桥式起重机焊接箱形梁疲劳裂纹与剩余寿命的研究.pdf

桥式 起重机焊接 箱形梁疲 劳裂纹与 剩余寿命 的研究 帛 曾光殷玉枫徐格宁高崇仁王志海 太原科技 大学机电学院 太原0 3 0 0 2 4 摘要 以桥式起重机焊接箱形梁为研究对象 运用断裂力学 对强度因子和疲劳裂纹扩展公式加以修正 研究 了在恒幅与随机变幅载荷作用下线 弹性 裂纹 的扩展情 况 以及 材料在 小范 围屈 服的情况 下弹 塑性裂纹 的扩 展情况 该研究与实际情 况更 加接近 能够 相对 准确地估 算 出桥式起重 机 的剩余 寿命 对 于减少起 重机疲 劳破 坏事故的发生 指导起重 机的设计 制造 和特种设备 的检验分 析具有重要 意义 关键词 桥式起重机 焊接箱形梁 强度因子 剩余寿命 预估 中图分类号 T H 2 1 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 0 1 0 0 0 0 9一 o 4 A b s t r a c t T a k i n g t h e w e l d i n g b o x g i r d e r o f t h e b ri d g e c r a n e a s t h e s t u d y o b j e c t t h r o u g h u s i n g t h e f r a c t u r e m e c h a n i c s t o c o r r e c t t h e i n t e n s i t y f a c t o r a n d t h e f a t i g u e c r a c k gro w t h e q u a t i o n t h i s p a p e r s t u d i e s t h e g r o w t h c o n d i t i o n s o f t h e l i n e a r e l a s t i c c r a c k u n d e r t h e l o a d i n g o f c o n s t a n t a mp l i t u d e a n d r a n d o m fl u c t u a t e d a mp l i t u d e a s we l l a s t h e g r o w t h c o n d i t i o n s o f t h e e l a s t i c p l a s t i c c r a c k w h e n t h e ma t e ri a l i s u n d e r t h e y i e l d i n g c o n d i t i o n o f s ma l l r a n g e D u e t o t h e s t u d y S c l o s e r t o t h e a c t u al c o n d i t i o n s t h e r e ma i n i n g l i f e o f t h e b r i d g e c r a n e c o u l d b e e s t i ma t e d mo r e p r e c i s e T h i s s t u d y h a s s i g n i f i c a n t me a n i n g f o r r e d u c i n g t h e o c c u r r e n c e o f t h e f a t i g u e d a ma g e i n c i d e n t o f c r a n e a n d g u i d i n g t h e d e s i g n a n d ma n u f a c t u r e o f t h e c r a n e a s we l l a s t h e i n s pe c t i o n a nd a naly s i s o f t h e s p e c i a l e q u i p me n t Ke ywo r ds br i d g e c r a n e we l d i n g b o x g i r de r i n t e n s i t y f a c t o r r e ma i ni n g l i f e e s t i ma t i o n 1 S I 募 鬈 罢 善 美 霎 桥式起重机 以下简称桥机 是用来提升和 作用 由于桥机 的金属结构和机械零部件本身存 山西省科学技术发展计划项 目 2 0 1 0 0 3 2 1 0 5 8 0 1 7 李光布 曹椋焱 李儒琼 大型带式输送机动力学建模 与仿真研究 J 3 机械设计与研究 2 0 0 8 2 4 4 9 8 1 0 6 8 解志国 液粘性软启动系统在大功率带式输送机的应 用 J 中州煤炭 2 0 0 8 4 8一l 8 9 刘善勇 冀凯 赵贯喜 带式输送机机尾立体保护装 置研制与应用 J 山东煤炭科技 2 0 0 8 3 5 4 6 4 1 0 陈锋 秦恒宝 强力带式输送机 的设计及应用 J 起重运输机械 2 0 0 8 6 6 6 6 8 1 1 王磊 钢丝绳牵引胶带机安装逆止器的选型计算与 应用 J 煤矿安全 2 0 0 8 6 1 0 6 1 0 7 1 2 曹胜根 综放高效开采关键技术研究与应用 J 采 矿与安全工程学报 2 0 0 8 2 5 2 2 0 8 2 1 2 1 3 杨安震 李朝 阳 窦光林 煤矿井下可伸缩顺槽带 式输送 机设 计 方 案优 化 J 山 东 煤炭 科 技 2 0 0 8 2 2 6 2 7 起重运输机械 2 0 1 0 1 0 1 4 秦国栋 煤矿长距离 大功率 大运量可伸缩带式 输送机的研制 J 煤 2 0 0 8 2 5 6 1 5 李永红 带式输送机制动方案及对比分析 J 煤质 技术 2 0 0 8 1 6 9 7 0 1 6 李振华 田忠友 露天煤矿运输机械 M 北京 煤 炭工业 出版社 1 9 9 3 1 7 陈维健 齐秀丽 李克孝 矿山运输与提 升设备 M 北京 煤炭工业出版社 1 9 9 5 1 8 程居山 矿山机械 M 北京 中国矿业大学 出版 社 1 9 9 7 作 者 林福严 地 址 北 京市 学 院路 丁 1 1号 中 国矿 业大 学 北京 机 电与信息学 院机 电系 邮 编 1 0 0 0 8 3 收稿日期 2 0 1 0 0 3 3 0 0 在着材料和设计等缺陷 并在变载荷作用下进行 工作 经常会造成疲劳破坏 起重机疲劳破坏 中 最常见且最严重的是以梁结构损 伤为 特征 的疲劳 破坏 而梁结构疲劳 的直接表现为裂纹 的萌生与 扩展 由此可见 研 究起重机结构 裂纹萌生 扩 展和预测梁结构 的剩余寿命 对于减少起重机事 故的发生 以及特种设备 的生产和检验都具有重 要的意义 桥机是典型 的焊接 箱形梁形式 以往对焊接 箱形梁的裂纹分析仅仅停 留在恒 幅载荷条件下 的 线弹性裂纹分析 由于在裂纹尖端处存在较高 的 应力集 中 存在 1个小 范围的塑性 区域 从而引 起应力松弛现象 使应力场也 发生变化 故原有 的强度 因子与 裂纹扩展公 式不适 用于这种情 况 由于该塑性 区域并不大 需要对原有 的强度 因子 和线弹性裂纹扩展公式加 以修正 使其满足实际 情况 仍然适用 由于在大多数情 况下起重机梁 不仅受到恒 幅载荷 的作用 还在无级变幅载荷作 用下工作 故此分别推导 出裂 纹的扩 展公式 根 据不同情况 运用相应 的裂纹扩展公式 即可计算 出所对应的起重机箱形梁的剩余寿命 2 焊接箱 形梁疲劳裂纹 的机理分析 2 1 分析裂纹形成的原因 由于桥机梁结构材料本 身和焊接部位存在着 毛细孔 夹渣 材料 的裂隙以及 焊接 的应力集 中 等缺陷 或称为初始损伤 它们在外界不断循环 变化的载荷作用下 初 始损 伤会 不断的聚合 扩 展延伸 形成宏 观裂纹 这些裂纹最终在随机变 幅载荷作用下不断扩展张开 导致桥机梁结构材 料的断裂破坏 2 2 确 定疲 劳裂 纹的位 置 桥机的主要结构部 件是焊接箱形梁 其寿命 很大程度上取决于焊接箱形梁 的寿命 而影 响梁 寿命的主要 因素是结构疲劳裂纹 裂纹源主要产 生在焊缝处 的应力集 中及微小缺陷等部位 根据 试验统计 桥机焊接箱形梁 的裂纹主要集 中在大 隔板焊缝疲劳裂纹和翼缘点焊缝疲劳裂纹处 J 1 大隔板焊缝疲劳裂纹 由于桥架对大 隔 板常用断续焊缝 间断点受载荷作用 引起应力集 中 易形成裂纹 裂 纹源多位 于大隔板下端 有 多个半椭 圆裂纹源汇合 形成腹板穿透裂纹 裂 一 1 0 一 纹一端向腹板上方扩展 另一端则走向受拉翼缘 2 翼缘点焊缝疲劳裂纹这种裂纹 多起源 与下盖板纵 向受拉翼缘连续贴角焊缝 裂纹多为椭 圆形 裂纹从焊缝 内圆形缺陷 的形心开始 向下盖 板和腹板扩展 直至穿透板厚 2 3对疲 劳裂纹 进行分 类 疲劳裂纹按其所 受的力学特性 主要 分为张 开型裂纹 滑开 型裂纹 和撕开 型裂纹等形 式 J 对起重机梁结构进行受力分析 由于下盖板主要 是受拉应力影 响 且 裂纹 多集 中在下盖板处 故 对梁结构影响最大的是张开型裂纹 按裂纹 的几何特征 可分 为 穿透裂纹 表面 裂纹和深埋裂纹等 由于起重机所用板材比较薄 加上存在焊接缺陷和材料夹渣等现象 这 3种裂 纹都会产生 在起重机 的不 同服役 阶段 这 3种 裂纹各 自明显的表现出来 图 1为梁下盖板用 肉 眼能够看到的张开型 并不穿透的表面裂纹 I I I I 圈 臼 f I I I f I f I I I I I 图 1 裂纹示意 图 3 应力强度因子 梁的断裂起源于裂纹 而裂纹 的平衡或扩展 都取决于裂纹尖端处 的应力场 用应力强度 因子 K 来表示应力场 即 K l C t O 0 式中 为与材料 裂纹类型等有关的系数 为截面的应力 口为裂纹的深度 3 1 线弹性情况 如果桥机梁所用 的材料是 中等强度 以上 的钢 材 则变形时所产生的塑性应变 比较少 所产生 的裂纹也 以线弹性裂纹 为主 一般假 定是半椭 圆 形 取 O d 1 1 2 则此时强度因子的表达式为 K 1 1 1 2 o 兀 a 1 3 2 小范围屈服的弹塑性情况 当起重机箱形梁所用 的材料 为中等强度 以下 的钢材时 裂纹尖端处应力集 中较 大 则在裂纹 起重运输机械 2 0 1 0 1 0 尖端处产生 1 个 小的塑性 变形 区 j 该塑性 区尺 寸与裂纹长度及 构件尺寸 相 比小 于 1个数 量级 这时需要修正 塑性 区 之后仍 可用线弹性断裂理 论来处理 对强度 因子的计算公式 加以修正 首 先修正 O l 由参考文献 1 可知 将 修正为 1 1 2 二二二二二二 二 二二二二 0 2 1 2 故修正后的强度因子公式为 K 兀 2 2 1 2 膏 詈 3 式中 C 为裂纹 的宽度的一半 E k 为椭 圆 积分 由参考文献 1 可查得相应 的 E k 值 为钢材的屈服点 4 各种情 况下的疲劳寿命扩展公 式 4 1 疲劳裂纹扩展的基本公式 桥机的裂纹扩展寿命公式为 d a c 式中 N为应力循环次数 为裂纹扩 展速 度 A K为应力强度 因子幅值 K 一K m 0 O 7 c 口 为裂纹处的应力幅值 C m 为与材 料 裂纹类型等有关的系数 4 2 等幅载荷的疲劳寿命预估公式 当起重机梁结构受等 幅载 荷作用时 直接对 疲劳裂纹扩展公式积分 即可得到相应的疲 劳寿命 设初始裂纹为 a 临界裂纹为 o 则桥机的寿命 就是 由初始裂纹 a 扩展到临界裂纹 a 所需要的载 荷循环数 则积分得疲劳寿命 J 2 To a 丁一 a m l I J I I l m 一 C 丁 c L o 4 4 3 变幅载荷的疲劳寿命预估公式 大多数的桥机箱形梁所受 的载荷都是 随机变 幅载荷 对这类载荷作用下 起重机箱形 梁寿命 的 起重运输机械 2 0 1 0 1 0 模拟估算 可采 用将 变幅载荷谱转化为恒 幅载 荷 谱 再将 转 化后 所得 的载 荷谱 代 入 寿命 估 算式 4 中 即可估算 出变幅载荷作用下焊接箱形梁 的寿命 首先将变幅载 荷谱 转化 为恒 幅载 荷谱 其公 式 为 p 1 式 中 为等效应力幅 为在载荷谱中 i 所 对应的各级应力幅 P 为应力级别 在载荷谱 中 所对应 的概率 由应力谱可查得 而本文则采用 R MS模型 也即令 2 其次将 带 入等幅载荷寿命 计算公式 得到 变幅载荷的寿命估算公式为 2 Ca 一 一 l 一 I I 7n 一 m 兀 T m L o 0 n 5 根据线弹性 与弹塑性 情况下所得 到的不同应 力强度因子 分别带入等幅载荷与变 幅载荷 作用 下寿命预测公式 即可分别得到线弹性与弹塑性 情况下恒幅与变幅载荷作用下裂纹的扩展寿命 4 4桥机焊接箱形梁的剩余寿命 在役桥机 的剩余寿命 由前述公式推导 的总寿 命 所记 录的应力谱下寿命 减去实际使用的寿 命 含有初始缺 陷的刚投入使 用 的桥机 其 剩余 寿命为前述公式推导的总寿命 5 确定公式中的参数 5 1 临界裂纹 a 根据 K判 据 当 K K K 为断裂韧性 可得带 裂纹梁 的临界裂纹 n 对于线 弹性 裂纹 根据上式 可得临界裂纹 a n 在小范围屈 服的弹塑性情况下 令 K K 可 得 临界 裂 纹 a an 警 c 5 2 初始 裂 纹 a 裂 纹 深度 c 到 目前为止 对初始裂纹还没有统一 的定义 对于起重机焊接箱形梁的初始裂纹 一般是通过无 损检测设备或其他设备检测 将实际测得 的裂纹长 度以及深度 定为初始裂纹 裂纹长度 c 5 3确定结构参数 C m C 7 都是 与所用材料 和结构 密切相关 的常 数 如果桥机的材料为 Q 2 3 5 则根据 以往试验所 得的数据 J 取 m 3 c 2 6 1 1 0 6 载荷谱与应 力谱 的确定 由于每次起重机起 吊的疲劳载荷水平各不相 同 因此造成了作用在起重机箱形梁结构上 的交 变应力大多是 随机变化 的 也即应力大小 随时间 不