旋挖鉆機回轉(zhuǎn)平臺關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件疲勞壽命分析

李康健，付 玲，吳達鑫

(1.湘潭大學(xué) 機械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105； 2.中聯(lián)重科股份有限公司 ，湖南 長沙 410013；3.建設(shè)機械關(guān)鍵技術(shù)國家重點實驗室，湖南 長沙 410013)

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旋挖鉆機回轉(zhuǎn)平臺關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件疲勞壽命分析

李康健1，付 玲2,3，吳達鑫2,3

(1.湘潭大學(xué) 機械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105； 2.中聯(lián)重科股份有限公司 ，湖南 長沙 410013；3.建設(shè)機械關(guān)鍵技術(shù)國家重點實驗室，湖南 長沙 410013)

針對旋挖鉆機作業(yè)能力及疲勞壽命問題，結(jié)合旋挖鉆機的工作特點，基于名義應(yīng)力法，運用ADAMS以及ABAQUS軟件，對旋挖鉆機在回轉(zhuǎn)平臺的主卷揚底座進行疲勞壽命分析。結(jié)果表明：回轉(zhuǎn)平臺的工字梁頂板與主卷揚底座焊接的外側(cè)邊緣處最容易發(fā)生開裂現(xiàn)象；旋挖鉆機的作業(yè)半徑對主卷揚底座壽命也有較大影響。

旋挖鉆機；回轉(zhuǎn)平臺；主卷揚底座；疲勞壽命

0 引 言

回轉(zhuǎn)平臺是旋挖鉆機的核心構(gòu)件之一，包括主體回轉(zhuǎn)平臺以及左右側(cè)縱梁。其中，主體回轉(zhuǎn)平臺通過回轉(zhuǎn)支承裝置安裝在旋挖鉆機的行走底架上，與變幅機構(gòu)連接，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動[1-2]。回轉(zhuǎn)平臺是整體式焊接結(jié)構(gòu)，其工字梁頂板通過焊接將主卷揚底座固定。主卷揚底座是主體回轉(zhuǎn)平臺關(guān)鍵焊接件，其強度的大小直接決定著旋挖鉆機的作業(yè)能力及其服役壽命。由于主卷揚底座焊接結(jié)構(gòu)頻繁地承受變幅機構(gòu)的交變作用力以及鋼絲繩的交變載荷，隨著工作頻次增加，薄弱部位的焊縫會發(fā)生疲勞開裂現(xiàn)象，因而對回轉(zhuǎn)平臺主卷揚底座危險焊縫進行疲勞壽命的研究，能為結(jié)構(gòu)設(shè)計以及優(yōu)化提供重大的依據(jù)。

本文基于名義應(yīng)力法，綜合運用ADAMS以及ABAQUS軟件，獲得旋挖鉆機在最小與最大的作業(yè)半徑下，從最大加壓力鉆進至最大提拔力提鉆時主卷揚底座危險焊縫所承受的時間歷程，對其進行雨流計數(shù)處理形成荷載譜，同時根據(jù)該焊接結(jié)構(gòu)的接頭形狀、載荷方向以及焊接形式選取合適的S-N曲線，最后將荷載譜帶入S-N曲線方程中，得到主卷揚底座焊縫的疲勞壽命。

1 主卷揚底座結(jié)構(gòu)及受力分析

回轉(zhuǎn)平臺主卷揚底座結(jié)構(gòu)形式較為簡單，左右主板下部通過焊接方式固定在工字梁頂板上，上部通過螺栓與主卷揚相連接，中間聯(lián)接板用于加強結(jié)構(gòu)的剛度，如圖1所示。

在旋挖鉆機施工作業(yè)前，安裝在回轉(zhuǎn)平臺尾部的配重將對主卷揚底座產(chǎn)生一定的彎矩，即底座焊縫在初始時刻承受裝配應(yīng)力；在鉆進時，鋼絲繩松弛無拉力，主卷揚底座焊接結(jié)構(gòu)無外載荷，焊縫承受動臂、支撐桿、動臂變幅油缸以及配重傳遞的作用力；提鉆時，主卷揚底座焊縫不僅承受鋼絲繩拉力，還包含動臂等機構(gòu)傳遞的作用力。

變幅機構(gòu)以及配重在工字梁兩端的綜合作用，致使工字梁整體呈現(xiàn)出上凸的彎曲狀態(tài)，因此，與工字梁頂板彎曲應(yīng)力方向垂直的主卷揚底座在寬度方向上的焊縫(如圖2中焊縫1所示)處于危險狀態(tài)。焊縫1處于主卷揚底座附近，頻繁承受鋼絲繩交變載荷，較其他部位焊縫薄弱。因此，在焊縫1處的焊趾選取5個疲勞評估點a、b、c、d、e，對其進行疲勞壽命研究，如圖2所示。

2 主卷揚底座焊縫荷載譜

2.1 回轉(zhuǎn)平臺典型載荷歷程

在實際作業(yè)中，旋挖鉆機工作載荷主要來自變幅、鉆進、提鉆以及回轉(zhuǎn)卸土4種工況。由于土層種類繁多，硬度、粘度不一，以及作業(yè)幅度的交替變化，致使工作裝置傳遞給回轉(zhuǎn)平臺的作用力具有隨機性。本文對旋挖鉆機分別處于最小與最大作業(yè)半徑下的極限工作狀態(tài)(受力最惡劣)進行順序組合，形成一個典型的最大加壓力鉆進至最大提拔力提鉆的作業(yè)過程，如表1所示；并在ADAMS中對各作業(yè)階段進行仿真計算，輸出回轉(zhuǎn)平臺各鉸點在X、Y方向上的載荷歷程，如圖3、4所示。

表1 各極限狀態(tài)下作業(yè)階段

2.2 主卷揚底座焊縫時間歷程

在進行有限元分析時，視焊縫材料與母材一致，焊縫處網(wǎng)格細密，主卷揚底座與工字梁頂板一體化處理，同時將回轉(zhuǎn)平臺各鉸接孔內(nèi)壁節(jié)點都耦合到某一參考點，并對該參考點施加應(yīng)力。至此有限元模型已建立。

通過對有限元模型計算，得到不同作業(yè)階段主卷揚底座與右頂板焊縫處的應(yīng)力分布。圖5為最小半徑極限狀態(tài)下鉆進(BC階段)的焊縫應(yīng)力分布云圖，其中最大應(yīng)力為197.9 MPa，位于a點。圖6為最小半徑極限狀態(tài)下提鉆(EF階段)的焊縫應(yīng)力分布云圖，其中最大應(yīng)力位于e點，為103.8 MPa，a點應(yīng)力為98.6 MPa。圖7、8分別為焊縫處各疲勞評估點在最小與最大作業(yè)半徑極限狀態(tài)作業(yè)時的應(yīng)力時間歷程。

2.3 雨流計數(shù)法處理

雨流計數(shù)法是以雙參數(shù)法為基礎(chǔ)的計數(shù)法，考慮了動強度(幅值)和靜強度(均值)2個變量，符合疲勞載荷固有特性，其主要功能是把載荷歷程簡化為若干個載荷循環(huán)，供疲勞壽命估算和編制疲勞試驗載荷譜使用[3-4]。

將上述a、b、c、d、e各點在最小與最大作業(yè)半徑下進行極限作業(yè)時所經(jīng)歷的應(yīng)力時間歷程分別進行雨流計數(shù)，得到以均值、幅值及頻次為變量的載荷譜，如表2所示。

3 焊縫S-N曲線的確定

由于模型焊接結(jié)構(gòu)的接頭形狀是單一的角焊縫接頭，可根據(jù)BS7608:1993標準選取焊縫的S-N曲線。根據(jù)接頭形狀、加載方向以及焊接形式確定了焊縫等級為F2級；由F2級查到S-N曲線有限壽命部分的斜率m=3，疲勞壽命為107周次對應(yīng)的應(yīng)力幅σ0=35 MPa。

(1)

式中：tB為標準板厚16 mm；t為實際板厚。

由應(yīng)力范圍確定疲勞壽命N

式中：Δσ為應(yīng)力幅。

帶入數(shù)據(jù)得到焊縫的S-N曲線方程為

4 主卷揚底座焊縫疲勞壽命預(yù)測

有研究表明，原始焊接接頭經(jīng)過錘擊等處理后，雖能得到部分殘余壓縮應(yīng)力來補償原始焊態(tài)中存在的殘余拉伸應(yīng)力，但焊縫及其附近仍存有達到或接近屈服點的殘余應(yīng)力。無論外加動應(yīng)力的循環(huán)特性如何，焊縫附近的實際循環(huán)應(yīng)力都是在母材的屈服應(yīng)力值上下擺動。故當焊接結(jié)構(gòu)承載最大應(yīng)力小于母材屈服極限的動應(yīng)力時，焊縫的壽命值與外載平均應(yīng)力關(guān)聯(lián)不大，尤其是設(shè)計規(guī)范中S-N曲線有限壽命部分的斜率已被硬性規(guī)定為3，據(jù)此本文不再進行平均應(yīng)力的修正。將表2中數(shù)據(jù)帶入S-N曲線方程，得出a、b、c、d、e各點在最小與最大作業(yè)半徑狀態(tài)下所能承受的周期數(shù)，如表3所示。

由表3可知，a點壽命最短，原因是a點位于工字梁頂板與主卷揚底座焊接的外側(cè)邊緣處，應(yīng)力集中嚴重，應(yīng)力變動大，會先于其他部位發(fā)生疲勞開裂現(xiàn)象。因此，旋挖鉆機作業(yè)半徑對主卷揚底座焊縫壽命有較大影響，當旋挖鉆機處于最小作業(yè)半徑時，a點可以承受226 255個最大加壓力鉆進至最大提拔力提鉆的周期；處于最大作業(yè)半徑時a點可以承受317 321個周期。

表3 最小與最大半徑下各疲勞評估點的壽命

5 結(jié) 語

(1) 工字梁頂板與主卷揚底座焊接的外側(cè)邊緣處抗疲勞性能最為薄弱，容易出現(xiàn)疲勞開裂；當旋挖鉆機處于最小作業(yè)半徑施工時，主卷揚底座焊縫的壽命比最大作業(yè)半徑時少91 066個最大加壓力鉆進至最大提拔力提鉆的周期。

(2) 旋挖鉆機作業(yè)時，工字梁處于上凸的彎曲狀態(tài)，主卷揚底座寬度方向焊縫恰好垂直于彎曲應(yīng)力(最大拉應(yīng)力)方向，在保證主卷揚底座與工字梁頂板焊接強度和剛度足夠大的前提下，可考慮省去此焊縫，以減少回轉(zhuǎn)平臺疲勞開裂的風(fēng)險；鑒于工字梁的承載特性，可在工字梁兩側(cè)主梁對稱布置托板，通過托板使主卷揚底座與工字梁主梁連接，從而避免因主卷揚底座直接焊接在工字梁頂板而出現(xiàn)危險焊縫的情況，有效地提高了回轉(zhuǎn)平臺的可靠性。

[1] 黎中銀，焦生杰，吳方曉.旋挖鉆機與施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2010.

[2] 何清華.旋挖鉆機研究與設(shè)計[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2012.

[3] 王宏偉，刑 波.雨流計數(shù)法及其在疲勞壽命估算中的應(yīng)用[J].礦山機械，2006，34(3):96-97.

[4] 霍立興.焊接結(jié)構(gòu)的斷裂行為及評定[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[責任編輯:杜敏浩]

Analysis on Fatigue Life of Crucial Parts of Rotating Platform of Rotary Drilling Rig

LI Kang-jian1, FU Ling2,3, WU Da-xin2,3

(1. School of Mechanical Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 411105, Hunan, China; 2. Zoomlion Heavy Industry Science and Technology Co. Ltd., Changsha 410013, Hunan, China; 3. State Key Laboratory of Key Technology on Construction Machinery, Changsha 410013, Hunan, China)

Aimed at the work capacity and fatigue life problems of rotary drilling rig, combined with the working characteristics of rotary drilling rig and based on the nominal stress method, ADAMS and ABAQUS were applied to carry out the analysis on fatigue life of primary winding base of rotating platform. The results show that the outer edge of where H beam roof and primary winding base are welded is most prone to cracking, and the operating radius of rotary drilling rig has noticeable impact on the service life of primary winding base.

rotary drilling rig; rotating platform; primary winding base; fatigue life

1000-033X(2015)04-0088-04

2014-11-26

863“工程機械共性部件再制造關(guān)鍵技術(shù)及規(guī)范”專項項目(2013AA040203)

U415.51

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