摘 要:文章對國內(nèi)典型生產(chǎn)線上夾鉗起重機的工作載荷譜做了統(tǒng)計分析,探討了由載荷譜計算應(yīng)力譜的方法,在此基礎(chǔ)上,運用應(yīng)力幅法對設(shè)備主梁結(jié)構(gòu)進行了疲勞壽命估算。
關(guān)鍵詞:起重機;載荷譜;應(yīng)力譜;疲勞壽命
1 概述
夾鉗起重機是一種特殊用途的冶金類起重機,在冶金生產(chǎn)線上使用較多,使用特點是滿負荷作業(yè)率高、工作頻繁、環(huán)境溫度高。隨著起重機械安全評估技術(shù)已經(jīng)從方法探索、技術(shù)實踐階段走向了設(shè)計安全評價、工程改造兩方面的應(yīng)用階段,各種冶金類起重機的載荷譜分析、疲勞強度評估技術(shù)開始被國內(nèi)多個起重機設(shè)計制造部門密切關(guān)注?,F(xiàn)代冶金類起重機的主要承載結(jié)構(gòu)是一種焊接箱型鋼梁結(jié)構(gòu),其強度設(shè)計理論是基于最不利風險載荷產(chǎn)生的最大應(yīng)力組合的強度安全評價,這種技術(shù)已經(jīng)相當成熟和完善。近十幾年來,疲勞設(shè)計和疲勞壽命分析技術(shù)不斷應(yīng)用于起重機的新產(chǎn)品設(shè)計中,這種新技術(shù)更關(guān)心載荷的分布特性和應(yīng)力幅值分布。對冶金生產(chǎn)線上的起重機而言,描述載荷譜的最直接方式是移動外載荷與移動位置關(guān)系的曲線或圖表,由此可以計算結(jié)構(gòu)特定部位最大應(yīng)力的變化圖,即應(yīng)力譜。從而確定應(yīng)力幅值的變化,這也是起重機結(jié)構(gòu)疲勞強度分析計算的基礎(chǔ)。這種應(yīng)力譜的獲得有兩種途徑,一種是通過具體某一臺產(chǎn)品的現(xiàn)場試驗獲得應(yīng)力譜,以此進行疲勞強度及壽命分析,見文獻[1]、文獻[2]中的實例。另一種途徑是先統(tǒng)計載荷譜再擬合計算應(yīng)力譜,這種方式在設(shè)計研發(fā)階段更具有廣泛適用性,這也是本文所采用的技術(shù)方法。
對應(yīng)于國內(nèi)主要工藝流程的夾鉗起重機工作載荷譜統(tǒng)計工作,各類文獻很少涉及。主要原因是當前使用最廣的強度驗算方法和疲勞強度驗算方法都不涉及應(yīng)力幅的變化。只有在使用疲勞壽命估算技術(shù)時,才會討論到工作載荷譜、應(yīng)力譜、應(yīng)力幅這些概念。
2 載荷、應(yīng)力、載荷譜、應(yīng)力譜、強度、疲勞壽命之間的關(guān)系
載荷與應(yīng)力直接關(guān)聯(lián),應(yīng)力是載荷作用于結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的一種內(nèi)力響應(yīng),強度安全評價是對應(yīng)力的許用范圍評價。同理,載荷譜與應(yīng)力譜直接關(guān)聯(lián),應(yīng)力譜是載荷譜作用于結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的一種內(nèi)力響應(yīng),應(yīng)力譜也是疲勞壽命分析的最重要數(shù)據(jù)。
在起重機結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析時有兩種思路和方法,一種是利用現(xiàn)場測試獲得主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力譜,直接將應(yīng)力幅-頻次的關(guān)系圖表應(yīng)用于疲勞壽命計算中,這種方法簡潔明了、解決問題針對性強,在過去的二十年間廣泛應(yīng)用。這種方法嚴格依賴大規(guī)模的現(xiàn)場試驗。因此時間周期較長、成本較高。這引起了一些研究人員對其它方法的探討,最典型的就是記錄典型工藝下的外載荷位置變化軌跡,將載荷大小和不同作用位置的數(shù)據(jù)作用于已知結(jié)構(gòu)或待設(shè)計結(jié)構(gòu),由計算獲得結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化過程或稱為計算應(yīng)力譜,將計算應(yīng)力譜應(yīng)用到疲勞強度計算中。這種方法回避了條件艱苦的現(xiàn)場試驗,依賴設(shè)計圖紙和計算軟件,時間周期短,成本低。
3 典型生產(chǎn)線上夾鉗起重機載荷譜
寶鋼條鋼生產(chǎn)線 30t-32m夾鉗起重機載荷譜統(tǒng)計
行車作業(yè)分均熱階段、出鋼階段、平爐階段。行車作業(yè)跨150m,夾鉗起重機從鋼錠放置區(qū)每次起吊30t負荷,將負荷移動送入每個均熱爐內(nèi)。出鋼階段是將鋼錠從均熱爐中取出,逆方向吊回到鋼錠放置區(qū)。平爐階段是為均熱爐填石子的工作流程。如果行車跨度為s,在行車行走過程中,移動載荷要在行車從一端移動到另一端,為了計算方便,圖1中在行車主梁上標注了幾個重要移動位置,1/8跨度、1/4跨度、1/2跨度。
均熱階段: 24個循環(huán)/天 移動小車自重84t
(1)在1/8主梁跨度處起吊30t鋼錠。
(2)小車過1/4跨度到1/2跨度。
(3)大車行走到均熱爐前,放入鋼錠,小車過1/4跨度、過1/8跨度。
(4)空鉤后行車返回鋼錠區(qū),重復(fù)下一個吊運過程。
出鋼階段: 24個循環(huán)/天
(1)在1/8主梁跨度處起吊30t鋼錠。
(2)小車過1/4跨度到1/2跨度。
(3)大車行走到鋼錠區(qū),放下鋼錠,小車過1/4跨度、過1/8跨度。
(4)空鉤后行車返回均熱爐,重復(fù)下一個吊運過程。
平爐階段: 24個循環(huán)/天 為均熱爐填石子(每爐約10t)
(1)在1/8主梁跨度處起吊10t重物。
(2)小車過1/4跨度到1/8跨度。
(3)空鉤后行車返回取物區(qū),重復(fù)下一個吊運過程。
表1給出了移動載荷、作用位置、移動次數(shù)的關(guān)系,對于此類工藝流程的夾鉗起重機載荷譜,具有典型的統(tǒng)計意義,對于設(shè)計起重量不同的夾鉗起重機,只要將表1中的移動載荷值對應(yīng)改變?yōu)樾碌囊阎d荷,就能構(gòu)造出新的已知載荷譜。這也就是典型生產(chǎn)線上夾鉗起重機載荷譜統(tǒng)計的意義。
4 夾鉗起重機應(yīng)力譜計算、疲勞壽命估算實例
4.1 30t-32m夾鉗起重機主梁最大應(yīng)力計算
通常,起重機主梁最大應(yīng)力部位是跨中1/2截面下蓋板與主腹板焊接處,這也是疲勞壽命計算時的最主要部位。依據(jù)起重機設(shè)計規(guī)范,利用表1給出的載荷及作用截面位置,可計算出不同載荷在不同位置時,30t-32m夾鉗起重機主梁最大應(yīng)力,見表2。
4.2 30t-32m夾鉗起重機主梁應(yīng)力譜及應(yīng)力幅統(tǒng)計
將表2中的應(yīng)力數(shù)據(jù)按實際載荷移動過程連接起來,將描繪出最大應(yīng)力變化曲線,見圖2、圖3。
從圖2可知,一個應(yīng)力循環(huán)中有兩對波峰和波谷,也就是有兩個應(yīng)力幅統(tǒng)計結(jié)果。這兩個應(yīng)力幅每天各出現(xiàn)48次。同樣,表3中也統(tǒng)計到兩個應(yīng)力幅,每天各出現(xiàn)24次。因此,30t-32m夾鉗起重機主梁應(yīng)力幅-頻次統(tǒng)計結(jié)果見表3。
4.3 30t-32m夾鉗起重機主梁疲勞壽命估算
疲勞壽命評估技術(shù)的核心是疲勞壽命估算方法,這類估算方法有若干種,但在以焊接結(jié)構(gòu)為主的冶金類起重機金屬結(jié)構(gòu)中,以應(yīng)力變程(應(yīng)力幅)為基礎(chǔ)的疲勞壽命分析方法獲得了更強的技術(shù)支持,這種分析方法建立在隨機疲勞載荷譜(包含應(yīng)力峰值、應(yīng)力變化范圍、應(yīng)力變化循環(huán)量信息)、結(jié)構(gòu)S-N曲線(包含結(jié)構(gòu)局部細節(jié)在不同應(yīng)力變化范圍下的壽命信息)、Miner積累損傷理論三個基礎(chǔ)之上,而這三個基礎(chǔ)都有很強的工程試驗背景,因此,這樣的疲勞壽命分析方法更易于走向工程實用化。
若結(jié)構(gòu)S-N曲線是以應(yīng)力變程為變量,疲勞載荷譜由各級工作載荷譜表征,那么從應(yīng)力變程頻次統(tǒng)計數(shù)據(jù)出發(fā)得到的壽命估算公式為[1]:
其中C、K為結(jié)構(gòu)S-N曲線常數(shù),r為載荷譜中應(yīng)力變程的級數(shù),fi為各級變程出現(xiàn)的頻率,Si為各級應(yīng)力變程數(shù),D為結(jié)構(gòu)破壞時的損傷和,N為譜時間t中的總變程數(shù),譜時間t是指一個載荷譜所代表的實際工作循環(huán)數(shù)(工作時間),n為結(jié)構(gòu)破壞時載荷譜的重復(fù)次數(shù)。
文獻[1]、文獻[3]論述了起重機偏軌箱型主梁的疲勞試驗數(shù)據(jù),提出了適合這種結(jié)構(gòu)的疲勞壽命計算常數(shù),C=1011.714486、K=3.3、D=0.8。
將表3給出的主梁應(yīng)力幅-頻次表數(shù)據(jù)代入疲勞壽命估算公式,以一天48個額定載荷工作循環(huán)作為一個譜時間,可得:n= 13615.24(個譜時間)。
因為一個譜時間代表48個額定載荷工作循環(huán),所以疲勞壽命估算值為:n=13615.24×48≈653531(個循環(huán))。
這一估算值的含義是寶鋼條鋼生產(chǎn)線30t-32m夾鉗起重機主梁疲勞壽命設(shè)計值為653531個工作循環(huán)。
5 結(jié)束語
本文討論了冶金生產(chǎn)線上的夾鉗起重機工作載荷譜統(tǒng)計方法和技術(shù),認為描述載荷譜的最直接方式是移動外載荷與移動位置關(guān)系的曲線或圖表,由此可以計算結(jié)構(gòu)特定部位最大應(yīng)力的變化圖。從而確定應(yīng)力幅值的變化。為夾鉗起重機結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算提供了一種簡捷實用的途徑。
本文以寶鋼條鋼生產(chǎn)線 30t-32m夾鉗起重機為例,討論了載荷譜統(tǒng)計、應(yīng)力譜計算、應(yīng)力幅與頻次統(tǒng)計及主梁疲勞壽命估算幾個步驟的具體實踐。這種方法更適合于產(chǎn)品研發(fā)階段的計算和評估。
參考文獻
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[3]翟甲昌,王升.橋式起重機箱型梁的疲勞試驗[J].起重運輸機械,1994(2).