丁 一
(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院鎮(zhèn)江分院,江蘇鎮(zhèn)江 212000)
起重機(jī)箱形梁疲勞壽命分析
丁 一
(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院鎮(zhèn)江分院,江蘇鎮(zhèn)江 212000)
根據(jù)起重機(jī)出現(xiàn)的裂紋數(shù)量和嚴(yán)重程度,通過斷裂力學(xué)推算出裂紋的擴(kuò)展公式,結(jié)合起重機(jī)箱形梁應(yīng)力譜和裂紋的擴(kuò)展公式,推算出起重機(jī)的使用壽命。應(yīng)用損傷力學(xué)公式估算起重機(jī)的使用壽命,有利于企業(yè)對設(shè)備進(jìn)行維修和更換,保證施工安全。
起重機(jī);裂紋;壽命預(yù)估
10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.10.16
起重機(jī)進(jìn)行貨物搬運時,常常發(fā)生安全事故。其中因起重機(jī)出現(xiàn)故障而導(dǎo)致的安全事故占大多數(shù),嚴(yán)重威脅施工人員的人身安全。對事故進(jìn)行調(diào)查后可以發(fā)現(xiàn),起重機(jī)最常出現(xiàn)的問題就是由疲勞裂紋(圖1)引起的起重機(jī)結(jié)構(gòu)的破壞。因此,加強(qiáng)對起重機(jī)裂紋的研究,推算出起重機(jī)的壽命是保障施工安全的關(guān)鍵,也是保障施工質(zhì)量的重要途徑。
起重機(jī)常常需要在較大的載荷下工作,而且有的起重機(jī)運送的貨物是變化的,載荷的變化幅度很大,導(dǎo)致起重機(jī)出現(xiàn)裂紋。起重機(jī)箱形梁本身材料就有間隙存在,焊接的時候也可能會出現(xiàn)縫隙,這些因素也是生成疲勞裂紋的原因。因此起重機(jī)在工作一段時間后,常常會出現(xiàn)裂紋,裂紋逐漸擴(kuò)張,形成疲勞裂紋。
箱形梁是起重機(jī)的重要結(jié)構(gòu)組成部分。如果起重機(jī)的箱形梁出現(xiàn)較大裂縫,起重機(jī)的壽命也會受到影響。疲勞裂紋的位置對起重機(jī)的壽命影響也很大,疲勞裂紋常常出現(xiàn)在有焊縫的地方,或者是箱形梁材料缺陷的地方。對起重機(jī)箱形梁出現(xiàn)裂縫的位置進(jìn)行統(tǒng)計,可以發(fā)現(xiàn)裂紋主要集中出現(xiàn)在2個位置:①翼的焊縫處。裂紋常常為橢圓形。②大隔板的焊縫處。裂縫常常為半圓形。
圖1 起重機(jī)箱形梁裂紋照片
通過箱形梁裂紋推算起重機(jī)壽命時,需要先了解裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子。應(yīng)力強(qiáng)度因子和起重機(jī)自身結(jié)構(gòu)以及外部的影響因素有關(guān)。
如果起重機(jī)箱形梁上只有一條疲勞裂紋,計算其應(yīng)力強(qiáng)度因子比較簡單。如果用Q表示應(yīng)力強(qiáng)度因子,α表示起重機(jī)所用材料的相關(guān)系數(shù),σ表示截面所受到的應(yīng)力,X來表示裂紋的大小。計算該情況下裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的公式為
如果起重機(jī)箱形梁存在幾條裂紋,需要運用疊加的原理,將裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子組合起來計算。為了將多個裂紋的復(fù)雜情況進(jìn)行簡化,可以忽略一些裂紋,如裂紋的尖端離梁的邊界有一定距離時,可以忽略該裂紋。如果用KI來表示該情況下的應(yīng)力強(qiáng)度因子,Ki表示基本的應(yīng)力強(qiáng)度因子,M表示裂縫個數(shù),用βi對裂紋進(jìn)行修正。計算公式見式(1)。
對起重機(jī)箱形梁進(jìn)行壽命估算時,需要運用斷裂力學(xué)的知識。其中Paris的裂紋擴(kuò)展速率式是對箱形梁裂紋進(jìn)行分析的重要公式,可以用來計算載荷不變的箱形梁的裂紋擴(kuò)展速度。再通過求出箱形梁應(yīng)力譜,推算出這類箱形梁的使用壽命。
如果將裂紋的擴(kuò)展速度表示為da/dn,將應(yīng)力循環(huán)的次數(shù)表示為n,將應(yīng)力強(qiáng)度因子最大值和最小值的差表示為ΔK,將和起重機(jī)材料相關(guān)的系數(shù)表示為c,將和裂紋性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)表示為m,則計算裂紋擴(kuò)展速度的公式表示為da/dn=c(ΔK)m。
當(dāng)起重機(jī)搬運固定貨物時,貨物的重量是一定的。推算這類的起重機(jī)使用壽命時,只要對其裂紋擴(kuò)展公式進(jìn)行積分,就可以估算出它的使用壽命。如果將這類起重機(jī)梁的初始裂紋大小用a0表示,裂紋最大值用af表示,達(dá)到臨界值的轉(zhuǎn)數(shù)用Nf表示,轉(zhuǎn)數(shù)的計算公式見式(2)。
有的起重機(jī)運送的貨物并不是固定的,貨物的重量變化較大,這類起重機(jī)受到的載荷在不斷變化,計算這類起重機(jī)使用壽命的時,應(yīng)該選擇峰值采樣的方式,將變化的載荷轉(zhuǎn)化為不同幅值的恒等不變的載荷。每個幅值對應(yīng)的轉(zhuǎn)數(shù)表示為ni,將問題轉(zhuǎn)化為恒幅載荷起重機(jī)的壽命計算問題。只要將各個應(yīng)力幅下壽命算出,然后通過損傷力學(xué)Miner線性損傷準(zhǔn)則,求出起重機(jī)的損傷度,就可以估算出變幅載荷起重機(jī)的壽命。損傷度的計算公式見式(3)。
為了更好的估算出起重機(jī)的數(shù)據(jù),從而發(fā)現(xiàn)起重機(jī)出現(xiàn)裂縫的危險部位。生廠商研發(fā)出了測算起重機(jī)應(yīng)力譜的方法。在測算之前,先將有傳感器功能的記錄儀以布線的方式固定在起重機(jī)的重要部位,起重機(jī)工作時,隨著載荷的變化,箱形梁結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生不同程度的變形,傳感器將變形量記錄下來,并將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得出起重機(jī)應(yīng)力變化情況,應(yīng)力變化情況繪成圖表就是應(yīng)力譜。
測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后繪制成圖表,圖表使數(shù)據(jù)和起重機(jī)的情況變得更為直觀。將測得的起重機(jī)箱形梁承受不同幅值的次數(shù)作為縱坐標(biāo),應(yīng)力幅值作為橫坐標(biāo),然后繪制出頻次圖(圖2)。可以將起重機(jī)應(yīng)力的波動情況完全記錄下來,直觀地顯示出載荷大小和應(yīng)力之間的關(guān)系。
圖2 幅值累計頻次
通過應(yīng)力譜的生成方式,可以獲得起重機(jī)在不同載荷下的應(yīng)力變化,通過繪制頻次圖,清晰體現(xiàn)出應(yīng)力和載荷之間的關(guān)系,對估算起重機(jī)的壽命起重要作用。通過計算方法也能較為準(zhǔn)確地估算出起重機(jī)的剩余壽命,幫助施工人員了解起重機(jī)的狀況,預(yù)防因起重機(jī)出現(xiàn)問題而導(dǎo)致的事故。
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〔編輯 李 波〕