王 鑫 孫同峰 郭富城

摘 要：橋式起重機(jī)是一種應(yīng)用于現(xiàn)代社會的重要機(jī)械設(shè)備，多應(yīng)用于港口、碼頭、工廠等區(qū)域，用于重載貨物的吊運(yùn)。橋式起重機(jī)屬于特種設(shè)備，積極做好橋式起重機(jī)的運(yùn)行監(jiān)控與安全管理工作是保障橋式起重機(jī)安全、高效運(yùn)行的重要一環(huán)。在對橋式起重機(jī)安全管控的過程中通過良好的定量評估用以預(yù)測橋式起重機(jī)的使用壽命，在橋式起重機(jī)安全管理的過程中有針對性地對其進(jìn)行維護(hù)，從而最大限度地發(fā)揮出橋式起重機(jī)的作用，保障橋式起重機(jī)的安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：橋式起重機(jī);應(yīng)力譜;疲勞壽命評估

中圖分類號：TH215? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

橋式起重機(jī)是一種應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的重要設(shè)備。橋式起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)不可更換，一旦其發(fā)生失效將會造成嚴(yán)重的安全事故。在橋式起重機(jī)的運(yùn)行管理過程中通過對橋式起重機(jī)使用檢測傳感器建立起橋式起重機(jī)的載荷譜，并應(yīng)用金屬結(jié)構(gòu)疲勞剩余壽命評估方法用以做好對于橋式起重機(jī)的運(yùn)行監(jiān)控，保障橋式起重機(jī)的安全運(yùn)行。

1 獲取橋式起重機(jī)載荷譜及疲勞評估的重要意義

橋式起重機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用極為廣泛，做好橋式起重機(jī)的安全監(jiān)測與壽命評估將能夠最大限度地發(fā)揮出橋式起重機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益，在降低用戶更新置換成本的同時提高橋式起重機(jī)運(yùn)行的安全性。橋式起重機(jī)在設(shè)計之初將會以橋式起重機(jī)的使用工況、使用等級以及工作年限等參數(shù)作為基礎(chǔ)對橋式起重機(jī)進(jìn)行設(shè)計。但是實際完成制造后的橋式起重機(jī)由于制造質(zhì)量、使用工況等條件的不同導(dǎo)致橋式起重機(jī)的實際使用壽命與設(shè)計壽命之間存在較大的差距。在橋式起重機(jī)的實際使用中，對于橋式起重機(jī)中的易損部件及電氣部分可以根據(jù)需要進(jìn)行檢修更換，但是作為橋式起重機(jī)主體部分的金屬結(jié)構(gòu)件將無法進(jìn)行更換，做好橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)部分的載荷檢測與壽命評估對于保障橋式起重機(jī)的安全運(yùn)行有著重要的意義。橋式起重機(jī)長期承受著復(fù)雜變化載荷的作用，據(jù)不完全統(tǒng)計橋式起重機(jī)中的金屬結(jié)構(gòu)部分所產(chǎn)生的疲勞斷裂有近一半是在長期復(fù)雜變化載荷作用下產(chǎn)生的。疲勞斷裂所產(chǎn)生的危害很大，加之其具有“突然死亡”的特點，因此做好橋式起重機(jī)載荷譜與剩余壽命評估有著極為重要的意義。

2 橋式起重機(jī)載荷譜獲取方法

橋式起重機(jī)載荷應(yīng)力譜主要是由一段時間內(nèi)的橋式起重機(jī)載荷應(yīng)力統(tǒng)計分析處理后所得出的，獲取橋式起重機(jī)載荷應(yīng)力方面最直接的方法是使用傳感器進(jìn)行現(xiàn)場測量，這一方法雖然測得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，能夠?qū)蚴狡鹬貦C(jī)的載荷應(yīng)力有著最直觀的顯示，但是其耗時長、成本高不利于實際推廣。而另一種橋式起重機(jī)載荷應(yīng)力譜的獲取方式主要是通過將橋式起重機(jī)載荷現(xiàn)場測量與計算機(jī)模擬結(jié)合的方式，通過對橋式起重機(jī)載荷進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，并對所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析估算用以模擬橋式起重機(jī)載荷應(yīng)力譜，并在所得出模擬數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對橋式起重機(jī)載荷應(yīng)力數(shù)據(jù)的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與仿真模擬結(jié)果進(jìn)行對比，用以優(yōu)化仿真模擬數(shù)據(jù)。

2.1 確定橋式起重機(jī)疲勞核算點的位置

橋式起重機(jī)疲勞斷裂位置多集中在橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的載荷集中區(qū)與疲勞性能薄弱區(qū)。在橋式起重機(jī)疲勞核算點位置確定上以某型橋式起重機(jī)為例，某型橋式起重機(jī)采用中軌箱型梁，以橋式起重機(jī)梁上各處疲勞性能一致為基準(zhǔn)確定進(jìn)行橋式起重機(jī)疲勞核算點位置，可以確定在橋式起重機(jī)應(yīng)力相應(yīng)的最大位置處，而中軌箱型梁式起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)決定了其最大應(yīng)力主要集中在起重機(jī)的中跨點及附近區(qū)域，為了更加精確地確定橋式起重機(jī)疲勞核算點的位置，需要對橋式起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行建模分析，用以找到橋式起重機(jī)疲勞核算點位置。在建立橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)箱梁的模型的過程中可以按照以下方法：1）首先建立坐標(biāo)系，坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點選在橋式起重機(jī)端梁上翼源板中心線與橋架主梁方向的中心線交點處，X軸方向與橋式起重機(jī)主梁方向平齊，并指向小車位置，Y軸方向與橋式起重機(jī)的端梁方向平齊。2）單元類型。某型橋式起重機(jī)主端梁采用鋼板焊接，主箱梁的寬厚比較大，在模型的建立上可以選用Shell63彈性板單元，這一單元類型具有良好的彎曲和薄膜特征，這一彈性板單元能夠?qū)蚴狡鹬貦C(jī)在復(fù)雜載荷條件作用下的彎曲和扭轉(zhuǎn)特性進(jìn)行良好的反映，用以保證所建立的模型能夠滿足橋式起重機(jī)疲勞核算的精度要求。3）邊界條件。橋式起重機(jī)在運(yùn)行的過程中主要沿箱梁軌道運(yùn)行，橋式起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)有限元模型約束點主要集中在端梁兩側(cè)安裝大車車輪軸的位置上，將橋式起重機(jī)的主端梁視為簡支梁，用以約束橋式起重機(jī)所承受的來自于X/Y/Z 3個方向上的移動自由度，將橋式起重機(jī)主梁的變形視為移動的大車?yán)@橋式起重機(jī)軌道軸線Y向轉(zhuǎn)動，端梁變形則視為沿X軸轉(zhuǎn)動。

2.3 橋式起重機(jī)載荷有限元計算

在橋式起重機(jī)運(yùn)行過程中，橋式起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)部分受到來自于橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)部分自重和起升載荷的作用。建模計算中將對橋式起重機(jī)上的所有載荷（橋式起重機(jī)自重、導(dǎo)電架小車、大車等部分的重量）進(jìn)行均勻化考慮，而對于橋式起重機(jī)上的操作室、配電箱及其他剩余的部分按照集中載荷規(guī)制，通過這一方式完成橋式起重機(jī)所承受載荷的計算。在建立的橋式起重機(jī)模型中，由于所規(guī)劃的網(wǎng)格長度為0.2 m，相對于橋式起重機(jī)箱梁的長度各節(jié)點處所承受的載荷表現(xiàn)為集中載荷，作用在橋式起重機(jī)箱梁上。由于建立的橋式起重機(jī)模型應(yīng)力集中，造成有限元計算得出的橋式起重機(jī)箱梁上的應(yīng)力分布圖中局部應(yīng)力值偏大的情況，而如若應(yīng)力集中點并未集中在橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)疲勞核算點的位置，就無需考慮橋式起重機(jī)應(yīng)力集中點對橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)疲勞應(yīng)力點分析的影響。

根據(jù)所建立的橋式起重機(jī)載荷模型進(jìn)行分析和計算，橋式起重機(jī)上的大小車移動時，其跨中截面的應(yīng)力分布主要集中于跨中位置，且分別對應(yīng)于X方向、第一主應(yīng)力、等效應(yīng)力等。由模擬結(jié)果可以得知，橋式起重機(jī)上的應(yīng)力載荷在橋式起重機(jī)的中跨區(qū)域?qū)?dǎo)致橋式起重機(jī)產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，其中橋式起重機(jī)主梁跨中截面主要承受自由彎曲所產(chǎn)生的正應(yīng)力，外載荷在橋式起重機(jī)中跨區(qū)域所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力較小。在橋式起重機(jī)跨中梁上翼緣板所承受的壓應(yīng)力主要為正應(yīng)力，而下翼緣板則主要承受拉應(yīng)力。而由于作用于橋式起重機(jī)上的拉應(yīng)力容易造成金屬結(jié)構(gòu)部分產(chǎn)生疲勞破壞，橋式起重機(jī)的疲勞核算點應(yīng)該選取在橋式起重機(jī)中跨區(qū)域的下翼緣板附近。依據(jù)模擬結(jié)果完成橋式起重機(jī)應(yīng)力譜的構(gòu)建，并依照所構(gòu)建的橋式起重機(jī)應(yīng)力譜計算評估橋式起重機(jī)的使用壽命。同時在對橋式起重機(jī)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)時可以根據(jù)所構(gòu)建的橋式起重機(jī)應(yīng)力譜對橋式起重機(jī)進(jìn)行針對性的維修加固。

3 結(jié)語

橋式起重機(jī)屬于特種設(shè)備，其一旦發(fā)生故障將會導(dǎo)致極為嚴(yán)重的安全事故。在橋式起重機(jī)的運(yùn)行安全管理中，需要積極構(gòu)建好橋式起重機(jī)的應(yīng)力譜與疲勞壽命估算，用以保障橋式起重機(jī)的安全運(yùn)行。該文在分析構(gòu)建橋式起重機(jī)載荷應(yīng)力譜與疲勞壽命估算重要性的基礎(chǔ)上對如何做好橋式起重機(jī)載荷應(yīng)力譜與模型構(gòu)建優(yōu)化進(jìn)行了分析介紹。

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