摘要：本文以《起重机设计规范》(GB 3811-1983)(以下简称《规范》)为准则，分析同1台铸造起重机T型钢主梁，分别以工作级别为A7和A8级为例，探讨T型钢产生疲劳破坏的原因、计算方法以及避免产生疲劳破坏的措施。
关键词：铸造起重机；偏轨箱形梁；T型钢；超载；疲劳强度；疲劳破坏
铸造起重机在起重量吨位较大的情况下(额定起重量在100t以上)，其主梁通常采用偏轨箱形梁，即将主小车的轨道置于主腹板的正上方。而且铸造起重机的工作级别很高，一般都是A7或A8级。在A7、A8级的区分上，主要取决于使用等级(也就是工作的繁忙程度)，因为铸造起重机的载荷状态级别通常都是最高的。因此，虽然用户订货是A7级，但在实际生产使用过程中，往往会由于工作繁忙使用等级超过A7级，这种现象在钢厂经常发生。
以往的主梁截面设计是采用4块板焊接形式(见图1)，这种形式的主梁疲劳强度较低，原因是上翼缘板和主腹板之间的内外侧焊缝在制造过程中，由于制造工艺所限，基本不开双面坡口(K型坡口)，如果板厚在12mm以上的，一般只在外侧焊缝开单面坡口，主梁内侧焊缝不开坡口。因此，这条角焊缝根本不可能焊透，焊缝曾经出现过由于疲劳破坏而开裂的现象，焊缝开裂后会将腹板母材也一起撕裂。为避开这2条焊缝，设计了T型钢的主梁形式(见图2)，是目前大吨位铸造起重机最常用的主梁形式。
多年来，人们在设计过程中，通常比较重视结构的静强度、静刚度和稳定性计算，而对结构的疲劳强度没有给予足够的重视，特别是将主腹板上方改用T型钢后，重视程度就更不如以前，总认为这个位置的角焊缝取消了，不会再产生疲劳破坏。
但最近在某些钢厂，连续发生了几台大吨位铸造起重机的T型钢腹板在同一位置出现形状相同的裂纹，裂纹的位置见图2和图3。
1、裂纹分析
首先对裂纹进行定性分析。
(1)破坏现象 由疲劳引起的破坏。
(2)破坏位置 裂纹位置在距大车轨道约1／3跨度处，并不在最大正应力截面。值得注意的是：裂纹位置是经常起吊额定起重量的位置，也就是频繁产生最大轮压的位置，而这个位置对于铸造起重机是相对固定。由此可知，最大轮压对裂纹的影响起着决定性的作用。
(3)裂纹形态 由正应力引起的疲劳破坏通常发生在受拉区，裂纹的形式一般是竖直方向或沿竖直方向成45 延伸。而上述起重机的裂纹位置却都发生在受压区，裂纹形状都是距上翼缘板50mm处，并沿与上翼缘板平行的方向延伸，这些裂纹产生的区域、形状和延伸趋势，可以说明该裂纹不是由正应力的影响造成的。
(4)局部结构 裂纹产生的位置正好在大隔板与T型钢腹板的联结焊缝的起始处(R50的圆角焊接起始处，见图4)，而没有发生在距T型钢翼缘板下表面24～50mm之间的任何位置(T型钢圆角为R24)，因为在这个区间任意截面的集中载荷分布长度都小于实际发生裂纹截面的集中载荷分布长度(见图6a)，也就是说，该区间任意截面的局部挤压应力都一定大于实际发生裂纹截面的局部挤压应力。应力大的截面没有发生裂纹，而应力相对较小的截面却出现了裂纹，它们之间唯一的不同点在于应力相对较小的截面比应力相对较大的截面多了一条焊缝，就是大隔板与T型钢腹板之间的连结焊缝，这足以说明，该焊缝对于疲劳破坏所产生的裂纹有一定的影响，但影响的程度要小于小车轮压的影响。
综上所述，该裂纹产生的原因主要是：由小车轮压和焊缝共同影响造成，小车轮压是决定因素，焊缝影响是次要因素。
在T型钢裂纹的部位，既有正应力，又有剪应力，还有集中轮压，它们对疲劳破坏都有一定的影响，因为是在受压区域，而且破坏位置距集中轮压的作用点非常近，可以判断，集中轮压的影响要远远大于正应力和剪应力的影响。因此，对上述破坏区域的疲劳强度计算，可以只校核集中轮压引起的疲劳强度，受压区的正应力和剪应力对疲劳强度的影响可以忽略不计。
2、疲劳强度计算
(1)已知条件
小车最大静轮压656000N
动载系数西f2=1．2
工作级别：A7、A8
T型钢截面见图5
T型钢材料Q345B(16Mn)
轨道型号QUl20(H=170mm)
(2)应力状态的确定
对于小车集中轮压引起的应力循环特性应该视为脉动循环，即r=0。
(3)应力集中情况等级的确定
在《规范》附录K中给出了多种应力集中等级，但没有给出集中载荷对T型钢的应力集中的等级，可以借鉴附录K中 承受集中载荷的翼缘板和腹板间的焊缝，当采用K型焊缝时，应力集中等级为K3；当采用双面贴角焊缝时，应力集中等级为K4 的条款，来确定T型钢的应力集中等级。
在设计中，焊透的焊缝强度和母材强度是一样的(等强度理论)，开K型坡口的焊缝可以视为焊透的焊缝，这种焊缝在有集中轮压作用时，应力集中等级为K3，所以，T型钢腹板母材的应力集中等级可以视为K3。而开单面坡口的焊缝或不开坡口的焊缝，都可以视为没焊透的焊缝，这种焊缝在有集中轮压作用的情况下，应力集中等级为K4，因此，可以做以下计算假设。
正常计算：T型钢腹板的应力集中等级为K3。
偏于安全：T型钢腹板的应力集中等级为K4。
(4)Q345B(16Mn)的疲劳许用应力基本值[ -1]的确定
当应力集中等级为K3时，A7级的疲劳许用应力基本值[ -1]=56．7N／mm2。
当应力集中等级为K4时，A7级的疲劳许用应力基本值[ -1]=34N／mm2。
当应力集中等级为K3时，A8级的疲劳许用应力基本值[ -1]=45N／mm2。
当应力集中等级为K4时，A8级的疲劳许用应力基本值[ -1]=27N／mm2。
(5)脉动循环状态下的疲劳强度许用应力计算
[ rt]=2[ -1]／(1一r)
当r=0时
[ rt]=2[ -1]
3计算实例与分析
3.1局部挤压应力计算
jy=(f2P)／( c)N／mm2
式中f2 动载系数，f2=1．2
P 集中轮压，P=656000N
腹板板厚， =18mm
c 集中载荷分布长度，mm
c=a+2hf
a 集中载荷作用长度，对车轮取a=50mm
hf 轨顶至板计算高度上边缘的距离，mm。
合理计算：按图6a取计算长度c=546mm。
偏于安全：按图6b取计算长度c=446mm。
3.2计算结果与分析
集中轮压引起的疲劳强度校核计算结果见表1。
表1 集中轮压引起的疲劳强度校核计算结果