結構,具體橋架總圖如圖1所示,計算所用設計參數見表1.

表1 計算所用設計參數

圖1 橋架總圖

2 起重機金屬結構強度測試

2.1 測點布置與試驗工況

2.1.1 主梁

共設置7個測試部位,都在主腹板一側,其中跨中4個測試部位,端部3個測試部位。

跨中4個測試部位都為單應變片,記為測點1、測點2、測點3、測點4.測點1位于下部角焊縫附近的下蓋板上,測點2位于下部角焊縫附近的主腹板上,測點3位于軌道附近的上蓋板中點處,測點4位于上蓋板距離中點176 mm處。

端部3個測試部位都為應變花,每個測試部位3個測點,共9個測點。測點5、測點6、測點7位于端部變截面處主腹板上部,測點8、測點9、測點10位于端部變截面處主腹板中部,測點11、測點12、測點13位于彎板處。每處應變花3個測點按照水平、45°、豎直順序表示。

測點具體位置見圖2-圖4.

圖2 測試點總體分布情況

圖3 測試點分布情況

圖4 測試點分布情況

2.1.2 試驗工況

工況由不同大小載荷與小車不同位置組合而成。以額定載荷1 300 t為基準,分別施加75%、100%、110%、125%共4檔載荷,對應載荷數值為975 t、1 300 t、1 430 t、1 625 t.位置是指遠離司機側大車軌道中心距離大車中心的距離值。

3 試驗步驟及結果分析

試驗步驟如圖5所示。

圖5 試驗步驟

3.1 烏東德左岸1 300 t橋機

以烏東德左岸1 300 t橋機為例,分別對75%載荷、100%載荷、110%載荷、125%載荷進行載荷試驗,測試分析測點處的線應力、主應力轉換等內容。

3.1.1 75%載荷(975 t)

以下分析為75%載荷時跨中、13.15 m、10.5 m、8.9 m、7 m這五個工況處各測點的應力變換情況。75%載荷應力變換見表2,其中σ1為最大主應力,σ2為最小主應力,τ為最大切應力,θ最大主應力角度。

表2 75%載荷(975 t)

3.1.2 100%載荷(1 300 t)

以下分析為100%載荷時跨中處各測點的應力變換情況。100%載荷1 300 t見表3,其中σ1為最大主應力,σ2為最小主應力,τ為最大切應力,θ最大主應力角度。

表3 100%載荷(1 300 t)

3.1.3 110%載荷(1 430 t)

以下分析為110%載荷時跨中工況處各測點的應力變換情況。110%載荷1 430 t見表4.其中σ1為最大主應力,σ2為最小主應力,τ為最大切應力,θ最大主應力角度。

表4 載荷1 430 t@跨中

3.1.4 125%載荷(1 625 t)

以下分析為125%載荷時跨中工況處各測點的應力變換情況。125%載荷1 625 t見表5.其中σ1為最大主應力,σ2為最小主應力,τ為最大切應力,θ最大主應力角度。

表5 載荷1 625 t@跨中

3.2 實驗數據分析

(1)比較4檔載荷分別施加在主梁跨中各測點的應力,其中載荷值為配重質量與主小車質量的疊加,可以得出跨中各測點應力值與載荷大致承線性

關系,如圖6所示;表6為4檔載荷分別施加在跨中時主梁跨中各測點的應力值,由此可看出各工況下,下蓋板應力稍大于腹板下部應力,這是由于下蓋板測點比腹板下部測點更遠離中性軸;從表中還可以看出,跨中上蓋板測點應力值要略小于跨中上蓋板偏離0.176 m處測點應力值,這是由于小車輪壓作用的緣故,使得跨中上蓋板偏離0.176 m處測點產生了應力集中。

表6 不同載荷施加主梁跨中各測點的應力值

圖6 各測點應力值與載荷

圖7為同一載荷(75%檔)作用在主梁不同位置時,主梁各測點應力值。由圖可知在相同載荷作用下,載荷位置越遠離跨中,主梁跨中應力越小,而主梁端部等效應力越大,這也與主梁設計中的理論計算吻合。

圖7 75%載荷作用下主梁各測點應力值

4 起重機主梁上拱下撓測試

4.1 測試內容

根據驗收標準GB/T 14405-2011來分別檢測主梁跨中上拱度、以及下撓度。

4.2 測試方法

起重機主梁的上拱度、下撓度均采用全站儀測試。在起重機主梁上蓋板跨中及非司機室側端部各布置一個測點,并將提前貼好全站儀專用反射片的磁性塊吸附在該測點之上。全站儀站點設在副梁跨中,以測量范圍足夠覆蓋兩個既定測點為宜。測點及全站儀布置點示意如圖8所示。

圖8 測點及全站儀布置點示意

在起重機未加載時,用全站儀測量主梁端部測點1、主梁跨中測點2 的高度,兩者之差即為主梁上拱度;起重機額定載荷作用在跨中時,再次用全站儀測量主梁端部測點1、主梁跨中測點2的高度,測點2 的高度下降數值減去測點1的高度下降數值即為主梁下撓度。

4.3 測試結果

4.3.1 上拱度測試結果

電氣主梁、非電氣主梁、副主梁上拱度測試結果如表7所示。

表7 主梁上拱度測試結果表/m

4.3.2 下拱度測試結果

非電氣主梁1 300 t載荷、1 430 t載荷、副主梁上拱度測試結果如表8所示。

表8 非電氣主梁不同載荷下撓度測試結果表/m

5 結論

綜上所述,得出結論具體如下:

(1)主梁的材料為Q345,其屈服極限為345 MPa,根據起重機相關設計資料,起重機金屬結構的許用應力為[σ]=345/1.4=246.43 MPa.在主主梁額定載荷下,大車主梁下蓋板中點主應力為114.08 MPa;在1.25倍載荷時,最大主應力為140 MPa;在主小車到極限位置時候,此時主梁端部受到等效應力最大為129.7 MPa,這些關鍵應力均小于許用應力,還有較大余量,說明在額定載荷、靜載荷、額定載荷主梁端部結構下,結構安全。

(2)跨中各測點應力值與載荷大致承線性關系,其中載荷值為配重質量與主小車質量的疊加,其載荷值最大時所對應的應力都在許用應力范圍內,符合安全要求;主梁跨中下蓋板測點比腹板下部測點更遠離中性軸,因為所受應力更大。

(3)GB/T 14405-2011中要求上拱度f≥0.7S/1000,電氣主梁與非電氣主梁的上拱度分別為0.030 m、0.027 m,符合標準要求;GB/T 14405-2011中要求靜態下撓度f≤S/1000,在1 300 t額定載荷時主梁的下撓度為f=0.025,符合標準要求。在1.1倍載荷即1 430 t時下撓度為f=0.027;在1.25倍載荷即1 625 t時下撓度為f=0.029,隨著載荷加大,主梁變形量越來越大。

在額定載荷(1 300 t)與1.1倍載荷(1 430 t)下,主梁跨中垂直高度與跨端垂直高度僅相差0.001 m～0.002 m,說明在正常載荷下,主梁近似變為水平直線,小車運行時避免了爬坡現象,起重機設計非常合理。

(4)通過布置分析應變片,對橋式起重機進行載荷試驗,針對特殊工況和位置進行強度和剛度檢測,實驗結果顯示安全,驗證了測點布置方法的準確性,對起重機的檢驗檢測和安全評估有重要的工程意義。