金晨 夏凱鋒 張巍
[摘 要]起重機主要作用是在一定范圍內垂直提升與水平邊運重物,是工程建設的重要設備。起重機采取間歇性運動方式,即在一個工作循環中完成取料、移動、卸載等動作,并且所涉及到的各項機構之間交替工作。就其使用現狀來看,經常會受到各因素的而影響而出現事故,表現最為嚴重的即結構疲勞度過大,降低其使用安全性與穩定性。本文結合起重機結構特點,對其結構疲勞強度的測定與控制進行了簡要分析。
[關鍵詞]起重機;結構疲勞;疲勞壽命
中圖分類號:TH213.6 文獻標識碼:A 文章編號:1009-914X(2016)02-0087-01
起重機采用周期性間歇作業,存在頻繁的起升、下降、啟動與制動動作,并且整個運行過程速度快,工況復雜程度高,這樣在往復作業中會受到交變荷載的影響,而導致各構件疲勞度增大,降低其使用壽命。起重機在工程建設與社會生產中占據重要的地位,為提高其使用安全性與穩定性,必須要深入研究結構疲勞強度,分析各構件疲勞壽命,采取有效的措施進行優化,避免因為繁重作業而造成結構出現疲勞損壞。
一、結構疲勞概述
所謂的疲勞,即在某點或者某些點承受擾動應力,并且受到足夠多循環擾動作用后,出現的結構裂紋,甚至是完全斷裂,材料局部、永久結構變化的發展過程[1]。就其特點進行分析,可以確定只有結構在受到擾動應力作用時,才會出現疲勞,并且破壞多發生在高應力與高應變部位。結構持續受到擾動荷載作用后,即會造成結構產生裂紋甚至是斷裂。按照研究對象既可以將疲勞分為材料疲勞與結構皮料兩種,其中結構疲勞主要是以零部件、接頭或者整體為研究對象,對其疲勞特征、壽命估算方法、疲勞試驗方法、抗疲勞設計方法等進行分析,結合設備結構特點,對各項影響因素進行綜合研究,確定出提高其疲勞強度的措施,爭取不斷提高設備運行穩定性與安全性,延長其使用壽命。
二、起重機結構疲勞強度影響因素分析
1.缺口效應
對于機械設備來說,長期使用過程中勢必會存在磨損,這樣就會形成溝槽、臺階以及穿孔等,而想要避免此類因素對設備運行造成的影響,就必須在設計階段做好控制[2]。結構截面變化即缺口,應力集會在其附近產生,造成局部應力大幅度提高,并且還會在缺口底部向構件中心產生應力梯度。結構材料均具有不同程度的塑性,在受到強度破壞之前就會產生塑性變形,一般情況為避免出現破壞情況,需要將塑性變形控制在一定范圍內,對應力進行重新分配使其保持在平衡狀態。但是就結構疲勞分析,缺口截面局部應力雖然不一定會產生強度破壞,但是其應力則會一直處于較高的水平,在長期循環過程中,應力集中位置疲勞強度要低于光滑試樣,在進行設計時必須要做好薄弱環節的控制。在針對此方面進行結構疲勞設計時,確定應力集中系數代表了應力集中提高零件局部應力的作用,在特定彈性范圍內,可以選擇用彈性力學解析法計算局部峰值應力,則局部峰值應力與名義應力比值即為理論應力集中系數,公式為:,其中σmax表示最大局部應力,σn表示名義應力,Kt表示理論應力集中系數。
理論應力集中系數決定著結構形狀,并且只與幾何形狀相關,并不能代表峰值應力對結構疲勞強度的影響,進而可以確定結構疲勞強度與幾何形狀無關,同時還應做好材料、荷載等因素的分析,因此需要通過有效應力集中系數來表現強度疲勞降低作用。有效應力集中系數公式為:,其中σ-1表示光滑試樣疲勞極限,σ-1k表示缺口試樣疲勞極限,Kf表示有效應力集中系數。
2.尺寸效應
隨著結構尺的變化,材料疲勞強度也會隨之變化,一般尺寸越大疲勞性能會降低,并且強度越高表現越明顯。在結構應力集中式,尺寸系數ε表示:,其中(σ-1)d表示尺寸為d的試樣或構件疲勞極限;d0表示標準試樣尺寸,一般為6.5mm~7.5mm;(σ-1)d0表示尺寸為d0的標準試樣疲勞極限[3]。尺寸效應可以在結構加工階段體現出來,并且大型構件要比小型構件控制難度高,相應也會存在更多的缺陷,勢必會對結構的強度造成影響。這樣從工藝角度進行分析,則εm表示:,其中εm表示工藝因素造成的尺寸系數;σb表示大尺寸零件材料強度極限;σb表示標準試樣材料強度極限。
另外,應力梯度為尺寸效應產生的主要因素,主要以內結構應力分布不均,在相同條件下進行試驗,則可以確定應力梯度越小則疲勞強度越小,并且大試件疲勞強度要小于小試件。尺寸系數ε通過查詢可以確定,并且可以通過公式計算得出:,其中V表示處于95%以上最大應力材料容積;VO表示幾何相似標準尺寸試樣中處于95%以上最大應力材料容積。
三、起重機底架結構疲勞壽命分析
1.底架載荷譜
載荷對結構疲勞壽命的影響,主要體現在載荷引起的動態響應所產生的應力,以輪胎式起重機為對象進行分析,其在作業時存在大量變幅與回轉作業,導致載荷作用在結構彎矩產生變化,進而在循環作業中也會導致結構應力發生變化。在幅度不同的情況下,所對應的額定起重量不同,并且具有很強的隨機性,短時間內收集到的信息并不能真實反映出構件工作狀態下的載荷譜。因此在進行分析時,應利用應力-時間歷程形式載荷譜,對應力變化進行估算,對應力變化做更精確的分析。
2.瞬態響應
瞬態響應分析也是研究底架結構疲勞壽命的重要內容,對不同時間結構荷載作用下動力響應情況進行計算,包括結構位移形變與結構應力變化。整個過程可以分為選擇工況、載荷分析、計算應力時間變化曲線三個步驟,分析不同變幅與回轉過程中,結構不同節點應力發小與方向的變化,然后通過復合工況應力-時間歷程來確定實際工況中應力的變化。
3.材料信息
利用材料信息來對結構材料以及構件循環疲勞特性進行分析,在進行分析時需要針對該材料特性來建立相關性能數據庫。想要確定材料疲勞特性應輸入S-N曲線,掌握疲勞壽命次數與應力水平之間關系。另外,想要更為全面的分析結構疲勞受命與應力水平之間關系,還可以選擇用p-S-N曲線,即材料存活率為p情況下,其p-S-N表達式為:lgN=ap+bplgσ,其中N表示存活率為p時疲勞壽命;σ表示應力水平,單位MPa;ap、bp為常數,與材料疲勞特性以及存活率相關。
4.結構疲勞全壽命
一般情況下,起重機最大疲勞點集中在底架后補安裝形式結構板,以及主梁與固定支腿連接三角板附近。假設后一個位置處于惡劣工況狀態下,出現最小壽命為N=2.19×106次,每天起吊動作300次,該起重機最少服務壽命為20年,則在常用工況下,最小壽命次數為N=6.03×106,則可以確定結構實際壽命在兩個數值之間[4]。
結束語
起重機作為生產活動中重要設備,為提高其運行安全性與穩定性,延長其使用壽命,需要做好對其結構疲勞強度的分析,即對各項影響因素進行分析,明確各設計參數,確保結構設計符合使用要求。
參考文獻
[1] 梅杏.輪胎式起重機底架結構疲勞研究[D].武漢理工大學,2011.
[2] 陳建榮.軌道式集裝箱龍門起重機疲勞特性分析[D].武漢理工大學,2010.
[3] 祝杰.造船龍門起重機載荷譜及疲勞壽命研究[D].武漢理工大學,2012.
[4] 劉洪林.基于MSC.Fatigue300t全回轉起重船起重機結構疲勞壽命研究[D].武漢理工大學,2012.
作者簡介:金晨(1987-),男,江蘇蘇州人,學歷:本科,研究方向:特種設備檢測