1 300 t桥式起重机主主梁实验测试研究

高晓慧,张 君,文 豪,王全伟

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

桥式起重机在港口、货场、工厂等地方的运用发挥着不可替代的作用,桥式起重机需要将一般起重机无法完成的大型机械设备运输、调配工作,同时也是国家规定的特种设备之一[1-4]。起重机的骨架是金属结构,金属结构传递和承受着来自工作时的各种载荷,金属结构的工作状态和工作情况直接影响到起重机的工作寿命、工作效率,一旦发生故障损坏起重机,将造成巨大的间接或直接的损失,更严重会威胁到工作人员的生命安全[5-8]。起重机的使用过程中主梁通常因为受力复杂而发生弯曲变形,事故常有发生,因此研究桥式起重机主梁在各种载荷工况下的应力测试是很有必要的,基于一定的应力测试可以分析得出主梁各点的应力承受能力以及主梁受力薄弱点和最易发生挠度变形的作用点;基于一定的数据分析可以验证桥式起重机主梁设计的合理性。因此桥式起重机主梁进行实验测试的研究具有重要意义[9-10]。

1 1 300 t桥式起重机简述

1.1 起升机构技术性能

该桥式起重机由两部分构成,其中主小车起重量为1 300 t,起重量大于400 t时起升速度为(0.15～1.5)m/min,起升高度可达36 m,工作制度采用M4,电机功率由两台250 kW构成。副小车起重量为160 t,起重量大于50 t时起升速度为(0.4～4)m/min,起升高度可达38 m,工作制度采用M5,电机功率为132 kW.

1.2 设计参数

测试的桥式起重机为四梁结构,具体桥架总图如图1所示,计算所用设计参数见表1.

表1 计算所用设计参数

图1 桥架总图

2 起重机金属结构强度测试

2.1 测点布置与试验工况

2.1.1 主梁

共设置7个测试部位,都在主腹板一侧,其中跨中4个测试部位,端部3个测试部位。

跨中4个测试部位都为单应变片,记为测点1、测点2、测点3、测点4.测点1位于下部角焊缝附近的下盖板上,测点2位于下部角焊缝附近的主腹板上,测点3位于轨道附近的上盖板中点处,测点4位于上盖板距离中点176 mm处。

端部3个测试部位都为应变花,每个测试部位3个测点,共9个测点。测点5、测点6、测点7位于端部变截面处主腹板上部,测点8、测点9、测点10位于端部变截面处主腹板中部,测点11、测点12、测点13位于弯板处。每处应变花3个测点按照水平、45°、竖直顺序表示。

测点具体位置见图2-图4.

图2 测试点总体分布情况

图3 测试点分布情况

图4 测试点分布情况

2.1.2 试验工况

工况由不同大小载荷与小车不同位置组合而成。以额定载荷1 300 t为基准,分别施加75%、100%、110%、125%共4档载荷,对应载荷数值为975 t、1 300 t、1 430 t、1 625 t.位置是指远离司机侧大车轨道中心距离大车中心的距离值。

3 试验步骤及结果分析

试验步骤如图5所示。

图5 试验步骤

3.1 乌东德左岸1 300 t桥机

以乌东德左岸1 300 t桥机为例,分别对75%载荷、100%载荷、110%载荷、125%载荷进行载荷试验,测试分析测点处的线应力、主应力转换等内容。

3.1.1 75%载荷(975 t)

以下分析为75%载荷时跨中、13.15 m、10.5 m、8.9 m、7 m这五个工况处各测点的应力变换情况。75%载荷应力变换见表2,其中σ1为最大主应力,σ2为最小主应力,τ为最大切应力,θ最大主应力角度。

表2 75%载荷(975 t)

3.1.2 100%载荷(1 300 t)

以下分析为100%载荷时跨中处各测点的应力变换情况。100%载荷1 300 t见表3,其中σ1为最大主应力,σ2为最小主应力,τ为最大切应力,θ最大主应力角度。

表3 100%载荷(1 300 t)

3.1.3 110%载荷(1 430 t)

以下分析为110%载荷时跨中工况处各测点的应力变换情况。110%载荷1 430 t见表4.其中σ1为最大主应力,σ2为最小主应力,τ为最大切应力,θ最大主应力角度。

表4 载荷1 430 t@跨中

3.1.4 125%载荷(1 625 t)

以下分析为125%载荷时跨中工况处各测点的应力变换情况。125%载荷1 625 t见表5.其中σ1为最大主应力,σ2为最小主应力,τ为最大切应力,θ最大主应力角度。

表5 载荷1 625 t@跨中

3.2 实验数据分析

(1)比较4档载荷分别施加在主梁跨中各测点的应力,其中载荷值为配重质量与主小车质量的叠加,可以得出跨中各测点应力值与载荷大致承线性

关系,如图6所示;表6为4档载荷分别施加在跨中时主梁跨中各测点的应力值,由此可看出各工况下,下盖板应力稍大于腹板下部应力,这是由于下盖板测点比腹板下部测点更远离中性轴;从表中还可以看出,跨中上盖板测点应力值要略小于跨中上盖板偏离0.176 m处测点应力值,这是由于小车轮压作用的缘故,使得跨中上盖板偏离0.176 m处测点产生了应力集中。

表6 不同载荷施加主梁跨中各测点的应力值

图6 各测点应力值与载荷

图7为同一载荷(75%档)作用在主梁不同位置时,主梁各测点应力值。由图可知在相同载荷作用下,载荷位置越远离跨中,主梁跨中应力越小,而主梁端部等效应力越大,这也与主梁设计中的理论计算吻合。

图7 75%载荷作用下主梁各测点应力值

4 起重机主梁上拱下挠测试

4.1 测试内容

根据验收标准GB/T 14405-2011来分别检测主梁跨中上拱度、以及下挠度。

4.2 测试方法

起重机主梁的上拱度、下挠度均采用全站仪测试。在起重机主梁上盖板跨中及非司机室侧端部各布置一个测点,并将提前贴好全站仪专用反射片的磁性块吸附在该测点之上。全站仪站点设在副梁跨中,以测量范围足够覆盖两个既定测点为宜。测点及全站仪布置点示意如图8所示。

图8 测点及全站仪布置点示意

在起重机未加载时,用全站仪测量主梁端部测点1、主梁跨中测点2 的高度,两者之差即为主梁上拱度;起重机额定载荷作用在跨中时,再次用全站仪测量主梁端部测点1、主梁跨中测点2的高度,测点2 的高度下降数值减去测点1的高度下降数值即为主梁下挠度。

4.3 测试结果

4.3.1 上拱度测试结果

电气主梁、非电气主梁、副主梁上拱度测试结果如表7所示。

表7 主梁上拱度测试结果表/m

4.3.2 下拱度测试结果

非电气主梁1 300 t载荷、1 430 t载荷、副主梁上拱度测试结果如表8所示。

表8 非电气主梁不同载荷下挠度测试结果表/m

5 结论

综上所述,得出结论具体如下:

(1)主梁的材料为Q345,其屈服极限为345 MPa,根据起重机相关设计资料,起重机金属结构的许用应力为[σ]=345/1.4=246.43 MPa.在主主梁额定载荷下,大车主梁下盖板中点主应力为114.08 MPa;在1.25倍载荷时,最大主应力为140 MPa;在主小车到极限位置时候,此时主梁端部受到等效应力最大为129.7 MPa,这些关键应力均小于许用应力,还有较大余量,说明在额定载荷、静载荷、额定载荷主梁端部结构下,结构安全。

(2)跨中各测点应力值与载荷大致承线性关系,其中载荷值为配重质量与主小车质量的叠加,其载荷值最大时所对应的应力都在许用应力范围内,符合安全要求;主梁跨中下盖板测点比腹板下部测点更远离中性轴,因为所受应力更大。

(3)GB/T 14405-2011中要求上拱度f≥0.7S/1000,电气主梁与非电气主梁的上拱度分别为0.030 m、0.027 m,符合标准要求;GB/T 14405-2011中要求静态下挠度f≤S/1000,在1 300 t额定载荷时主梁的下挠度为f=0.025,符合标准要求。在1.1倍载荷即1 430 t时下挠度为f=0.027;在1.25倍载荷即1 625 t时下挠度为f=0.029,随着载荷加大,主梁变形量越来越大。

在额定载荷(1 300 t)与1.1倍载荷(1 430 t)下,主梁跨中垂直高度与跨端垂直高度仅相差0.001 m～0.002 m,说明在正常载荷下,主梁近似变为水平直线,小车运行时避免了爬坡现象,起重机设计非常合理。

(4)通过布置分析应变片,对桥式起重机进行载荷试验,针对特殊工况和位置进行强度和刚度检测,实验结果显示安全,验证了测点布置方法的准确性,对起重机的检验检测和安全评估有重要的工程意义。