翻車機(jī)端環(huán)鉸點(diǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造

朱洺赤

河北港口集團(tuán)有限公司 河北秦皇島 066000

秦皇島港煤五期翻車機(jī)為轉(zhuǎn)子式“O”型三翻式翻車機(jī)，每次同時(shí)翻卸3輛車。翻車機(jī)采用了“單梁鉸點(diǎn)”式結(jié)構(gòu)，最突出的問題就是自2009-2012年3臺(tái)翻車機(jī)端環(huán)鉸點(diǎn)同一部位先后發(fā)生兩次開裂故障，雖然在2012年進(jìn)行的第二次修復(fù)中焊接了加強(qiáng)筋板，但插入板下部焊縫由于空間狹小，無法維修處理，依然存在極大的安全隱患。但該設(shè)計(jì)不能保證已經(jīng)徹底解決鉸點(diǎn)開裂問題，依然存在故障隱患。而依據(jù)國家相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定同一位置焊縫返修次數(shù)不宜超過兩次，所以端環(huán)鉸點(diǎn)處鋼結(jié)構(gòu)已接近使用壽命極限[1]。

1 技術(shù)方案

（1）分析前兩次開裂，主要原因是由于應(yīng)力集中造成疲勞開裂。我們對(duì)此進(jìn)行了優(yōu)化：將餃點(diǎn)插入板結(jié)構(gòu)由長條形改為扇形，采用圓弧平滑過渡，避免應(yīng)力集中[2]。如圖1：

圖1 改造前后插入板

（2）對(duì)優(yōu)化后端環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。

①基本屬性：

材料：Q345-D

②材料基本許用應(yīng)力：

a.材料屈強(qiáng)比：

b.安全系數(shù)：根據(jù)GB/T3811-2008起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范選取。GB/T3811-2008起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范中強(qiáng)度安全系數(shù)n和鋼材的基本許用應(yīng)力如表1所示。

表1 強(qiáng)度安全系數(shù)n和鋼材的基本許用應(yīng)力

③材料/焊縫的許用疲勞強(qiáng)度：

i.構(gòu)件疲勞許用應(yīng)力：

④改造前后端環(huán)及鉸耳插入板有限元模型如圖2和圖3[3]。

圖2 改造前后端環(huán)有限元模型

圖3 改造前后端環(huán)鉸耳插入板有限元模型

⑤計(jì)算工況施加的載荷表。加載位置為端環(huán)與平臺(tái)連接的兩個(gè)鉸點(diǎn)處，工況與載荷見表2。

表2 工況與載荷

⑥改造前應(yīng)力與變形量云圖。

a.工況1翻車機(jī)翻卸重車工況1翻轉(zhuǎn)0°插入板處變形云圖如圖4。

圖4 改造前（左）后（右）工況1鉸耳插入板處應(yīng)力云圖

b.工況2翻車機(jī)翻卸重車工況2翻轉(zhuǎn)45°插入板變形云圖如圖5。

圖5 改造前（左）后（右）工況2鉸耳插入板處應(yīng)力云圖

（3）工況3翻車機(jī)翻卸重車工況3翻轉(zhuǎn)90°插入板變形云圖如圖6。

圖6 改造前（左）后（右）工況3鉸耳插入板處應(yīng)力云圖

（4）工況4翻車機(jī)翻卸重車工況4翻轉(zhuǎn)165°插入板變形云圖如圖7。

圖7 改造前（左）后（右）工況4鉸耳插入板處應(yīng)力云圖

（5）工況3翻車機(jī)翻卸重車工況3翻轉(zhuǎn)90°。針對(duì)90°工況，考慮到可能出現(xiàn)的最不利情況，對(duì)加載方式進(jìn)行改變，即在靠板近處鉸點(diǎn)施加X向作用力，在靠板遠(yuǎn)處鉸點(diǎn)處施加X向作用力和Y向作用力，改造前后應(yīng)力分析結(jié)果如圖8、9所示。

圖8 改造前與鉸耳插入板連接的圓弧板的應(yīng)力分布云圖

（6）ANSYS有限元計(jì)算結(jié)果匯總（見表3）。

表3 改造前與改造后的應(yīng)力、位移對(duì)比表

（7）強(qiáng)度、疲勞判定。在ANSYS有限元計(jì)算結(jié)果中，所查看的應(yīng)力均為力學(xué)第四強(qiáng)度理論的馮氏應(yīng)力，即VonMisesstress。

①強(qiáng)度。通過計(jì)算的4個(gè)工況，即翻車機(jī)在翻卸重車作業(yè)時(shí)翻轉(zhuǎn)0°、翻轉(zhuǎn)45°、翻轉(zhuǎn)90°及翻轉(zhuǎn)165°。從應(yīng)力云圖看出，改造前后端環(huán)鋼結(jié)構(gòu)在0°、45°、90°、165°工況時(shí)的最大應(yīng)力沒有超過板材的許用應(yīng)力，因此，端環(huán)鋼結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

圖9 靠車板近處（左）及遠(yuǎn)處（右）鉸耳插入板的應(yīng)力分布云圖

②疲勞。參考GB/T3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，端環(huán)鋼結(jié)構(gòu)屬于焊接構(gòu)件，工作級(jí)別為E8，焊縫應(yīng)力集中情況等級(jí)為，在端環(huán)鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算中，在45°、90°與165°工況時(shí)在焊接處的最大應(yīng)力超過了疲勞許用應(yīng)力，即：

結(jié)構(gòu)不滿足要求，改造后其最大應(yīng)力值均小于疲勞許用應(yīng)力，即：

因此，端環(huán)鋼結(jié)構(gòu)滿足300萬次重載有效翻卸周期技術(shù)要求。

（8）結(jié)論。綜上所述，改造后的端環(huán)鋼結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度以及使用壽命上滿足300萬次重載有效翻卸周期技術(shù)要求。

2 實(shí)施效果

九公司于2015年對(duì)翻車機(jī)端環(huán)進(jìn)行優(yōu)化改造后，使用至今，端環(huán)鉸點(diǎn)處鋼結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)開裂及其他結(jié)構(gòu)性問題。

3 結(jié)語

此次針對(duì)翻車機(jī)端環(huán)鉸點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)焊縫開裂問題，確定的端環(huán)優(yōu)化方案，從根本上解決了應(yīng)力集中帶來的問題，修復(fù)后設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。