铸造起重机T型钢裂纹的计算与修复
2010年2月11日

铸造起重机在起重量较大的情况下（额定起重量在100 t以上），其主梁形式通常都采用偏轨箱型梁的形式，即将主小车的轨道置于主腹板的正上方。目前一般都采用T型钢的主梁形式，就是在轨道的下方选用合适的T型钢，T型钢的翼缘板与起重机的翼缘板对接，T型钢的腹板与起重机的主腹板对接。这也是目前大吨位铸造起重机最常用的主梁截面形式。

最近，这种形式的起重机在某些钢厂的使用过程中，主梁上的T型钢出现了程度不同的裂纹现象，这些裂纹严重的损害了起重机的使用寿命，如何对主梁的裂纹进行修复，是很关键的问题。修复得好，起重机可以正常使用；修复得不好，严重时将使起重机报废。

修复前，应分析主梁出现裂纹的原因，其主要原因有：

（1）材质自身的缺陷（这是不可避免的，只是程度轻重不同而已）；

（2）制造缺陷；

（3）设计缺陷（局部应力过大等）；

（4）实际使用温度比设计允许的温底低；

（5）严重超负荷使用；

（6）使用频繁程度严重超过设计所允许；

（7）野蛮操作，急起急停，造成很大的冲击载荷，经常歪拉斜拽等。

以上原因都有可能导致主梁T型钢出现裂纹。

查明出现裂纹原因的目的，是为了将主梁修复后，不再出现上述情况，要改善使用环境，xx缺陷，减少超载现象，薄弱环节进行局部加强，规范操作，从而使起重机的安全使用寿命得到有效延长。

1 裂纹处的{zd0}应力的计算

产生裂纹后，将在裂纹的2端产生应力集中，{zd0}应力

σmax=σc[1+2（a／ρ）1/2] （1）

式中 σmax——裂纹端部的{zd0}应力，N／mm2

σc——垂直于椭圆形裂纹长轴方向的计算应力，N／mm2

a——椭圆形裂纹长轴的1／2，mm

ρ——椭圆形裂纹长轴端点的曲率半径，mm通常a＞＞ρ

所以式（1）可简化为

σmax≈2（a／ρ）1/2 σc （2）

Kt=2（a／ρ）1/2定义为应力集中系数。

从式（2）可知：Kt随裂纹长度的增加而增加，裂纹越长，应力集中系数越大，{zd0}应力也就越大；Kt随裂纹端部的曲率半径的减小而增加，曲率半径越小（裂纹端部越细），应力集中系数越大，{zd0}应力也就越大。如果裂纹端部的曲率半径小于裂纹长度的1／2，裂纹端部的{zd0}应力就是计算应力的2倍以上。如果裂纹端部的曲率半径更小，该处的{zd0}应力将达到实际计算应力的若干倍，这将使裂纹快速扩展，裂纹扩展后，使裂纹的长度增加，裂纹长度的增加又导致{zd0}应力的增加，{zd0}应力的增加使裂纹进一步扩展，这样的恶性循环，直至主梁报废，这个过程的时间不长。因此，应尽可能早地发现裂纹，在裂纹很小时就进行修复，以减小损失。

多数用户采取在裂纹2端钻孔的方法。如某主梁T型钢距离翼缘板50 mm处水平出现l条200mm左右的裂纹，已经裂透了，用户随意在裂纹2端钻了2个直径为4 mm左右的小孔。

由式（2）可知，在裂纹2端钻孔，只是将裂纹2端的曲率半径加大，但加大后的曲率半径p仍比0小得多，也就是说应力集中系数仍很大，在外载荷的反复作用下，裂纹还会从小孔的另一端开裂，因此，必须采取其他更有效的措施对裂纹进行处理。

裂纹2端钻孔的做法主要适用由于内部残余应力过大（例如交叉焊接残余应力）而导致出现裂纹的场合，当内部残余应力过大出现裂纹后，可在裂纹的端部钻1个小孔，这时内部残余应力将得到充分的释放，虽然应力集中系数仍然很大，但外部没有外力作用，计算应力为0，所以不会出现从小孔的另一端继续开裂的现象，能起到阻止裂纹继续扩展的效果。

2 主梁T型钢裂纹的修复步骤

（1）在主梁内用碳弧气刨顺裂纹的方向，将裂纹刨开，深度要达到裂纹处板厚1／2以上，长度要过裂纹端部材料的塑性区域到材料的弹性区域。创口要适当大于刨根，不要刨成上下一样宽的断面形式。塑性区域的长度要视裂纹的长度、所使用材料及裂纹处的应力而定。

（2）在主梁内用碱性焊条，将刨开的裂纹分数次焊满，每一次焊接后，要清理焊药皮，检查焊接质量并留有充分的冷却时间，确保没有夹渣现象，边缘熔化良好。待裂纹xx焊满并冷却后，用角磨砂轮将整条裂纹仔细打磨平整，打磨的砂轮越细越好，不要出现明显的划痕，以免导致再次出现应力集中现象。

（3）在主梁外部重复上述2个步骤必须注意的是：在刨开裂纹时，一定要刨到主梁内部的焊肉为止，这一点非常重要，然后再按第2步将裂纹分几次焊满并磨平，焊接和打磨质量一定要严格把关，不能出现丝毫的质量问题。如果刨得不彻底，有部分细微裂纹没有处理干净，这将埋下再次开裂的隐患，裂纹越细小，应力集中系数就越大，{zd0}应力将达到1个很可怕的值，在外载荷反复作用下，裂纹将迅速扩展，最终将在原裂纹处再次出现裂纹，这就宣告了这次修复工作的彻底失败。

主梁T型钢裂纹的修复{zh0}是1次修复彻底，如果处理得好，修复后的主梁和修复前的主梁承受的载荷没有任何区别。如果处理得不好，在原来裂纹的地方再次开裂，修复时就要考虑局部加强措施。修复3次就不必修了，此时裂纹处的材料经过多次焊接，材质已经发生很大变化，脆性化明显，延展性能明显降低，抵抗疲劳破坏的能力将大打折扣，因此，这时起重机就必须降容使用，容量降低多少，要根据几次修复的情况而定。

3 裂纹2端的塑性区域的计算

（1）塑性变形区计算

由于裂纹顶端处的应力集中，作用应力会使材料发生不可逆塑性变形，所以，在裂纹顶端处弹性变形的介质中存在塑性变形区。塑性区域的范围可用下式估算

r=K2／（2πσs2） （3）

式中r——从裂纹顶端到塑性变形区中心的距离，mm

K——应力强度因子，应力强度因子的极大值Kc称为材料的断裂韧度（也称断裂强度）

σs——材料的屈服强度

应力与强度的关系和应力强度因子与断裂韧度的关系相似。构件中可以产生塑性变形的应力水平为屈服强度；构件中可以引起破坏的应力水平为断裂强度。

对于无限大板中椭圆形裂纹

K=Kc=σ（πa）1/2 （4）

将式（4）代人式（3）得

r=aσ2/2σ2 （5）

式中a——1／2椭圆形裂纹长度，mm

σ——材料的计算应力，N／mm2

（2）计算实例

某主梁T型钢200 mm的水平裂纹，该处的计算应力为110 N／mm2，T型钢的材料为Q345B（σ=345 N／ram2），计算裂纹端部的塑性变形区域，即修复裂纹时需在裂纹的端部延伸的长度r=（100×1102）／（2×3452）=5.08 mm，塑性区域的直径为2r=2×5.08=10.16 mm。在修复裂纹时，碳弧气刨不能仅刨到裂纹端部，至少还需再刨11 mm，考虑安全系数，其延伸长度应为15 mm，这样才能将材料的塑性区域全部xx，刨到材料的弹性区域。

延伸长度随裂纹的长度及材料的不同而变化.裂纹长度越长，材料的屈服强度越低，延伸的长度就需要相应加长，否则很难保证将裂纹及塑性区域全部清理干净。

上述关于主梁T型钢裂纹修复方法，也可为其他类型的起重机金属结构出现裂纹时修复，提供参考。


作者：侯屹、解劲东  来源：起重运输机械