夾鉗起重機(jī)載荷譜統(tǒng)計(jì)及疲勞壽命估算技術(shù)

摘 要：文章對國內(nèi)典型生產(chǎn)線上夾鉗起重機(jī)的工作載荷譜做了統(tǒng)計(jì)分析，探討了由載荷譜計(jì)算應(yīng)力譜的方法，在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用應(yīng)力幅法對設(shè)備主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了疲勞壽命估算。

關(guān)鍵詞：起重機(jī)；載荷譜；應(yīng)力譜；疲勞壽命

1 概述

夾鉗起重機(jī)是一種特殊用途的冶金類起重機(jī)，在冶金生產(chǎn)線上使用較多，使用特點(diǎn)是滿負(fù)荷作業(yè)率高、工作頻繁、環(huán)境溫度高。隨著起重機(jī)械安全評估技術(shù)已經(jīng)從方法探索、技術(shù)實(shí)踐階段走向了設(shè)計(jì)安全評價(jià)、工程改造兩方面的應(yīng)用階段，各種冶金類起重機(jī)的載荷譜分析、疲勞強(qiáng)度評估技術(shù)開始被國內(nèi)多個(gè)起重機(jī)設(shè)計(jì)制造部門密切關(guān)注?，F(xiàn)代冶金類起重機(jī)的主要承載結(jié)構(gòu)是一種焊接箱型鋼梁結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論是基于最不利風(fēng)險(xiǎn)載荷產(chǎn)生的最大應(yīng)力組合的強(qiáng)度安全評價(jià)，這種技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟和完善。近十幾年來，疲勞設(shè)計(jì)和疲勞壽命分析技術(shù)不斷應(yīng)用于起重機(jī)的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jī)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(jì)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(jī)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度分析計(jì)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(yàn)獲得應(yīng)力譜，以此進(jìn)行疲勞強(qiáng)度及壽命分析，見文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]中的實(shí)例。另一種途徑是先統(tǒng)計(jì)載荷譜再擬合計(jì)算應(yīng)力譜，這種方式在設(shè)計(jì)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(jī)工作載荷譜統(tǒng)計(jì)工作，各類文獻(xiàn)很少涉及。主要原因是當(dāng)前使用最廣的強(qiáng)度驗(yàn)算方法和疲勞強(qiáng)度驗(yàn)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(shí)，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(qiáng)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(qiáng)度安全評價(jià)是對應(yīng)力的許用范圍評價(jià)。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(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析時(shí)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(jì)算中，這種方法簡潔明了、解決問題針對性強(qiáng)，在過去的二十年間廣泛應(yīng)用。這種方法嚴(yán)格依賴大規(guī)模的現(xiàn)場試驗(yàn)。因此時(shí)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(jì)結(jié)構(gòu)，由計(jì)算獲得結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化過程或稱為計(jì)算應(yīng)力譜，將計(jì)算應(yīng)力譜應(yīng)用到疲勞強(qiáng)度計(jì)算中。這種方法回避了條件艱苦的現(xiàn)場試驗(yàn)，依賴設(shè)計(jì)圖紙和計(jì)算軟件，時(shí)間周期短，成本低。

3 典型生產(chǎn)線上夾鉗起重機(jī)載荷譜

寶鋼條鋼生產(chǎn)線 30t-32m夾鉗起重機(jī)載荷譜統(tǒng)計(jì)

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(jī)從鋼錠放置區(qū)每次起吊30t負(fù)荷，將負(fù)荷移動送入每個(gè)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(jì)算方便，圖1中在行車主梁上標(biāo)注了幾個(gè)重要移動位置，1/8跨度、1/4跨度、1/2跨度。

均熱階段： 24個(gè)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(gè)吊運(yùn)過程。

出鋼階段： 24個(gè)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(gè)吊運(yùn)過程。

平爐階段： 24個(gè)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(gè)吊運(yùn)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(jī)載荷譜，具有典型的統(tǒng)計(jì)意義，對于設(shè)計(jì)起重量不同的夾鉗起重機(jī)，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(jī)載荷譜統(tǒng)計(jì)的意義。

4 夾鉗起重機(jī)應(yīng)力譜計(jì)算、疲勞壽命估算實(shí)例

4.1 30t-32m夾鉗起重機(jī)主梁最大應(yīng)力計(jì)算

通常，起重機(jī)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(jì)算時(shí)的最主要部位。依據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范，利用表1給出的載荷及作用截面位置，可計(jì)算出不同載荷在不同位置時(shí)，30t-32m夾鉗起重機(jī)主梁最大應(yīng)力，見表2。

4.2 30t-32m夾鉗起重機(jī)主梁應(yīng)力譜及應(yīng)力幅統(tǒng)計(jì)

將表2中的應(yīng)力數(shù)據(jù)按實(shí)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(gè)應(yīng)力循環(huán)中有兩對波峰和波谷，也就是有兩個(gè)應(yīng)力幅統(tǒng)計(jì)結(jié)果。這兩個(gè)應(yīng)力幅每天各出現(xiàn)48次。同樣，表3中也統(tǒng)計(jì)到兩個(gè)應(yīng)力幅，每天各出現(xiàn)24次。因此，30t-32m夾鉗起重機(jī)主梁應(yīng)力幅-頻次統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

4.3 30t-32m夾鉗起重機(jī)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(jī)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(qiáng)的技術(shù)支持，這種分析方法建立在隨機(jī)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(xì)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(gè)基礎(chǔ)之上，而這三個(gè)基礎(chǔ)都有很強(qiáng)的工程試驗(yàn)背景，因此，這樣的疲勞壽命分析方法更易于走向工程實(shí)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(jì)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(shí)的損傷和，N為譜時(shí)間t中的總變程數(shù)，譜時(shí)間t是指一個(gè)載荷譜所代表的實(shí)際工作循環(huán)數(shù)（工作時(shí)間），n為結(jié)構(gòu)破壞時(shí)載荷譜的重復(fù)次數(shù)。

文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[3]論述了起重機(jī)偏軌箱型主梁的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了適合這種結(jié)構(gòu)的疲勞壽命計(jì)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(gè)額定載荷工作循環(huán)作為一個(gè)譜時(shí)間，可得：n= 13615.24（個(gè)譜時(shí)間）。

因?yàn)橐粋€(gè)譜時(shí)間代表48個(gè)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(gè)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(jī)主梁疲勞壽命設(shè)計(jì)值為653531個(gè)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(jī)工作載荷譜統(tǒng)計(jì)方法和技術(shù)，認(rèn)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(jì)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(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算提供了一種簡捷實(shí)用的途徑。

本文以寶鋼條鋼生產(chǎn)線 30t-32m夾鉗起重機(jī)為例，討論了載荷譜統(tǒng)計(jì)、應(yīng)力譜計(jì)算、應(yīng)力幅與頻次統(tǒng)計(jì)及主梁疲勞壽命估算幾個(gè)步驟的具體實(shí)踐。這種方法更適合于產(chǎn)品研發(fā)階段的計(jì)算和評估。

參考文獻(xiàn)

[1]平克楠.對鑄造起重機(jī)主梁疲勞計(jì)算方法的探討[J].山西機(jī)械，1996（2）.

[2]平克楠.三菱重工冶金起重機(jī)疲勞設(shè)計(jì)技術(shù)跟蹤研究[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2009（8）.

[3]翟甲昌，王升.橋式起重機(jī)箱型梁的疲勞試驗(yàn)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，1994（2）.