工字梁结构吊臂在“海宇号”1000吨单臂架变幅式

工字梁结构吊臂在“海宇号”1000吨单臂架变幅式

倪一鸣

武桥重工集团股份有限公司湖北武汉430056

摘要：新制副臂臂头主肢结构为WDB620D钢板焊接而成的工字梁、辅肢结构为Q345C钢管及Q345D材料焊接而成的工字梁结构。通过有限元软件ANSYS对“海宇号”1000吨单臂架变幅式起重船起重机臂头结构部分进行有限元分析，通过对不同工况下的模型计算分析，对改造方案进行不断优化，在满足结构应力及杆件稳定性等要求下，达到改造要求。

关键词：起重机；臂头改造；工字梁结构；有限元分析。

1、工程概况

2011年中铁大桥局打造的“海宇号”1000吨单臂架变幅式船用起重机试吊成功。当时这标志着我国内河最大吊高船用起重机的问世。2016年为适应中铁大桥局集团承接的孟加拉国Padma大桥施工需要，需对1000吨单臂架变幅式起重船起重机进行改造。本次改造工程由原“海宇号”起重船起重机部分制造单位武桥重工集团股份有限公司负责，主要针对吊臂臂头鹰嘴部分结构和副钩起重量进行改造，即切除部分原副臂臂头，增加一段20米长的新制臂头，使副钩安全起重量由原300吨改造为430吨，改造后，主钩安全起重量1000吨，起升高度70m，舷外幅度32.8米，副钩安全起重量为430吨，起升高度98米，舷外幅度44米，可适用于在此起重量范围内的海上和内河上的桥梁工程吊装作业。

2、新制副臂臂头结构制造

2.1制造工艺要求

（1）副臂结构主要为钢板、钢管等组成的桁架式结构。主肢结构为WDB620D钢板焊接而成的工字梁、辅肢结构为Q345C钢管及Q345D材料焊接而成的工字梁结构；

（2）现场制造工作开始后，先将上下弦平面的辅肢结构焊接成工字梁；

（3）将4件主肢工字梁焊接成型；

（4）在地面上按图1所示划地样线，并设置好胎架；

（5）采用水准仪将胎架顶部抄平；

（6）将左右两侧的桁片在平板上拼装成整体；

（7）将两侧桁片采用汽车吊吊装至胎架上进定位，桁片之间采用临时撑杆支撑；

（8）将桁片之间的辅肢杆件依次吊装进行定位，如图2：

结构部分主要对臂头部分进行改造，设计中考虑上下各采用三片主桁的情况，虽增加臂头稳定性，但在副钩起吊作业时，三片主桁结构形式会因受力不明确而导致应力集中，因此上下各采用两片工字梁做主桁。主钩箱体利与箱体连接的桁架新制为满足副钩起吊要求，臂头结构尺寸外形重新设计，新制臂头部分重约为102t。

2.2焊接工艺要求

所有板件及杆件，均应按图纸要求开破口。

对接或者T接焊缝，能双面焊接的应采用双面焊接，采用双面焊接的，背面采用碳弧气刨清根，保证全熔透。采用衬垫的焊缝，尽量采用陶瓷衬垫，当无法贴陶瓷衬垫时，方可采用钢衬垫。

Q345D材料采用E501T-1药芯焊丝或ER50-6实芯焊丝焊接。

WDB620D材料采用J607RH焊条焊接。焊接应采用多层多道进行，层间温度不大于150℃。

对接时严格按《钢结构工程施工质量验收规范》的规定合理分配对接焊缝的位置，要求在同一组件﹑或同一部件中相邻对接焊缝以及组拼时的其他焊缝应错位，错开的最小距离≥200mm，且距水平或垂直肋板距离≥100mm。

结构组拼应由检查人员在焊前进行检查，合格后方进行可定位焊。接口间隙偏差应不大于3mm。对接接头，板厚大于25mm时边缘高低差不大于1mm，板厚小于25mm时，边缘高差不大于0.5mm。

垂直应力方向的对接焊缝必须除去余高，并顺应力方向磨平。

焊脚尺寸、焊波或余高等超标的焊缝及小于1mm且超差的咬边必须修磨匀顺。

焊缝咬边超过1mm或焊脚尺寸不足时，应采用手弧焊进行返修焊。

应采用碳弧气刨或其它机械方法清除焊接缺陷，在清除焊接缺陷时刨出利于返修焊的坡口，并用砂轮磨掉坡口表面的氧化皮，露出金属光泽。

焊接裂纹的清除，长度应从裂纹端部各外延50mm。

返修焊缝应按原焊缝质量要求检验；同一部位的返修焊不宜超过两次。

钢板、钢管缺陷需要修补时，参照本规定执行。

所有因长度不够引起的板材对接焊缝，要求全熔透（包括钢管和钢板），100%比例进行超声波检测，其他焊缝按设计要求及《焊缝探伤清单》要求进行探伤检测。

3、相关结构建模计算

根据改造后的图纸，对起重机进行ansys建模。

臂头主桁及横梁用板单元shell163单元，杆件部分用beam188单元；吊臂臂头部分用shell63单元；钢丝绳用link8单元；主起升机构、副起升机构用和吊重用mass21单元。其余部件质量用等效密度的方式施加在结构模型中。通过对改造后的起重机进行建模分析，我们可以得出：

3.1臂头结构应力值满足副臂最大起吊430t吊重时的许用应力，最大的等效应力319MPa，小于许用应力342MPa。

3.2杆件最大压应力值为98.4MPa，小于结构中杆件的最小临界压应力195MPa。

3.3通过建模计算，各杆件的稳定性满足要求。

4、结论

原“海宇号”吊臂主肢采用WDB620D无缝钢管，副肢采用Q345C无缝钢管，新制副臂并没有在原有基础上直接采用无缝管的桁架式结构，而是采用WDB620D和Q345D钢板焊接而成的工字梁结构，不但解决了因WDB620D无缝管吨位少采购困难的问题，同时降低了改造成本，改造后的起重机臂头设计可以满足强度和稳定性等要求，并再对静强度较高的的结构做优化减重后仍能满足要求，使得结构的设计更加合理，经济有效。

参考文献：

[1]高耀东，刘学杰.ansys机械工程应用精华30例.北京：电子工业出版社，2010.1

[2]王金诺，于兰峰.起重运输机械金属结构.北京：中国铁道出版社，2002

[3]张质文，王金诺，程文明，邹胜，刘权，王少华.起重机设计手册.北京：中国铁道出版社，2013

[4]GB/T3811-2008起重机设计规范[S]