叶涛-预应力修复行车主梁下挠

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1、昆明工业职业技术学院毕业（专业技术）论文桥式起重机主梁下挠问题的预应力矫正法研究与应用姓 名： 叶 涛 学 号： 2008212931 专 业： 机电设备维修与管理 年 级： 08 级 指导教师： 张 正 职 称： 副 教 授 定稿日期：2010年 12月31日桥式起重机主梁下挠问题的预应力矫正法研究与应用2008级机电维修与管理专业 云南安宁（650302） 叶涛摘要：桥式起重机主梁下挠，会影响设备正常运行给生产带来不便，威胁生命财产安全。本文应用预应力处理方法，对某厂5t双梁行车主梁下挠问题进行了分析计算，提出了修复方案。并在分案计算过程中对预应力矫正法的原理、计算方法及施工步骤进行了必要

2、的研究和阐述。关键词：桥式起重机 主梁下挠 预应力矫正 施工统筹前言：桥式起重机在制造时其主梁都有一定的上拱量，在长期适应过程中，由于使用和日常维修等诸多因素的影响，会引起主梁上拱逐渐消失而产生下挠，导致主梁发生永久性变形，从而影响桥式起重机正常工作。为了安全生产、避免浪费、减少修理时间，确保起重机正常运行。通过对主梁下挠原因进行分析，积极采取预应力矫正法对主梁进行修复，恢复上拱。起到延长桥式起重机使用寿命，降低运行成本的目的。下面结合昆钢棒线厂普线车间5t桥式起重机（以下简称棒线厂5t行车）主梁下挠的产生原因、影响和预应力修复方法进行分析、计算。1、桥式起重机主梁下挠的原因造成主梁下挠的原因

3、是多方面的，有制造、运输、安装和使用等。对棒线厂5t行车而言，可大致归纳为以下几个方面：1.1超载（超负荷）及不合理使用：超载及不合理使用是主梁下挠的主要原因之一，实际生产中为赶工期、抢时间、抓生产，采取“超负荷、歇人不歇机”等，致使主梁局部应力超过屈服极限，从而导致主梁变形下挠。1.2桥式起重机环境温度的影响：环境温度高，则主梁内应力均匀化过程易进行。另一方面，受热引起材质的变化和最大复合应力超过许用值，即达到或超过材料的屈服极限，造成的主梁下挠。1.3主梁结构内应力影响：箱型主梁都是焊接性结构，由于焊接过程中局部加热造成焊缝及附近加热区金属收缩，产生残余应力，由于工作应力和残余应力叠加，结

4、构的局部应力超过屈服极限，从而导致局部塑性变形。另外，由于自然时效，使主梁结构中残余应力在使用过程中均匀化，从而使主梁出现永久性变形。1.4起重机不合理存放，搬运，安装，起吊等都会造成起重机主梁下挠。2、下挠对起重机的影响2.1对小车的影响：随着主梁下挠程度的不同，会形成“三条腿”现象。同时，又会引起主梁的水平弯曲（旁弯），主梁向内弯曲时使小车轨距减少，轨迹减少至一定值时出现严重的啃轨、翻车现象等。2.2对小车运行的影响：小车轨道会随着主梁下挠一起变形，小车由中开往两端时，要克服运行阻力和外加阻力。严重下挠的小车轨道，其运行机构的电机易烧坏。小车向中间运行时会出现“溜车”、速度加快、不能准确停

5、车等现象，甚至发生事故。2.3对大车的影响：主梁下挠将会使大车运行机构的传动轴、支架及结构一起下移，传动轴弯曲严重时，会损坏轴颈，甚至引起联轴器的牙齿折断，连接螺栓断裂等。2.4对主梁结构的影响：使主梁下盖板和腹板的受拉区应力达到屈服极限，甚至使下盖板及附近的腹板上出现裂纹吧，脱焊现象。3、预应力矫正法处理主梁下挠的原理预应力矫正法是指构件在工作之前引进的应力，这个应力使构件与造成下挠的工作应力（外载荷）方向相反，从而抵消部分或全部工作应力，达到主梁向上弯曲恢复上拱的目的。处理桥式起重机主梁下挠常采用预应力矫正法，在主梁下部焊接支座，穿上冷拉及时效的预应力钢筋（预应力钢筋经过冷拉强化和时效的好

6、处：钢筋的屈服极限提高了；经过冷拉考验了焊接质量；消除了内应力，图3-1a）。对钢筋进行张拉便可使主梁上拱。预应力矫正法容易控制上拱程度，对施工人员技术要求不太高，修复周期短、效果好，拱度一般较稳定。预应力矫正法原理：是在主梁下盖板两端焊上两支承架，之后把若干两端带有螺纹拉杆穿过支撑架。拧紧张拉螺母（相当于给支座一个外力，用F表示，如图3-1b）。根据力的平移原理，把力F移到主梁中性线上A、B两点，并在两点对应加上大小相同方向相反的力F1=F2=F,如图3-1c，F1与F2形成力偶M,如图3-1d。在左右各力偶M的作用下，使主梁产生上拱，如图3-1d虚线部分。图3-1预应力矫正法原理图应用预应

7、力较正法处理，即修复后主梁造成的应力正好和外载荷作用于主梁的应力相反，这个应力将抵消一部分由外载荷作用下产生的拉应力。因此施加预应力钢筋在主梁下部，相当于增加了断面积，提高了主梁承载能力。下面会着重介绍预应力矫正法的处理计算过程。4、下挠处理计算4.1矫正量的确定 （） （4-1） 式中矫正后主梁应达到的上拱值，由于预应力钢筋本身增加了主梁截面积，故不必满足桥式起重机出厂时原始上拱量的要求，一般取，为主梁跨度。桥式起重机主梁中点的下挠值。这个数值用水准仪或挂钢丝法测得，拉丝法较简单，而锤重则根据跨度来定，以1015为宜。主梁任意一点钢丝挠值计算： = （） （4-2）式中线锤重量（）； 钢丝单

8、位长度的重量（）；所求挠度处至挂架的距离（）；4.2主梁无活动载荷时的上拱量的确定。根据莫尔公式求挠度 （图4-1） 式中预应力钢筋内力为单位力时，主梁产生的反弯矩，=1； 在主梁中间有一向上单位力时，主梁任意截面上的反弯矩，=。所以 （） （4-3） 式中、见图4-1()； 预应力钢筋距主梁截面轴的距离（）； 主梁的弹性模数（MPa）；主梁绕轴的惯性距（）。4.3所需预应力钢筋的拉力计算 （KN） （4-4）4.4每根主梁所需预应力钢筋数 （4-5）式中 为预应力钢筋许用拉应力（）； 为预应力钢筋截面面积（）； 安全系数 。4.5支承架立板厚度计算 （4-6）4.6单孔受剪切面积 （） (4

9、-7)式中立板许用剪切应力。4.7立板厚度计算 (） (4-8)式中为螺母与立板接触处立板上圆的直径。即预应力钢筋的材质、根数、直径以及支座的设计均根据的大小来决定。4.8小车满载停于主梁中部时，预应力钢筋受到附加力，其增值的计算，根据变形相等原理列出下式： (4-9)式中 钢筋拉力增值引起钢筋拉长变形量； 钢筋拉力增值引起主梁压缩变形量； 钢筋拉力增值引起主梁上拱后，钢筋变形量减少值； 小车轮压引起主梁下挠使钢筋拉长的变形量。 图4-1 图4-2其中:（1）计算 ，见图4-2 。根据莫尔公式求转角； ） （） （4-10）式中小车最大轮压（KN）； 小车轮距。由于相对来说佷小，故忽略不计。于

10、是： （） （4-11）（2）计算 （） （4-12）式中预应力钢筋弹性模数（）；（3）计算 （） （4-13）式中主梁横截面积（）。（4）计算 （） （4-14）4.9预应力钢筋总内力（即为）和最大应力的计算 (4-15) (4-16)4.10支座焊接的计算 先计算焊缝最大剪切力；计算焊缝最大弯矩。式中 预应力钢筋中心至主梁下盖板焊缝间的距离。 最大焊接应力： (4-17)式中焊缝有效截面积； 焊缝抗弯截面模数； 焊接许用剪切力。4.11施工张力计算 当预应力钢筋数目较多时，在施工中很难对钢筋同时张紧。在这种情况下，由于主梁是弹性体，当张拉某一钢筋时势必影响已经张拉好的钢筋内力，使其性能有所

11、降低。为使每根钢筋的张力最后相等，对每根钢筋依次施加不同的张力，这个张拉叫施工张力。则有第根钢筋获得的张力： （KN） (4-18)式中 预应力钢筋数。根据预应力钢筋变形相等可列出下式： （4-19）式中 当第根钢筋张拉时，引起以拉好的（-1）根钢筋的张拉力消失，将上式移项化简得： （4-20）令： （4-21）每根预应力钢筋的张力损失为 （KN） （4-22）根据第（-1）根钢筋的张力等于第根钢筋的张力加上每根钢筋损失的张力，可列通式： (3-23)整理可得： （KN） （1、2-1） (3-23)5、应用实例昆钢棒线厂普线车间由于建年早，原设计安装负担收集和转运出仓重任的5t行车，随着产量

12、的提高，不但经常处于超负荷状态，而且所处位置又在高温环境中，而造成的起重机主梁下挠。下面就棒线厂5t行车为例，介绍桥式起重机主梁下挠问题的分析、处理计算及修复方法。5.1原始数据主梁尺寸：如图5-1主粮材质：Q =210GPa起 重 量：=5t小车参数：车轮数=4 重 量=2.655t 跨 度=1400 5.2实数下挠值传动梁（以A为标志）：导电梁（以B为标志）：5.3主梁上拱要求量 5.4总矫正量计算 5.5主梁截面圆形几何参数计算主梁断面积：截面形心位置：主梁惯性距： 5.6预应力钢筋张拉力计算考虑到施工取条件， (如图5-2) =5.7预应力钢筋的选择每个主梁所需预应力钢筋数为方便施工和

13、考虑修复后使用过程中有足够应力，取立板厚度计算 (KN) 查起重机械设计手册、机械零件设计计算实例得MPa，=170MPa,=200GPa, 560MPa,即两主梁均选择材质为16MnSi，并经过冷拉时效处理的36mm螺纹钢筋各三根，立板厚度取，则：=, 。8.施工张力计算 列表求每根钢筋的施工张力： 项目 内容导电梁传动梁计算公式及结果 9.增力的计算小车的最大压的计算： 式中启动提升系数，经对该起重机实测 =1.131.15。 10.预应力钢筋总拉力N总及最大应力max计算导电梁： 传动梁： 因为：16MnSi的=320MPa, =450MPa（经过冷拉），所以：预应力钢筋强度足够。11.

14、焊接强度计算 主要计算主梁下盖板与背板间的焊缝，这条焊缝采用脚焊。支座外最大剪力：支座外最大弯距：焊 角 宽 度：焊 缝 长 度： （图6-1可得）焊 缝 面 积：焊接抗弯断面模数：最大焊接应力： 一般焊缝=70MPa，支座焊接强度通过。12.支座的主要设计.支承架如下图5-3所示（单位），支承架由立板、筋板和底板焊接（单面角焊）而成。底板的宽度应略宽，立板为主要受力件一般较厚，底板的厚度与主梁的厚度相等，筋板间距与拉杆中心距相等。 图5-3支座图.预应力钢筋预应力钢筋一般用45钢制作，经调制处理。端杆的螺母分为工作螺母和防松螺母，由于拉杆张拉时应力往往会超过设计应力。因此，工作螺母要求较厚，

15、一般厚度65为宜。防松螺母作用是防止工作螺母松动或拉杆断裂而设置，一般用钢制成。而每一个由3根短钢筋通过套筒连接而成，连接装配图如5-4所示。图5-4装配图 图5-5托架图.托架托架是为了防止或减少起重机运行过程中拉杆的抖动而设置的，一般1主梁设置3个，托架不引许焊在主梁腹板上，只能与下盖板焊连（如图5-5）。6.预应力矫正法操作程序与施工统筹图 图6-1施工统筹图6.1预应力矫正法操作程序1.圆钢下料，取样试验。防止混入不合格钢种，必须取样试验。实验项目是钢材的屈服极限、强度极限和冷拉率。2.制作端杆及螺母，冷拉及时效。冷拉采用双控，控制应力和冷拉率。3.停车，停电。4.在地面搭吊架。预应力

16、钢筋放在吊架内，长端杆放于司机室端。5.在两住梁间焊的角钢横撑10根。以防处理下挠过程中发生旁弯。6.焊支座，托架均用T422,d=4焊条。7.穿预应力钢筋。先穿司机室对面支座，再用套筒依次连接。8.施加张力，按图5-5中次序张拉。在张拉过程中要检查主梁各部位焊缝有无发生裂开现象，施张过后将两端背帽焊死。9.施工过程中用拉线法测下挠及上拱量，有条件的用激光水准仪。10.负荷实验。按额定负荷及超载25%测主梁下挠，并做提升动力系数的测定。6.2施工步骤如图6-1所示：结束语修复时必须做好“预应力钢筋的冷拉工序”，冷拉是将钢筋拉力超过屈服点，是钢筋产生塑性变形，但不要达到强度极限。经过冷拉，不但提

17、高了屈服极限，还可以把钢筋的许用应力提高，预应力钢筋冷拉还可以考验焊接质量及端杆材质。此次修复棒线厂5t行车，从停电停车到恢复上拱只用里22h，施工顺利且还有上拱潜力。同时，提高了起重机使用寿命，提高了生产，排除了安全隐患为今后正确使用和维护桥式起重机提供了理论依据。通过桥式起重机下挠问题预应力矫正法处理的探讨和研究，增长了知识、锻炼了自己，初步掌握了如何针对设备实际问题进行现场调研，收集、归纳并整理资料的技术设计方法，对今后学习工作受益匪浅。参考文献：机械零件设计计算实例 梁正强 主编 中国铁道出版社出版 1989年北京 第5665页冶金机械安装与维修 谷士强 主编 冶金工业出版社出版 1995年北京 第7282页起重机械设计手册 起重机械设计手册编写组 编 机械工业出版 1980年 第310313页起重运输机械 陈道南 主编 机械工业出版社 1981年 第5962页工程力学 张定国 主编 高等教育出版社 2000年 第124150页致谢：真诚地感谢指导教师张钢，多次带我下厂参观学习、收集素材。在指导我写作过程中，耐心教导、修改其中不足之处。感谢各位老师教导、父母的严格督促，还有为我写作提供电脑，支持我的同学。同时，也要感谢棒线厂王贵斌（工程师）、毛东明（技师）两位师傅。为我提供5t行车原始资料和修理记录，讲述5t行车多年来的运行、故障、处理等情况。- 12 -