橋式起重機載荷應力譜分析與優化

王 鑫 孫同峰 郭富城

摘 要：橋式起重機是一種應用于現代社會的重要機械設備，多應用于港口、碼頭、工廠等區域，用于重載貨物的吊運。橋式起重機屬于特種設備，積極做好橋式起重機的運行監控與安全管理工作是保障橋式起重機安全、高效運行的重要一環。在對橋式起重機安全管控的過程中通過良好的定量評估用以預測橋式起重機的使用壽命，在橋式起重機安全管理的過程中有針對性地對其進行維護，從而最大限度地發揮出橋式起重機的作用，保障橋式起重機的安全運行。

關鍵詞：橋式起重機;應力譜;疲勞壽命評估

中圖分類號：TH215? ? ? 文獻標志碼：A

0 前言

橋式起重機是一種應用于工業生產的重要設備。橋式起重機的金屬結構不可更換，一旦其發生失效將會造成嚴重的安全事故。在橋式起重機的運行管理過程中通過對橋式起重機使用檢測傳感器建立起橋式起重機的載荷譜，并應用金屬結構疲勞剩余壽命評估方法用以做好對于橋式起重機的運行監控，保障橋式起重機的安全運行。

1 獲取橋式起重機載荷譜及疲勞評估的重要意義

橋式起重機在工業生產領域中的應用極為廣泛，做好橋式起重機的安全監測與壽命評估將能夠最大限度地發揮出橋式起重機的經濟效益，在降低用戶更新置換成本的同時提高橋式起重機運行的安全性。橋式起重機在設計之初將會以橋式起重機的使用工況、使用等級以及工作年限等參數作為基礎對橋式起重機進行設計。但是實際完成制造后的橋式起重機由于制造質量、使用工況等條件的不同導致橋式起重機的實際使用壽命與設計壽命之間存在較大的差距。在橋式起重機的實際使用中，對于橋式起重機中的易損部件及電氣部分可以根據需要進行檢修更換，但是作為橋式起重機主體部分的金屬結構件將無法進行更換，做好橋式起重機金屬結構部分的載荷檢測與壽命評估對于保障橋式起重機的安全運行有著重要的意義。橋式起重機長期承受著復雜變化載荷的作用，據不完全統計橋式起重機中的金屬結構部分所產生的疲勞斷裂有近一半是在長期復雜變化載荷作用下產生的。疲勞斷裂所產生的危害很大，加之其具有“突然死亡”的特點，因此做好橋式起重機載荷譜與剩余壽命評估有著極為重要的意義。

2 橋式起重機載荷譜獲取方法

橋式起重機載荷應力譜主要是由一段時間內的橋式起重機載荷應力統計分析處理后所得出的，獲取橋式起重機載荷應力方面最直接的方法是使用傳感器進行現場測量，這一方法雖然測得的數據準確，能夠對橋式起重機的載荷應力有著最直觀的顯示，但是其耗時長、成本高不利于實際推廣。而另一種橋式起重機載荷應力譜的獲取方式主要是通過將橋式起重機載荷現場測量與計算機模擬結合的方式，通過對橋式起重機載荷進行現場數據采集，并對所采集到的數據進行分析估算用以模擬橋式起重機載荷應力譜，并在所得出模擬數據的基礎上對橋式起重機載荷應力數據的現場實測數據與仿真模擬結果進行對比，用以優化仿真模擬數據。

2.1 確定橋式起重機疲勞核算點的位置

橋式起重機疲勞斷裂位置多集中在橋式起重機金屬結構的載荷集中區與疲勞性能薄弱區。在橋式起重機疲勞核算點位置確定上以某型橋式起重機為例，某型橋式起重機采用中軌箱型梁，以橋式起重機梁上各處疲勞性能一致為基準確定進行橋式起重機疲勞核算點位置，可以確定在橋式起重機應力相應的最大位置處，而中軌箱型梁式起重機的金屬結構決定了其最大應力主要集中在起重機的中跨點及附近區域，為了更加精確地確定橋式起重機疲勞核算點的位置，需要對橋式起重機的金屬結構部分進行建模分析，用以找到橋式起重機疲勞核算點位置。在建立橋式起重機金屬結構箱梁的模型的過程中可以按照以下方法：1）首先建立坐標系，坐標系的坐標原點選在橋式起重機端梁上翼源板中心線與橋架主梁方向的中心線交點處，X軸方向與橋式起重機主梁方向平齊，并指向小車位置，Y軸方向與橋式起重機的端梁方向平齊。2）單元類型。某型橋式起重機主端梁采用鋼板焊接，主箱梁的寬厚比較大，在模型的建立上可以選用Shell63彈性板單元，這一單元類型具有良好的彎曲和薄膜特征，這一彈性板單元能夠對橋式起重機在復雜載荷條件作用下的彎曲和扭轉特性進行良好的反映，用以保證所建立的模型能夠滿足橋式起重機疲勞核算的精度要求。3）邊界條件。橋式起重機在運行的過程中主要沿箱梁軌道運行，橋式起重機橋架結構有限元模型約束點主要集中在端梁兩側安裝大車車輪軸的位置上，將橋式起重機的主端梁視為簡支梁，用以約束橋式起重機所承受的來自于X/Y/Z 3個方向上的移動自由度，將橋式起重機主梁的變形視為移動的大車繞橋式起重機軌道軸線Y向轉動，端梁變形則視為沿X軸轉動。

2.3 橋式起重機載荷有限元計算

在橋式起重機運行過程中，橋式起重機的金屬結構部分受到來自于橋式起重機金屬結構部分自重和起升載荷的作用。建模計算中將對橋式起重機上的所有載荷（橋式起重機自重、導電架小車、大車等部分的重量）進行均勻化考慮，而對于橋式起重機上的操作室、配電箱及其他剩余的部分按照集中載荷規制，通過這一方式完成橋式起重機所承受載荷的計算。在建立的橋式起重機模型中，由于所規劃的網格長度為0.2 m，相對于橋式起重機箱梁的長度各節點處所承受的載荷表現為集中載荷，作用在橋式起重機箱梁上。由于建立的橋式起重機模型應力集中，造成有限元計算得出的橋式起重機箱梁上的應力分布圖中局部應力值偏大的情況，而如若應力集中點并未集中在橋式起重機金屬結構疲勞核算點的位置，就無需考慮橋式起重機應力集中點對橋式起重機金屬結構疲勞應力點分析的影響。

根據所建立的橋式起重機載荷模型進行分析和計算，橋式起重機上的大小車移動時，其跨中截面的應力分布主要集中于跨中位置，且分別對應于X方向、第一主應力、等效應力等。由模擬結果可以得知，橋式起重機上的應力載荷在橋式起重機的中跨區域將導致橋式起重機產生彎曲應力，其中橋式起重機主梁跨中截面主要承受自由彎曲所產生的正應力，外載荷在橋式起重機中跨區域所產生的剪切應力較小。在橋式起重機跨中梁上翼緣板所承受的壓應力主要為正應力，而下翼緣板則主要承受拉應力。而由于作用于橋式起重機上的拉應力容易造成金屬結構部分產生疲勞破壞，橋式起重機的疲勞核算點應該選取在橋式起重機中跨區域的下翼緣板附近。依據模擬結果完成橋式起重機應力譜的構建，并依照所構建的橋式起重機應力譜計算評估橋式起重機的使用壽命。同時在對橋式起重機進行維護保養時可以根據所構建的橋式起重機應力譜對橋式起重機進行針對性的維修加固。

3 結語

橋式起重機屬于特種設備，其一旦發生故障將會導致極為嚴重的安全事故。在橋式起重機的運行安全管理中，需要積極構建好橋式起重機的應力譜與疲勞壽命估算，用以保障橋式起重機的安全運行。該文在分析構建橋式起重機載荷應力譜與疲勞壽命估算重要性的基礎上對如何做好橋式起重機載荷應力譜與模型構建優化進行了分析介紹。

參考文獻

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