李普陽 王悅民

(上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海 200135)

橋式抓斗卸船機(jī)隨著使用年限的增加，在循環(huán)載荷的作用下會發(fā)生疲勞損傷。雖然其鋼結(jié)構(gòu)沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，也沒有受到撞擊發(fā)生變形，但是卸船機(jī)在基本達(dá)到設(shè)計(jì)壽命后能否繼續(xù)安全使用仍舊需要重新評估。本文是根據(jù)測量的前大梁撓度來判斷前大梁的剛度弱化情況，通過計(jì)算分析前大梁有效彈性模量 的減小來判斷橋式抓斗卸船機(jī)局部穩(wěn)定性。

1 大梁的疲勞損傷

Henry 基于疲勞損傷對材料S-N 曲線的影響，提出了疲勞損傷理論，該理論認(rèn)為:

(1)經(jīng)過一定次數(shù)的循環(huán)后，材料將產(chǎn)生損傷。受損后材料的S-N 曲線方程與損傷前材料(或稱無損傷材料)的S-N 曲線方程具有相同的形式。只是曲線方程中的常數(shù)不同。

(2)損傷定義為:

式中 SL——為無損傷材料的疲勞極限;

S'L——為損傷后材料的疲勞極限。

最終得到損傷曲線方程為:

式中 x——當(dāng)前循環(huán)次數(shù)占總循環(huán)次數(shù)的循環(huán)比，x=n/N;

q=(S=SL)/SL，S 為使用應(yīng)力。

損傷因子D 與應(yīng)力水平、循環(huán)軟化指數(shù)、疲勞極限以及循環(huán)比等因素有關(guān)，載荷順序和外界環(huán)境對疲勞累計(jì)損傷也有影響。

隨著循環(huán)次數(shù)的增加，材料循環(huán)軟化，損傷因子逐漸變大。在受到循環(huán)載荷損傷的作用下有效彈性模量會隨著損傷因子的變化而變化(不考慮有效承載面積的變化)，對于平面應(yīng)變狀態(tài)，有效彈性模量與損傷因子的關(guān)系式:

式中 E——彈性模量;

由上面的方程可以看出，在循環(huán)載荷作用下，損傷因子越來越大，有效彈性模量逐漸減小，并且呈現(xiàn)非線性變化。

2 前大梁的撓度

前大梁在使用過程中，經(jīng)檢測沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，同時也沒受到外界撞擊發(fā)生變形。每次測量前大梁的撓度時都盡最大努力使起升載荷、溫度、風(fēng)速等相同，因此可以忽略外界因素對撓度測量的影響。在前大梁同一位置同種工況下測量出大梁累計(jì)工作循環(huán)N 次后，小車行至最大外伸距時起吊額定起重量時的撓度。

圖1 前大梁的撓度Figure 1 Deflection of front crossbeam

隨著使用年限的增加，前大梁本身會有塑性變形，實(shí)驗(yàn)測得的大梁撓度是大梁施加力之后可以完全彈回未施加力位置的相對變形量(如圖1曲線從1 受力變形為3，移去載荷后彈回曲線1)，一次的微小塑性變形相對與大梁的彈性變形量可以忽略不計(jì)。大梁使用幾年后本身會有累計(jì)塑性變形(如圖1 曲線從1 位置變化到2 位置)，實(shí)驗(yàn)測量的大梁撓度是不考慮大梁本身變形的相對彈性變形量。

3 橋式抓斗卸船機(jī)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)前大梁的幾何尺寸，建立前大梁的ANSYS 模型，見圖2。具體參數(shù)如下:橋式抓斗卸船機(jī)的額定起重量為45 t，前大梁自重32 t，小車自重25 t，最大加速度1 m2/s，大車最大加速度為0.49 m2/s，根據(jù)F.E.M 規(guī)范得，動載系數(shù)γc=1.2，起升沖擊載荷系數(shù)ψ=1.4。卸船機(jī)主結(jié)構(gòu)制造材料為Q235，彈性模量E=2.1×1011MPa。按一類工況加載，約束前后大梁鉸點(diǎn)與前大梁和前拉桿鉸點(diǎn)位置。

圖2 前大梁ANSYS 模型Figure 2 ANSYS mode of front crossbeam

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

隨著橋式抓斗卸船機(jī)的使用，前大梁在循環(huán)載荷的作用下發(fā)生循環(huán)軟化，大梁撓度變大。根據(jù)前大梁的撓度，通過ANSYS 模型計(jì)算出在該撓度下的前大梁有效彈性模量，依據(jù)F.E.M 規(guī)范，分別計(jì)算在不同有效彈性模量情況下組合梁最危險位置的安全系數(shù)，判斷前大梁的局部穩(wěn)定性。該橋式卸船機(jī)使用至今的撓度測量及計(jì)算結(jié)果的部分?jǐn)?shù)據(jù)見表1。

表1 卸船機(jī)的測量撓度及相關(guān)數(shù)據(jù)Table 1 Measured deflection and relative data of ship unloader

根據(jù)累積的循環(huán)次數(shù)和計(jì)算所得的有效彈性模量，繪制有效彈性模量E～隨循環(huán)累計(jì)次數(shù)N 的曲線見圖3。

圖3 有效彈性模量的變化Figure 3 Change of effective elastic modulus

圖4 前大梁的失穩(wěn)形式Figure 4 Instability mode of front crossbeam

由圖3 曲線我們可以看出，隨著卸船機(jī)使用壽命的增加，前大梁受到循環(huán)載荷的作用，剛度逐漸減小，有效彈性模量降低。依據(jù)F.E.M 屈曲計(jì)算我們可知:隨著有效彈性模量的降低，前大梁屈曲安全系數(shù)下降，可能發(fā)生局部失穩(wěn)，當(dāng)屈曲安全系數(shù)下降為1 時，前大梁失效。

小車行至不同的位置大梁發(fā)生屈曲失穩(wěn)的位置不同，以小車行至最大外伸距時為例，通過調(diào)整有效彈性模量，經(jīng)分析知前大梁與前拉桿鉸點(diǎn)位置容易發(fā)生屈曲。圖4 顯示了有效彈性模量下降至某一定值時的破壞的形式和位置。

在卸船機(jī)的實(shí)際使用過程中。我們可以通過測量前大梁撓度來判斷前大梁的穩(wěn)定性，評估前大梁的當(dāng)前安全狀況。

5 結(jié)論

損傷因子D 反映了材料的剛度下降比例，對于橋式抓斗卸船機(jī)而言，損傷因子隨著大梁循環(huán)使用次數(shù)的增加而變大，當(dāng)D 增大至某一值時大梁失去安全承載能力。

橋式抓斗卸船機(jī)前大梁的有效彈性模量會隨著循環(huán)次數(shù)的增加而減小，并且呈現(xiàn)非線性變化，符合疲勞損傷理論。

卸船機(jī)即使在外部鋼結(jié)構(gòu)基本完好的情況下，隨著使用壽命的增加也會發(fā)生失穩(wěn)，實(shí)時監(jiān)測卸船機(jī)撓度的變化來判斷卸船機(jī)的局部穩(wěn)定性尤為重要。

［1］潘鐘林譯.歐洲起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范.上海振華港口機(jī)械公司叢，1998.

［2］陳瑋璋.起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu).人民交通出版社，1986.

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