李达

【摘 要】本文针对某项目WD800T桅杆吊销轴卡板螺栓意外切断的问题，采用有限元分析的方法对桅杆吊的受力和材料进行了分析，结果表明故障发生的主要原因为臂架结构缺少连接钢梁和轴套未满足比压要求。在此基础上，提出了处理方案，在臂架之间增设了连接梁，同时更换了轴套。经理论计算和试验检验，改造后设备使用效果良好并通过了1000T荷载型试验。本文解决了某工程桅杆吊销轴卡板螺栓意外切断的问题，并为类似事件的处理提供了一种解决方法。

【关键词】有限元分析；桅杆吊；螺栓

中图分类号： U653.92 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）31-0037-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.31.018

【Abstract】This paper focused on the malfunction about bolts on the snap of a WD800T Mast Crane. Finite element analysis was applied to analyze the force and material. The results showed that the primary causes are the lack of steel beam and the problem of the shaft sleeve. Therefore， several corresponding treatments were conducted， and the malfunction was resolved. We provide a viable solution for similar problems.

【Key words】Finite Element Analysis； Mast Crane； Bolt

1 故障概况

因大件设备装卸和运输的需要，某工地现场需安装一台WD800固定桅杆式起重机。该起重机的设计额定起重量为800t，主要由人字杆臂架、撑杆、拉索、主起升机构、变幅机构、副起升机构（防倾覆机构）和设备就位机构等七部分组成，金属结构自重约263t，主钩最大起重量800t（吊钩下，双吊点2×400t），最大工作幅度为25m（Qmax≤800t）/32m（Qmax≤350t），最小工作幅度为10.5m。人字杆臂架长度40.9m，撑杆长度约29.0m，拉索总长度约44.0m，背风地锚采用钢筋混凝土结构形式，背风地锚距离臂架回转中心距离为57m ，臂架结构为桁架式。

（左为剪断前，右为剪断后，白色圆圈处为剪断螺栓）

在起重机完成现场安装后，项目组对桅杆吊进行了350t 荷载试验。然而，在桅杆吊在向外变幅到十米之后的过程中，臂架铰支座处发生了异响。在桅杆吊其从最大幅往回变幅的过程中，试验人员发现上游侧臂架下铰支座销轴处的异响有所增强，进一步检查发现铰座销轴随臂架变幅转动，下游侧臂架销轴的四个销轴卡板螺栓已被切断了两个（见图1），设备无法安全运行。

2 原因分析

2.1 受力分析

原臂架在2根41米长八字形臂架间未设连接梁，对上游侧至下游侧支座耳弧（耳板）进行编号，依次为：S1、S2、S3、S4、X1、X2、X3、X4，如圖2所示。

采用有限元分析的方法分别模拟了350T试验工况和800T额定工况下的耳板受力及变形情况，结果如表1所示[1]。从表中可以看出，在350T试验工况下，8个耳板承受的侧向力均在120KN以上，最大值达到了153.2KN，最大变形量达到了2.63mm，耳板产生较大变形，局部卡压销轴，使得销轴受力不均匀，臂架抱死销轴，带动销轴一同产生转动，从而切断M18的卡板螺栓。在800T的额定工况下，8个耳板承受的侧向力将高达205.6-327.5KN，最大变形量达到5.65mm，会导致销轴受力更不均匀，吊车无法正常工作。

2.2 轴套承受比压分析

从表1可以看出，在350T的试验工况下，下游侧轴承最大压力位于板X1处，该处的轴承压力为1172.9 KN，轴套的最大计算比压可通过下式计算：

Pmax=Nmax/A=1172.9/（298×110）mm=35.8Mpa

式中，Pmax——轴套的最大比压；

Nmax——最大轴承压力；

A——受力面积。

在800吨额定工况下，下游侧轴承最大压力位于板S1处，其轴承压力为2501.0KN，轴套的最大计算比压为：

Pmax=Nmax/A=2501.0/（298×110）mm=76.3Mpa

由于现场实际采用的轴套为制造厂商根据以往经验选用的SL-IB型轴套，并未按设计要求选型，SL-IB型轴套许用比压仅为30MPa，远低于设计选用的比压要求。在350T试验工况下，轴套的最大计算比压为35.8 MPa，造成轴套变形，从而增大了销轴的与轴套间的接触力增大，使得臂架转动时带动销轴转动，切断卡板螺栓。若在800T额定工况下，轴套的最大计算比压将高达76.3Mpa，设备将更无法正常工作。

3 处理方案

根据分析的故障原因，分别采用了在两个臂架之间增设联系梁和更换现有轴套的处理方案。增加联系梁后，采用有限元分析的方法，分别在模拟350T试验工况及800T额定起重工况下的耳板受力及变形情况，结果如表2所示[2]。从表中可以看出，在350T工况下，8个耳板承受的侧向力为47.7-62.6KN，最大变形量为1.07；在800T工况下，8个耳板承受的侧向力为60.3-127.8KN，最大变形量为1.97。相对于增设连系梁之前，耳板承受侧向力大幅减小，变形也大为减小，但轴承的承压并没有明显变化。由此可知，增加联系梁后，二个吊臂产生的侧向内力将由增加的联系梁得到大幅抵消，不会形成作用于吊臂耳板与支座的外力，从而减小耳板变形，使得销轴受力更为均匀。

增加联系梁后，并不能减小轴套承受的压力。取800T额定工况下，轴套最大承受压力为X3、X4下方的单个轴套：

Nmax=2409.2+2390.1=4799.3KN

则轴套最大计算比压为：

Pmax=4799.3KN/（298×418）mm=38.5Mpa

实际已安装好的轴套为SL-IB型轴套，许用比压为30Mpa，仍不能满足要求，故需更换。

4 处理步骤

由于现场吊车已安装完成，根据处理方案，需增设联系梁并更换销轴的轴套，具备一定的实施难度。尤其是要更换上、下游侧二个销轴的轴套，需要取下原已装好的轴套，再安装新的轴套。针对现场情况，主要采取了以下处理步骤：

（1）安装联系梁

联系梁场内制作，端头预留切割余量，将吊臂变幅至45°位置，副钩下放挂在码头防倾装置上，然后将主钩下放搁置于码头平台上，收紧副钩卷扬机，使副钩钢丝绳拉直略带受力，减弱吊臂晃动。采取措施恢复臂架开档尺寸后，根据现场放样尺寸进行切割并用汽车吊装就位，通过定位卡板精确定位后进行施焊作业。

（2）安装临时支座

临时下铰座在厂内完成结构制造、机加工发运至现场；临时上铰座厂内结构拼焊成型后发运至现场，其中与临时下铰座连接的销孔加工到位，而与臂架焊缝连接的钢板外缘留10-20mm 现场切割余量。下铰座与上支座的销孔与销轴的配合公差应适当放大，以便于销轴拆装。利用水准仪将临时绞支座调平就位，同时通过保证销轴之间的轴心距左右均等控制临时销轴与吊臂销轴之间的同轴度。就位完成后进行焊接作业。

（3）取下销轴

搭置销轴拆除所用工装，臂架向下小角度变幅使临时铰座承载，停止变幅动作，检查临时上支座与下铰座的连接焊缝是否变形或其它异常。变幅机构来回微动调整，臂架下铰座不再承载后，在销轴端部使用千斤顶和手锤或是撞锤将销轴顶推出轴孔。左右销轴的拆除工作可分步进行。

（4）取下原轴套并镗孔

原轴套与臂架为焊缝连接，采用火焰切割与碳弧气刨的方法进行焊缝清除。原轴套与臂架之间的装配为间隙配合，可手动拆除。按照已做出的加工线与定位线进行镗孔加工。鏜孔完成后，对轴孔尺寸现场实测，并将数据返回车间以便对钢套进行配车。

（5）安装新轴套

钢套为锻件，已在厂内进行机加工，除外径3mm 左右加工量外，其余尺寸均在现场安装前加工到位，并与复合轴套装配到位。待现场镗孔实测尺寸到位后，对轴套尺寸进行配车，保证过渡配合。将钢套与臂架上支座按图装配，钢套外端留5mm 轴压环余量。焊接钢套需焊前预热，钢套与臂架之间的焊缝为角焊缝，焊后外观检查合格。

（6）穿销轴就位

吊臂变幅至71°，对齐臂架上下铰座销轴孔利用汽车吊辅助安装销轴。

5 效果分析

采取上述处理措施后，计算分析和现场试验均取得良好结果，并通过了1000T荷载型试验。桅杆吊侧向力由1120.3KN减小至410.9KN，桅杆吊耳板变形量由5.65mm减小至1.97mm，轴套比压由76.3Mpa减小至38.5Mpa，且更换后选用的轴套许用比压能完全满足额定工况下的比压要求。

6 结语

本文针对某施工现场WD800固定式桅杆起重机销轴卡板螺栓切断的故障，采用有限元分析的方法分析了故障的主要原因，并提出了增设联系梁和更换现有轴套的处理方案，通过方案的实施最终成功解决了问题，并通过了1000T荷载型试验。本文对起吊设备的类似问题提供了一种解决思路，可为其他同类型设备提供参考借鉴。此外，在以后的施工中，应加强从设计、采购、监造等多方面的监管审查力度，并对重要部件加设见证点，从管理上杜绝此类事件的发生。

【参考文献】

[1]傅永华.有限元分析基础[M].武汉：武汉大学出版社，2003.

[2]梁醒培.应用有限元分析[M].北京：清华大学出版社，2010.