欧式单梁起重机检验案例分析*

周超李向东

江苏省特种设备安全监督检验研究院南京 210036

摘要：介绍了欧式单梁起重机的两个典型案例，通过案例的分析，结合模型计算，对设计和生产过程提出一些有益建议：主梁制作时下翼缘板要校直、校平，两条角焊应同时施焊，并适当设置一些防止焊接变形的辅助定位块；梁内部的大隔板应与上盖板焊接在一起，并且与下翼缘板的距离适当大一些，有利于提高抗疲劳性能。

关键词：欧式单梁；检验案例；制造工艺；设计计算

中图分类号：TH215 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）15-0055-03

0 引言

传统的电动单梁起重机结构形式源于前苏联设计，主梁为箱梁加工字钢的组合结构，配CD/MD 型电动葫芦，电动葫芦小车运行于工字钢下翼缘板上，这种主梁的结构和制造工艺较复杂，机械化生产难度较大，且电动葫芦运行平稳性也相对较差。近年来逐渐增多的欧式电动单梁起重机（见图1），主梁采用箱形结构，电动葫芦小车运行于主梁下翼缘板上，弥补了传统电动单梁起重机的不足。本文以两个典型案例来分析欧式电动单梁起重机的结构和受力特点，试图对设计和生产过程提出一些有益建议。

图1 欧式单梁起重机

1 案例介绍

1）案例1

葫芦小车走到某些位置时出现打滑、左右扭动、无法顺利前进等现象，特别是由停止状态起动时尤其明显。

2）案例2

对大隔板的处理方式有：将大隔板与上盖板焊接（见图2a）；大隔板与下翼缘板焊接（见图2b）；将大隔板设计成四周满焊，大隔板与上盖板的焊缝则是封箱后用塞焊焊接（见图2c）等。

图2 主梁截面示意图

2 案例分析

2.1 案例1

现场检查案例1 的葫芦式起重机运行机构工作正常。用全站仪测量主梁的旁弯和预拱，发现主梁的扭转变形较大，用板尺靠下翼缘板，发现翼缘板两侧向上翘曲明显，如图3 所示，由此判断葫芦小车运行不畅是由主梁轨道变形导致。

主梁下翼缘板既为承载结构，又为运行轨道，有一定特殊要求：一是下翼缘板形位公差要求较高，局部变形不能过大；二是下翼缘板轮压处局部强度需满足设计规范要求。这些要求一般通过设计和工艺保证。

图3 下翼缘板变形示意图

在设计时，下翼缘板采用厚板，厚度通常为25 ～ 30 mm，校核跨中位置轮压作用点的局部应力和主梁整体应力的合应力应小于材料许用应力。此外，应尽量减少下翼缘板上的焊缝数量。在主梁制作时，工艺上需要注意的是：1）下翼缘板拼焊前要校直、校平；

2）下翼缘板与腹板的两条角焊应同时施焊，使两边焊接变形互相抵消，减小主梁扭曲；3）进行角焊缝焊接前，在下翼缘板下部点焊一些辅助定位块，如图4 所示。焊缝冷却后去除，这样处理可有效避免焊接导致的轨道变形。

该案例的样机是安装在工厂试验台上的，型式试验人员现场与公司负责人沟通交流后，公司决定拆除重新制作主梁。事后经过与公司技术人员和工人交流，发现只关注了下翼缘板的角焊缝要焊牢、焊透，对于轨道变形的问题没有重视，按照新的工艺制作的主梁未再发生问题。

图4 焊接位块示意图

2.2 案例2

传统的工字钢组合梁结构是大隔板与上盖板和工字钢焊接在一起，而欧式单梁的主梁是将大隔板与下翼缘板焊接在一起或四周满焊，如图2b、图2c 所示。此外，还有人认为载荷悬挂在下翼缘板上，下翼缘板与腹板的两条角焊缝受力太大，会拉裂焊缝，如果将大隔板与下翼缘板焊接起来，能分担一部分载荷拉力。

根据GB/T 38112008《起重机设计规范》（以下简称设计规范），对于起重机主梁结构应满足刚度、强度和稳定性条件，其中刚度条件主要针对定位精度而言的，对于结构本身安全不是关键点，故在此不做赘述。计算表明，大隔板四周满焊的结构（见图2c）刚度比其他两种结构稍好一些。

稳定性条件主要是指受压区的局部薄板稳定性和结构整体稳定性，其中整体稳定性与水平刚度有关，一般通过限制主梁高宽比确保整体稳定性，与大隔板设置无关。而薄板稳定性与大隔板有紧密关系, 单梁起重机的主梁是压弯梁，主梁的上部分为受压区，下部分为受拉区，受压区的薄板容易失稳，导致灾难事故，为了提高局部稳定性，最经济的方式是在内部增加隔板[2]。如果大隔板不与上盖板焊接，对上盖板就起不到增加稳定性的作用。

强度条件是指静强度和疲劳强度满足材料使用要求。部分设计人员不采用图2a 所示结构，主要是担心下翼缘板的角焊缝的受力大，强度不够。

主梁的工作载荷力流为：轮压作用点→轨道→整个结构，计算的关键点为轮压对下翼缘板和焊缝的局部影响，梁结构的整体应力与隔板设置无关，本文不予考虑。建立图5 所示的主梁局部1/4 对称模型，下翼缘板厚24 mm，腹板厚8 mm，上盖板厚10 mm，梁高1 000mm，梁宽500 mm，大隔板与下翼缘板的距离为100mm。采用20 节点实体单元，轮压点载荷30 000 N，以面压力形式施加在50 mm 长度范围内[3]，左侧端面约束Y 向位移，其余设置对称边界条件。

计算结果由图5 可知，左图为等效应力结果，最大应力95 MPa，位置在轮压点的角焊缝处。右图为三个方向的单向应力云图，X 向拉应力最大值为69 MPa，位于轮压点角焊缝处，压应力最大值为43 MPa，位于翼缘板底部；Y 向最大拉应力值为107 MPa，位于轮压点角焊缝处，最大压应力31 MPa，处于同一位置腹板两侧；Z 向的最大应力值为轮压作用点，最大值为52MPa。

图5 轮压处主梁局部应力计算结果

设计规范规定起重机材质最低等级为Q235B，则30 mm 厚板材许用应力大约为225/1.34=168 MPa，焊缝处等效应力为95 MPa，有丰富的余量，即使叠加整体应力，焊缝处合应力也不会超过设计规范的许用值。从单向应力计算结果可以更清楚看出这一点，主导焊缝处等效应力的是X 向应力，其他两个方向值很小，而整体应力的方向为Z 方向，所以叠加整体应力后，按强度理论计算焊缝处等效应力值变化不会太大[4]。

Y 向高应力区主要是由于隔板限制了腹板的变形，增加了局部刚性导致的，并不是由于结构受力过大造成的。可以预见，如果将大隔板与下翼缘板的间距设置的再大些，Y 向应力会进一步减小。

由前述分析可知，即使大隔板与下翼缘板不焊接在一起，轮压作用点的焊缝强度也完全满足设计要求，而且隔板尺寸减小，反而会减小应力集中，减小结构最大应力。

从现有计算结果可以推出，大隔板四周满焊设计虽可使梁的刚度略有提高，但制作工艺复杂，隔板位置刚度增强导致应力集中严重；大隔板只与下翼缘板焊接设计，对薄板受压区的稳定性不利，同样轮压附近刚度的增加导致应力集中严重。

文献[5] 进行了图2a、图2b 两种截面主梁的应力测试和疲劳试验，结果表明图2b 形式的主梁比图2a 形式的应力大，抗疲劳性能差，与本文的分析和计算一致。

3 总结

1) 应该重视轨道变形对整机性能的影响，制作时下翼缘板拼焊前要校直、校平，两条角焊应同时施焊，可适当设置辅助定位块；

2) 将大隔板与上盖板焊接在一起是一种比较理想的方式，其工艺简单，局部稳定性好，抗疲劳性能好，静强度满足要求。

参考文献

[1] GB/T3811-2008 起重机设计规范[S].

[2] 陈绍蕃. 钢结构设计原理（第四版）[M]. 北京：科学出版社，2016.

[3] GB50017-2017 钢结构设计标准[S].

[4] 孙训方，方孝淑，关来泰. 材料力学（I）第5 版[M]. 北京：高等教育出版社，2008.