桁车式刮泥机失效分析及结构优化技术研究

第26卷第4期2010年2月甘肃科技GansuScienceandTechnologyf．26No．4Feb．2010桁车式刮泥机失效分析及结构优化技术研究李伟栋，张宏，桂芳(兰州威立雅水务(集团)有限责任公司，甘肃兰州730060)摘要：兰州威立雅水务(集团)有限责任公司制水公司第二水厂拥有~100m幅流沉淀池3座，1#、2#沉淀池建于1956年，3#沉淀池建于1964年，桁架体积庞大，重量达73．6t，运行已达50多年，构件已近疲劳极限。在这种状况下，2008年又遇罕见大雪，沉淀池池面出现严重冰冻，结冰厚度达13era，经计算挂冰给桁架增加的垂直负荷达85t，远远超过了桁架当初设计所能承受的载荷，造成桁架整体下沉、小车与桁架连接处拉裂破坏、部分构件弯曲变形。另外由于冰面径向水平张力，使桁架附加了水平推力，改变了桁架原设计的受力方向，使原来受拉杆件变为受压，造成其截面无法满足刚度要求而发生扭曲变形，直至桁架整体变形。关键词：沉淀池；桁架；中央立柱导向轮；中央导轨；周边小车；桁架导轨中图分类号：TU991l桁架简介兰州威立雅水务(集团)有限责任公司制水公司第二水厂拥有~100m幅流沉淀池3座，1#、2#沉淀池建于1956年，3#沉淀池建于1964年，主要功能是为去除沉淀池中沉淀的污泥以及水面表层的飘浮物。配套的刮泥设备均采用半桥式周边驱动刮泥机，主要由桁架、刮板、走道、中心托盘、周边驱动小车和导轨等构成。周边驱动小车通过两对20#槽钢架与桁架上部两侧上弦杆对称焊接，刮泥机行走部分重达73．6t。刮泥板按阿基米德螺旋线布置在桁架底部，桁架绕池中心缓慢地转动，将沉于池底的污泥推入池中心处的集泥坑中，污泥在集泥坑中可利用静水压力由排泥管排出，如图1所示。图1刮泥桁架结构示意1．桁架，2．刮板，3．中心托盘，4．走道，5．周边小车，6．导轨，7．连接小车与桁架的20铺喜钢架2检测的目的、范围和内容2．1目的对沉淀池刮泥桁架故障情况进行检测，通过检测，对照国家有关规范、规定及行业标准，对沉淀池刮泥桁架的现状作出评价，为维修提供依据。2．2范围桁架、刮板、中央立柱导向轮、中央导轨、周边小车、桁架导轨等。2．3内容对受损的节点实况进行拍照；对桁架上下弦相对桁架整体水平挠度、垂直度、直线度进行测量；对桁架相对每个支撑节点挠度、水平度进行测量、对桁架导轨相对不平度进行测量；对桁架中央导轨相对不平度进行测量；对每一变形节点对角线进行测量；对中央立柱导向轮位移情况进行测量。2．4应力测试和金相分析此次检测因桁架不能拆除无法进行整体应力测试，但可对拆除部分进行应力测试和金相分析。3刮泥机主要故障现象1#刮泥机发生的严重故障主要表现在以下几个方面。1)桁架周边驱动小车向池内水平倾斜，左边159mm，右边149ram。2)桁架周边驱动小车左右水平倾斜，左侧底边甘肃科技第26卷距导轨面61mm，右侧底边距导轨面101lnlTl。3)桁架周边驱动小车与桁架上弦连接件20#槽钢弯曲变形，桁架支撑角钢焊接处断裂，左上弦支撑角钢焊接处裂缝58mm。4)桁架周边驱动小车与桁架右上弦连接件20#槽钢连接钢板焊接处裂缝82mm。4故障原因分析1)桁架使用年限已有5O年之久，构件使用寿命过长，体积大，重量达73．6t。长期运行，结构已达疲劳极限。2)由于2008年冬季遇罕见冻雪天气，沉淀池水面出现严重的冰冻现象，结冰厚度达到13cm。按冰面面积7850m计算整体结冰重量为1020．5t，初步计算桁架挂冰的范围为冰面面积的二十分之一，而挂冰给桁架增加垂直荷重达85t之重，远远超过了桁架当初设计所能承受的荷载，造成桁架整体下沉、小车与桁架连接处拉裂破坏、部分杆件弯曲变形。另外，由于冰面水平张力，使桁架附加了水平推力，改变了桁架原设计的受力方向，使原来受拉力的杆件变为受压，由于其截面无法满足刚度要求，所以，发生受拉扭曲变形，故而直接影响了桁架整体变形。3)经过现场实测，周边导轨高低不平，高、低处相互交替错落，使刮泥机在运行过程中，途径导轨高点和低点时，会产生周期性重力冲击负荷。同时，沉淀池池底的积泥厚度不同，桁架刮板受力因泥层厚度不同而变化，所以，小车的驱动力、积泥的反作用力和两个力因为存在空间力臂(可近似为桁架高度)而产生的扭矩也在周期性地发生变化。刮泥机经过长期运行，在上述周期性变化的交变应力作用下，桁架受力构件易造成疲劳变形。4)根据现场对受损构件观测，20#槽钢架与小车连接处原焊缝未焊透，焊接面存在缝隙。由于构件在加工制作以及使用中裂纹存在，在承受静载荷时，在应力水平下工作是可靠的，但在长期受到静载荷应力，构件疲劳强度达到临界值时变为交变载荷，构件在交变载荷下，由于裂纹具有亚临界扩展特性，通过若干次循环后，构件就会突然发生灾难性破坏。5故障修复方案5．1桁架损坏状态检测