橋式起重機載荷應(yīng)力譜分析與優(yōu)化

王 鑫 孫同峰 郭富城

摘 要：橋式起重機是一種應(yīng)用于現(xiàn)代社會的重要機械設(shè)備，多應(yīng)用于港口、碼頭、工廠等區(qū)域，用于重載貨物的吊運。橋式起重機屬于特種設(shè)備，積極做好橋式起重機的運行監(jiān)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(huán)。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(yù)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(fā)揮出橋式起重機的作用，保障橋式起重機的安全運行。

關(guān)鍵詞：橋式起重機;應(yīng)力譜;疲勞壽命評估

中圖分類號：TH215? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A

0 前言

橋式起重機是一種應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的重要設(shè)備。橋式起重機的金屬結(jié)構(gòu)不可更換，一旦其發(fā)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(yīng)用金屬結(jié)構(gòu)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(jiān)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(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用極為廣泛，做好橋式起重機的安全監(jiān)測與壽命評估將能夠最大限度地發(fā)揮出橋式起重機的經(jīng)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(shè)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(shù)作為基礎(chǔ)對橋式起重機進行設(shè)計。但是實際完成制造后的橋式起重機由于制造質(zhì)量、使用工況等條件的不同導(dǎo)致橋式起重機的實際使用壽命與設(shè)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(jù)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(jié)構(gòu)件將無法進行更換，做好橋式起重機金屬結(jié)構(gòu)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(fù)雜變化載荷的作用，據(jù)不完全統(tǒng)計橋式起重機中的金屬結(jié)構(gòu)部分所產(chǎn)生的疲勞斷裂有近一半是在長期復(fù)雜變化載荷作用下產(chǎn)生的。疲勞斷裂所產(chǎn)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(yīng)力譜主要是由一段時間內(nèi)的橋式起重機載荷應(yīng)力統(tǒng)計分析處理后所得出的，獲取橋式起重機載荷應(yīng)力方面最直接的方法是使用傳感器進行現(xiàn)場測量，這一方法雖然測得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，能夠?qū)蚴狡鹬貦C的載荷應(yīng)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(yīng)力譜的獲取方式主要是通過將橋式起重機載荷現(xiàn)場測量與計算機模擬結(jié)合的方式，通過對橋式起重機載荷進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，并對所采集到的數(shù)據(jù)進行分析估算用以模擬橋式起重機載荷應(yīng)力譜，并在所得出模擬數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對橋式起重機載荷應(yīng)力數(shù)據(jù)的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與仿真模擬結(jié)果進行對比，用以優(yōu)化仿真模擬數(shù)據(jù)。

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(jié)構(gòu)的載荷集中區(qū)與疲勞性能薄弱區(qū)。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(zhǔn)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(yīng)力相應(yīng)的最大位置處，而中軌箱型梁式起重機的金屬結(jié)構(gòu)決定了其最大應(yīng)力主要集中在起重機的中跨點及附近區(qū)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)箱梁的模型的過程中可以按照以下方法：1）首先建立坐標(biāo)系，坐標(biāo)系的坐標(biāo)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?qū)蚴狡鹬貦C在復(fù)雜載荷條件作用下的彎曲和扭轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)有限元模型約束點主要集中在端梁兩側(cè)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(zhuǎn)動，端梁變形則視為沿X軸轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)部分受到來自于橋式起重機金屬結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(guī)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(guī)劃的網(wǎng)格長度為0.2 m，相對于橋式起重機箱梁的長度各節(jié)點處所承受的載荷表現(xiàn)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(yīng)力集中，造成有限元計算得出的橋式起重機箱梁上的應(yīng)力分布圖中局部應(yīng)力值偏大的情況，而如若應(yīng)力集中點并未集中在橋式起重機金屬結(jié)構(gòu)疲勞核算點的位置，就無需考慮橋式起重機應(yīng)力集中點對橋式起重機金屬結(jié)構(gòu)疲勞應(yīng)力點分析的影響。

根據(jù)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(yīng)力分布主要集中于跨中位置，且分別對應(yīng)于X方向、第一主應(yīng)力、等效應(yīng)力等。由模擬結(jié)果可以得知，橋式起重機上的應(yīng)力載荷在橋式起重機的中跨區(qū)域?qū)?dǎo)致橋式起重機產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，其中橋式起重機主梁跨中截面主要承受自由彎曲所產(chǎn)生的正應(yīng)力，外載荷在橋式起重機中跨區(qū)域所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力較小。在橋式起重機跨中梁上翼緣板所承受的壓應(yīng)力主要為正應(yīng)力，而下翼緣板則主要承受拉應(yīng)力。而由于作用于橋式起重機上的拉應(yīng)力容易造成金屬結(jié)構(gòu)部分產(chǎn)生疲勞破壞，橋式起重機的疲勞核算點應(yīng)該選取在橋式起重機中跨區(qū)域的下翼緣板附近。依據(jù)模擬結(jié)果完成橋式起重機應(yīng)力譜的構(gòu)建，并依照所構(gòu)建的橋式起重機應(yīng)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(yǎng)時可以根據(jù)所構(gòu)建的橋式起重機應(yīng)力譜對橋式起重機進行針對性的維修加固。

3 結(jié)語

橋式起重機屬于特種設(shè)備，其一旦發(fā)生故障將會導(dǎo)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(gòu)建好橋式起重機的應(yīng)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(gòu)建橋式起重機載荷應(yīng)力譜與疲勞壽命估算重要性的基礎(chǔ)上對如何做好橋式起重機載荷應(yīng)力譜與模型構(gòu)建優(yōu)化進行了分析介紹。

參考文獻

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