文献翻译“Fatigue life prediction of the metalwork of atravelling gantry crane”.doc

龙门起重机金属结构的疲劳寿命预测V.A.Kopnov摘要内在的疲劳曲线应用到龙门起重机金属结构的疲劳寿命预测问题。被用在森林工业中的起重机在林场里对各种不同的工况进行研究，并且做出相应的应变测量。对负载的循环周期进行计算，下雨循环计数技术得到了应用。为了得到周期的平均数，在一年内这些起重机运作的样本被观察。疲劳失效分析表明，一些元件的故障是自然的系统因素造成的，而不能用一些随意的原因来解释。1999年Elsevier公司科学有限公司。保留所有权利。关键词：起重机、疲劳评估、应变测量1.绪论频繁观测龙门起重机LT62B在工作时金属结构疲劳失效。疲劳裂纹沿着起重机的主梁焊接接头进行传播，并且能坚持三四年。这种起重机在森林工业的伐木林场被广泛使用，用来转移完整长度的原木和锯木到火车上，起重量达到32吨。这种类型的起重机大约有1000台工作在俄罗斯森林工业的企业中。问题在于找到限制起重机寿命的最薄弱的因素，预测其疲劳强度，并给制造商建议，以提高起重机的寿命。2.起重机运行分析为了分析，在叶卡特琳堡地区的林场码头选中了一台龙门起重机LT62B，这台起重机能供应两台在伐木场建立的存储仓库，并且能转运木头到火车上，这条铁路通过存储仓库。这些设备被安装使得货物能在起重机的跨度范围内转运。一个起重机的示意图如图1. 图1 起重机简图检查起重机的工作之后就可能做出一系列的假设：如果每月从森林里运走的原木超过加工率，即使有一个原木存储的仓库，这个起重机所能做的工作，也只是转运到加工的原木的堆数在所供给的实际原木堆数的平均值之下；当加工率超过原木从森林运出的速度时，起重机就希望操作量更大些，相当于木材数量越多锯木厂赚取的越少；原木仓库不同；大量的木材的高度被认为是最高的；仓库在锯木场的一侧发生变化；加工总量大于平均1.4倍的由于额外运输的总量。2.1搬运强度据了解，每年的搬运强度是无规律的，不能被视为一个平稳的过程。非平稳流动的道路列车的性质在23家企业中已经研究了5年的时间，结果表明在年复一年中，对于每个企业来说，每个月的搬运强度都是不同的。这可以由各种系统和随机效应对搬运的影响的复杂性来解释：天气条件、道路条件和货车车队等，所有被运送到存储仓库的木材，在一年内应该被处理。因此在春季和秋季搬运木材的可能性越来越小，冬天搬运的可能性越来越大。然而在冬天搬运强度要大大超过加工强度，在夏天，更多的情况下是整根长的木材加工的比运出去的要多。通过一年的观察，从118个搬运值的观察所了解到的数据进行分析，评价相关的搬运强度（吨）占年度装载量的百分比是可能实现的。该搬运的数据被记录在起重机预期值表1中，它可以被应用到估计疲劳寿命中，尤其是应力已经测出来的检查过的起重机（见稍后）。将有可能为每一台起重机建立每个月所负荷的载重量这些数据，而无需困难的统计调查。此外，为了解决寿命预测这个难题，对起重机的载荷就有一个要求值，并且在类似的工作环境下把它作为起重机载荷的期望值。每月搬运价值的分布Q(t)用相对强度q(t)表示为：Q(t)=Q(Aq(t)+8.33)/100(m)， （1）其中Q是每年存储的装载量，A是设计的最大存储量占Q的百分比。对于效率为每年40万m的起重机并且A等于10%的情况下，由Q可得到搬运载荷的容许值，列在表2中，总量56000m每年，用K表示。2.2装载木块的数量 这些一系列的操作诸如夹紧、吊装、转移、降低和释放载荷可被视为起重机的一个运行周期（加载块）。参照这个调查结果，以一个周期的时间为变量，呈正态分布，平均值为11.5分钟，标准差为1.5分钟。不幸的是，这个特点不能简单地用来定义任何时间内操作周期的数目，因为载荷的变化是很不规律的。使用起重机总运行时间来评估它的周期，很容易出现重大错误并且周期数目与真实值有较大误差。因此，最好是向下面这样做：单位载荷下的体积可以由随机变量带入分布函数F(t)得到=22m，与标称容积的标准偏差=3m。知道了一个月或一年加工过的总量，就有可能利用更新论的方法来决定操作周期的数目的分配参数。 图2 载荷的随机更新过程根据这些方法，任意的更新过程都包含在图2中，（随机变量）负荷形成一个流动的数据链： （2）在更新论中，具有分布函数的随机变量可以被理解为失败单位的回收或者要求收据的时刻。在n次操作后的的值被看做更新的时刻。令=P,函数的递推公式为：， （3）假设v(t)是在运作周期内转移货物的数量，实际中，总的转移货物的吨数本质上是大于一个单位的负荷的，因此也有利于利用更新过程的渐进性.根据下面适当的限制重建定理，需要将吨数t转变为随机变量周期v，它是一个近似的正态分布而不依赖于单位载荷的分布函数的形式（只对不同的格式分配进行限制），其均值和方差为：， （4）方程式（4）利用表2给出的每个月的平均操作量周期的正态分布函数的平均值和方差，列在表3中。表3 随机变量操作周期的正态分布 图3 95%置信区间内的周期的平均数图3显示的是在95%置信区间内的周期的平均数，这些参数在一年内的值相应地为12719和420个周期。3.应变测量为了显示大多数金属的负载元素，并且确定一系列的压力，事先做了静态应变测量。通过提升已测量过的负载来加载垂直载荷，斜向载荷通过装有测力计的牵引绞车来加载，应变片的粘贴方式如图4和5. 图4 桥架上测量仪器的分布方式正如所预计的，梁上的最大拉应力发生在底部的桁架上（值为11-45MPa）。桁架顶部承受最大压应力。由于行车的车轮压力而产生的局部弯曲应力被加到桥架和和负载所产生的压力中。这些压力导致底部桁架工字型梁的受压变形要小于顶部的受压变形（值为17-75和10-20MPa）。桥架其它部分的受载值不会少于绝对值45MPa，起重机桥架的连接部分的受载也是不规则的。最大压应力发生在内侧板的外偏角，最大应力达到60MPa（测量值为8和9）。在隔板和外部嵌板上的最大拉应力达45MPa（测量值为1和6）。一般起重机桥架会受到垂直载荷，它会引起最大载荷，还伴随有微弱的斜向载荷。另一方面，起重机的支撑主要是受斜向载荷。这种转移完整长度木材的起重机的金属结构的承载能力不同于一般用途的起重机。首先，它必须遵循起重机的装载规则，使木材慢慢地离开地面。因此载荷的增长是很缓慢的过渡。第二，它的特性是起升的低效率性。这是由于抓斗的存在导致的，这意味着绳索从吊具座下降是不允许的，受载应该始终保持平衡。由于负载减弱而加快电机的运转的可能性是微乎其微的。因此，对相同的起升速度，起吊木材的起重机受到的动态应力比用于一般用途的类似的起重机要小。通常，当加速过程平滑时，接入电力传动后，载荷离开地面需要3.5s-4.5s。在这种情况下，金属结构并没有发现有很大的振动，压力也是比较平缓地升到最大值。 图5 在基础上测量仪器的分布方式当抓斗和吊具座之间的铰接点最大可能地出现空隙时，在接通电力驱动后1s绳索才会有拉应力，铰接点的空隙占用了时间。在0.6-0.7s后电动机的转速才达到正常值。载荷离开地面从接通电动机那一刻到绳索绷紧的那一刻花费3-3.5s，绳索的拉力平缓地增大到最大值。桥架和基座的金属结构的压力增大到最大值需要1-2s并且平均振荡为3.5%。当起升固定载荷时，绳索和金属结构的加速度和起吊木材时实际上是一样的。金属结构的振动特性可以用从光谱分析得到的周期为0.6s和2s的两种谐波来描述。最糟糕的情况是载荷振幅的总和在动载时超过静载时能达到13-14%。在下降时，突然刹车会导致金属结构很大的振动应力，可以达到静载使得6-7%。把导轨接口移动3-4mm的高度使之不重合只会导致很小的震动应力。在实际操作中，存在可能将不同类型的载荷结合起来。最大载荷的情况就是在下降过程中当小车不适合刹车时突然刹车。4.疲劳载荷分析在起重机工作时,按照图4和图5显示的布置方式在测试点进行张力测量，获得压力示波图。由于通常起重机的操作周期是分散的，其平均值约为11.5分钟，为了减少这些波形图，会将这些信号和重复的值进行过滤，也就是说，当结构不受动载，只受静载时不会被考虑。三个特征压力波形图（测量值为11）显示在图6中 图6 载荷的变化过程（测量仪器11处）可以看出在一个操作周期内加载的本质顺序。首先，当载荷被起升起来时，压力会增大到最大值，然后载荷会转变到合适的位置，由于起重机在经过导轨接头时产生斜向载荷导致无规律的运动，压力值会振动。货物的下降会导致载荷值的减少并且形成基本载荷周期的一半。4.1加载过程中的载荷分析有两个名词必须要区分开：加载周期和加载量。前一个是作为独特的压力振荡讲（闭合回路），后一个是在一个操作周期内的加载周期。利用参考2给出的雨流周期计算法来对三个薄弱的部位进行磁滞回线分析：（1）下弦杆的角处（计量器11处）；（2）上弦杆的工字型梁（计量器17处）；（3）基座的角处（计量器8处）。用威布尔分布得到的在测试周期内的振幅的统计评价的估计值列在表4中。值得注意的是，周期振幅平均值不为零的直方图要简化为平均值为零的直方图。表4 载荷振幅的威布尔分布参数4.2加载周期的数目在雨流周期计数法中，对于装载量的加载周期的数目也会被计算出来。处理一种类型的波形图时，得到一个整块的载荷循环的数目，包含极大值与极小值测量值分别为24和46。随机变量载荷循环的数目可以用参数=34的泊松分布来描述。每个月的装货量的平均值很早就获得了。运用中心极限定理就有可能不仅是为每个月的装载量也为每个月或每年的装载周期找到合适的特性。首先，众所周知，在概率论中使一个泊松分布的变量乘以一个独立于泊松分布的常数k，得到的变量仍然服从泊松分布，其参数为。另一方面，泊松分布是近似等同于正态分布，平均值为，标准差为。第二，中心极限定理，大致说来，表明进行大量随机试验的随机变量独立于最初的分布会渐渐趋向正态分布。如果每个独立地项的最初分布都有一个正态分布，那么一年的载荷循环的总数的平均值和标准差相应的分别为423096和650。k的值被看作是表3中的恒定的平均值。5.应力集中系数和材料的许用应力起重机的部件直接由半自动气体焊接起来，没有预先切边以及随后的加工。为考察元件1和3的加了加固板的圆周和边缘的焊缝，有效的疲劳应力集中系数可以由方法（3）得出，=2.6-2.9，和俄罗斯焊接元件疲劳规范（4）估计的值一致，=2.9.起重机的金属结构是由合金钢09G2S做的，它的疲劳极限应力为120MPa，屈服强度为350MPa。已检查的部件1和3的疲劳极限应力平均值为=41MPa。变差系数取为0.1，相应的标准偏差为=4.1MPa。已检查的部件2是由工字型梁做成的，它通过穿过孔连接导轨与上翼缘。尤其是由局部弯曲引起的大的局部应力也能促进疲劳损伤的积累。根据表4，有效应力集中系数取为=1.8，由它可以得到疲劳极限应力的平均值为=67MPa。用相同的变差系数可得到标准差为=6.7MPa。表（4）推荐的平均的S-N曲线有下面的式子： （5）转折点为=，对元件1和3斜率为m=4.5，对元件2斜率为m=5.5。元件的疲劳极限应力的可能值显示出载荷振幅的范围包含零值，这就意味着这些元件受到了疲劳损伤。由此可得出结论：进行疲劳计算是很有必要的，也就是进行疲劳寿命预测。6.寿命预测这研究的是受到疲劳损伤积累金属结构。我们需要利用内在的疲劳曲线来进行寿命预测，详见于表（5）和（6）。根据内在疲劳曲线，我们可以得到寿命的对数正态分布的密度函数。寿命的平均值和标准差列在表5中，寿命的对数正态分布的密度函数如图7.从表中可看出，寿命最短的是元件3。回想一下，装载量的平均值为12719，很明显在焊接件出现疲劳裂纹之前的使用寿命是足够的。元件1的寿命是8.5年，元件2的寿命是11.5年，元件3的寿命是6年。但是这些元件在3到4年内出现故障表5 对数正态分布的参数的可能性也不小，概率大约在0.09-0.22。这个概率不能被忽视，并且设计和维护应致力于尽量延长金属结构的寿命而没有裂纹的出现和传播。7.总结起重机的载荷分析表明一些金属结构受到很大的动载，这些动载会导致疲劳损伤积累进而导致疲劳失效。 运行周期 图7 各个已检测的元件的寿命分布密度这篇文章中疲劳寿命的预测过程涉及到四个部分：(1) 在实际中的操作分析和在一个期间内的装载量的决定(2) 雨流周期计数法在标准操作期间的载荷周期的计算的应用。(3) 材料的合适的疲劳数据的选择(4) 用内在疲劳曲线的方法计算疲劳寿命这项调查研究的结果已经在实践中得到了证明，并且制造厂商也应经决定加固元件来延长它们的疲劳寿命。参考文献1Feller W.An introduction to probabilistic theory and its applications，vol.2.3rd ed.Wiley，1970.2Rychlik I.International Journal of Fatigue，1987；9:119. 3Piskunov VG.Finite elements analysis of cranes metalwork. Moscow： Mashinostroyenie，1991（in Russian）.4MU RD 50-694-9