铸造起重机主梁T型钢的疲劳计算

铸造起重机主梁Ｔ型钢的疲劳计算　大连起重矿山机械有限公司　侯屹解劲东　摘要：本文以《起重机设计规范》（ＧＢ　３８１１—１９８３）（以下简称（规范》）为准则，分析同１台铸造起重　机Ｔ型钢主梁，分别以工作级别为Ａ７和Ａ８级为例，探讨Ｔ型钢产生疲劳破坏的原因、计算方法以及避免产生　疲劳破坏的措施。　关键词：铸造起重机；偏轨箱形梁；Ｔ型钢；超载；疲劳强度；疲劳破坏　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ　ｃｒａｎｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ（ＧＢ　３８１１—１９８３）ａｓ　ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｓ　Ｔ—ｇｉｒｄｅｒ　ｏｆ　ａ　ｌａ—　ｄｌｅ　ｃｒａｎｅ　ｗｉｔｈ　ｗｏｒｋ　ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　Ａ７　ａｎｄ　Ａ８，ｆｒｏｍ　ａｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｃａｕｓｅｓ，ｓｔｒｅｓｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｕｓ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ａｇａｉｎｓｔ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｆａｉｌｕｒｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｄｌｅ　ｃｒａｎｅ；ｂｉａｓ—ｒａｉｌ　ｂｏｘ　ｇｉｒｄｅｒ；Ｔ—ｓｔｅｅｌ；ｏｖｅｒｌｏａｄ；ｆａｔｉｇｕｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｆａｔｉｇｕｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　

铸造起重机在起重量吨位较大的情况下（额　定起重量在１００　ｔ以上），其主梁通常采用偏轨箱　形梁，即将主小车的轨道置于主腹板的正上方。　而且铸造起重机的工作级别很高，一般都是Ａ７或　Ａ８级。在Ａ７、Ａ８级的区分上，主要取决于使用　等级（也就是工作的繁忙程度），因为铸造起重机　的载荷状态级别通常都是最高的。因此，虽然用　户订货是Ａ７级，但在实际生产使用过程中，往往　会由于工作繁忙使用等级超过Ａ７级，这种现象在　钢厂经常发生。　以往的主梁截面设计是采用４块板焊接形式　（见图１），这种形式的主梁疲劳强度较低，原因是　上翼缘板和主腹板之间的内外侧焊缝在制造过程　中，由于制造工艺所限，基本不开双面坡口（Ｋ　型坡口），如果板厚在１２　ｍｍ以上的，一般只在外　侧焊缝开单面坡口，主梁内侧焊缝不开坡口。因　

２稍微往上移。若要调小需将限位开关的灵敏度调　高或将组件２稍微往下移。　（２）工作原理首先根据工作实际情况，设　置好合适钢丝绳偏斜角，当歪拉斜吊角度大于设　置值时，钢丝绳的偏斜度才足以使组件２中心孔　孔缘触及限位触杆，引起限位工作，切断电动葫　芦起升接触器控制线路，从而起到保护作用。一　旦钢丝绳回到设置值内时，限位触杆也回到原位，　即起升接触器恢复工作。　３．２电气部分　ｃ１为起升接触器，ｃ２为下降接触器。主电路　通电后，按下Ａ１，ｃ１开始工作，吊钩起升。当歪　拉斜吊角度大于设置值使限位开关动作，ｓＴ触点　断开，ｃ１接触器停止工作，即吊钩停止起升，此　时按下Ａ２，ｃ２可以工作，这时吊钩只能降不能　升，从而起到保护作用。　该装置的高度限位功能是在起升作业时，如　果出现断火器因故障失效，而此时司机的思想又　２４一　不集中，未松开Ａ１，使得吊钩不断起升。当吊钩　快接近电动葫芦时，这时吊钩也已接近行程限位　开关触杆，若再继续起升，必定使触杆发生偏移　或上顶，导致ＳＴ断开，Ｃ１线圈随之断电，吊钩也　停止起升，起到高度限位功能。　

４结束语　该装置在实际应用中得到检验，且简单实用，　安装方便，价格低廉，可靠性高，能３６０。范围内　起到保护功能且在断火限位器失效时，还能起到　高度限位功能，对电动葫芦起到很好的安全防护　效果。　

作　者：周细明　地　址：江西火电机械租赁公司　邮　编：３３０００１　收稿日期：２００８—０９—０９　

《起重运输机械》　２００９（４）　此，这条角焊缝根本不可能焊透，焊缝曾经出现　过由于疲劳破坏而开裂的现象，焊缝开裂后会将　腹板母材也一起撕裂。为避开这２条焊缝，设计　了Ｔ型钢的主梁形式（见图２），是目前大吨位铸　造起重机最常用的主梁形式。　图１主梁截面　图２　Ｔ型钢主梁截面　多年来，人们在设计过程中，通常比较重视　结构的静强度、静刚度和稳定性计算，而对结构　的疲劳强度没有给予足够的重视，特别是将主腹　板上方改用Ｔ型钢后，重视程度就更不如以前，　总认为这个位置的角焊缝取消了，不会再产生疲　劳破坏。　但最近在某些钢厂，连续发生了几台大吨位　铸造起重机的Ｔ型钢腹板在同一位置出现形状相　同的裂纹，裂纹的位置见图２和图３。　１裂纹分析　网３裂纹位置示意图　１．裂纹　首先对裂纹进行定性分析。　（１）破坏现象由疲劳引起的破坏。　（２）破坏位置裂纹位置在距大车轨道约１／３　跨度处，并不在最大正应力截面。值得注意的是：　裂纹位置是经常起吊额定起重量的位置，也就是　频繁产生最大轮压的位置，而这个位置对于铸造　起重机是相对固定。由此可知，最大轮压对裂纹　的影响起着决定性的作用。　（３）裂纹形态　由正应力引起的疲劳破坏通　常发生在受拉区，裂纹的形式一般是竖直方向或　沿竖直方向成４５。延伸。而上述起重机的裂纹位置　却都发生在受压区，裂纹形状都是距上翼缘板５０　《起重运输机械》　２００９（４）　ｍｍ处，并沿与上翼缘板平行的方向延伸，这些裂　纹产生的区域、形状和延伸趋势，可以说明该裂　纹不是由正应力的影响造成的。　（４）局部结构裂纹产生的位置正好在大隔　板与Ｔ型钢腹板的联结焊缝的起始处（Ｒ５０的圆　角焊接起始处，见图４），而没有发生在距Ｔ型钢　翼缘板下表面２４—５０　ｍｍ之问的任何位置（Ｔ型　钢圆角为Ｒ２４），因为在这个区间任意截面的集中　载荷分布长度都小于实际发生裂纹截面的集中载　荷分布长度（见图６ａ），也就是说，该区间任意截　面的局部挤压应力都一定大于实际发生裂纹截面　的局部挤压应力。应力大的截面没有发生裂纹，　而应力相对较小的截面却出现了裂纹，它们之间　唯一的不同点在于应力相对较小的截面比应力相　对较大的截面多了一条焊缝，就是大隔板与Ｔ型　钢腹板之问的连结焊缝，这足以说明，该焊缝对　于疲劳破坏所产生的裂纹有一定的影响，但影响　的程度要小于小车轮压的影响。　

图４　Ｔ型钢裂纹不意　１．裂纹２．大隔板　综上所述，该裂纹产生的原因主要是：由小　车轮压和焊缝共同影响造成，小车轮压是决定因　素，焊缝影响是次要因素。　在Ｔ型钢裂纹的部位，既有正应力，又有剪　应力，还有集中轮压，它们对疲劳破坏都有一定　的影响，因为是在受压区域，而且破坏位置距集　中轮压的作用点非常近，可以判断，集中轮压的　影响要远远大于正应力和剪应力的影响。因此，　对上述破坏区域的疲劳强度计算，可以只校核集　中轮压引起的疲劳强度，受压区的正应力和剪应　力对疲劳强度的影响可以忽略不计。　

２疲劳强度计算　（１）已知条件　小车最大静轮压６５６　０００　Ｎ　动载系数西：＝ｉ．２　２５—　工作级别：Ａ７、Ａ８　Ｔ型钢截面见图５　Ｔ型钢材料Ｑ３４５Ｂ（１６　Ｍｎ）　轨道型号ＱＵ１２０（Ｈ＝１７０　ｍｍ）　

图５　Ｔ型钢截面尺寸　（２）应力状态的确定　对于小车集中轮压引起的应力循环特性应该　视为脉动循环，即ｒ＝０。　（３）应力集中情况等级的确定　在《规范》附录Ｋ中给出了多种应力集中等　级，但没有给出集中载荷对Ｔ型钢的应力集中的　等级，可以借鉴附录Ｋ中“承受集中载荷的翼缘　板和腹板间的焊缝，当采用Ｋ型焊缝时，应力集　中等级为Ｋ３；当采用双面贴角焊缝时，应力集中　等级为Ｋ４”的条款，来确定Ｔ型钢的应力集中　等级。　在设计中，焊透的焊缝强度和母材强度是一　样的（等强度理论），开Ｋ型坡口的焊缝可以视为　焊透的焊缝，这种焊缝在有集中轮压作用时，应　力集中等级为Ｋ３，所以，Ｔ型钢腹板母材的应力　集中等级可以视为Ｋ３。而开单面坡口的焊缝或不　开坡口的焊缝，都可以视为没焊透的焊缝，这种　焊缝在有集中轮压作用的情况下，应力集中等级　为Ｋ４，因此，可以做以下计算假设。　正常计算：Ｔ型钢腹板的应力集中等级为Ｋ３。　偏于安全：Ｔ型钢腹板的应力集中等级为Ｋ４。　（４）Ｑ３４５Ｂ（１６　Ｍｎ）的疲劳许用应力基本值　［ｏｒ一　］的确定　当应力集中等级为Ｋ３时，Ａ７级的疲劳许用　应力基本值［Ｏ－一　］＝５６．７　Ｎ／ｍｍ　。　当应力集中等级为Ｋ４时，Ａ７级的疲劳许用　应力基本值［　一　］＝３４　Ｎ／ｍｍ　。　当应力集中等级为Ｋ３时，Ａ８级的疲劳许用　应力基本值［ｏｒ一　］＝４５　Ｎ／ｒａｍ　。　当应力集中等级为Ｋ４时，Ａ８级的疲劳许用　２６一　

应力基本值［　一　］＝２７　Ｎ／ｍｍ　。　（５）脉动循环状态下的疲劳强度许用应力　计算　［　］＝２［　一　］／（１一ｒ）　当ｒ＝０时　［　］＝２［ｏｒ一　］　

３计算实例与分析　３．１局部挤压应力计算　ｏｒｉ　＝（　２Ｐ）／（＆）Ｎ／ｍｍ　式中咖　——动载系数，　＝１．２　Ｐ——集中轮压，Ｐ＝６５６　０００　Ｎ　６——腹板板厚，６＝１８　ｍｍ　ｃ——集中载荷分布长度，ｍｍ　ｃ＝ａ＋２　ｆ　０——集中载荷作用长度，对车轮取ａ＝　５０　ｍｍ　轨顶至板计算高度上边缘的距离，　ｍｍ。　合理计算：按图６ａ取计算长度Ｃ＝５４６　ｍｍ。　

偏于安全：按图６ｂ取计算长度Ｃ＝４４６　ｍｍ。　

图６集中载荷分布长度　１．车轮２．轨道３．Ｔ型钢翼缘板４．裂纹处　

３．２计算结果与分析　集中轮压引起的疲劳强度校核计算结果见　表１。　表１集中轮压引起的疲劳强度校核计算结果　

局部挤压应力　工作　应力集　许用应力　ｊ／（Ｎ·ｍｍ一　）　

级别　中等级　盯　／（Ｎ·ｍｍ　）　

图６ａ　图６ｂ　

Ｋ３　１ｌ３．４　８０　９８　Ｋ４　６８　８０　９８　Ｋ３　９０　８０　９８　Ａ８　Ｋ４　５４　８０　９８　

《起重运输机械》　２００９【４）