起重机箱型主梁应力分布监控方法研究

起重机箱型主梁应力分布监控方法研究摘要：起重机主梁作为焊接钢结构，在其制造过程中，焊接工艺占很大的比重。如果焊接工艺设计不适当，焊接残余变形产生的应力集中有可能导致拱度不足，甚至引起下挠，这会严重影响起重机的安全运行，对人身和财产安全造成危害。为此，对桥式起重机主梁结构的应力分布进行监控是很有必要的。本文提供了用X射线法和盲孔法测试的主梁某几个截面的残余应力分布规律，并对用该两种方法测得结果进行了比较。测试结果对起重机主梁的生产有一定的指导意义。关键词：箱型主梁应力集中X射线法盲孔法CraneboxtypegirderstressdistributionmonitoringmethodstudyAbstract：Asweldedsteelcranegirderstructuresinitsmanufacturingprocess,theweldingtechnologyoflargeproportion.Ifyoudon'tappropriateweldingproceduredesign,weldingresidualstressconcentrationmayleadtoproducedeformationcamberisinsufficient,evencausedownwarping,thiswillseriouslyaffectthesafeoperationofcrane,causeaharmtopersonalandpropertysafety.Tothisend,thestressdistributionofbridgecranegirderstructuremonitoringisnecessary.ThisarticleprovidedbyXraymethodandblindholemethodtestofgirderresidualstressdistributionruleofthesection,afewandthemeasuredresultswiththetwomethodsarecompared.Testresultsfortheproductionofcranegirderhascertainguidingsignificance.Keywords:Box-girderStressconcentrationX-raymethodBlindholemethod1前言金属结构作为机械的骨架，承受和传递起重机所负担的载重及其自身的重量。起重机金属结构可分为杆系结构和板结构。杆系结构由许多杆件焊接而成，板结构由薄板焊接而成。箱型龙门起重机的上部主梁和变截面箱型支腿，汽车起重机的箱型伸缩臂和支腿都是板结构[1]。箱型结构桥架是由两根主梁和两根端梁组成的，其中箱型主梁是由上、下盖板以及两块垂直腹板组成封闭的箱型截面的实体板梁结构[2]（见图1和图2）。箱型梁式桥架(特别是正轨型)具有设计简单、制造工艺好、利于自动焊、组装方便、通用性强、抗扭刚度好等许多优点。其缺点是自重大、箱型内部施焊条件差、桥架水平刚度较差。随着新结构、新工艺和现代设计方法的应用，这些缺点正在得以逐步改善。箱型梁式桥架结构总高度小，制造省工省场地，运行机构安装维修方便。这些有利条件对于尺寸规格比较多、生产批量较大的桥式起重机生产标准化系列产品来说，显得更加重要。所以正轨箱型梁式桥架结构至今仍然是我国成批生产的、最常用的、最典型的一种桥架。起重机金属结构承受着动载荷，杆件或构件的内力随起升载荷的大小及位置经常变化。在变化内力的作用下，结构杆件的材质将会改变，其强度比在静载荷作用时有所下降。起重机金属结构大都是焊接结构，接头的应力集中也会降低焊缝的强度。因此，起重机金属结构很容易发生疲劳破坏，这是一种突然出现的脆性破坏，破坏前没有明显的变形和局部收缩，因而这种破坏更为危险。理论和研究都表明，引起疲劳破坏的原因，与杆件应力大小、应力种类、应力循环特性、应力循环次数、应力集中的程度等因素有关[1]。根据材料的疲劳试验可知，相同的钢材，当应力循环特性不同时，疲劳曲线也不同，但循环基数大致相同，左右。根据各国起重机金属结构设计规范规定，当起重机金属结构的工作级别为A6、A7、A8时，必须对结构（或连接）进行疲劳强度计算。应力循环特性按照以下公式计算。式中最大及最小应力按绝对值确定，代入时应含各自的正负号。构件（或连接）只承受正应力时(1)构件（或连接）只承受剪应力时(2)构件（或连接）同时承受正应力和剪应力时(3)(4)(5）对桥式起重机主梁，跨中截面主要承受正应力（），只需计算；端部截面主要承受剪应力（），只需计算；1/4跨度处的正应力和剪应力都比较大，需计算、及。颈，甚至会引起联轴器的牙齿折断，连接螺栓断裂等，严重时会发生切轴现象，甚至烧毁电机。3）对小车的影响，当两根主梁的下挠程度不同时，会使小车的四个轮子不能同时与轨道接触，形成”三条腿”现象。同时，随着主梁下挠，又引起了主梁的水平弯曲。主梁向内弯曲，使小车轨距减少，轨距减小到一定数值时，双轮缘小车将会产生运行夹轨，外侧单轮缘小车将会造成脱轨。2.3桥式起重机偏轨箱形主梁的优化设计[3]窄偏轨箱形主梁的约束条件如下:1）最大正应力约束条件偏轨箱形主梁受到活动载荷、固定载荷与惯性载荷的剪切弯曲作用,同时又受活动载荷的扭转作用。固定载荷的扭转作用按设计手册建议可以不计,故主梁截面上将产生普通弯曲正应力、约束扭转正应力和约束弯曲正应力。强度条件按第I类载荷组合确定时,正应力约束条件为:（6）式中——第类载荷组合许用正应力,应力单位均为。、、在主梁截面上的分布如图4所示,由图可知,合成拉应力发生在副腹板与下盖板的交点处,最大合成压应力发生在副腹板与上盖板的交点2。由于上盖板比下盖板宽,故两点的抗弯截面模量为,前一点的正应力绝对值大于2点正应力之绝对值,正应力约束条件的合成应力为前一点之值。普通弯曲正应力可由下式求得:（7）式中——由作用在主梁上的固定载荷和活动载荷在计算载面上引起的弯矩之和,——大车起、制动时由额定活动载荷和主梁上的均布载荷引起的跨中最大弯矩,、——主梁对x轴与y轴的抗弯截面模量，、可按《起重机设计手册》[6-7]提供的算式计算。图4合成正应力示意图2）最大剪应力约束条件主梁跨端截面承受最大剪应力。偏轨箱形梁除承受剪切与弯曲作用外,还有扭转作用,故跨端总剪应力应包括剪力引起的剪应力,自由扭转剪应力。约束扭转剪应力可不计,剪应力在截面上的分布如图5所示。主、副腹板上弯曲剪应力的方向都是向下的,自由扭转剪应力在主腹板上是向下的,在副腹板上是向上的。迭加以后的主、副腹板剪应力值不同,且主、副腹板板厚度不一,故应对主、副腹板分别建立应力约束条件:（8）（9）式中——主腹板中点处的合成剪应力,——副腹板中点处的合成剪应力,——第类载荷组合许用剪应力。图53）疲劳强度约束条件起重机主梁是在交变应力作用下工作的,在使用年限内的总应力循环次数可达百万次以上,因此在主梁应力集中程度较高的部位往往会疲劳破坏。目前国际上使用的起重机金属结构疲劳计算方法是应力比法与振幅法,我国的《起重机设计规范》[8]给出的是应力比法。试验表明,偏轨箱形主梁的疲劳裂缝一般发生在跨中的焊缝及焊缝附近的母材上,偏轨箱形梁的四条主焊缝如图6所示。主腹板与上盖板之间的焊缝(以下简称上焊缝)为K型焊缝,受有正应力、剪应力和挤压应力。其它三条焊缝均为贴角焊缝,受有正应力和剪应力。这三条焊缝中,主腹板与下盖板之间的焊缝(以下称下焊缝)应力较大。因为上焊缝与下焊缝的接头形式与应力都不同,故应分别建立疲劳强度约束条件。按《起重机设计规范》[8]提供的上焊缝疲劳强度约束条件为:(10)式中:——跨中上焊缝最大正应力,——上焊缝最大挤压应力,——跨中上焊缝最大剪力,——上焊缝压缩疲劳许用应力,——上焊缝挤压疲劳许用应力,——上焊缝剪切疲劳许用应力。按第类载荷组合计算各最大应力,疲劳计算许用应力按应力比利用《起重机设计规范》[8]提供的公式计算,正应力的K值按《起重机设计手册》[6-7]提供的公式计算,疲劳局部挤压应力为脉动循环,K值等于O,疲劳剪应力近似于对称循环,K值接近一1。相应的下焊缝疲劳弼度约束条件为:(11)图63箱型主梁残余应力测试方法研究3.1残余应力测定方法介绍了用X射线法和盲孔法[4]测试的主梁某几个截面的残余应力分布规律，并对用该两种方法测得结果进行了比较。现在生产的起重机都有这样一种现象，第一，主梁上盖板轨道压板处焊缝有裂纹现象，有的甚至未曾使用就有裂纹出现（主梁跨中横截面与裂纹位置示意图见图7），第二，起重机在安装使用一段时间后有主梁下塌现象。以上两个问题都与焊接残余应力有关。另外，在主梁制造过程中，为调整梁的上拱度经常采用火焰矫正。火焰矫正对梁的下塌是否有影响也是人们长期以来争论的问题。针对以上两方面问题，对主梁残余应力的研究就变得刻不容缓。图7残余应力测试方法有多种。常用的有电阻应变片法、机械引伸仪法、小孔松弛法、超声波、光弹性复膜法和X射线法等。国外已有用于二向应力状态下正应力分量直接测量的应力片[5],但剪应力分量以及三向应力分量的直接测量未见有效的方法。目前适于焊接结构现场实测的较为成熟的方法有盲孔法和X射线法(后者要用便携式X射线应力仪)。3.1.1小孔松弛法小孔松弛法测应力是利用兰州铁道学院胡春农教授等研制的测钻台进行测试的。钻孔偏差小于士0.02m},测试精度较高，可以拿到现场对产品直接实测。3.1.2X射线法X射线法测应力是用邯郸仪器厂生产的XYL-73A型应力仪，该仪器测试精度为20MPa()。由于该仪器比较贵重和笨重，不便拿到产品上去，为此厂方特制造了一台模拟起重机箱形梁。它与实际的5t、l0t起重机主梁完全相似，生产工艺也一样。X射线法测应力的主要优点是不用破坏工件，同一点可重复测量多次。为与其它方法比较，可先用X射线法测，然后再用其它方法测，它比盲孔法成本低，测后不必焊补，测试精度较高。3.1.3盲孔法国内经常采用的是盲孔法，该方法现场操作方便准确即在构件的焊缝处粘贴应变片，从中测得焊缝处的应变数据，经过计算得到该构件的原始应力此次为了更加准确得到数据，我们按标准要求共计选择点数进行检测。3.2测试步骤3.2.1.工件表面处理因为主梁要测的各部位都是角焊缝附近或是角焊缝的背面，则无需对工件进行机械打磨，但必须去除表面的油污、氧化皮、锈等。我们采用稀盐酸化学腐蚀方法进行清理，这样不用机械法打磨测得应力更接近工件的实际情况。处理好后先用X射线法测，然后在进行盲孔法测试前，只需用砂布打磨光滑即可。3.2.2测试部位考虑到影响主梁局部开裂和下塌的主要应力是沿大梁纵向应力，对主梁焊接应力贡献最大的焊缝是四条腰缝。因此，我们主要测量沿四条腰缝方向的应力即主梁纵向应力。3.2.3测试结果1）起重机箱形主梁的上、下盖板腰缝附近均为拉压力，且最大拉应力值接近材料的屈服极限，尤其是下盖板，该处工作应力也是拉应力。当下盖板整个宽度内残余应力都为拉应力时是十分不利的，因此在生产过程中应尽量减小焊接残余应力，如选择合适的小线能量的焊接方法、尽量减小焊缝尺寸、选择合理的装配焊接次序等。2）腹板残余应力分布比较复杂，虽然残余应力绝对值不太高，但由于腹板高度大，个别部位压应力较大，容易产生失稳。因此，腹板厚度不宜过小，腹板拼接焊缝造成的残余应力也不能忽视，必要时应考虑消除拼接后的残余应力处理。3）火焰矫正残余应力是引起主梁下塌的主要原因之一，因此，应尽量减少火焰矫正下盖板工序。必须矫正时，也应尽可能减少加热区和加热区宽度，且应避开主梁中间受力最大的部位，加热区应选在刚度较大的有筋板处。4）用X射线法和盲孔法测定焊接结构的残余应力是行之有效的较好的方法。4结论通过试验结果分析认为该两种方法是用于焊接结构残余应力测试的好方法，尤其是盲孔法，它的设备轻便，便于在现场操作。X射线法测成成本低，重复性好，适于研究测试较小尺寸结构。用X射线测定残余应力有以下优点：1）X射线法测定表面残余应力为非破坏性试验方法。2）塑性变形时晶面间距并不变化，也就不会使衍射线位移，因此，X射线法测定的是纯弹性应变。用其他方法测得的应变，实际上是弹性应变和塑性应变之和，两者无法分辨。3）X射线法可以测定1~2mm以内的很小范围内的应变，而其他方法测定的应变，通常为20~30mm范围内的平均。4）X射线法测定的是试样表层大约10μm深度内的二维应力。采用剥层