起重机械主梁失稳模式探讨

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起重机械作为特种设备，主要用来对物料进行起重、运输等作业，其中最常见的桥式起重机在机械制造、冶金等行业已得到了广泛的应用。桥式起重机的受力构件主要由起重小车和桥架两大部分组成。桥式起重机的主梁，在起重机长时间的载荷作业中，会产生旁弯、下挠等现象，严重时甚至会断裂。事故发生时，倘若起重机处于工作状态，轻则产生财产损失，延误工期，重则引起人员伤亡。因此，起重机械的金属结构安全检测在确保起重机整体安全运行方面起着非常重要的作用。在我国，对于起重机安全管理工作的重视逐步加强，各项安检制度陆续出台。 《特种设备安全监察条例》中规定，特种设备属于国家法律规定的强制检验设备。但是，现有的起重机械设备检验方法存在检验成本高、检测结果准确性差等缺点。

因此，为了更好的规避检验风险，降低检验成本，研究科学的检验方法势在必行2.起重机主梁安全检测内容及方法起重机的安全检测开始于十九世纪后期，当时起重机的结构因为比较简单，其检测手段和技术也比较落后。经过-百多年的发展，世界上很多国家都针对起重机制定了专门的检测标准。目前，对于桥式起重机的安全检测，国外主要着眼于金属构件的降状况以及疲劳状况的监测。相较于国外，国内对于起重机安全检测，经过多轮修改制定检验规则，目前主要从技术资料、作业环境及外观、司机室、金属结构、大车轨道、主要零部件与机构、电气与控制系统、安全保护及防护装置措施等十个方面进行检测，然后根据各个项目检测的结果，综合判定起重机的安全性能是否达到安全生产的要求。本文仅以起重机械中的-个类别--桥式起重机金属结构 (主梁)进行检验分析 。

2.1.金属结构的整体稳定性、塑性变形以及裂纹的检验根据 《起重机械安全规程》 (GB6067)的规定：起重机的主要受力结构件，不能出现整体失稳的现象。当出现整体失稳时，不可以对起重机进行修复，而是立即报废处理。起重机的主要受力结构件也不可以出现严重塑性变形，尤其是影响起重机正常工作的塑性变形。当出现这种现象时，-般也不再修复，而是报废处理。

起重机的主要结构件产生裂纹时，应立即采取措施修复，确保裂纹不再扩展，无法修复时则报废处理。

2.2.主粱上拱度和上翘度的检验目前多数起重机在设计时都有上拱度的要求 (特别体现在桥式起重机)。对新制作的起重机提出上拱度的要求，是为了补偿起重机承载时 (接近或等于额定载荷时)主梁的弹性变形。主梁在设计制造时，预留了-定的由水平线算起向上的拱起量。这样，空载或轻载时，小车运行有-定的坡度。当重载 (接近或等于额定载荷时)由于主粱的弹性变形，小车运行的坡度减少。这样就充分利用起重机金属结构的承载能力，有利于起重机重载时机构的运行。

在部分起重机新编标准中规定：桥式起重机的主梁上拱度为 (O.9-1.4)S/1000，其中，S为起重机跨度。载荷试验后，桥式起重机的拱度要大于等于 0.17S/1000，上翘度要大于等于0.7S/350。

2.3.跨度偏差的检验在大车运行过程中，有时会出现啃轨现象，这时就需要测量跨度偏差。根据 《检规》，对于桥式起重机其跨度极限偏差为：《 耐 ，船 曲- ； 》j嘛If 啦 n嵯s-jI坤I2.4.传统检验方法存在的问题2.4.1.由于各个部分检测方法的不完善，从而很难对起重机做出-个总体性评价，检测的结果更多的使用 合格”或者 不合格”来定性分析，这种定性分析对于整机的运行状况不能够做出细致的评估。

2.4.2.在对起重机各个项目进行检测时，如果某-个项目不合格，按照 《检规》的要求，即判定该起重机不合格，不能够再继续使用。

这种草率的检测结果，对于生产单位有时候会带来不可估计的经济损失，而且对于检验单位来说，在实际工作中也是存在诸多操作困难的。

2.4.3.传统检验方法存在很多对起重机安全运行影响程度不能加以区分的判定准则，这些准则存在-定的科学性，但是由于理论依据的缺乏，对于经验数据的依赖性较强。这种判学术定准则只是解决了起重机械所检项目检测当时的即时状态的评价，未对风险的发展进行有效的分析，不能对设备潜在风险做出及时恰当的评估和提出解决及预防措施。

2.4.4.选择项目仅是标准上的通用要求，不能完全体现设备具体存在的风险。上述问题是传统的检验方式决定的，在模式不变的前提下很难得到解决。只能靠检验人员根据经验灵活处理，其中难免存在不稳定的因素。因此应建立科学、系统的评估方法以解决 目前存在的问题。本文仅对桥式起重机金属结构 (主梁)传统的检验方法进行分析，以确定更为合适的检验方法。

3.桥式起重机主梁检验方法分析3.1.金属结构可靠性失效准则3.1.1.受力情况分析在对桥式起重机进行受力分析时，首先要确定其所受的主要载荷。通常来说，这些载荷包括自重、惯性载荷、小车轮压、移动载荷、扭矩以及偏斜倾向力等，确定完载荷后将其分解到水平平面和垂直平面。

3.1.1.1.垂直载荷大车传动侧主梁，受到的载荷主要是移动载荷和固定载荷，计算时，将主梁按照简支梁计算，其受力分析模型如图 1所示。主梁在满载小车轮压下，在跨中产生最大垂直挠度：， ( . ) (1)4B J式中，Pc 和 P。。为车轮轮压力a以某-桥式起重机为例，厂房跨度 L21m，额定载荷Q5ot，小车 自重Gx2t，桥梁自重Gq1it，起重机跨度SLb，其中b为2000mm(有通道)。简支梁垂直下挠度可按下式计算：， I崎 q-.毛 (2)式中，口 ， ：l-声Q1则：塑 触 [/1###4强x2lKxl0 x襄 纠H6脚确 逯 l ， O27 。

(见图 1)3.1.i.2.水平载荷在水平面内，桥架作为-个刚性结构，受中国机械 Machine China 59Academ lc学术图1主粱垂直计算模型图2水平钢架计算模型到的载荷主要是水平惯性载荷P 及F ，其受力分析模型如图2所示。水平刚度按超静定钢架计算，同样以上述桥式起重机为例，可有：厶：箍(1- 5F.S4(1- 式中，P 为水平均布载荷，F 为水平集中载荷，S为主梁跨度，r 为梯形高度。带入己知参数可算得：O.77cm 0.95cm (5)[ s/2000O.95cm。

(见图 2)3.1.2可靠性失效准则根据传统的可靠性失效准则以及特种设备尤其是起重机的载荷特点，对于桥式起重机来说主要有以下几个可靠性失效准则：疲劳强度失效准则、稳定性失效准则、静强度失效准则、刚度失效准则以及失效路径长度超过-定值。

图3危险点分布图6O Machine China中国机械b3.L 2.1.强度失效准则根据起重机工作时的最差工况以及载荷特点确定主梁危险截面验算点，如图3的截面危险点 1、2、3、4、5。根据理论力学有 ：l：M xYlM yxl (6)t v：M，xY M y-x 2 (7)x y0"3：M xY 3十 ≤ (81 y式中，[ 是静强度许用应力。

当这些危险点出现在失效路径单元中时，说明系统失效。此外，在端梁和主梁相连接的截面以及贴角焊缝的连接处，根据最差工况以及受力载荷的情况进行分析时，这些危险点如果出现在失效路径单元，同样说明系统失效。

3.1.2.2.疲劳强度失效准则根据工况即载荷特点确定的主梁跨中截面危险点如图3中的点4、点5。则有， 等 (9等 ㈤式中，f 是疲劳强度许用应力。

在进行特种设备检验时，以桥式起重机为例，计算主梁危险截面验算点的应力后，当这些上述危险点出现在失效路径单元时，即说明系统失效。

3.1.2.3.整体以及局部失效性准则当按照整体稳定性来计算时，通常以高宽比为准则，即当高宽比高于3时，认定系统失效。

除此之外，在对翼缘板以及腹板进行可靠性计算时，还要考虑局部稳定性失效准则。根据翼缘板以及腹板的宽厚比，确定加劲肋的布置形式，形成区格。对跨中和跨端附近的区格进行验算，以确定失效准则。根据理论力学可知，受压翼缘板如果不失稳，那么其存在-个极限宽厚比，这个值是腹板壁间距b与腹板厚度的比值晏-J暴，梁腹板的加劲肋板的布置要根据b/8来确定，并以此来判断失效准则。

3.1.2.4.刚度失效性准则1)桥架垂直静刚度失效准则。满载小车位于跨中时，桥架产生的静挠度来表征垂直静刚度：： (1) 48Erl 2 I式中， --许用垂直静刚度，P-～自重均布载荷，L～-起重机跨度，b--预留通道宽度。

2)桥架水平静刚度失效准则。满载小车位于跨中时，桥架产生的水平惯性位移来表征其水平静刚度：： (1-三) 丽5F.L(1- 448El12)y4r， 384EI 5式中， --许用水平静刚度，P --水平均布载荷，F --水平集中载荷，L--起重机跨度。

3)桥架垂直动刚度失效准则。满载小车位于跨中时，桥架产生的垂直自振频率来表征其动刚度： J ](1。 几-式中， --许用垂直动刚度。

4)桥架水平动刚度失效准则。满载小车位于跨中时，且物品高位悬挂，桥架水平自振频率来表征其水平动刚度：： ](14式中， --许用水平动刚度。通常情况下，判定结构件失效的原则是：在上述失效准则中，只要满足-项即可判定起重机的结构件失效。但是如果建立了起重机安全检测系统，则能够使得评估结果更为客观、科学。

3.2.电阻应变测量调零位置的选择与修正3.2.1.调零位置的选择对起重机等特种设备主要受力结构进行电阻应变测量时，合理选择调零位置对于测量准确性具有非常关键的作用，很多时候结构的自重应力已不能进行忽略计算。比如，当自重应力达到 ，5MPa时，不能再忽略危险点的强度。

对于特种设备进行工程测试时，通常允许存在15%的误差。但是对于某些特种设备，像桥式起重机因为其自重应力已经超过这-误差范围，因此在根据测量的应力进行裂纹扩展寿命计算时，即使计算值在 15%误差范围内，其检验的准确性已经非常不可靠。例如，当实测△ 是120MPa时，加上 10%的误差则变为 132MPa，然后根据理论力学，获得的裂纹扩展寿命Ⅳ 的相对误差可能会达到30.5%。在计算总体寿命时，因为实测应力的误差而产生的计算误差会更大。

自重因素对于寿命计算值的影响虽然很大，但是这种影响是可以通过合理选择调零位置进行弥补的。下面以集装箱桥机为例，讨论电阻应变测量调零位置的合理选择及修正。仪器调零时，吊具通常是放置在地面上的，认为此时由于钢丝绳并未绷紧，各个检测点的应变是零。实际上，这种计算方法本身就存在问题，因为虽然钢丝绳未处于绷紧状态，起重机也没有开始工作，但是并不代表起重机主结构件没有输出应变。因为钢丝绳和小车本身的自重就很大，将其忽略掉对于计算结果影响非常大。例如，有些小车的自重达到20吨，对于40吨重的集装箱来说，其自重已经占到了总重的三分之-。桥机的最大应力-般是在前大粱上，我们需要将小车调整在-个合适的位置从而最大限度的抵消因为小车自重原因而产生的检测误差。

1、前拉杆 2、后拉杆 3、前伸距 4、前梁5、前铰点 6、中梁 7、后梁 8、前门形框 9、后门形框图 4调零位置示意图调零位置 1，桥架梁-般是由前后中三个刚性梁组成，如图4所示。选取中梁的中点作为小车 的放置点，由于前 门形框、后 门形框、前铰点以及后铰点的综合作用，理想情况下，小车的自重不会传递到前梁以及后梁上，但是中梁不可避免。

调零位置 2，将前铰点作为小车的放置点，那么小车的自重会直接作用在前门形框上。理想情况下，小车的自重对于前中后三个梁的作用影响很小，尤其是后梁，因为其与中梁之间还隔有后门形框，因此其受小车的自重影响最校调零位置 3，将后门形框作为小车的放置位置，这种放置方式与将小车放置在前铰点类似。

但是此时受小车自重影响最小的是前梁，因为前梁是最容易产生最大应力的地方，因此通常情况下，调零位置3是最佳调零位置。

3.2.2.调零位置的修正当选润门形框作为调零位置时，小车自图5起重机安全检测系统重对于测试结果产生的影响还可以用线性原理予以修正。设起重机的起重量是wn，吊具的重量是W ，小车的重量以及附加件重量之和为 ，将起重机的起重物资以及吊具放置在地面上，钢丝绳处于松开状态，此时将仪器调零。在不同的工况下测定检测点的应力时，都以上述零位基准作为参照，但是尽管如此，由于小车的自重引起的应力的变化在测量中很难被反映出来。我们可以根据线性原理将这部分应力先行求出，然后加在测量僮上，以起到修正测试结果的作用。

在调零位置，把起重机的起重量是 wn以及吊具的重量是 W 加和，作为-种工况下测得的应力值 。，从而计算出小车以及附加件重量w单独作用时，引起的应力 2。即，盯，：crn (15)而如果各个工况下，测试点的应力为o5，那么修正后的应力便是： l 2(16)根据这种修正方式，对某桥机进行测试时，发现将小车放置在后门形框后，修正值约占前梁最大应力的 10%，其对于测试效果的准确性能够起到很好的积极作用。

3.3.建立起重机安全检测系统通过对特种设备的检测发现，以桥式起重机为例，影响设备安全运行的因素中，最主要的是由于疲劳破坏所引起的主梁结构的失效。

目前，国内对于起重机等特种设备的检测主要根据常规检测方法进行安检评估。检验人员将每次测量的数据进行记录、存档。待所有的测量工作结束以后，将记录的数据按照起重机的检验规程进行综合处理，以诊断各项参数是否符合标准，并给出检验结果。

这种检验过程，对于检测数据的归纳、分析以及总结完全依靠人工完成，因此检验人员面临的工作量非常繁杂，对于检验人员的综合素质便提出了-个很高的要求。这种传统的检验方式，使得特种设备的检验不仅耗费很大，而且检验风险仪常高。所以，建立-套基于计算机信息处理系统的起重机安全检测系统是非常有必要的。

利用起重机检测系统，可以有效的降低检测人员学术的工作量，最大限度的规避检测风险，提高检测的自动化程度，实现科学的动态管理，推动特种设备检测的发展。 (见图5)国外利用光纤传感器建立的起重机结构疲劳实时监测系统，可以对起重机主要结构件的疲劳状况实行实时检测，使得特种设备的检验方式更为灵活。国内各大高校以及科研单位对于包括起重机在内的特种设备检测系统的研究，已经取得了很大的进展。但是国内特种设备检验工作，在通过建立起重机安全检测系统，对起重机疲劳状况进行分析以估算主梁的疲劳强度以及剩余寿命等方面进展比较缓慢。本文借鉴国内外对于这部分的研究成果，构建了-种起重机安全检测系统，如图5所示，以期对于特种设备的检验方法的改进起到-定的帮助作用。

4.结语随着我国经济的高速发展，起重机械等特种设备的应用也越来越广泛。起重机械的安全检测对于保障人们的生命财产安全起到不可忽视的作用。如何制定更为规范的检验方法，成为起重机械检测人员以及生产设计人员日益重视的问题●后，起重机的检测工作将向着实时性、高效性、智能化等方面不断地发展。本文依据起重机械监督检验规程，以桥式起重机为例分析了其主要结构件疲劳寿命的计算方法，并提出了构建起重机安全检测系统在推动特种设备检验方法的提升方面所起到的重要作用，对于起重机的检测工作具有-定的指导意义。