摘要：以某庫房32tXl6．5m橋式起重機(jī)為研究對象，提出了一種基于在線監(jiān)測系統(tǒng)獲取全程應(yīng)力譜的新方法。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合材料的P-S．N曲線，考慮疲勞極限的模糊性，利用模糊累積損傷理論對主梁進(jìn)行了疲勞壽命估算。結(jié)果表明：該橋式起重機(jī)主梁的剩余疲勞壽命為38．8年，為起重機(jī)的長期安全使用和后期維修提供可靠依據(jù)?！?

0前言

由于實(shí)際工況與預(yù)期工況存在較大的差異，橋式起重機(jī)的實(shí)際壽命通常會偏離其設(shè)計(jì)壽命。若根據(jù)起重機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)壽命對起重機(jī)進(jìn)行大修或報(bào)廢，將出現(xiàn)浪費(fèi)和危險(xiǎn)并存的問題。因此，根據(jù)實(shí)際工況對橋式起重機(jī)進(jìn)行壽命預(yù)測，可以為起重機(jī)的維修和報(bào)廢提供可靠依據(jù)，具有重要的工程意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

起重機(jī)的實(shí)際工況主要由應(yīng)力譜反映，因此應(yīng)力譜的獲取是預(yù)測起重機(jī)實(shí)際壽命的關(guān)鍵。目前，常用的應(yīng)力譜獲取方法有現(xiàn)場實(shí)測法和計(jì)算機(jī)仿真法，這兩種方法是通過實(shí)測或仿真獲取采樣時(shí)間內(nèi)的應(yīng)力譜。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，起重機(jī)的使用量和工作強(qiáng)度呈持續(xù)增大的趨勢，因此，采樣時(shí)間內(nèi)的應(yīng)力譜與歷史應(yīng)力譜和未來的應(yīng)力譜有明顯差異，僅根據(jù)采樣時(shí)問內(nèi)的應(yīng)力譜進(jìn)行全壽命預(yù)測存在較大失真。針對這兩種方法的不足，本文作者基于在起重機(jī)安全監(jiān)測系統(tǒng)，全程實(shí)時(shí)監(jiān)測反映起重機(jī)實(shí)際工況的相關(guān)參數(shù)，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理，獲取起重機(jī)自服役至今的全程應(yīng)力譜，該應(yīng)力譜準(zhǔn)確反映了起重機(jī)的全程實(shí)際使用工況。主梁疲勞壽命基本決定了整機(jī)壽命，因此，基于全程應(yīng)力譜，利用模糊累積損傷理論對主梁疲勞壽命進(jìn)行估算，流程如圖1所示。

1、主梁危險(xiǎn)部位的確定

主梁的疲勞破壞多發(fā)于應(yīng)力集中和形變較大的危險(xiǎn)部位，因此通?；谖ｋU(xiǎn)部位的應(yīng)力譜進(jìn)行疲勞壽命估算。文中以某庫房32 t×16．5 in橋式起重機(jī)為研究對象，在滿載小車位于跨中的工況下，通過對主梁進(jìn)行有限元分析確定其危險(xiǎn)部位。

1．1模型的建立

利用3D繪圖軟件Pro／E建立主梁三維模型(見圖2)。

圖2主梁Pro／E三維模型將主梁的Pro／E三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS Workbench，進(jìn)行網(wǎng)格的劃分(見圖3)。

1．2材料特性、約束與載荷的添加

主梁材料為Q235．B，彈性模量E=210GPa，泊松比肛=0．3，密度P=7．85×10“kg／mm3。由于防爆電控箱和大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)安裝在走臺側(cè)主梁上，因而走臺側(cè)主梁比另一側(cè)主梁承受更大的載荷，故以走臺側(cè)主梁為研究對象。因建模時(shí)對主梁結(jié)構(gòu)做了必要的簡化，導(dǎo)致所建模型的質(zhì)量小于主梁的實(shí)際質(zhì)量，為此采用密度補(bǔ)償法，將電氣系統(tǒng)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)和走臺的總質(zhì)量(6．734 t)附加在主梁自重(6．216 t)上，因此材料密度設(shè)置為1．648x 10。kg／mm3。

主梁兩端焊接在端梁上，故約束主梁兩端的所有自由度。將小車自重(8．325t)和起重量(32t)平均分配給4個(gè)車輪，按力載荷(98 796N)施加在軌道與車輪的接觸線上；主梁、電氣系統(tǒng)、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)及走臺的質(zhì)量，按重力加速度的慣性載荷進(jìn)行施加。

1．3分析結(jié)果

對主梁進(jìn)行有限元分析，得到應(yīng)力與形變分布云圖(見圖4)。由圖4可知，跨中下蓋板既存在應(yīng)力集中又有最大形變，又考慮到焊縫疲勞強(qiáng)度較弱，因此起重機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)可以確定主梁最危險(xiǎn)的部位為跨中下蓋板與腹板的焊縫。

2基于在線監(jiān)測系統(tǒng)獲取應(yīng)力譜

2．1危險(xiǎn)部位的應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)彎曲正應(yīng)力公式，計(jì)算主梁跨中下蓋板與腹板焊縫處的應(yīng)力

盯2：—掣一 (1)LJ

l

』：

式中：M為主梁跨中的彎矩；

Y為危險(xiǎn)部位到跨中截面中性軸。的距離；t為跨中截面對中性軸的慣性矩。當(dāng)小車位移戈的大小范圍不同時(shí)，主梁跨中彎矩M有不同計(jì)算公式，分別為：

(1)當(dāng)算<÷一f=3 345 mm，即小車兩車輪均位于跨中左側(cè)時(shí)，則M=丁GIL+竽∽丟) (2)

式中：G．為主梁、電氣系統(tǒng)、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)及走臺的總質(zhì)量；

G，為小車自重；G為起重量；戈為小車位移，小車位于最左側(cè)時(shí)，菇=0；￡為跨度；2為小車輪距。

(2)當(dāng)3 345 mm≤石≤÷=5 000 mln，即跨中在小車兩車輪之間時(shí)，則M：了GIL+竿(h4 一÷) (4)、7

、 7

8 2

2．2在線監(jiān)測系統(tǒng)由式(1)一(4)可知，危險(xiǎn)部位的應(yīng)力隨起質(zhì)量G和小車位移戈的變化而變化。因此，設(shè)計(jì)在起重機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)全程實(shí)時(shí)監(jiān)測起重量和小車位移，根據(jù)式(1)一(4)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可得到起重機(jī)自服役至今的應(yīng)力一時(shí)間歷程。起重量和小車位移的監(jiān)測原理如下：

(I)起重量的監(jiān)測：將壓力傳感器安裝在卷筒的軸承座下(見圖5)

(2)小車位移的監(jiān)測：將絕對值型旋轉(zhuǎn)光電編碼器安裝在小車的車輪軸上(見圖6)，測出車輪角位移o，再根據(jù)式(6)可計(jì)算得到小車位移z。 (6)戈=OxR式中：R為小車的車輪半徑。

2．3全程當(dāng)量應(yīng)力譜

利用雨流計(jì)數(shù)法處理應(yīng)力一時(shí)間歷程，可獲取反映起重機(jī)自服役至今實(shí)際使用工況的全程應(yīng)力譜。由于S—N曲線通常是在均值為0的對稱循環(huán)載荷作用下獲取的，而主梁承受的是隨機(jī)載荷，產(chǎn)生的應(yīng)力譜均值不為0，所以需要將全程應(yīng)力譜轉(zhuǎn)換為均值為0

根據(jù)等壽命曲線，可將平均值為盯。的循環(huán)應(yīng)力，轉(zhuǎn)換為平均值為0的等效循環(huán)應(yīng)力，等效循環(huán)應(yīng)力的幅值q為G=2NxF (5) 式中：盯。為材料的抗拉強(qiáng)度根據(jù)式(7)，可將全程應(yīng)力譜轉(zhuǎn)換為均值為。

式中：Ⅳ為起重倍率。

3模糊累積損傷理論

目前，工程上主要利用Miner線性累積損傷理論估算構(gòu)件的疲勞壽命，但該方法認(rèn)為：以疲勞極限為為界，大于疲勞極限的應(yīng)力能對構(gòu)件產(chǎn)生損傷，小于疲勞極限的應(yīng)力不能對構(gòu)件產(chǎn)生損傷。事實(shí)上，構(gòu)件的疲勞極限具有“不確定性”，疲勞極限附近的應(yīng)力能否對構(gòu)件產(chǎn)生損傷存在模糊性，不能絕對地將疲勞極限作為應(yīng)力能否對構(gòu)件產(chǎn)生損傷的界線。因此，需要考慮疲勞極限的模糊性，根據(jù)模糊理論對Miner線性累積損傷理論進(jìn)行修正。

描述疲勞極限模糊性的關(guān)鍵是建立隸屬函數(shù)，文獻(xiàn)[3]通過實(shí)例驗(yàn)證了以升半正態(tài)分布為隸屬函數(shù)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，疲勞壽命的誤差最小。因此，以升半正態(tài)分布為隸屬函數(shù)，計(jì)算應(yīng)力對主梁危險(xiǎn)部位產(chǎn)生損傷的概率。隸屬函數(shù)的曲線如圖8所示，表達(dá)式為。

(2)小車位移的監(jiān)測：將絕對值型旋轉(zhuǎn)光電編

碼器安裝在小車的車輪軸上(見圖6)，測出車輪角位移o，再根據(jù)式(6)可計(jì)算得到小車位移z。 式中：R為小車的車輪半徑。

4結(jié)論

(1)提出了一種基于在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過計(jì)算處理，獲取全程應(yīng)力譜的新方法，該全程應(yīng)力譜能真實(shí)地反映起重機(jī)自服役至今的實(shí)際使用工況，保證了主梁剩余疲勞壽命估算的準(zhǔn)確性，為橋式起重機(jī)的壽命預(yù)測提供了新思路。

(2)考慮疲勞極限的模糊性，起重機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)建立隸屬函數(shù)對線性累積損傷理論進(jìn)行了修正，使主梁的疲勞壽命估算更加符合實(shí)際情況。

(3)基于全程應(yīng)力譜，結(jié)合材料的P—S—N曲線，利用模糊累積損傷理論估算出某庫房32txl6．5m橋式起重機(jī)主梁的剩余疲勞壽命為38．8年，為起重機(jī)的長期安全使用和后期維修提供可靠依據(jù)。