劉紹智

（廣東省特種設(shè)備檢測研究院清遠(yuǎn)檢測院，廣東清遠(yuǎn) 511518）

0 引言

門式起重機(jī)是港口典型的大型裝卸機(jī)械，由于港口設(shè)備的工作環(huán)境是復(fù)雜多變的，因此港口設(shè)備的管理維修是保證設(shè)備高效安全運行的終要技術(shù)手段。本文主要是對于使用多年的設(shè)備，針對操作小車的金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生故障進(jìn)行分析。目前，門式起重機(jī)的金屬構(gòu)件的失效形式，大多數(shù)情況下通過有限元方法進(jìn)行計算，該方法建模方便快捷，計算結(jié)果準(zhǔn)確、直觀，便于設(shè)計者觀察到每一部位的應(yīng)力狀態(tài)。一般過程是根據(jù)所擁有的參數(shù)進(jìn)行整體建模，然后給予其實際材料，給出約束進(jìn)行外部載荷加載，最后進(jìn)行網(wǎng)格化計算得出計算結(jié)果，進(jìn)行分析處理。

1 門式起重機(jī)運行小車金屬結(jié)構(gòu)有限元分析

1.1 模型對象

本次建模是對于運行小車的小車架。該小車的重量42 t，X方向最大尺寸為7380 mm，Y 方向最大尺寸3980 mm，Z 方向最大尺寸為914 mm（圖1）。此次建模的實體，所采取材料為普通碳鋼模擬Q235 鋼，普通碳鋼的密度為7.8×103kg/m3，屈服強(qiáng)度221 MPa，泊松比和中泊松比分別為0.288、0.280，彈性模量和中抗剪模量分別為2.1×1011MPa、7.9×1010MPa，張力強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為399.826×103MPa、220.594×103MPa，其余參數(shù)如表1 所示。此次建模主要采取的是拉伸及切除等方式建模的小車架采取兩個零件的裝配，外部大型“箱形”架，內(nèi)部為“類井字”架。

表1 不同狀態(tài)下的β2 和Φ2min

圖1 小車架建模實體

1.2 建立模型

此次建模采用SolidWorks 2019 軟件，建模過程大致如下：

首先，通過所獲得的CAD圖紙讀取一些重要參數(shù)數(shù)據(jù)；其次，通過讀圖可知本次建模將通過零件組裝成裝配圖的形式完成，并且零件個數(shù)為2個，一個為俯視圖為類“箱形”，另一個俯視圖為類“井”字形；而后使用SolidWorks 2019 軟件逐一零件建模：“箱形”的零件通過俯視圖利用所得參數(shù)畫出一個平面圖，后便根據(jù)數(shù)據(jù)對其進(jìn)行凸臺拉伸；再在其正視圖面兩邊各進(jìn)行一個三角形面的貫穿拉伸切除便成形，對于“井”字形零件則是根據(jù)數(shù)據(jù)在俯視圖面畫出平面形狀，后進(jìn)行凸臺拉伸即可；最后便是在裝配圖中進(jìn)行裝配，選中這兩個零件進(jìn)行裝配找到重合基準(zhǔn)面完成裝配，得到所需的小車架模型（圖1）。

1.3 載荷分析

1.3.1 載荷系數(shù)

1.3.1.1 起升沖擊系數(shù)Φ1

當(dāng)起升質(zhì)量起升時，對起重機(jī)本身主要是對金屬結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生激振，起重機(jī)自身質(zhì)量受到起升沖擊而出現(xiàn)的動力增長，用起升沖擊系數(shù)Φ1乘以起重機(jī)自重載荷來考慮[1]。通常Φ1=1±a，其中a 為起升沖擊影響系數(shù)，一般0≤a≤0.1，則Φ1≤1.1。

1.3.1.2 起升動載系數(shù)Φ2

當(dāng)起升質(zhì)量無約束突然離地起升時，起升質(zhì)量的慣性載荷將對起重機(jī)的承載結(jié)構(gòu)和傳動機(jī)構(gòu)產(chǎn)生附加的動載荷，可用于一個大于1 的起升動載系數(shù)Φ2乘以額定起升載荷Pq來考慮[2]：

式中 Φ1——起升動載系數(shù)

Φ2min——與起升狀態(tài)級別相應(yīng)的起升動載系數(shù)的最小值

β2——由起升狀態(tài)級別設(shè)定的系數(shù)

vq——穩(wěn)定起升速度

查表1、表2，計算可得Φ2=125。

表2 確定用Φ2 的穩(wěn)定起升速度Vq

其中：H1為起升驅(qū)動機(jī)構(gòu)不能低速運轉(zhuǎn)；H2為起重機(jī)作穩(wěn)定低速運轉(zhuǎn)；H3為起升驅(qū)動機(jī)構(gòu)保證物品離地前穩(wěn)定低速運轉(zhuǎn)；H4為起重機(jī)實現(xiàn)無級變速控制；H5為在不依賴司機(jī)的前提下，起升繩預(yù)緊后起升驅(qū)動機(jī)構(gòu)能按預(yù)定的要求進(jìn)行加速控制；vqmax和vqmin分別為最高起升速度穩(wěn)定、最低起升速度穩(wěn)定。

1.3.1.3 突然卸載沖擊系數(shù)Φ3

已卸除或墜落部分有效載荷將對起重機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動減載作用，減少后的起升載荷用總起升載荷乘以突然部分卸載的沖擊系數(shù)Φ3來計算：

式中 ▽m——突然卸除或墜落部分的質(zhì)量

m——總起升質(zhì)量

β3——系數(shù)，慢速卸載裝置的起重機(jī)，β3=0.5；快速卸載裝置的起重機(jī)，β3=1.0

經(jīng)過查表計算得Φ2=0.25。

1.3.1.4 運行沖擊系數(shù)Φ4

起重機(jī)或起重機(jī)的部分裝置，在由于路面不平、軌道接頭間隙或高低差會使運動的質(zhì)量在鉛錘方向產(chǎn)生沖擊作用。對于有軌運行的起重機(jī)Φ4確定如下：

（1）軌道接頭保持良好狀態(tài)的起重機(jī)，取Φ4=1.00。

（2）一般軌道接頭情況，當(dāng)起重機(jī)行經(jīng)接頭時會產(chǎn)生垂向的沖擊效應(yīng)，根據(jù)運行速度和軌道高低差的公式進(jìn)行計算：Φ4=，其中vv為運行速度、h 為軌道接頭處兩軌面得高度差。查表計算可得Φ4=1.13。

1.3.2 載荷計算

（1）小車工作載荷：最大起升質(zhì)量Q=42 t。

（2）小車自重載荷：小車架部件整體自重載荷mx=10 052 kg。

（3）小車運行慣性載荷：小車行走起（制）動產(chǎn)生的最大慣性載荷，查表計算可得Px=7.882 kN。

（4）大車運行慣性載荷、大車行走起（制）動小車產(chǎn)生的慣性載荷，查表計算可得Pd=12.6 kN。

1.4 有限元網(wǎng)格劃分及約束處理

采用三維軟件SolidWorks 2019 對小車架進(jìn)行實體建模和設(shè)計，并在該軟件內(nèi)進(jìn)行有限元分析，具體操作過程為：

（1）在實體裝配圖中，通過SolidWorks 插件模塊中的SIMILATION 板塊進(jìn)行有限元分析。在該模塊內(nèi)新建一個算例選取靜力學(xué)分析，首先對模型進(jìn)行加約束處理，由于小車的受力特點約束加載位置選在小車架4 個車輪所在位置，并且在連結(jié)位置應(yīng)當(dāng)選取無貫穿形式，然后開始進(jìn)行外部載荷加載。由國外文獻(xiàn)可知加載位置為：該梁由荷載力沿其長度的運動加載[3]。最后在實體模型俯視圖平面進(jìn)行加載，通過計算進(jìn)行加載選取最大載荷進(jìn)行校驗，即643 762 N。

（2）進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并開始算例計算。為了使分析更加精準(zhǔn)、處理更簡便及可操作性更強(qiáng)，采用Solid45 單元劃分、構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu)，通過8 個節(jié)點來定義單元，每個節(jié)點有3 個沿著xyz 方向平移的自由度，比Shell63 單元的前處理更簡便、修改模型更方便。由于模型結(jié)構(gòu)不同，安裝車輪處的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜[4]。材料選取普通碳鋼模擬Q235 鋼，密度7.8×103kg/m3，彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比為0.280，屈服極限σ1=220 MPa。

1.5 計算結(jié)果及分析

根據(jù)理論判斷，工況3 對小車架的車輪梁影響最大，故只分析該工況下的強(qiáng)度應(yīng)力和靜剛度。由于最大應(yīng)力300 MPa遠(yuǎn)大于最大許用應(yīng)力，位于小車架中部橫梁兩端，且出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中狀況，因此可以判斷出該處很容易出現(xiàn)開裂失效現(xiàn)象，從而影響整個小車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全工作。另外，最大靜位移fmax（9.68 mm）不符合靜剛度要求，出現(xiàn)位置為小車架3 根橫梁，這樣會導(dǎo)致小車架橫梁下?lián)蠂?yán)重、產(chǎn)生變形失效，影響整體小車運行。小車架車輪處等受力小于最大許用應(yīng)力，符合小車架強(qiáng)度要求，而橫梁中段處明顯超出，易產(chǎn)生變形。

在小車架橫梁兩端出現(xiàn)了應(yīng)力很大的情況，可能的原因有：①所選取的材料并不能滿足在該工作環(huán)境與工況下正常工作；②因為經(jīng)常處于反復(fù)交變應(yīng)力的作用下，小車架出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)疲勞；③小車架本身的設(shè)計強(qiáng)度不足、出現(xiàn)強(qiáng)度問題。

2 運行小車金屬結(jié)構(gòu)失效形式原因

經(jīng)過上述建模與有限元分析，可以大致分析出小車架的3種失效形式及失效位置。這3 處分別是：①在小車架橫梁的兩端可能會出現(xiàn)開裂失效；②在小車架橫梁的中段可能會出現(xiàn)下?lián)献冃问?；③在小車架與主梁接觸的位置可能會出現(xiàn)磨損失效形式。具體失效原因分析如下。

2.1 開裂失效

在上述工況下運行，在小車架中間橫梁兩端會出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中且靠近連結(jié)處，容易出現(xiàn)開裂。

2.2 變形失效

通過位移云圖分析，可以清楚地看出，小車架橫梁的中段位置出現(xiàn)了一定位移，使得中段出現(xiàn)下?lián)献冃蔚那闆r。原因可能為：①設(shè)計不合理，不符合梁的靜剛度設(shè)計準(zhǔn)則要求；②工作時出現(xiàn)了不合理的操作處理，如在鋼絲繩尚未繃緊時便進(jìn)行埋設(shè)物起升工作、制動器調(diào)整不當(dāng)或制動過猛、突然閘住下降中的重物等；③制造階段加工工藝不規(guī)范；④長期超載使用，長期過載或反復(fù)的交變應(yīng)力狀態(tài)容易產(chǎn)生疲勞，使其產(chǎn)生下?lián)献冃巍?/p>

2.3 磨損失效

通過小車架與主梁的接觸及小車的受力分析不難看出，在小車架軌道的接觸位置很容易發(fā)生磨損失效的情況，而最主要的出現(xiàn)是疲勞磨損、磨粒磨損、粘著磨損與腐蝕磨損。磨損原因可能有：①工作載荷較大，而且會經(jīng)歷反復(fù)的交變應(yīng)力，并可能伴有突然卸載沖擊系數(shù)的影響，從而出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象、明顯的磨損現(xiàn)象；②露天工作環(huán)境可能會讓設(shè)備受到一些酸性物質(zhì)的腐蝕、產(chǎn)生化學(xué)腐蝕，再加上反復(fù)工作從而出現(xiàn)磨損；③材料的抗磨性不高。

3 總結(jié)

本研究采用目前比較主流的門式起重機(jī)金屬構(gòu)件的失效形式，通過有限元方法進(jìn)行模擬、分析和計算。該方法建模方便快捷，計算結(jié)果準(zhǔn)確、直觀，便于設(shè)計者觀察到每一部位的應(yīng)力狀態(tài)。其過程是，先根據(jù)所知有的參數(shù)進(jìn)行整體建模，然后給予其實際材料，給出約束進(jìn)行外部載荷加載，最后進(jìn)行網(wǎng)格化計算得出結(jié)果，并進(jìn)行分析處理。