趙國(guó)新

【摘要】本文對(duì)機(jī)械設(shè)備焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進(jìn)行了研究，這有利于延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備的使用壽命，也有利于降低安全事故發(fā)生的概率。機(jī)械設(shè)備在使用一段時(shí)間后，可能會(huì)出現(xiàn)一些明顯的裂紋，如果施工單位不重視，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備在使用的過(guò)程中出現(xiàn)斷裂。在研究的過(guò)程中，相關(guān)學(xué)者提出了斷裂力學(xué)與有限元結(jié)合的分析方式，這有利于提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性，可以在機(jī)械設(shè)備焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命研究中大力推廣這種方法。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械設(shè)備；焊接結(jié)構(gòu)；疲勞壽命；斷裂

機(jī)械設(shè)備在使用的過(guò)程中，焊接結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)疲勞開(kāi)裂或者斷裂的情況，如果開(kāi)裂失效達(dá)到一定程度，會(huì)出現(xiàn)無(wú)法修復(fù)的問(wèn)題，從而導(dǎo)致整臺(tái)設(shè)備報(bào)廢，增加了施工單位的經(jīng)濟(jì)成本。為了及時(shí)修復(fù)設(shè)備，相關(guān)工作人員需要加強(qiáng)對(duì)機(jī)械設(shè)備焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命研究工作。本文介紹了一種以斷裂力學(xué)為基本原理與公式的研究方法，結(jié)合有限元分析軟件，可以保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性。筆者結(jié)合某工程實(shí)例，對(duì)機(jī)械設(shè)備焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命研究中采用的流程、方法以及應(yīng)用情況進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，以供參考。

1、研究實(shí)例

1.1焊接主梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

某廠(chǎng)采用的橋式起重機(jī)，主梁采用的是空腹桁架式主梁，主梁結(jié)構(gòu)是一種典型的焊接結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

在對(duì)該設(shè)備進(jìn)行探傷時(shí)，工作人員在北主梁工字梁下蓋板位置發(fā)現(xiàn)了組合裂紋，如圖2所示。在進(jìn)行仔細(xì)的觀察后發(fā)現(xiàn)，組合裂縫的源頭是在板寬中部與腹板間的焊縫處，有的裂紋長(zhǎng)度已經(jīng)達(dá)到了150mm，這嚴(yán)重影響了設(shè)備的質(zhì)量以及使用的安全。

1.2起重機(jī)基本參數(shù)

起重機(jī)主梁采用的材質(zhì)為16Mn，主小車(chē)重量為73G/t，起重機(jī)經(jīng)常的起重載荷為100Q/t，水平加速度為0.18as/m·s-2，運(yùn)行沖擊系數(shù)為1.1，起升動(dòng)載系數(shù)為1.07。

2、研究的理論依據(jù)

在對(duì)該設(shè)備焊接裂縫進(jìn)行疲勞壽命的研究時(shí)，是以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)，以設(shè)備存在初始類(lèi)裂紋為前提，對(duì)裂紋擴(kuò)展規(guī)律以及設(shè)備的壽命進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)斷裂力學(xué)相關(guān)概念，存在裂紋的構(gòu)件，其壽命與裂紋擴(kuò)展速率有著直接關(guān)系。在對(duì)裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行計(jì)算時(shí)，計(jì)算公式如下：

3、應(yīng)力計(jì)算

在對(duì)應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，采用了有限元分析軟件，根據(jù)ANSYS軟件提供的子模型技術(shù)，可以減小后期處理時(shí)產(chǎn)生的誤差，從而保證計(jì)算的精度。應(yīng)力計(jì)算前，首先需要建立起重機(jī)主梁的整體模型，然后再進(jìn)行加載計(jì)算，從而得到主梁下蓋板最大彎曲應(yīng)力和最小彎曲應(yīng)力云圖，根據(jù)最大與最小應(yīng)力值的差，可以得到應(yīng)力幅度。

4、主梁結(jié)構(gòu)壽命評(píng)估

4.1參數(shù)確定

4.2壽命計(jì)算

在本文的研究實(shí)例中，實(shí)測(cè)的長(zhǎng)裂紋為150mm，將其帶入式（2），可以得到理論應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，該主梁的理論剩余應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為：Np一NL=5 220次，5220次循環(huán)大約還能繼續(xù)工作43天。

5、焊接疲勞的預(yù)防措施

5.1降低應(yīng)力集中

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)械設(shè)備焊接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞破壞的原因主要是應(yīng)力集中，為了延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，可以采用降低應(yīng)力集中的方法。在對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)減小斷面發(fā)生突變的可能，還要將結(jié)構(gòu)中拐角以及尖角改為圓弧形狀，從而增加曲率半徑。在對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的載荷分布進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證分布的均勻性，避免局部承載過(guò)大。在對(duì)焊接接頭進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，也要降低應(yīng)力集中，可以選擇對(duì)接的接頭，最好能磨平余高。焊接時(shí)選用連續(xù)焊縫的方式，焊縫之間還應(yīng)保持一定距離，另外，盡量避免在受拉構(gòu)件上設(shè)置橫向焊縫。

5.2降低焊接殘余應(yīng)力

為了避免設(shè)備焊接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞開(kāi)裂的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)與加工人員應(yīng)對(duì)焊接工藝進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制，降低焊接殘余應(yīng)力。采用振動(dòng)時(shí)效處理、加熱、錘擊以及局部壓縮的方式都可以改善殘余應(yīng)力場(chǎng)。設(shè)計(jì)人員在優(yōu)化焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，可以減少焊縫的數(shù)量，減小焊縫的尺寸。如果焊縫過(guò)于集中，也會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力分布不均勻的問(wèn)題，而采用較小的焊縫形式，則可以降低殘余應(yīng)力。另外，設(shè)計(jì)人員還要合理安排焊縫的順序，可以先對(duì)收縮量比較大的焊縫進(jìn)行處理，然后按照從中間向兩邊的方式進(jìn)行焊接。如果構(gòu)件同時(shí)存在對(duì)接焊縫與角焊縫，則應(yīng)先處理前者。在優(yōu)化振動(dòng)時(shí)效時(shí)，可以采用敲擊的方式，激起構(gòu)件共振，從而消除殘余應(yīng)力。敲擊時(shí)效是根據(jù)構(gòu)件固有的頻率做漸振運(yùn)動(dòng)，使金屬部件產(chǎn)生的塑性變形硬化，從而達(dá)到提高疲勞強(qiáng)度的效果，提高抗疲勞能力。設(shè)計(jì)人員還可以通過(guò)調(diào)節(jié)殘余應(yīng)力場(chǎng)的方式降低殘余應(yīng)力，這需要利用專(zhuān)業(yè)的加工設(shè)備，對(duì)焊縫或者焊趾進(jìn)行修整。采用局部加熱的方式也可以提高焊接疲勞強(qiáng)度，設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)，制定出切實(shí)可行的施工方案。

5.3焊接缺陷妥善處理

在焊接時(shí)，施工人員一定要提高焊縫的質(zhì)量，控制施工的強(qiáng)度，做好焊接缺陷的妥善處理，從而延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。磨光是處理焊縫的有效措施，其可以改善焊縫的形狀參數(shù)，可以消除焊縫表面的缺陷。在對(duì)角焊縫磨光時(shí)，采用的工藝比較復(fù)雜，這對(duì)施工人員提出了較高的要求，其必須保證焊縫尺寸達(dá)標(biāo)。在對(duì)局部進(jìn)行磨光時(shí)，需要采用砂輪，這項(xiàng)工作的強(qiáng)度比較小，可以保證焊趾周?chē)膱A順性。只有優(yōu)化焊接處理技術(shù)，才能提高焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。

6、結(jié)語(yǔ)

機(jī)械設(shè)備焊接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞裂紋后，對(duì)設(shè)備的使用帶來(lái)了較大的安全隱患，如果處理不夠及時(shí)，會(huì)縮短設(shè)備的使用壽命。本文對(duì)常用的探傷技術(shù)以及優(yōu)化焊縫的方法進(jìn)行了介紹，希望相關(guān)工作人員合理的利用這些技術(shù)，降低設(shè)備出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的概率。在設(shè)計(jì)焊縫的數(shù)量與尺寸時(shí)，應(yīng)盡量減少焊縫的數(shù)量，這可以降低焊接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞失效的概率。研究人員采用斷裂力學(xué)與有限元分析法結(jié)合的方式，可以快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)出機(jī)械設(shè)備存在的斷裂隱患，從而延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

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