桥式起重机主梁疲劳寿命分析

由断裂 力学 可 知 ，当 Ａ Ｋ＜△ 时 ，裂 纹 不 会 扩展 ，但 在 多 数 情 况 下 金 属 结 构 受 力 部 位 ，特 别
是 构 件危脸 截 面处 的 Ａ Ｋ均 超过 Ａ 。 （ 劳断 裂韧 Ｋ 疲 性） ，这些 部 位 产 生 疲 劳 裂 纹 ，它 就会 按 Ｐ ｒ 提 ａｉ ｓ 出 的疲劳 扩 展 速 率 缓 慢 扩 展 ，当达 到 临 界 裂 纹 长 度时 ，扩 展速 度有 可 能 迅 速增 大 ，直 至 构件 断 裂 。 对 于 桥 机桥 架 结 构 可 以 近似 采 用 所 受 最 小 应 力 为 ｒ ０，即不 吊重 时 ，构件 裂纹 处 的应 力为 ０ ｏ ｉ＝ 。应 力强 度 因子 幅值
参 考 文 献
１３ｍ １ ｍ，导 程 Ｓ＝２ ８ｍｍ，螺距 Ｐ＝１ ｍ，牙 形 ４ｍ 角 ｏ＝ ０ ，摩 擦 系数 ， ｔ ３。 ：钢 对 铜 ００ ０ １ ．８～ ． ，取 中 间值 ０ ０ ，则 螺 纹 升 角 Ａ ＝ａｃ （兀ｄ ） ．９ ｒｔ ｇ［ ２ ］＝ ４５ 。 当 量 摩 擦 角 Ｐ ．１ ， ＝ ａｃ ｆ （ ｏａ ２） ＝ ｒｔ ／ ｃｓ／ ］ ｇ［ ５３ ３ Ｏ此 时 Ａ＜ ．２ Ｏ ｐ ，丝 杠 可 自锁 。
１ ９ ６ＭＰ ，于是 临界 裂纹 长度 为 ２ ． ａ
的变 载荷 工作 状 态 对 构 件 的疲 劳 寿命 也 有 很 大 影
响，故 随机 疲 劳也 是工 程 构件 的主 要 破坏 形 式
之一 。
惫… ７ ｃ
式中： 为 裂纹 处最 大应力 值 。
＝
…
（ ２ ）
３ ）环境腐蚀 。该机在炼钢车间服役 ，在高温
图 １ 钳 口摩擦力 与 ６的关系 ０
坯 和钳齿 之 间 的 摩 擦 系 数 。在 满 足 ６≤． 的条 件 下 ，６越小 夹 紧越 可靠 。
６ 丝杠 与螺母 间 自锁性分析
由于钳 腿 与 滑 道 间 不 能 自锁 ，因此 丝 杠 能 否
自锁 至关 重 要 。丝 杠 几 何 尺 寸 为 ：螺 纹 中径 ｄ ２＝
渐 扩 展 ，往 往 导 致 结 构 的 疲 劳 断 裂 失 效 … 。 工
作 繁 重 的起 重 机 在 使 用 几 年 后 ，其 金 属 结 构 常
常 在 较 大 应 力 集 中 处 、 焊 接 热 应 力 影 响 区 域 或
重要构成 部 分 ，其 疲 劳 强度 决 定着 起 重机 的安 全 寿 命 。 所 以 ，对 起 重 机 主 要 金 属 结 构 —— 主
问题 。
一
型 的焊接 结 构 ，会 有气 孑 、夹 渣 、未 熔 合 等 缺 Ｌ 陷 ，这些 缺 陷在 载 荷 作用 下 ，经过 多 次循 环 逐
《 重运输机械》 ２ １ ８ 起 ０ １（ ）
６ — ７
１ 基本情况
某企业 炼 钢 分 厂 浇 注 钢 包 跨 ２号 双 梁 桥 机 用 于将 熔化 的钢 水 吊运 至 精 炼 炉 ，其 主要 特 点 是 工
应 力 强度 因子 Ｋ＝ｏ超 过材 料本 身 的抗 断 裂 的 门槛 ｒ 值所 致 ；裂 纹 扩展 的速 度 ｄ ／ Ｎ 正 比于 应 力 强 度 ａｄ
作频 繁，满载率 高，环境温度 高，粉尘多 ，安全 性和可靠性要求高 。２０ ０９年 ６月 ，在现场检查该
机 时发现 其 主 梁 腹 板 处 和下 盖 板 有 多 处 大 尺 寸 裂 纹 ，具体 裂 纹分 布情 况 如 图 １所 示 （ 中 阴影 部 图 位 为裂纹 所在 位置 ） 。
因子 ，ａ为裂 纹长 度 ，Ⅳ为 工作 循 环 数 ，ｏ为 Ｔ 作 ｒ
应力。
ｌｌ ② （
｜ ＼
２
、 ＠⑩
ｆ ‘ ，
２ 加劲板 ．大 ３ 腹板 ．
２ 桥机 主梁 寿命估 算
２ １ 材 料参 数 的确定 ． 材 料 常 数 Ｃ和 ｍ 与试 验 环境 、频 率 、温 度 和
算公式 ， 到该 机桥 架 的剩 余寿命 Ⅳ 『 ５３ ２ 得 喃 ＝３ ４
（ ） 次 ，即该 机还 能工 作 ３ ４ ５３ ２次 工 作 循 环 就 达 到
定 查 得 出来 ，对 于细 微 的 裂 纹 常 凭 借 经 验 或 参 考 有 关 的 实 验 研 究 报 告 选 出 。进 行 寿 命 估 算 时 ，须 对 其 进 行 当 量 化 处 理 ，转 化 成 规 则 裂 纹 。初 始 裂
由式 （６ ４ ）可得 随 的取值变化 ，由图 １ ０
可 知 在 Ｆ ＝Ｇ时 取 得 最 大 值 ，也 就 是 滑 块 下 滑 ４
到的最终位置时 ６ 取得最大值。如果钳齿与板坯之
间的摩 擦 系数 ＜０４ ，板 坯 就会 打滑 。 ．３
７ 结 论
１ 由于钳腿 与 滑 道 问不 能 自锁 ，故 丝杠 能 否 ）
２ ３ 初始 裂 纹 ｎ． ． ． 的确 定
初始 裂纹 尺 寸 ａ 指 开始 计 算 裂 纹 扩 展 寿 命 是 时 的最大 原 始 裂 纹 尺 寸 ，可 用 无 损 损 伤 法 进 行 检 测 。裂纹 种 类 繁 多 ，形 状 各 异 ，既 存 在 于 表 面 ，
也 会深埋 于 内 部 ，用 一 般 的 无 损 探 伤 法 检 查 不 一
纹 尺 寸 的 大小 ，与 探 伤 技 术 的 发 展 及 探 伤 人 员 的 技 术 水平 有关 。初 始 裂 纹 尺 寸 对 零 件 的裂 纹 扩 展
使 用 寿命 。
３ 结 论
该 机 的设 计 寿命为 ３ ， 目前 已使 用 ３ 。按 ５ａ ４ａ 桥 机 每天 １０工作 循 环计 算 ，１５９２６次 应 力循 ２ ２ ８ 环 可 以使 用 ３． ；已经 使用 １４６０ ７次应 力循 ５４ａ ８ ８ 环 为 ３ ． ，该机 还 能工 作 ２ ３ｄ ４ ４ａ ９ 。计 算 得 到 的使 用 寿命 ３ ． ４４ａ与该 机 的实 际 工 作循 环 次 数 ３ 基 ４ａ 本 吻合 。 由此 可 见 ，本 文 在 有 限元 分 析 计 算 与 断 裂 力 学 相结 合 进 行 桥 机 桥 架 的疲 劳 寿命 的计 算 方 法 是 可行 的 。从 计 算 结 果 可 以 看 出 ，主 梁 下 盖 板
［ ］ 哈尔滨 工业 大学理论 力学 教研室 ．理论力 学 ［ ．北 １ Ｍ］ 京 ：高等教育 出版社 ，２ ０ ． ０２ ［ ］Ｇ ／ ８ １ ０ ８ 起重机设计 规范 ［ ］ ２ Ｂ Ｔ３ １—２ ０ Ｓ．
作 地
邮
者 ：李维越 址 ：辽宁省大连市西 岗区华春街 ４号
编 ：１６ １ １０ ３
焊 缝开 裂 及 截 面 变 化 显 著 的过 渡 区 腹 板 裂 纹 ，系
疲 劳破 坏 所 致 。疲 劳 破 坏 的机 理 为 ：由 于频 繁 的 高 载荷 ，金 属 裂 纹 尖 端 处 在 应 力 强 化 出现 材 料 脆
化 （ 称 冷作 硬 化 ） 而 塑 性 降 低 。断裂 力学 中 的 俗 线 弹性 理 论 指 出 ：裂 纹 的 扩 展 主 要 是 因 为裂 纹 的
来的毛边和裂纹等 ；焊接构 件 中有焊渣侵入 的焊 缝 趾部 ，存 在 于焊缝 内的气孔 和欠 焊等 。
２ 载荷 情况 。根 据 裂 纹 尺寸 大 小 可知 ，该 机 ）
可 能长 期 处 于 满 载 （ 荷 大 小 相 当 于额 定 载 荷 大 载
（ 一 。 ＝ ｒ ｏ ）
（） １
梁 结 构 的 研 究 非 常 必 要 。 由 于 起 重 机 主 梁 是 典
焊 接 缺 陷处 发 生 肉 眼 可 见 的 宏 观 裂 纹 ，并 扩 展 成 严 重 影 响 安 全 的 危 险 裂 纹 ｊ 因 此 ，关 于 。 桥 机 主 梁 疲 劳 破 坏 问题 的 研 究 得 到 了 极 大 的 关 注 ，其 中 研 究 的 重 点 为 主 梁 疲 劳 寿 命 的 预 测
自锁子关 重 要 ； ２ 钳腿 与滑 道 间 自锁 近 似 判 定条 件 是 钳 口至 ） 丝杠 螺母 回转 中心 的距 离 （ ４中 ） 与 滑 道 水 图
平 间距 （ ４中 Ｚ Ｚ ） 之 比应大 于 ５ 图 。 ， ＋ ；
３ 丝杠 满足 自锁 条件 ； ） ４ 导 向滑块初 始夹紧 时 自锁 ，起 升时不 自锁 ； ） ５ ）板 坯 不 打 滑 的条 件 是 ≤ ，其 中 为 钳 口和板坯 的 摩 擦 力 与 正 压 力 的 比值 ，是 由导 向 滑 块结 构 和与钳 腿架 之 间 的摩 擦 系数决 定 的 ； 为 板 ．
长 出现 了 １９ ｍ 的横 向裂纹 ，导致 多 条裂 纹 产生 ６ ｍ 和 扩展 的原 因有 ：
几 何 形 状 ，对 于 带 穿 透 裂 纹 的 受 拉 无 限 大 板 ，均 布 拉 应 力垂 直 于 裂 纹 ，由文 献 ［ ］查 得 Ｂ＝１ １ ６ ．。
２ ２ 临界裂 纹 长度 ．
车起 ／ 动 工 作 ） 时 所 受 最 大 主 应 力 值 制
中时 ，满载 下 降制 动 ，并 对 小车 起／ 动 ，且 大 制 ＝
综 上所 述 ，桥 机 主 梁 腹 板 跨 中段 出现 了 多 处
一
１ １ＭＰ ， 时 计 算 的 临 界 裂 纹 长 度 为 ａ． ５ ａ 此 ．＝
１ 加劲板 ．小
应 力 比 等 有 关 。本 文 中 桥 机 焊 接 箱 形 梁 采 用
Ｑ ３ ，裂 纹处 取 Ｃ，ｍ取 值 为 ｃ＝ ． ０ ０ ， ２５ ２ ６ ６Ｘ１
， ＝ ３ ０＿ Ｊ ｎ ． ４ 。
图 １ 裂 纹分 布示 意 图
形状 修 正 因子 Ｂ取 决 于 构 件 及 缺 陷
Ａ Ｋ＝ 一Ｋ 。＝ Ｋｍ ｍ
卢 “
１ 自身 缺 陷 。在 钢 材 生产 和 结 构制 造 等 过 程 ）
中结构 的某 些 部 位 存 在 钢 材 化 学 成 分 偏 析 、非 金