起重机金属结构疲劳设计中的动载荷处理

　　0　前言

　　根据ISO及我国“起重机设计规范”有关规定,凡工作级别为A6级以上的起重机结构,除进行构件强度、刚度计算外,还须进行疲劳计数.由于起重机结构总是在复杂的动载荷下工作,不乏因疲劳而产生永久变形、损伤甚至破坏的例子,疲劳计算是必须的,尤其对载荷率高、工作频繁的起重机来说显得更为重要.但是,由于起重机工况复杂,实际载荷数据采集与处理有难度,所以往往因缺乏数据资料而忽略疲劳计算.其结果是,要么为保证足够疲劳强度盲目增加设备自重使产品粗大笨重,要么不考虑它,导致埋下过早疲劳损伤的隐患.为了合理进行疲劳设计,正确把握起重机结构承受的载荷以及结构产生应力、应力幅度,是疲劳设计的关键.在设计初期要办到这一点,可以采用类比模拟同类机器工况来确定设计参数,或者机器投入运行后根据实际工况采集数据,进行疲劳寿命预估分析,并找出薄弱环节,以防患于未然.

　　1　现行设计中的载荷处理

　　目前起重机强度设计中,多以载荷率表征起重机的受载情况,并以此作为疲劳强度设计等的依据.表1列举了ISO、日本工业标准JIS、欧洲搬运协会标准FEM以及我国起重机设计规范对起重机载荷的分类处理方法.

　　从表中可看出,无论哪一种载荷分类,都是以起升载荷作为依据.显然,起重机结构设计中最重要的载荷是起升载荷,它的大小,作用的频繁程序直接影响结构的强度.表中,JIS对载荷的分类仅为定性处理,其余的以载荷谱系数表示载荷状态,并且以额定载荷为最大值时的载荷谱系数作为1.我国起重机设计规范中对载荷的分类与ISO基本相同,载荷谱系数Km的计算也相似:

　　(1)

　　式中:Ni———载荷Pi的作用次数;

　　N———总的工作循环次数,N =∑Ni;

　　Pmax———最大起升载荷;

　　m———材料疲劳试验曲线的指数.

　　由于公式(1)相当于计算以m的倒数为斜率的双对数曲线中的构件线性损伤,所以Km·N就等价于以Pmax为固定起升载荷时的工作循环数.用载荷谱系数进行负荷状态分类,在起重机设计中处理随机起升载荷有很大作用,但式中以离散的Ni,Pi进行计算,要得到精度高的载荷频率分布就相当繁琐.此外,载荷谱系数以Pmax等于额定静载荷计算,没有直接考虑动载荷的实际值,而动载荷对起重机结构疲劳强度有很大影响,所以必须根据实际工况得出可靠数据,以利于疲劳设计.

　　2　实际载荷测定与循环计数

　　起重机起升载荷大小可用测定与之成正比关系的应变量来得出.例如可以检测定滑轮轴承处或卷筒轴承座处的应变,由已知载荷进行标定、校正,也可同时测出与载荷相对应的构件应力、应力幅值等.图1为32t/8t×31.5m桥式起重机简图.用于搬运大型铸锻件及结构件等.对其进行测试,检测点选在卷筒轴承座①处和主梁中部上盖板②处.①点检测与起升载荷成比例的动应变,②点检测应力,记录波形例示于图2.为得到可靠性高的数据,应测出尽量多的工作循环数据.但考虑到起重机的工作周期性与循环性,故采用实测,类比及计算相结合的方法进行数据统计处理.对记录数据波形可用循环计数法处理,常用的循环计数有: