橋式起重機疲勞分析最佳化設計論文

　　０引言

　　橋式起重機作為工廠、鐵路、港口等跨間距固定的貨場的主要搬運裝置，可以完成大重量貨物的垂直提升和水平移動，其中，主樑是橋式起重機最重要的承載構件之一。在橋式起重機頻繁起吊的過程中，主樑將承受動載荷和交變載荷的反覆作用，容易下撓，並且主樑是一種典型的焊接鋼結構，其母材與焊縫間通常會存在一定的焊接缺陷，因此，在使用過程中，主樑結構上容易發生疲勞破壞。同時，由於疲勞破壞屬於脆性斷裂，斷裂前不會出現明顯的宏觀塑性變形，這就使得疲勞破壞可能在瞬間發生，從而導致災難性事故。因此，非常有必要對橋式起重機主樑結構的疲勞破壞現象進行分析，對易發生疲勞破壞的危險截面進行疲勞壽命估算，並採取補強措施，從而儘可能減小疲勞斷裂事故的發生機率。

　　１橋式起重機疲勞破壞分析

　　對於橋式起重機，其發生疲勞破壞的結構和部位主要是焊接處，此處存在的應力集中、焊接殘餘應力和焊接缺陷等會造成焊縫處產生疲勞裂紋，進而發生構件斷裂。有統計表明，約４９％的疲勞破壞都發生在起重機主樑下部翼緣和腹板焊接處。

　　１．１應力分析

　　１．１．１起重機承載應力測試由於橋式起重機在起吊過程中承載的是交變載荷，因此採用靜態應變儀和動態應變儀測試起重機易發生疲勞破壞部位（如主樑上下翼緣板、主樑端部主腹板等）的應力情況，可以判斷其金屬結構是否可以滿足靜強度和動強度的要求。以一臺５０ｔ×３０ｍ橋式起重機的橋架為例，起吊重量為３５．５ｔ。在靜態測試條件下，當過載小車在主樑跨中部位時，主樑上下翼緣板承載的應力最大（約２２～３０ＭＰａ），其中上翼緣板為壓應力，下翼緣板為拉應力，而拉應力是影響疲勞破壞的主要因素；對於主樑端部主腹板，其主應力和剪下應力接近，但是通常材料的抗拉能力明顯強於其抗剪下能力，因此影響疲勞破壞的主要應力是剪下應力，並且在過載小車位於固定梁端時，固定梁端主腹板的剪下應力最大（約１０ＭＰａ）。對於靜態測試下應力較大的關鍵測點，在起重機起吊和移動過程中，進行動態應力測試，以司機室側主樑下翼緣板和主腹板為例，下翼緣板處的拉應力在１１０ｓ內經歷了小—大—小的迴圈過程，最大拉應力為２６．３３ＭＰａ；類似地，主腹板處經歷了剪下應力迴圈變化，最大剪下應力達７．６７ＭＰａ。這種結構應力的迴圈特徵，會促進疲勞裂紋的形成和擴充套件，因而與金屬結構的疲勞有密切關係。

　　１．１．２焊接殘餘應力分析起重機主樑的上、下翼緣板和主腹板一般透過焊接工藝與主樑進行連線。在焊接過程中，焊縫處經歷了不均勻的熱迴圈變化，從而在焊縫處產生殘餘應力，而這種殘餘應力對焊接質量的影響非常突出，容易引發裂紋，導致焊縫強度和韌性下降。焊接殘餘應力的主要產生原因主要包括以下幾個方面：

　　（１）熱應力：焊接部位區域性急速加熱到高溫，焊接接收後快速冷卻，形成了溫度梯度，極易產生殘餘應力。

　　（２）塑性變形應力：母材焊接前的軋製或拉拔等塑性變形加工，也會產生殘餘應力，並且可以與焊接的熱應力進行疊加。

　　（３）相變應力：焊接過程中，焊縫處區域性高溫，會引起母材和焊料的組織發生相變，導致組織比容變化，從而產生應力。

　　１．２疲勞裂紋的形成

　　起重機主樑的損壞大部分是承載焊縫的疲勞失效引起，通常是從受力最大部位的'缺陷處開始。一般在焊縫缺陷處（如氣孔、位錯等）存在區域性應力集中，加上焊接殘餘應力的疊加作用，容易發生位錯滑移和聚集，引發裂紋萌生，在迴圈應力作用下，裂紋不斷擴充套件，一旦超過臨界尺寸就會發生脆性斷裂破壞。即使焊縫不存在缺陷，在焊縫的焊趾處也會存在較明顯的應力集中，從而容易在該處引發疲勞破壞。焊縫熱影響區內的焊趾處發生開裂，沿焊縫的焊根邊緣發生開裂。這說明裂紋在焊縫或母材上的熱影響區內萌生，在交變應力作用下，都能擴充套件進入焊縫或母材，引發焊縫處斷裂。

　　２橋式起重機應對疲勞破壞的措施

　　２．１焊縫截面的最佳化

　　在橋式起重機主樑主腹板和上蓋板焊接時，應根據具體情況採用Ｋ形坡口或Ｖ形坡口焊接。對於大噸位橋式起重機，其主樑的主腹板厚度達１６ｍｍ，Ｖ形坡口難以熔透板厚，會導致焊接強度下降，宜採用Ｋ形坡口；而對於輕量化橋式起重機，主腹板厚度減小，宜採用Ｖ形坡口進行內部施焊。另外，坡口角度過大，會造成焊縫缺陷增多，導致焊縫疲勞壽命小於母材，因此主腹板坡口角度一般不超過５０°。焊縫的表面有內凹和外凸兩種，會影響焊縫應力流的傳遞，有研究表明，內凹形焊縫應力較低、疲勞壽命較長，因此在焊接後需對主要承載焊縫進行表面處理，使其表面呈內凹形。

　　２．２應力集中結構的改造

　　在主樑主腹板和下蓋板連線處和端梁的變截面彎角處存在區域性應力集中，是主要裂紋源之一。在焊接時，不應將下蓋板與主腹板對接焊接，可將下蓋板向箱梁內延伸一段後進行焊接，這樣可以降低焊接處的擠壓應力，緩解應力集中。對於變截面彎角處，應設定過渡圓弧，且圓弧半徑不宜太小，同時，在彎角處加焊肋板，以緩解應力集中對主腹板的影響。

　　２．３主腹板的改造

　　將橋式起重機的平直主腹板沿縱向進行形狀改造，形成波形腹板，使其沿橋架縱向形成一定規律的波形變化，從而顯著增加腹板的承載面積和垂直方向的穩定性，有研究表明，波形腹板梁的應力要比平直腹板梁小３８％左右。不過，僅使用波形腹板，其抗扭剛度和水平剛度較弱，在水平衝擊力下，容易導致主樑沿水平方向發生較大變形。因此，需將波形腹板和平直腹板配合使用，結合平直腹板在水平方向的剛度和波形腹板在垂直方向的剛度特點，提高主樑的穩定性。

　　３結語

　　本文結合斷裂力學和疲勞損傷分析，對橋式起重機主樑結構進行技術改進，對延長主樑疲勞壽命和減少疲勞斷裂事故具有重要的意義。同時，還應該應用先進的檢測技術，如磁粉探傷檢測技術對起重機主樑進行檢測和評估，以及時發現存在的缺陷，並進行修復，做到防患於未然。