门座起重机臂架结构锈蚀分析与研究

李志毅



门座起重机臂架结构锈蚀分析与研究

李志毅

（福建省特种设备检验研究院，福建 福州 350003）

摘要：港口门座起重机作业工况繁重，其载荷复杂多变，而且其作业环境存在腐蚀介质，容易发生锈蚀现象。为了量化锈蚀对结构受力的影响进行，文中利用有限元分析技术对存在锈蚀的臂架结构进行了仿真分析，得出了钢结构发生锈蚀承载能力降低，易引起结构失稳和开裂破坏。

关键词：门座起重机；臂架结构；锈蚀；有限元分析

港口门座起重机通用性强，能起吊各种类型的货物，作业工况繁重，其载荷复杂多变，动态性质显著。由于港口码头的特殊环境，起重机钢结构受到海洋上空气中盐粒、盐雾和海风的侵蚀，容易发生锈蚀现象。在某港口有一台MQ1625门座起重机，其臂架头部销轴耳板的下盖板局部发生锈蚀，如图1所示。钢结构发生锈蚀后，将使钢板受力截面减少，承载能力降低，但由于港口具体条件和设备更新费用的限制，不少老旧且带有锈蚀损伤的起重机仍在港口第一线繁忙地作业，给安全生产带来很大的隐患。文中拟利用有限元技术建立臂架结构的锈蚀模型，对结构受力的影响进行仿真分析研究。

图1　臂架头部销轴耳板的下盖板局部锈蚀

1　臂架结构受力分析

文中研究的臂架结构是板梁变截面箱形构件（如图2所示），其由薄钢板焊接而成。为了保证臂架的抗扭强度，提高其整体稳定性及制造方便，臂架每隔一定距离均设有开孔的横隔板，在开孔边上用扁钢封边。另外，还根据局部稳定性的需要，在腹板和翼缘板上布置纵筋。

臂架下端通过铰轴与转台铰支座铰接，中部与变幅机构及臂架自重平衡系统的小拉杆相连接，臂架上部与象鼻梁铰接。作用在臂架头部铰点的外载荷是由象鼻梁通过臂架头部铰轴传递的，可以归结为［1］：在臂架头部变幅平面内，承受活动动载荷引起的合反力RQ和固定载荷引起的合反力RG的作用。水平平面内承受集中力（PH=Pxw+pxn+pα）以及附加弯矩Mx、附加扭矩T ，如图3所示。

图2　臂架结构示意图1、横隔板（板厚12mm）；2、上盖板（板厚为6mm）；3、臂架头部封板（板厚12mm）； 4、下盖板（板厚为6mm）； 5、腹板（板厚12mm）；6、耳板（板厚为100mm）

图3　臂架上铰点载荷示意图

从受力特征上看门座起重机臂架是一根悬臂的压弯构件。可以选取象鼻梁为分离体，根据静力平衡条件采用图解法求出计算臂架臂架头部铰点受力大小。

2　臂架结构有限元建模

2.1主要技术参数

该门座起重机起重量为16t，最小/最大工作幅度为8m/25m，臂架自重12.92t，象鼻梁自重6.75t，大拉杆自重1.98t。

2.2 材料参数

臂架结构材质为碳素结构钢Q235，其弹性模量E=210GPa，泊松比ν=0.3，屈服极限σs=235MPa ，密度ρ=7850kg/ m3。

2.3 模型载荷及约束施加

边界条件施加与工程实际是否吻合直接影响到分析结构的正确性和合理性。在实际工作中，臂架结构可以在XOY平面内摆动，在臂架与变幅齿条、转台连接的铰点处，只保留绕Z轴转的自由度，在臂架头部销轴连接处施加由象鼻梁传递的载荷。

文中利用有限元软件ANSYS12.0根据臂架的钢结构图纸建立臂架有限元模型，选用壳单元SHELL63对钢板建模［2］，对于臂架头部钢板全部锈穿的位置，可将锈穿的钢板去除（即在有限元模型中不建立钢板锈穿位置的模型），对于臂架头部钢板未锈穿的位置，通过在有限元模型中给模型赋锈蚀后的实际板厚的实常数属性来模拟锈蚀。

建立的臂架有限元模型单元数为242658个，如图4、图5所示。

图4　臂架结构有限元模型

图5　臂架头部锈蚀部位有限元模型

3　臂架结构锈蚀前后分析

根据起重机设计规范的要求，对臂架结构按照第B类载荷组合进行强度验算［3］：臂架位于最大幅度，起吊额载16t，起升冲击系数 φ1 = 1.1，起升载荷动载系φ2 = 1.58，载荷垂直变幅平面偏摆12°。

由应力云图6、图7及表1可知，锈蚀前臂架结构头部应力集中出现在下盖板圆弧过渡处（应力值超过屈服极限235MPa），由于该处应力水平比较高，再加上腐蚀介质的作用下，发生应力腐蚀，使得钢板锈蚀，而锈蚀后臂架结构头部应力集中出现在下盖板、耳板与封板之间的交叉位置（应力值超过屈服极限235MPa），该位置焊缝交叉集中，在动载荷作用下该应力集中处焊缝容易开裂，进而导致钢板母材开裂破坏。

图6　锈蚀前臂架结构头部应力云图

图7　锈蚀后臂架结构头部应力云图

从表1也可知，锈蚀后臂架头部的耳板和封板应力水平也明显高于锈蚀前，从锈蚀后结构变化分析，下盖板的部分锈蚀缺失导致耳板的高宽比增大，在高应力水平作用下，耳板易发生侧向弯扭屈曲［4］。

表1　锈蚀前后臂架头部应力对比　　单位：MPa

4　结论

通过有限元仿真分析，臂架结构头部锈蚀后，结构应力集中出现在了焊缝交叉集中的危险区域，而且锈蚀处周围结构应力水平增大。若继续频繁满载使用，臂架结构头部易发生焊缝开裂或结构失稳破坏，故建议停机对该锈蚀处进行钢板更换补强，并进行防腐蚀处理。

参考文献

［1］ 上海港机重工有限公司.港口起重机设计规范［M］. 北京:人民交通出版社，2007.

［2］ 张洪才. ANSYS 14.0 理论解析与工程应用实例［M］.北京:机械工业出版社，2013.

［3］ GB 3811-2008起重机设计规范［S］.北京：中国标准出版社，2008.

［4］ 陈玮章.起重机械金属结构［M］. 北京:人民交通出版社，1986.

收稿日期：2016-02-24

作者简介：李志毅，男，福建省特种设备检验研究院，高级工程师，硕士

The Analysis and Research of Jib Structure's Corrosion in Portal Crane

LI Zhi-Yi
（Fujian Special Equipment Inspection and Research Institute， Fuzhou 350003， Fujian， China）

Abstract:The operation of Portal Crane is prone to corrosion in the corrosive medium environment. In order to quantify the infuence of corrosion on the structure stress， fnite element analysis technique is used to simulate the corrosion of the steel structure， and the effect of corrosion on the bearing capacity of steel structure is obtained.

Key words:Portal crane； Jib structure； Corrosion； Finite element analysis