大型铸造起重机升级改造实践

大型铸造起重机升级改造实践谢光志　曹红霞(马鞍山钢铁股份有限公司)

摘　要　重点介绍了大型铸造起重机升级改造中常用的主梁疲劳强度与寿命的评估方法,并就改造过程中所涉及的经济价值进行评估,为大型铸造起重机升级改造提供参考。 关键词　大型铸造起重机　升级改造　实践

TheUpgradingRevampingofHeavyLadleCranesXieGuangzhi　CaoHongxia(MaanshanIron&SteelCo.Ltd.) Abstract　Atestmethodoffatiguestrengthandservicelifeforupgradingrevampingofthearch2bridgeframeworkof

heavyladlecraneisintroducedandeconomicvaluesoftherevampingisassessed,providingreferencesforsuchrevampingproject. Keywords　heavyladlecrane　upgradingrevamping　practice

0　前言 马钢第一钢轧总厂的1#转炉为95t,随着企业的发展,把后建的2#转炉和3#转炉由95t改为120t,同时对转炉基础和厂房基础、钢构以及连铸大包台等主要设施进行了强度复核工作,认为可行。但是,原先运行在出钢跨的2001年3月投入使用的两台180t铸造起重机的能力制约了转炉的出钢量,要求工作载荷由180t提升至200t。为节约投资,决定对这两台180t铸吊进行升级改造。

1　技术分析 (1)由于铸造起重机是生产线中承担钢包吊运的关键设备,基本载荷为自重荷载、起升荷载、起升(或制动时)产生的附加荷载,以及在运行经过轨道接头或者不平整轨道(道路)时产生的冲击和振动。另外,

铸造起重机还承担试验载荷、地震载荷及某些工艺性载荷,工作状态下结构偶然可能承受的碰撞载荷。 (2)由于铸造起重机载荷复杂,工况多,在金属结构的设计计算不可避免地要涉及空间结构的超静定问题,计算工作量大,传统的设计计算方法不得不作出各种假设和简化,计算结果与实际情况有较大出

入,只有加大安全系数予以补偿,根据选定的方案和结构件的截面尺寸,最后进行强度、刚度和稳定性的校核。特别是实际结构的载荷、材料的质量和制造质量都具有随机性。由于铸造起重机的实际使用寿命是由疲劳极限直接决定的,在疲劳计算中,对疲劳极限状态的概念还不够准确,对有关的因素研究还不够,仍然只能用传统的许用应力法进行计算,甚至允许出现一定程度的裂纹,但是要保证在下次检查前能安全使用[1]。 (3)机械产品的结构件凡是承受的应力水平较高并循环变化,都可能发生疲劳破坏,统计资料表明,机械类的断裂事故中,80%以上是由金属疲劳引起的。对于冶金起重机的主要结构件正是承受变化的循环载荷或随机载荷作用,疲劳是这些结构件的主要失效形式,所以,无论是新产品设计,还是在设备运行中所做的强度校核,疲劳强度分析都是主要的计算内容。由于使用环境、使用条件发生变化,为了利用设备的残余价值,对于铸造起重机的改造通常是根据检测的数据来进行降级改造。特别是在大吨位、高频率使用工况条件下,主梁结构强度和疲劳强度的可靠性水平决定着设备的工作级别和使用寿命,铸造起重机升级

作者简介:谢光志,高级工程师,安徽省马鞍山市(243000)马钢第一钢轧总厂

33　2006年第4期 安　徽　冶　金改造前,必须对主梁结构作出有科学依据的强度分析和疲劳寿命评估。即对主梁结构强度的现状进行评价;在随机疲劳载荷谱试验的分析基础上,对主梁疲劳寿命进行估算;考虑到负载升级后带来的金属结构强度风险,必须对200t工作载荷状态下的结构强度状况和疲劳寿命进行评估。这些内容不但为设计部门制定改造方案提供依据,而且对长期使用和维护工作也具有重要价值。 (4)对工程结构中已占主要成份的焊接结构而言,近几年来的疲劳设计手段已经从应力峰值为基础的常规疲劳强度分析发展到应力变程为基础的随机疲劳强度分析。铸造起重机主梁金属结构是典型的承受随机疲劳载荷作用的焊接结构,其疲劳强度主要取决于主梁危险截面、危险部位的应力变程分布及频率。由于现代化冶金工业日益向大规模、高效率发展,起重机的工作日益繁重,超载情况时有发生,使得许多静强度设计相当保守的大冶金起重机在使用若干年以后,在金属结构的应力集中处、主焊缝处及焊缝缺陷处,常常发生疲劳裂纹,高应力区的裂纹在反复交变的随机工作负荷作用下,逐渐加速扩展,使整机的安全性逐渐消失。因此,冶金类起重机结构疲劳强度校核,与评价日益受到钢铁企业的重视。该工作主要包括起重机疲劳载荷谱的实测与统计分析,涉及到材料和结构的疲劳特性试验数据以及金属结构的寿命估算和以“条件疲劳极限”为依据进行的有限寿命设计。 (5)疲劳强度方面。寿命估算是疲劳强度评估的重要内容,适合起重机主梁的寿命估算方法应当依据:真实的随机疲劳载荷谱;结构(或材料)的S2N曲线,Miner累积损伤理论。 设定结构S2N曲线是以变程为变量得到的,那么某应力变程Si与它单独作用下的破坏寿命Ni的关系为: Ski・Ni=C。(1) 根据Miner线性累积损伤理论,一个谱时间中,应力变程所造成的损伤: d=∑rni/Ni=∑rN・fi/Ni(2) 当n・d=D时,发生破坏。其中n为破坏时载荷谱的重复次数,D为破坏时的损伤和。将式(1)和式(2)代入n・d=D,有: n=D/d=C・D/N∑Ski・fi(3) 给出概率密度函数的载荷谱,则式(3)变为:

n=C・D/N∫ks・p(s)ds(4

)

(6)2002年4月初对2

#

180t铸造起重机司机

室侧主梁的跨中截面,在上、下盖板与主、副腹板的主焊缝邻近处布置动态应变仪YD221,进行应力时间历程记录,在主梁端部接入静态应变仪YJ225,以计算端部最大剪切力。试验中记录了19个钢水罐,

跟踪了15个空罐,取得了一组应力变程数据,与有限元分析计算结果进行了类比,基本吻合。根据近几年来国产铸造起重机箱形主梁疲劳试验取得有关数据,选用D=0.8,K=3.3,C=1011.714486。求得180t载荷下,n=471196(个循环)。主梁在评估点

200t时的数据代入疲劳寿命估算公式:n=342839(个循环)。

(7)静强度方面。180t负载时,经有限元计算,

给出主梁中间截面最大应力为:σmax=78.23MPa,

实测值σmax=72.77MPa,对比Q345材料的屈服极限345MPa,主梁在额定工作负载下,具有良好的安全裕度。 在200t负载下,经有限元计算给出的主腹板σmax=82.84MPa,下盖板σmax=84.66MPa,从静

强度设计观点来看,主梁仍然安全。 国产铸造起重机箱形主梁疲劳极限水平为85

～90MPa,根据现场测量算出180t负载下的最大应力变程72MPa,考虑到超载等特殊情况,最大变程量将有所增加,但是仍在180MPa范围内。在额定工作负载下,主梁具有合理的疲劳强度水平。 当设备升级为200t负载后,最大应力变程为79MPa,考虑超载等特殊情况,最大变程将突破80MPa而逼近疲劳极限,这意味着,尽管静强度设计安全,但是使用寿命将明显降低。 (8)由于180t铸造起重机主起升减速机的齿轮出现超常规磨损,从2001年3月份开始使用,2002

年4月份四台减速机全部更换,分析磨损时认为:一是减速机本身制造质量存在问题,二是这种主起升机构的布置形式对小车架的刚性要求较高,小车架在设计时存在缺陷,从而造成了减速机齿轮的超常规磨损。假定主小车架的强度和和刚度存在缺陷,

也可以利用升级改造来消除,经过武汉科技大学机械自动化学院起重机研究所采用有限元分析,认为主小车刚度、强度满足要求。 (9)主起升机构布置方式不变,采取降低起升速

43ANHUIMETALLURGY 2006年第4期　度,减小起升高度的方法,将原来起升滑轮组倍率由6改为7,电动机额定转速588r/min计算,起升速度为:v=πnD/mi=5.81m/min。速度能够满足生产要求。 电动机功率:N=Qv/6.12η=262.47kW,由M7折算到基准功率S3,6次,40%(即M5)时的电动机总功率Nm5=329kW,考虑到棘轮棘爪减速机工作的电动机不平衡因素,以及当一台电动机出现故障时,另一台电动机可工作一个循环,将正在吊运的钢水包安全降至地面,因此取单台电动机功率为总功率的0.6倍:ND=0.6Nm5=197.54kW。根据以上计算,倍率为7时,原设计的两台YZR400L2210H,200kW电动机满足要求。 主起升卷筒:由于倍率增加,原铸造起重机主起升设计为28m,若要满足28m起升高度,卷筒若不变将无法缠绕增加的钢丝绳。现场对卷筒及起升高度进行测量,发现主钩处于下限位置时,卷筒上的钢丝绳约有11圈的余量,为56m。在倍率为6时,11圈可起升高度为9.3m,可见,实际工作高度为18.7m,在改造之后主起升高度为24m时,原卷筒装置不变也能满足工作要求。 主起升钢丝绳:由于卷筒长度、直径以及缠绕圈数未改动,原有钢丝绳长度不变,倍率由6变为7,起重量由180t改为200t,其钢丝绳受力是原钢丝绳受力的0.96倍。即起吊200t时钢丝绳的受力小于180t时的受力,钢丝绳是安全的。 主起升的传动件:由于卷筒直径未变,钢丝绳受力减少,所需减速机的输出扭矩减小,减速机受力和所需功率减小,减速机可利用原件。安全裕度都有所增加。 因此,起升机构除定滑轮装置外,全部利旧,包括:减速机、联轴器、电动机、卷筒装置、卷筒联轴器、轴承座。小车运行机构全部利旧。 主小车架:由于结构布置和增容等因素,小车架必须更新,对主小车架结构梁进行了加固,重量增加了3t。 主梁加固方案:根据疲劳强度估算和静强度核算,结合厂房高度和新小车架所需要的高度,决定采用马钢生产的大H型钢,剖分成T型钢T400mm×245mm×21mm×13mm进行加固,加高主梁的主腹板245mm,用加强筋板加固T型钢,这样每台铸造起重机增加自重5t,原来主小车运地轨道拆除后安装在T型钢上面,并更新轨道压板即可。 从主梁的计算结果看,在对主梁不采取任何加固的情况下,铸造起重机工作载荷由180t升至200t。在整机工作级别不变,仍为A7的情况下。使用寿命也只是从27年减为20年,改造设计师对主梁主腹板用T型钢加固,使主梁受力得到了改善,充分保证使用的要求。

2　经济分析 (1)两台180/63t222m铸造起重机升级改造为200/63t222m铸造起重机所需加工件主要有:新小车架及附件、定滑轮组、200t板钩吊具,主梁加固型钢等总共约为170t,改造加工件设计制造费和运输费为225万元。另外,主梁评估、旧设备保护性拆除、新设备安装(含施工措施费)、静负荷、动负荷试车费用、检验费、技术资料费和技术服务费,合计为107万元。 (2)原先两台180t铸造起重机设计制造安装费为800万元。在180t铸造起重机的合同考核期,4