浅谈高温环境对桥式起重机主梁的影响

卢俊鹏

大连博瑞重工有限公司 辽宁大连 116000

桥式起重机主梁下挠变形，直接影响钢厂生产运转的有序进行，也存在一定的安全隐患。通常情况下，起重机从投入使用后，主梁上拱度都会慢慢减小，即出厂时的拱度向下产生永久变形。在载荷不变的情况下，拱度会进入较长一段时间的稳定期。随着工作时间的增长或在外部非正常条件作用下，主梁的拱度会逐渐减小，甚至发展至零或负值，此时起重机主梁材料被拉伸，甚至达到屈服极限，如果继续发展下去就会有发生失稳、断裂的危险[1]。

主梁下挠有很多种原因，本文主要分析高温对起重机主梁下挠的影响。高温车间比普通车间的起重机下挠现象较多。长期在炉顶上空作业的起重机或者吊运刚出炉的钢坯，辐射热造成主梁下、上盖板的温度差，下盖板接受辐射量大而伸长，从而导致主梁的拱度自然减小。例如：某钢厂加热跨2014年投入使用的32t桥式起重机，用于钢坯搬运，仅使用3年，主梁就出现了非常严重的下挠变形，被迫停止使用整改。为杜绝此类事故的发生，保证生产的正常运行，对桥式起重机主梁出现的问题进行了分析，并对同跨的桥式起重机制定了预防措施，取得了较好的效果。

1 主梁的设计分析

造成主梁出现下挠变形的原因有超载吊运，使主梁产生塑性变形；环境温度较高，使主梁强度降低；主梁温度过高时（300°C以上）发生蠕变。当环境温度过高时，尤其是轧钢厂加热区环境温度非常高，对起重机影响较大。

以某轧钢厂加热跨2014年初安装使用的32t桥式起重机为例进行计算分析。起重量Q=32t，小车自重11.5t，跨度S=22.5m，大车分别驱动，大车运行速度75.5m/min，起升速度7.6m/min。主梁材质为Q235B。

1.1 常温下主梁的设计计算

（1）强度计算。主梁的强度校核应按最不利载荷组合对危险截面进行强度验算，校核主梁是否满足使用要求。主梁危险截面为移动载荷（即：小车满载）位于跨中时的跨中截面，跨中截面的下盖板中部和腹板下部是危险部位，主要受垂直方向和水平方向最大弯矩引起的拉应力[2]。根据桥式起重机载荷分布情况，以小车轮压较大的主梁来校核分析，主梁垂直载荷分布如图1所示：

图1 主梁垂直方向计算简图

主梁垂直方向最大弯矩为：

式中，各个载荷为考虑冲击后的载荷，q为桥架自重引起的主梁均布载荷：0.45t/m；P为起重量和小车引起的集中载荷：22.3t。代入数据计算得：M垂直=1201×106Nmm。

主梁水平方向的弯矩是由于大车运行机构的突然启动或制动引起的，包括满载起重小车重量引起的引起的集中惯性和桥架自重引起的均布惯性载荷，计算得：主梁最大水平弯矩M水平=1294×105Nmm。

经计算主梁中间最大复合弯曲应力：σmax=127.2Mpa。查得主梁许用应力[σ]=160Mpa，可见常温下主梁强度满足要求。

（2）刚度计算。主梁的刚度包括动态刚度和静态刚度两部分，动态刚度是指额定载荷起升、下降过程中起重机系统容易发生缓慢、持续的衰减振动，一般不要求进行计算；静刚度（以下简称刚度）是用主梁在垂直和水平方向产生的静挠度来表征。

主梁在水平载荷作用下，将产生水平位移。由于主梁侧设有走台板，增加了主梁的水平刚度，使得梁的水平位移很小，不需计算。

主梁的垂直下挠度为：

式中，E为材料的弹性模量，2x105Mpa；Ix为梁中间截面的惯性矩，带入数据得：下挠度f=25.33mm。许用挠度取[f]=30mm。可见常温下主梁的垂直刚度满足要求。

1.2 高温环境下主梁的设计计算

起重机在吊运钢坯过程中，热坯对主梁下盖板直接辐射和烘烤，温度较高；上盖板和腹板主要受环境温度影响而升温。主梁靠近端梁的小部分不在热钢坯的吊运范围内，其余均受热钢坯的循环烘烤。经过钢厂实测，主梁下盖板的温度均匀且较高，盖板和腹板温度较均匀并较低。夏季温升问题更加突出，主梁下盖板平均温度最高可达到150℃左右，腹板和上盖板的平均温度最高可达到100°C左右。

（1）热膨胀计算。主梁上盖板和下盖板沿长度方向的热膨胀对主梁的强度和刚度有影响，而宽度方向的热膨胀微小可忽略不计。主梁腹板上部和上盖板受热膨胀量相同，腹板下部与下盖板伸长量相同，腹板沿高度方向的热膨胀量相对很小可忽略不计。查得碳钢线膨胀系数α1=1.2×10-5/℃。计算得：下盖板沿长度方向热膨胀量ΔL下=33.7mm，上盖板沿长度方向热膨胀量ΔL上=22.4mm。

（2）强度计算。主梁上盖板与腹板温度相同，故受热膨胀同步。下盖板与腹板温度不同，热膨胀不同，下盖板温度高受热膨胀量大，拉动腹板下部伸长，导致腹板下部产生附加拉应力。

根据应变量和变形协商条件，经计算腹板下部产生的附加最大应力：σmax=108MPa，满载时主梁中间最大弯曲应力：σmax=127.2MPa，则腹板的最大应力：σmax=235.2MPa，超过许用值，且达到Q235钢的屈服极限。由于温度的升高，屈服极限还要有所降低。因此，主梁腹板下部达到了产生塑性变形的条件，腹板下部伸长得不到恢复，腹板下部与下盖板为一体，下盖板同样得不到恢复。故此时主梁强度无法满足要求。

（3）刚度计算。主梁受热后，上下热膨胀不同和材料的弹性模量有微量下降都会使主梁的挠度产生变化。计算主梁垂直刚度：由于主梁上部热膨胀量小，下部热膨胀量大引起的下挠为ƒ胀=1.297mm；环境温度高使材料的弹性模量有所降低，这时主梁下挠为ƒ热=27.5mm，与常温变形相比较主梁因受热而下挠变形量增加很小；主梁受热后的最大总挠度为28.8mm。仅从刚度角度看，主梁受热后仍然能够满足要求[3]。

2 整改方法

（1）在主梁下盖板下增加隔热层：主梁下挠变形主要原因是主梁下盖板受热钢坯直接辐射和烘烤，使主梁下盖板和腹板之间产生较大温差，造成腹板下部产生较大附加拉应力，腹板下部最大复合应力有时达到材料的屈服极限，导致腹板下部和下盖板变形得不到恢复。解决方法为：在主梁下盖板下面增加隔热层，使主梁盖板和主梁腹板温差在10℃之内，避免了腹板下部产生较大附加拉应力的条件。

（2）降低额定载荷使用：运行在高温环境下无法采取隔热措施的起重机，可采取降低额定载荷使用。额定载荷降10%使用，主梁不发生塑性变形，不会导致主梁下挠，为确保安全，可降低负荷15%-20%以上使用。

由分析可知，在温度<300℃的情况下，材料的弹性模量有所降低，温度对主梁刚度影响很小，仅从刚度角度分析，主梁刚度在许用范围内，满足使用要求，从强度角度分析，最大复合应力达到了屈服极限值，强度不满足要求。因此，主梁变形下挠是否满足要求，不能只验算刚度，还需对主梁进行较详细的强度受力计算分析，最终确定其是否在安全范围之内。两者均满足要求时，才能确保起重机安全，可靠运行。

3 后记

对同一跨上其它几台在较高温度环境作业的桥式起重机采取了隔热措施，并跟踪实测了其中5台环境温度相对较高、起重负荷量接近或达到额定值的桥式起重机，1年多来均未出现下挠变形，起到了较好的防止下挠变形效果。主梁下方设置隔热层，可提高起重机主梁使用寿命，并可以节省因修复起重机主梁下挠变形而带来的费用。