橋式起重機疲勞分析優(yōu)化設(shè)計
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0引言
橋式起重機作為工廠、鐵路、港口等跨間距固定的貨場的主要搬運設(shè)備，可以完成大重量貨物的垂直提升和水平移動，其中，主梁是橋式起重機最重要的承載構(gòu)件之一。在橋式起重機頻繁起吊的過程中，主梁將承受動載荷和交變載荷的反復(fù)作用，容易下?lián)?，并且主梁是一種典型的焊接鋼結(jié)構(gòu)，其母材與焊縫間通常會存在一定的焊接缺陷，因此，在使用過程中，主梁結(jié)構(gòu)上容易發(fā)生疲勞破壞。同時，由于疲勞破壞屬于脆性斷裂，斷裂前不會出現(xiàn)明顯的宏觀塑性變形，這就使得疲勞破壞可能在瞬間發(fā)生，從而導(dǎo)致災(zāi)難性事故。因此，非常有必要對橋式起重機主梁結(jié)構(gòu)的疲勞破壞現(xiàn)象進行分析，對易發(fā)生疲勞破壞的危險截面進行疲勞壽命估算，并采取補強措施，從而盡可能減小疲勞斷裂事故的發(fā)生幾率。
1橋式起重機疲勞破壞分析
對于橋式起重機，其發(fā)生疲勞破壞的結(jié)構(gòu)和部位主要是焊接處，此處存在的應(yīng)力集中、焊接殘余應(yīng)力和焊接缺陷等會造成焊縫處產(chǎn)生疲勞裂紋，進而發(fā)生構(gòu)件斷裂。有統(tǒng)計表明，約49％的疲勞破壞都發(fā)生在起重機主梁下部翼緣和腹板焊接處。
1．1應(yīng)力分析
1．1．1起重機承載應(yīng)力測試由于橋式起重機在起吊過程中承載的是交變載荷，因此采用靜態(tài)應(yīng)變儀和動態(tài)應(yīng)變儀測試起重機易發(fā)生疲勞破壞部位（如主梁上下翼緣板、主梁端部主腹板等）的應(yīng)力情況，可以判斷其金屬結(jié)構(gòu)是否可以滿足靜強度和動強度的要求。以一臺50t×30m橋式起重機的橋架為例，起吊重量為35．5t。在靜態(tài)測試條件下，當(dāng)重載小車在主梁跨中部位時，主梁上下翼緣板承載的應(yīng)力最大（約22～30MPa），其中上翼緣板為壓應(yīng)力，下翼緣板為拉應(yīng)力，而拉應(yīng)力是影響疲勞破壞的主要因素；對于主梁端部主腹板，其主應(yīng)力和剪切應(yīng)力接近，但是通常材料的抗拉能力明顯強于其抗剪切能力，因此影響疲勞破壞的主要應(yīng)力是剪切應(yīng)力，并且在重載小車位于固定梁端時，固定梁端主腹板的剪切應(yīng)力最大（約10MPa）。對于靜態(tài)測試下應(yīng)力較大的關(guān)鍵測點，在起重機起吊和移動過程中，進行動態(tài)應(yīng)力測試，以司機室側(cè)主梁下翼緣板和主腹板為例，下翼緣板處的拉應(yīng)力在110s內(nèi)經(jīng)歷了小—大—小的循環(huán)過程，最大拉應(yīng)力為26．33MPa；類似地，主腹板處經(jīng)歷了剪切應(yīng)力循環(huán)變化，最大剪切應(yīng)力達7．67MPa。這種結(jié)構(gòu)應(yīng)力的循環(huán)特征，會促進疲勞裂紋的形成和擴展，因而與金屬結(jié)構(gòu)的疲勞有密切關(guān)系。
1．1．2焊接殘余應(yīng)力分析起重機主梁的上、下翼緣板和主腹板一般通過焊接工藝與主梁進行連接。在焊接過程中，焊縫處經(jīng)歷了不均勻的熱循環(huán)變化，從而在焊縫處產(chǎn)生殘余應(yīng)力，而這種殘余應(yīng)力對焊接質(zhì)量的影響非常突出，容易引發(fā)裂紋，導(dǎo)致焊縫強度和韌性下降。焊接殘余應(yīng)力的主要產(chǎn)生原因主要包括以下幾個方面：
（1）熱應(yīng)力：焊接部位局部急速加熱到高溫，焊接接收后快速冷卻，形成了溫度梯度，極易產(chǎn)生殘余應(yīng)力。
（2）塑性變形應(yīng)力：母材焊接前的軋制或拉拔等塑性變形加工，也會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，并且可以與焊接的熱應(yīng)力進行疊加。
（3）相變應(yīng)力：焊接過程中，焊縫處局部高溫，會引起母材和焊料的組織發(fā)生相變，導(dǎo)致組織比容變化，從而產(chǎn)生應(yīng)力。
1．2疲勞裂紋的形成
起重機主梁的損壞大部分是承載焊縫的疲勞失效引起，通常是從受力最大部位的缺陷處開始。一般在焊縫缺陷處（如氣孔、位錯等）存在局部應(yīng)力集中，加上焊接殘余應(yīng)力的疊加作用，容易發(fā)生位錯滑移和聚集，引發(fā)裂紋萌生，在循環(huán)應(yīng)力作用下，裂紋不斷擴展，一旦超過臨界尺寸就會發(fā)生脆性斷裂破壞。即使焊縫不存在缺陷，在焊縫的焊趾處也會存在較明顯的應(yīng)力集中，從而容易在該處引發(fā)疲勞破壞。焊縫熱影響區(qū)內(nèi)的焊趾處發(fā)生開裂，沿焊縫的焊根邊緣發(fā)生開裂。這說明裂紋在焊縫或母材上的熱影響區(qū)內(nèi)萌生，在交變應(yīng)力作用下，都能擴展進入焊縫或母材，引發(fā)焊縫處斷裂。
2橋式起重機應(yīng)對疲勞破壞的措施
2．1焊縫截面的優(yōu)化
在橋式起重機主梁主腹板和上蓋板焊接時，應(yīng)根據(jù)具體情況采用K形坡口或V形坡口焊接。對于大噸位橋式起重機，其主梁的主腹板厚度達16mm，V形坡口難以熔透板厚，會導(dǎo)致焊接強度下降，宜采用K形坡口；而對于輕量化橋式起重機，主腹板厚度減小，宜采用V形坡口進行內(nèi)部施焊。另外，坡口角度過大，會造成焊縫缺陷增多，導(dǎo)致焊縫疲勞壽命小于母材，因此主腹板坡口角度一般不超過50°。焊縫的表面有內(nèi)凹和外凸兩種，會影響焊縫應(yīng)力流的傳遞，有研究表明，內(nèi)凹形焊縫應(yīng)力較低、疲勞壽命較長，因此在焊接后需對主要承載焊縫進行表面處理，使其表面呈內(nèi)凹形。
2．2應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)的改造
在主梁主腹板和下蓋板連接處和端梁的變截面彎角處存在局部應(yīng)力集中，是主要裂紋源之一。在焊接時，不應(yīng)將下蓋板與主腹板對接焊接，可將下蓋板向箱梁內(nèi)延伸一段后進行焊接，這樣可以降低焊接處的擠壓應(yīng)力，緩解應(yīng)力集中。對于變截面彎角處，應(yīng)設(shè)置過渡圓弧，且圓弧半徑不宜太小，同時，在彎角處加焊肋板，以緩解應(yīng)力集中對主腹板的影響。
2．3主腹板的改造
將橋式起重機的平直主腹板沿縱向進行形狀改造，形成波形腹板，使其沿橋架縱向形成一定規(guī)律的波形變化，從而顯著增加腹板的承載面積和垂直方向的穩(wěn)定性，有研究表明，波形腹板梁的應(yīng)力要比平直腹板梁小38％左右。不過，僅使用波形腹板，其抗扭剛度和水平剛度較弱，在水平?jīng)_擊力下，容易導(dǎo)致主梁沿水平方向發(fā)生較大變形。因此，需將波形腹板和平直腹板配合使用，結(jié)合平直腹板在水平方向的剛度和波形腹板在垂直方向的剛度特點，提高主梁的穩(wěn)定性。
3結(jié)語
本文結(jié)合斷裂力學(xué)和疲勞損傷分析，對橋式起重機主梁結(jié)構(gòu)進行技術(shù)改進，對延長主梁疲勞壽命和減少疲勞斷裂事故具有重要的意義。同時，還應(yīng)該應(yīng)用先進的檢測技術(shù)，如磁粉探傷檢測技術(shù)對起重機主梁進行檢測和評估，以及時發(fā)現(xiàn)存在的缺陷，并進行修復(fù)，做到防患于未然。
作者：袁明敏 單位：江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院無錫分院