鄭惠強,喬 榛,2

(1.同濟大學機械與能源工程學院,上海,201804; 2.上海海事大學物流工程學院,上海,201306)

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岸橋大車平衡梁腹板結構的多軸疲勞試驗研究

鄭惠強1,喬 榛1,2

(1.同濟大學機械與能源工程學院,上海,201804; 2.上海海事大學物流工程學院,上海,201306)

近年來,在役岸邊集裝箱起重機大車平衡梁腹板發(fā)生了系統性開裂的現象.通過對平衡梁結構的受力分析以及載荷情況測定發(fā)現,岸橋在實際工作中不僅受到其垂直載荷的作用,還受到較大的水平側向力的作用.在現場測試研究結論的基礎上,設計了縮尺的帶有圓環(huán)形蓋板式重磅的腹板結構試件及配套的試驗臺架,用該試驗臺架對腹板結構試件進行多軸疲勞試驗.通過試驗考察研究該結構在多軸載荷作用下的疲勞壽命和影響因素.

大車平衡梁; 開裂; 水平側向力; 多軸疲勞試驗; 影響因素

ZHENG Hui-qiang1,QIAO Zhen1,2

(1.Energy and Mechanical Engineering College,Tongji University,Shanghai,201804,China;2.Logistics Engineering College,Shanghai Maritime University,Shanghai,201306,China)

隨著我國航運業(yè)的蓬勃發(fā)展,港口機械設備的工作強度越來越高.岸邊集裝箱起重機(以下簡稱岸橋)是港口碼頭最常用的裝卸設備之一,由于其工作環(huán)境特殊、使用頻繁,常年在露天環(huán)境及惡劣工況下工作,受力狀態(tài)復雜多變,極易引發(fā)疲勞破壞.近年來,在岸橋大車平衡梁的腹板上接連發(fā)生了疲勞開裂現象.大車是實現岸橋整機運行的重要機構,而平衡梁起到支承整機結構、傳遞輪壓等重要作用,因此,其強度和疲勞壽命將直接影響岸橋的正常使用,研究其疲勞開裂的成因具有十分重要的現實意義.

通過對岸橋工作特點和結構特點的分析,發(fā)現大車平衡梁除了受到以岸橋上部結構、小車結構以及起升質量為主的垂直載荷的作用以外,還受到由小車起制動所引起的慣性力、吊重偏擺力以及結構變形引起的水平載荷的作用,使得平衡梁腹板處于復雜的多軸應力狀態(tài).早期起重機小,運行速度慢,因此該水平載荷并沒有被充分重視,疲勞問題并不突出.但是,如今隨著起重機向大型化、重型化發(fā)展,整機起重量和小車運行速度都有較大幅度的提高,這些因素都導致水平載荷顯著增加,對于平衡梁的疲勞是極不利的.根據現場測試數據分析得知:在較為惡劣的工況下,單腿下大車平衡梁承受的水平側向力為15～20 t,整機水平側向力可達60 t.

有研究結果表明[1,2]:在多軸加載下會使結構的疲勞壽命大大降低,一般可達50%～90%.據此認為:大車平衡梁腹板系統性開裂的原因是垂直載荷與水平載荷的聯合作用使其處于復雜的應力狀態(tài).

現以某典型岸橋的大車平衡梁結構及受力情況為依據,取單塊腹板為研究對象,根據平均應力和應力幅相似性原則,設計制作小尺寸試件及配套的試驗臺架開展多軸疲勞試驗,旨在通過試驗得到腹板結構在多軸加載下的疲勞壽命,分析其在裂紋萌生前后力學表現的差異.試驗內容包括:試驗臺架的設計(試件、夾具、加載裝置)、試驗方案的制定、數據的采集與分析.

1 試驗準備

1.1 試件的設計

考慮到垂直力和水平側向力的大小和作用效果均在平衡梁腹板上有所體現,并且實際工程中的開裂都是發(fā)生在腹板與重磅板的焊縫連接位置,因此從簡化試驗對象、節(jié)省試驗成本、提高試驗效率的角度出發(fā),取帶圓環(huán)形蓋板式重磅的腹板結構為主要研究對象,將翼緣板對腹板的嵌固作用簡化為鉸接約束.并且考慮后續(xù)研究處理數據的便利性,將試件設計為雙軸對稱結構.由于疲勞試驗機的作業(yè)空間有限,初步設定試件為厚度為5mm的300mm x 300 mm的正方形板件.圓環(huán)形重磅尺寸的設計原則是:在設計載荷的作用下,重磅正下方板件的應力均值和應力幅值與測試岸橋腹板結構在測試載荷下的對應參數的數值相當.由此得到試件設計簡圖如圖1所示.

圖1 試件設計簡圖

1.2 試驗臺架的設計

試驗臺架如圖2所示.其中WK1為試件夾具,與WK3,WK4組成封閉結構,提供垂直力施加的支反力;WK2,WK3,WK4亦為試件夾具,內側具有燕尾槽口,用于固定試件,起到四邊簡支的約束作用;U形加載裝置用來傳遞利用螺栓預緊產生的垂直力;面外力加載軸可同時實現與疲勞試驗機加載頭連接施加水平側向力、傳遞垂直力的作用;利用疲勞試驗機上部的夾頭夾持支撐架以固定試驗臺架.

圖2 試驗臺架示意圖

1.3 試驗設備

試驗中采用的主要硬件設備包括MTS材料疲勞試驗機、高速靜態(tài)應力應變測試儀、數字成像儀、測厚儀、PC機等,現場試驗實況如圖3所示.

圖3 試驗平臺放置實況圖

1.4 應變片布置方案

為了保證垂直力的施加達到設定值,在U形加載裝置的兩個耳板的上下表面各貼一片應變片(參見圖4),則試件受到的面內載荷即垂直力Pin可通過列公式換算得到.

(1)

(2)

Pin=Eεr1A1+Eεr2A2

(3)

式中:?1,?2為一側耳板上、下表面的應變片讀數,?r1為兩者的均值,A1為耳板的橫截面面積;?3,?4為另一側耳板上、下表面的應變片讀數,?r2為兩者的均值,A2為另一側耳板的橫截面面積;E為鋼材的彈性模量.

并且,為了使垂直力施加在板件中面,在加載過程中對上述應變片數據進行采樣,調整螺栓的位置,使上下耳板的應變之和盡可能趨于相等.

另外,為了獲取試件表面某位置的應力水平,在試件一側的易開裂區(qū)——重磅焊縫正下方的焊趾部位也布置應變片(盡可能靠近焊趾),同時在該應變片的左右兩側間隔25 mm處再各布置一片,便于通過應變片數值的變化及時發(fā)現裂紋,如圖5所示.

圖4 U形加載裝置應變片貼片示意

圖5 試件表面應變片貼片示意

2 試驗結果分析

試驗載荷工況為在8t恒定不變的垂直力作用下,水平側向力以0.4t對稱循環(huán).在相同的載荷工況下,總共進行了3個試件的多軸疲勞試驗,試件情況及壽命結果列于表1.以1#試件為例,試件開裂情況如圖6,7所示.

表1 1～3# 試件試驗情況總結

注:此處“裂紋萌生壽命”指的是試件從開始受載到應變測試儀反映出應變片幅值出現明顯變化時的累計循環(huán)加載次數.同理,“裂紋擴展壽命”指的是試件從開始受載到裂紋在試件厚度方向穿透并向母材擴展的累計循環(huán)加載次數.

圖6 數字拍攝表面開裂示意

圖7 貼片面開裂示意

通過對上述3個試件的試驗過程的觀察以及數據分析發(fā)現:

(1) 裂紋均萌生于重磅板正下方的焊趾部位,與大車平衡梁腹板的實際開裂位置相同.該部位既是垂直力作用下的最大受力位置,也是水平側向力的直接作用位置,在二力聯合作用下,重磅焊縫不斷地擠入擠出,容易累積疲勞損傷.

(2) 隨著加載循環(huán)次數的增加,試件逐漸累積疲勞損傷,當損傷達到臨界值時初始裂紋萌生.在這個過程中,疲勞試驗機的加載頭位移增長緩慢,因此在裂紋萌生初期不易察覺,而裂紋一旦萌生后,擴展速度極快.因此,在日常使用過程中應注意對結構的易開裂部位進行定期排查.

(3) 焊縫開裂后向兩側擴展,但是擴展并不對稱,易向截面薄弱處先擴展.

對比1～3#試件的試驗結果(表1)還可以發(fā)現,在相同的載荷工況下,試件壽命呈一定的離散性.經分析,該離散性與試件的厚度、焊縫加工質量以及板邊約束條件有關.

① 板厚 板厚對疲勞壽命會造成一定的影響.從1,2#試件的裂紋萌生壽命結果可以看出,板厚僅相差0.1 mm,疲勞壽命就有明顯的不同,說明該結構在此類多軸疲勞狀態(tài)下對板件厚度的敏感度較高.進而可得出結論:在設計大車平衡梁時,適當增加腹板厚度可有效提高結構的疲勞壽命.

② 焊縫 焊縫設計及加工質量對疲勞壽命的影響較大.根據試件加工要求,焊縫高度應為6 mm.經焊后處理,1,2#試件焊縫高度達到加工要求,但是它們的焊縫強度并不相同,1#試件的重磅焊縫打磨后通過補焊進一步提高了其強度,2#試件經車削后未做任何加強處理,并且其焊縫剩余量明顯少于1#試件.3#試件由于本身焊縫高度大(8mm)、車削加工量小,因此焊縫強度大于其余兩個試件.因此,焊縫強度可能是導致2#試件的裂紋萌生壽命明顯低于同厚度的3#試件的最主要原因,也是3#試件的裂紋萌生壽命大于1#試件的原因.

③ 板邊約束條件 板邊約束條件在試驗過程中,3#試件的一側板邊約束沒有達到簡支那么強,試件與夾具之間存在一定間隙,因此,實際壽命比四邊簡支的情況有所提高,這是導致3#試件壽命較大的另一個原因.

3 結論

通過對縮尺的大車平衡梁腹板試件進行多軸疲勞試驗,在相同的載荷工況下得到了3個試件樣本的疲勞壽命.經試驗研究,得出以下結論:

(1) 帶圓環(huán)形蓋板式重磅的焊接腹板結構在恒定垂直力和對稱循環(huán)水平側向力的作用下,腹板表面處于多軸應力狀態(tài).雖然水平側向力的數值遠小于垂直力,但其對壽命有著顯著的影響.裂紋萌生于重磅正下方與腹板焊接處,在載荷作用下迅速擴展.

(2) 小尺寸腹板結構的疲勞壽命對腹板厚度和焊縫高度的敏感性較高.板厚增加2%,壽命增加62.4%;焊縫高度增加33%,壽命增加93.5%.因此,對于此類結構的加工制造,需要特別注意保證板厚和焊縫高度.

[1] 王英玉.金屬材料的多軸疲勞行為與壽命估算[D].南京:南京航空航天大學,2005.

WANG Yingyu.Fatigue behavior and fatigue life prediction of metals under multiaxial cyclic loading[D].Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2005.

[2] 朱正宇,何國求,陳成澍,等.多軸非比例加載高周疲勞研究進展[J].同濟大學學報,2006,34(9),1221-1250.

ZHU Zhengyu,HE Guoqiu,CHEN Chengshu,et al.Recent advances of multiaxial high cycle fatigue under nonproportional loading [J].Journal of Tongji University:Natural Science,2006,34(9),1221-1250.

作者簡介：王 欣(1972-),女,博士,副教授。E-mail：wangxbd21@163.com

Multi-axial fatigue testing on web structure for cart balance beams of quayside container cranes

In recent years,the systematic cracks occur on the web plates for cart balance beams of in-service quayside container cranes.By employing the loading analysis and determination,the quayside container crane is significantly enforced by both vertical and horizontal forces.Based on the on-site testing,the scaled ring-cover heavy web structure and test-bed are designed for multi-axial fatigue testing.the fatigue life,along with impact factors,is investigated.

cart balance beam; crack; horizontal force; multi-axial fatigue testing; impact factor

喬 榛(1984-),女,講師.E-mail:hazel_qz@163.com.

TH 213

A

1672-5581(2016)01-0073-04

國家"八六三"高科技計劃資助項目(2012AA041804)