桥式起重机主梁下挠原因及危害分析

陈 源

（广西壮族自治区特种设备监督检验院，广西 南宁 530219）

桥式起重机由金属结构、传动机构和控制系统三大部分组成，是工矿企业、车站码头，实现搬运机械化、自动化，提高劳动生产效率的劳动工具，是以间歇、重复工作方式，通过取物装置的起升、下降与运移来实现物料搬运的设备。

1 起重机的工作特点

起重机的工作特点概括如下：

（1）起重机通常都具有庞大的金属结构和比较复杂的机构，能完成一个或数个起升、下降和水平运动，作业过程中常常是几个不同方向的运动同时操作，技术难度较大。

（2）所吊运的物料多种多样，载荷是变化的，重达成百上千吨，长则数十米至上百米，形状很不规则，还有散粒、液体、熔融、易燃、易爆、强酸碱等危险品，使吊运过程复杂而危险。

（3）大多数起重机需要在较大范围内运行，活动空间较大，危险面也增大。

（4）暴露的和活动的零部件较多，且常与吊运作业人员直接接触（吊钩、钢丝绳等），潜在着许多偶发的危险因素。

（5）作业环境复杂。工矿企业、码头、车站、建筑工地等场所，都有起重机在运行，作业场所还常会遇到高温、高压、易燃、易爆、输电线路、强磁场、暴风雨等危险因素，这些都会对设备及人员构成威胁。

（6）作业人员常需多人配合，存在较大难度，要求驾驶、指挥、司索等作业人员熟练配合，协调工作，互相照应。

上述诸多因素的存在，决定了起重机事故容易发生，为了保证起重机安全运行，作为承担小车重量和外载荷及保持桥架稳定的重要构件的主梁，必须具有足够的强度、静刚度、动刚度和稳定性，以保证在规定载荷作用下，其主梁在弹性下挠值允许的范围内，不至于发生永久变形。

起重机使用一段时间后，主梁上拱度会逐渐减小，即自原始拱度向下产生了永久变形，称为下挠。造成起重机主梁下挠的原因，较为复杂，主梁下挠后对起重机的安全运行产生不利的影响。

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2 主梁下挠的原因

起重机主梁下挠的原因有两类：一类是因为主梁结构材料的应力过大，超过其屈服强度，产生了塑性变形；另一类是主梁大面积材料长期在频繁的高应力作用下，组织发生了连续的滑移。具体原因如下：

（1）结构内应力的影响。起重机金属结构的各部位，存在着不同方向的拉、压等复杂应力。这些应力的产生，主要是由制造工艺和结构制造过程中的强制组装、构件变形造成的。再一个原因是由于采用热熔切割、焊接过程中的局部受热不均匀，造成焊缝及其附近金属的收缩及收缩的不一致，导致主梁内部产生残余应力，在载荷作用下，使主梁产生应力过大，超出材料的屈服极限，引起永久变形。结构残余应力，在起重机的使用过程中，会不断地松弛、扩散、趋向均匀化，以至于消失，也是引起主梁拱度减小的重要因素。

（2）高温的影响。在高温环境下，主梁金属材料的屈服强度会降低，受拉区还产生与工作应力相一致的温度应力，使主梁的承载能力降低很多，这种情况如不能得到重视，起重机工作时很容易造成隐性超载，致主梁下挠。例如，冶炼热辐射，将造成主梁下盖板温度大大超过上盖板温度，使下盖板的受热伸长，大于上盖板的受热伸长，在载荷的作用下，导致主梁拱度逐渐减小。

（3）不合理的使用。起重机是在指定的使用条件下进行设计的，对于选型不当、超载及其他不合理的使用，是不在考虑范围的。

在工作实践中，发现一种类似于共振的造成起重机主梁下挠的重要现象。也就是带取物装置类的起重机，如：抓斗、电磁吸盘、夹钳等在作业时，起重机刚取起物料时，司机有意或无意的致物料丢失，使起重机突然失载，造成主梁剧烈振动。由于起重机主梁的振动是低频率、大振幅，当主梁振动至下峰时（相当于承载状态），刚好起重机进行二次取物作业，结果造成实际上的主梁承载成倍增加，虽然抓斗、电磁吸盘类起重机在设计时，附加载荷考虑的比较多，但是偶遇此种工况多次循环后，就会造成主梁的下挠。

（4）不合理的修理。由于没有掌握在起重机金属结构上加热引起结构变形的规律，也没有采取防止变形的措施，就在桥架上气割或焊接，而造成主梁的严重变形。

（5）小车轮压过大。由于小车轮压过大或道轨太小，造成主梁肋板间上盖板局部凹陷或腹板受压区凸凹变形，而使主梁整体下挠，箱型正轨梁比较常见。

（6）出力大，做功多，材料疲劳。根据多年工作经验，主梁下挠现象多发生在做功多、出力大、材料出现疲劳的起重机上。这是因为在长期的、频繁的、高应力作用下，大面积的主梁材料组织内晶体发生连续滑移、位错，导致上拱度逐渐减小。

（7）其他原因。起重机主梁为细长结构件，不合理的存放、运输、起吊和安装，都能引起桥架结构的变形。此外，主梁材料的质量、材质也是造成主梁下挠的重要因素。

3 主梁下挠的危害

3.1 对承载能力和使用安全的影响

起重机主梁弹性变形幅度过大，振动剧烈，这是出现了刚度问题。起重机主梁发生永久变形，出现下挠，这是出现了强度问题。现在的起重机主梁上拱度，都是由制造时腹板下料获得的。起重机主梁由上拱变形为下挠，也就是中间层以上部分被挤压变形、中间层以下部分被拉永久伸长的过程。起重机主梁下挠，改变了主梁的设计受力状态，材料缺陷、制造缺陷、疲劳缺陷等随着下挠值的增大，被逐渐扩大，并增加诸多附加载荷，最大工作弯矩值、最大工作应力值随之增大；中间层以下材料密度随之减小，抗拉能力降低，中间层以上材料被挤压弯曲变形，抗压能力降低。因此，起重机的承载能力和安全可靠性随之减小。起重机主梁下挠至比例极限时，起重机不能再继续使用，必须降低额定工作载荷或修复加固。否则，会造成主梁突然失稳或断裂的恶性事故发生。

3.2 对桥架结构的影响

主梁下挠，往往并发主梁水平弯曲，局部腹板翘曲变形，腹板与上盖板连接处焊缝开焊、腹板与下盖板出现裂纹等现象发生。对于双主梁起重机，还影响桥架对角尺寸和大小车跨距等一系列变动。

3.3 对小车运行的影响

起重机主梁出现下挠，负载以后小车轨道将产生较大的坡度。小车由跨中开往两端时，不仅要克服正常的运行阻力，还要克服爬坡的附加阻力，使小车电机、电器经常烧坏。另外，小车运行时，还难以制动，制动后也有自行滑移的现象，这对于有准确定位要求的作业影响很大。起重机主梁下挠，还常伴有主梁水平弯曲，使小车轨距随之变动，致小车运行出现“夹轨”，增加小车运行阻力，加速车轮与轨道磨损，严重时发生脱轨事故。

3.4 对小车架的影响

主梁的下挠程度不同，小车的4个车轮不能同时与轨道接触，便产生小车的“三条腿”现象，使小车架受力不均，久而久之使小车架产生变形和疲劳裂纹。

3.5 造成的“啃轨”及次生危害

由于桥架变形总是互相影响，互相牵连的，主梁下挠往往同时存在主梁旁弯、跨距变动和桥架对角线超差等诸多并发症。对于双主梁起重机来说，以上诸多变形，实际上并不是完全等量对称发生的，所以致使大小车歪斜运行，产生大小车运行“啃轨”，造成诸多次生危害。

（1）缩短车轮寿命。一般轻、中级工作制的起重机，在正常使用条件下，车轮寿命可达15年以上，甚至与起重机等寿命，重级及冶金起重机也可达8～10年，但由于啃轨、轮缘磨薄或卷边，使车轮寿命大大缩短，既增加了修理工作量和费用，又影响生产使用。

（2）轨道的影响。由于轨道两侧面被磨损，严重时掉铁屑，使轨道顶面变窄，轮压增大，且不能起到“轨”的作用，而需要更换轨道。特别是小车轨道更换，需要在主梁上进行动火作业，进而造成主梁的下挠量增加。反过来又造成更严重啃道的恶性循环。另外，在大小车啃轨运行侧向力的作用下，易使大小车轨道松动、移位、变形。

（3）增加运行阻力。起重机啃轨运行的阻力，有时会增大到正常情况下的1.5～3.5倍，控制器放在1～2档时，常有开不动车的现象，使电动机功率损耗和传动系统的负荷都增加。啃轨严重时，会将减速器齿轮轴扭断或损坏键槽。

（4）端梁头部影响。起重机啃轨运行，产生较大的侧向力，主要集中在端梁头部的横向加肋板处，久之使端梁头部产生开焊和裂纹。

（5）主梁与端梁联接的影响。起重机啃道运行严重时，使桥架频繁的由矩形向平行四边形交变，主梁与端梁的T型联接处竖向角焊缝，抵抗此类结构变形的能力很差，久之必然产生裂纹，单梁起重机较常见。

（6）缩短厂房使用寿命。啃轨的侧向力，使厂房结构增大横向负荷，有时超过小车制动时的水平力，而厂房结构承受横向负荷的能力较差，使厂房结构经常处于超负荷状态而缩短寿命。

（7）脱轨。啃轨严重时，轮缘能爬上轨道顶面，造成脱轨事故，脱轨又造成桥架更严重的变形，使对角和跨距及平面度尺寸出现超差，继而引起更严重的“啃轨”。

4 修理界限

4.1 应修界限

应修界限因多种不确定因素，不宜简单的定量，国家也没有硬性规定，由使用单位根据具体情况灵活掌握。这里特别提醒使用单位或修理单位注意的是：在考虑主梁下挠度和主梁剩余强度、比例极限及弯曲应力程度时，应以起重机制造时主梁腹板下料原始拱度2.5～3.5 S/1000算起（S是指主梁跨度），起重机制造时的拼焊影响拱度减少量，应考虑进去，不应以起重机制造厂家交货时的拱度0.9～1.4 S/1000作为原始拱度。起重机主梁及承重构件的应修界限，推荐参考以下项目和指标：

（1）刚度指标。应修界限一般取小车处于跨中，在额定载荷下，主梁跨中的下挠值在水平线下达到跨度的1/2000～1/1000时，进行修理加固或降低额定载荷使用。

（2）强度指标。使用中的起重机，小车位于跨中，起吊1.25倍额定载荷，离地100mm，悬停10min，卸载后，如3min之内主梁不能恢复到试验前的拱度值，或出现裂纹或变形，应进行修理加固或降低额定载荷使用。

（3）腐蚀指标。起重机的承载构件断面腐蚀达到原厚度的8%时，应修复加固或降低额定载荷使用。

（4）应力。起重机构件发生裂纹时，应采取防止裂纹扩大和减小应力或加强构件的措施。

（5）起重机承载构件产生塑性变形，或有局部以及整体失稳趋势发生时，应进行加固。

4.2 必修界限

我国《起重机械安全规程》GB6067-1985标准规定：小车处于跨中，在额定载荷下，主梁跨中的下挠值在水平线下达到跨度的1/700时，如不能修复，应报废。

5 结束语

桥式起重机在厂矿企业生产中有着广泛的应用，社会存量巨大。起重机一般体积和重量都较大，价值较高。起重机使用一段时间后，主梁出现下挠失去安全可靠性和影响使用性能是较为常见的一种现象，必须修理，否则只有报废、更新，而报废一台起重机除了设备自身价值较高外，还要加上拆除、运输、安装、影响生产等间接费用，合起来会是一笔不小的费用，为广大起重机用户修旧利废、减支增效、为安全生产提供技术支持和保障，同时响应国家提倡“节能减排、低炭环保”的号召，起重机主梁下挠的修复及其技术就显得十分有意义和有着广泛的市场前景。

[1]王福绵.起重机械技术检验[M].北京：学苑出版社，2000.

[2]刘爱国.起重机械安装与维修实用技术[M].郑州：河南科学技术出版社，2003.

[3]GB/T 3811-2008，起重机设计规范[S].