孫岱華
(北京市特種設(shè)備檢測中心,北京100029)
履帶起重機的臂架是桁架臂類起重機的典型代表之一。目前此類中大噸位的起重機市場份額占有率較高,應(yīng)用領(lǐng)域基本覆蓋履帶起重機涉及的所有領(lǐng)域,如市政工程建設(shè)、鐵路公路交通建設(shè)、石油化工工程建設(shè)、海油工程建設(shè)、電力工程建設(shè)(包括火電風(fēng)電核電)等[2]。故本文選取300 t履帶起重機作為研究和試驗對象。
履帶起重機臂架結(jié)構(gòu)體型龐大,非線性變形明顯,通常臂架結(jié)構(gòu)組合有3種:主臂組合、固定副臂組合和塔式副臂組合。具有超起裝置的起重機還有超起主臂組合、超起固定副臂組合、以及超起、塔式副臂組合。無論主臂、固定副臂還是塔式副臂,它們的臂架結(jié)構(gòu)組成相似,均是由底節(jié)、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、頂節(jié)組成,標(biāo)準(zhǔn)節(jié)隨臂長的需求而增減對應(yīng)的臂節(jié)數(shù)量,每節(jié)臂節(jié)都是由弦桿和腹桿組成桁架結(jié)構(gòu)。從力學(xué)分析角度[3],三者的受力及應(yīng)力分布規(guī)律趨于相近,主臂作為基礎(chǔ)臂,截面大,承載能力強,因此起重量是三者中最大的,具有代表性。增設(shè)超起裝置,改善臂架受力,但應(yīng)力水平與標(biāo)準(zhǔn)型的接近,故本文對標(biāo)準(zhǔn)型主臂進行應(yīng)力測試試驗。
本文通過ANSYS有限元模型的建立,以及對靜力學(xué)的分析,確定臂架的應(yīng)力水平及高應(yīng)力區(qū),為選取危險截面作為應(yīng)力測試點提供理論依據(jù)。
根據(jù)臂架結(jié)構(gòu)形式,采用梁單元Beam188模擬管狀桁架結(jié)構(gòu),殼單元Shell63模擬臂架中的加強板結(jié)構(gòu),變幅拉板只承受拉力,采用桿單元Link8模擬。各連接鉸耳中心建立質(zhì)量點Mass21并與鉸耳建立剛性區(qū)域連接,同時忽略對整體應(yīng)力分布影響較小的構(gòu)件[4]。
考慮到臂架實際作業(yè)時受力情況,臂架根部鉸點除放開繞其自身銷軸的約束外,其余自由度全約束,變幅拉板末端鉸點進行全位移約束,變幅拉板頂端鉸點與臂架頭部連接點處施加耦合約束。加載時,在臂架頭部起升滑輪耳板孔處按實際吊載施加節(jié)點載荷。由此建立的有限元模型如圖1所示。
圖1 臂架有限元模型Fig.1 FEM of boom
參照起重性能表,選取最短、中長、最長臂架對應(yīng)的小幅度工況及起臂工況作為計算工況,如表1所示。根據(jù)規(guī)范[1,5],結(jié)合起重機實際作業(yè)情況確定起升動載系數(shù)為1.1,水平側(cè)載荷為(tan 3°)Q(Q為起重量)。
表1 有限元載荷工況Tab.1 Load cases of the FEM for boom
考慮臂架幾何特征,長臂時長細比較大,幾何變形明顯,因此,對比了線性計算和非線性計算的結(jié)果,工況6的應(yīng)力分布與結(jié)果對比如圖2和表2所示。可以看出,非線性應(yīng)力要高于線性應(yīng)力,按非線性計算結(jié)構(gòu)應(yīng)力是必要的。
表2 線性與非線性有限元結(jié)果對比Tab.2 The comparison between linear and nonlinear results MPa
圖2 線性與非線性有限元結(jié)果Fig.2 The results of linear and nonlinear FEM
表2中,x=1,2,3,4,如圖3所示。
按非線性方法,計算表1的各工況,通過對計算數(shù)據(jù)結(jié)果的整理,可以確定臂架的危險截面有3處(見圖3):①臂架底節(jié)與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接附近的截面A,此處底節(jié)承受軸向載荷和側(cè)向彎矩,而且截面小,導(dǎo)致應(yīng)力較大;②臂架重心附近的截面B,此處承受臂架軸向載荷和一定的側(cè)向彎矩,同時承受較大的自重分力引起的變幅平面內(nèi)彎矩,使得此處的應(yīng)力較大,臂架水平起臂時表現(xiàn)更為明顯;③臂架頂節(jié)與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接附近的截面C,此處截面變化,使得應(yīng)力有一定的變化[6]。
匯總各工況危險截面有限元結(jié)果應(yīng)力值如表3所示。
表3中可以看出:
表3 危險截面應(yīng)力匯總表Tab.3 The stresses of dangerous sections MPa
(1)各工況應(yīng)力水平相當(dāng),均在30~370 MPa范圍內(nèi),與材料許用值501 MPa相比,材料利用率集中在50%左右。
(2)各工況應(yīng)力分布趨勢相近,不同工況下小幅度時的應(yīng)力較大。同工況下,由于臂架承受軸向載荷和彎矩引起的彎曲應(yīng)力,變截面處的應(yīng)力較大。當(dāng)有側(cè)載時,臂架在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)相當(dāng)于懸臂結(jié)構(gòu),其根部的應(yīng)力增大。
(3)水平起臂工況是臂架自拆裝工藝中不可或缺的非作業(yè)環(huán)節(jié),雖然不屬于作業(yè)工況,但由于臂架水平放置,重心遠離回轉(zhuǎn)中心,使得臂架承受因自重引起的較大的彎曲應(yīng)力,也是臂架的危險工況之一。其應(yīng)力隨臂長增加而增大,甚至與臂架作業(yè)工況的應(yīng)力相當(dāng),因此,起臂工況在設(shè)計時要特別引起重視。
對工作狀態(tài)下的300 t型履帶起重機臂架進行應(yīng)力測試,試驗數(shù)據(jù)采集儀器及元件如表4所示。
表4 信號采集主要儀器設(shè)備與元件Tab.4 The main equipment and components for signal acquisition
為了充分了解作業(yè)過程中臂架應(yīng)力分布,參考有限元計算結(jié)果,在危險區(qū)域A、B、C3個截面布置12個測點,A截面為底節(jié)靠近標(biāo)準(zhǔn)節(jié)第2個節(jié)點處;B截面為重心附近(臂架跨中)的2個節(jié)點中心處;C截面為頂節(jié)靠近標(biāo)準(zhǔn)節(jié)第1個節(jié)點處,各截面的測點位置和編號如圖4所示。臂架弦桿在起升重物過程中主要受到軸向力的作用,以單向應(yīng)力為主,主應(yīng)力方向相對明確,將各截面的4個弦桿均沿軸向貼片,采用半橋的連接方式測試軸向應(yīng)力[7],部分測點貼片如圖5所示。
圖4 臂架測試截面位置Fig.4 The test cross sections for boom
圖5 貼片布置Fig.5 The layout of test points
通過理論分析和有限元計算,表明臂架在不同臂長下的應(yīng)力水平相當(dāng),同臂長不同幅度下,小幅度應(yīng)力值大于大幅度應(yīng)力值。臂架起臂工況的應(yīng)力水平隨臂長增加而增加,與作業(yè)狀態(tài)時的相當(dāng)。因此考慮中長臂實際使用率高的特點,選取中長臂小幅度作為測試工況,如表5所示。
表5 試驗工況Tab.5 The test cases
應(yīng)力測試試驗包括靜態(tài)測試和動態(tài)測試。靜態(tài)測試時砝碼載荷平穩(wěn)起升離地1 m后保持穩(wěn)定,采集數(shù)據(jù)。動態(tài)測試包括臂架的起升、變幅、回轉(zhuǎn)、卸載過程。臂架首先處于水平狀態(tài),如圖6(a)所示;然后起臂,邊回轉(zhuǎn)邊變幅到23 m幅度,如圖6(b)所示。起升砝碼,落下砝碼,反復(fù)3次。記錄各測點應(yīng)力歷程,如圖7所示,其中,橫坐標(biāo)代表時間(s),縱坐標(biāo)代表應(yīng)力(MPa)。
圖6 試驗現(xiàn)場Fig.6 The test site
圖7 測點應(yīng)力時間歷程示意Fig.7 The stress history of test points
試驗過程中,發(fā)現(xiàn)測點2-1采集的數(shù)據(jù)飄移,可能測點貼片有誤,因此,后續(xù)不再對此測點記錄數(shù)據(jù)。從圖7的試驗記錄數(shù)據(jù)變化曲線來看,對稱布置的測點數(shù)據(jù)變化趨勢相近,表明試驗數(shù)據(jù)有效,具有參考價值。
采集起重機保持平穩(wěn)時的各測點數(shù)據(jù)記錄,3次試驗結(jié)果均值作為測試數(shù)據(jù)。由于初始狀態(tài)應(yīng)變片進行了清零設(shè)置,測試數(shù)據(jù)僅為砝碼載荷引起的應(yīng)力變化。因此,有限元計算時,將不考慮臂架和吊鉤自重,按表5試驗工況載荷施加在有限元模型上,計算出測點的軸向應(yīng)力,并與靜載試驗結(jié)果對比(壓為“-”,拉為“+”),如表6和表7所示。表中,誤差率=(計算值-測試值)/測試值
表6 靜載試驗結(jié)果與有限元結(jié)果對比統(tǒng)計(工況SY1)Tab.6 The comparison of results between static test and FEA(SY1 case)
表7 靜載試驗結(jié)果與有限元結(jié)果對比統(tǒng)計(工況SY2)Tab.7 The comparison of results between static test and FEA(SY2 case)
由靜態(tài)測試結(jié)果對比,可以看出:
(1)測點相對臂架縱向軸線對稱布置,可以相互印證。左右對稱布置的測點應(yīng)力基本一致。上下對稱布置的測點中,上平面測點x-1、x-4(x=1,2,3,4)的應(yīng)力均大于下平面測點x-2和x-3(x=1,2,3,4),這是由于臂架處于作業(yè)狀態(tài)時,上、下平面弦桿因存在自重分力引起的彎曲應(yīng)力作用,使得上平面弦桿應(yīng)力大于下平面弦桿應(yīng)力。
(2)有限元計算結(jié)果與實車應(yīng)力測試結(jié)果平均誤差在13.8%左右,變化趨勢相近,證明有限元模型的可靠性,可以預(yù)測臂架應(yīng)力分布。
(3)個別測點誤差達到20%,這可能是測點位置與有限元選取位置因網(wǎng)格劃分情況存在一定偏差導(dǎo)致。
采集動態(tài)測試過程最大應(yīng)力,并與靜態(tài)測試結(jié)果對比,如表8和表9所示。表中,增幅=(動載應(yīng)力-靜載應(yīng)力)/靜載應(yīng)力;誤差率=(有限元應(yīng)力-動載應(yīng)力)/動載應(yīng)力。
從表8和表9中可以看出:
表8 動載試驗結(jié)果與靜載試驗結(jié)果對比統(tǒng)計(工況SY1)Tab.8 The comparison of results between dynamic and static test(SY1 case)
表9 動載試驗結(jié)果與靜載試驗結(jié)果對比統(tǒng)計(工況SY2)Tab.9 The comparison of results between dynamic and static test(SY2 case)
(1)同一測試工況下,動載試驗測點應(yīng)力最大值普遍大于靜載試驗值,增幅約20%~30%,個別測點增幅達到50%,這主要是由沖擊載荷引起的,當(dāng)臂架吊載突然反向回轉(zhuǎn)時沖擊載荷最大。在有限元計算時施加動載效應(yīng)和側(cè)向載荷后,與動載測試結(jié)果誤差在10%~20%,動載和沖擊載荷設(shè)定具有一定經(jīng)驗性,實際吊載過程未達到設(shè)置值。
(2)動載試驗與靜載試驗確定的危險點位置基本一致,測點2-4、3-1及3-4應(yīng)力較大,頂節(jié)與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接處最危險,這與理論分析確定的危險區(qū)域相符合。
本文建立300 t履帶起重機臂架有限元模型,對比線性與非線性計算結(jié)果,可以看出結(jié)構(gòu)的非線性特征比較明顯,因此,按非線性方法進行有限元分析。根據(jù)對有限元結(jié)果的分析,獲取常用工況下頂節(jié)、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、底節(jié)危險截面及應(yīng)力分布規(guī)律。由此結(jié)合設(shè)計規(guī)范,制定應(yīng)力測試方案及布置測點位置。通過對比測試結(jié)果與有限元計算結(jié)果,可以看出兩者的數(shù)值差異較小,變化趨勢相近,表明有限元模型建立的合理性和分析的正確性,為進一步的疲勞模型與計算提供參考。