桥式卸船机前大梁的刚度弱化及预防

翟成群 夏健

摘要：随着使用年限的增加，金属材料的蠕变累积导致桥式抓斗卸船机的大梁刚度不断下降，而蠕变现象目前还没有成熟的可以用于指导实际生产的理论成果，如何保证前大梁在使用过程中满足刚度要求，是一个值得研究的问题。本文根据实际的生产经验及数据分析，制定前大梁的生产工艺，保证前大梁的刚度能够满足技术要求。

关键词：桥式卸船机；金属蠕变；塑性变形；结构刚度

1 前言

实际生产中所用的结构钢材并非理想的弹性材料，存在蠕变现象，即当承受屈服极限以下的应力作用时，依然会发生微量的塑性变形，并且当持续承受恒定载荷时，塑性变形会不断累加。随着塑性变形的积累，导致材料的弹性模量不断下降，金属结构的刚度不断降低。

本文根据前大梁使用过程中的刚度变化数据，分析钢结构的弱化规律，制定大梁的生产工艺，保证大梁在使用寿命内的刚度能够满足技术要求。

2 前大梁的变形分析

2.1载荷循环次数分布

卸船机主小车在前大梁上运行，从码头运行到船舱上方，放下抓斗，从船舱抓取物料后，提升抓斗，运行到陆侧的漏斗上方，将物料放入到漏斗中，再执行下一个工作循环。

由于船型大小不一，主小车并不是每一个工作循环都要运行到最大外伸距，因此前大梁上不同位置处小车经过的次数不同。根据统计分析，越靠近大梁铰点处，小车经过的次数越多，基本呈线性变化。

2.2微塑性變形的产生

实际使用的金属材料不是理想的弹性材料，在承受屈服极限以下的应力时依然会发生微塑性变形，即蠕变。卸船机大梁的微塑性变形 主要包含两部分：主小车短暂加载造成的微塑性变形 和主小车长时间静止引起的微蠕变量 。其中 主要取决于材料的微塑性变形抵抗力， 则是大梁在恒定载荷作用下，金属晶间错位运动造成的蠕变。微塑性变形量随着应力作用时间的增加而增大，但通常过一段时间后便会保持在一个定值，当应力环境发生变化时，再随之变化。

当小车经过前大梁的某一位置时，该点的应力便会增加，大梁产生不可恢复的微量塑性变形。单次经过产生的塑性变形相比于结构的弹性变形及其微小，但经过多次的累计，大梁的变形便会发生巨大的变化，以至于可以用相应的仪器检测到。因此微塑性变形引起的大梁刚度的变化是一个循环载荷作用下的疲劳累积结果。

2.3微塑性的积累

卸船机大梁在生产制作时会设置预拱度，以抵消自重产生的下挠变形。当主小车空载时，循环次数 =0，微塑性变形 =0，大梁上的小车轨道处于水平状态。卸船机投产后，小车带载运行，大梁的应力处于不断地变化当中，每次变化都会产生微量的塑性变形。当小车运行次数为 时，大梁积累的微塑性变形量为 。随着投产时间的增加，循环次数达到时 ，大梁微塑性变形增加到 。

由于金属的蠕变一般不仅与瞬时的应力及变形有关，还与之前加载的历史有关。随着应力变化次数的增加，大梁的微塑性变形不断累积，刚度下降速度不断加快，当 时， ，应力循环次数与挠度呈非线性关系。

2.4大梁刚度变化分析

金属材料在非屈服状态下主要表现为线弹性，大梁在载荷作用下除了会产生微量的塑性变形外，主要变形为弹性变形，即卸载后，绝大部分的变形会消失。当带载主小车运行至大梁铰点与拉杆铰点的中间位置时，前大梁挠度最大，其计算公式为：

式中：

为作用载荷， 为大梁铰点与拉杆铰点间距， 为大梁横截面的惯性矩， 为材料的弹性模量。

根据测量数据的分析，大梁在使用后期，在同样位置的相同载荷作用下，其下挠变形比刚投产时明显增加。根据上述公式可以看出，在其它参数不变的情况下，只有材料的弹性模量E的下降才会导致大梁刚度的下降。

随着使用次数的积累，大梁的微量塑性变形不断增加，导致其刚度不断下降，相同载荷在相同位置时，大梁的下挠变形变大。

3 卸船机大梁制作步骤

3.1拼板

卸船机大梁尺寸较大，制作时一般需要板材拼接。根据大梁尺寸和拼接板材，采用埋弧焊焊接拼板焊缝，目的是为下一步大梁腹板整体放样切割拱度曲线做准备。

1）根据图纸和工艺拼板图的要求拼板，检查钢板的牌号、规格、钢板号、炉批号、构件图号，做好质量记录。

2）引、熄弧板的安装：①、同材质；②、同板厚；③、坡口一致；④、规格100×80mm；⑤、引弧长度≥50mm。

3）拼板翻身焊接：拼板背面清根后，进行埋弧焊焊接作业。

4）无损探伤检测：按AWS D1.1 标准100%UT及RT探伤比例要求需达到6.1章节要求。

3.2大梁腹板预拱度放样

充分考虑_主梁因自重下挠度和焊接变形引起的拱度损失因素，计算出预拱度值，并绘制预拱度放样曲线。制造放样设定的上拱值应大于设计上拱值。制造放样时，上拱值的确定还与大梁隔板的间距、刚性有关。如果设定的制造放样上拱值过小，大梁焊后可能无法达到设计要求的上拱值，而必须采用火焰矫正法修复，如不采用火焰校正法会影响大梁上拱的稳定性。大梁上两个简支点间，制造放样上拱值一般可在（1.5一1.7）L/1000之间选取。

放样步骤：

1）确定隔板开档间距，绘制曲线拱度线的各段端点位置。开档间距小，会给生产操作带来不便，影响经济性；开档间距大，会使实际放样与设计拱度差距太大，拱度曲线失真严重。为便于生产，一般采用箱形梁隔板位置为拱度曲线的端点。

2）按图划线切割。找出折线拱度曲线上的各线段端点。

3）复核各点尺寸，利用半自动切割机切割拱度曲线。

3.3大梁成型

1）焊接承轨梁腹板与T形钢

采用埋弧焊方式焊接承轨梁腹板与 T形钢，拼接焊缝按 GB/ T11345-2013标准100% UT探伤达 I级要求，并按技术协议及 RT控制要求追加 RT探伤。注意T形钢拼接焊缝与腹板和上盖板拼缝错开300mm以上，采用机械及火焰进行矫正T形钢上平面的平面度。

2）胎架准备

搭制刚性胎架，尽量在每档隔板位置搭制与拱度值相对应的胎架。

3）安装底板

将底板在胎架上调整定位，在底板上划出所有的基准线、检测线、装配线、按图纸要求控制底板拱度变化值。

4）隔板组对

隔板腹板边与底板此时需确保角直，及时对隔板进行修整，并保证隔板与腹板的装配间隙

5）腹板组对

腹板与底板上的隔板安装线需保证重合。先定位腹板与底板，用2M靠尺检查根部直线度≤2mm/2m。后定位隔板与腹板，同时检查隔板与腹板上的隔板线是否重合或平行，保证隔板开档误差 d≤2‰ D（ D为图纸要求隔板开档）。

6）组装上盖板

上盖板的定位与腹板相同，如果盖板平整度较好，不应强制压紧使其与隔板贴紧，可以留有允许的间隙。

7）四面成型焊接

四面装配完成后，采用二氧化碳气体保护焊焊接各焊缝，注意焊接顺序，先焊隔板与腹板立焊，再焊隔板与底板平角焊，最后焊腹板与底板内、外侧平角焊，其中外侧平角焊采用自动焊接小车进行焊接。

4 结论

1）目前金属的蠕变现象没有成熟的理论指导生产设计，分析大梁刚度的变化规律需要依据数据及经验。

2）由于微塑性变形的累积，前大梁的刚度随着使用时间的增加不断下降，其下挠变形比投产时会变大，若在设计时没有考虑到塑性变形的累积产生的影响，会导致卸船机在使用后期大梁刚度无法满足技术要求。

3）完善的工艺规程可以有效地提高产品质量，让前大梁在使用寿命内满足刚度要求。

参考文献

[1]仇步新.起重机预拱线放样[J].起重运输机械.2012（03）

[2]殷江平，颜敏.卸船机爬坡移机方案的分析计算及选择[J].起重运输机械.2017（12）

（作者单位：上海振华重工港机通用装备有限公司）