履带起重机臂架结构应力试验与分析

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履带起重机臂架结构应力试验与分析

李 玮

(太原重工股份有限公司 技术中心，山西 太原 030024)

摘要：对履带起重机桁架臂进行静动态应力测试，静态应力作为评估其强度的依据，动态应力使用雨流计数法统计载荷谱，作为评估其疲劳寿命的依据。

关键词：履带起重机；桁架臂；疲劳寿命；应力分析

0 引言

某履带式起重机1989年生产，1990年投入使用，服务工程量12个～13个，有效工作时间约12年～13年；整机使用等级U0，整机工作级别A1。为了对其臂架结构安全评估进行了强度试验及分析。

1 履带起重机结构

履带式起重机机身和履带架为钢板焊接的箱形结构，起重臂为弦杆腹杆焊接的桁架结构，如图1所示。起重臂有主、副臂架，臂长变化范围分别为24 m～60 m和18 m～72 m，起重量范围为2.6 t～200 t。

2 臂架结构安全评估流程

结构安全评估是对结构承载能力的分析评价，是对结构件长期使用后出现强度损伤累计后的风险评价以及使用寿命的估算，分析结果将提示用户了解设备的安全使用年限以及在复杂载荷环境下的抗风险能力。臂架结构安全评估流程如图2所示。

3 臂架结构强度测试

履带起重机桁架臂结构具有体型庞大、非线性变形明显等特点，目前少有履带起重机臂架结构应力或变形测试的相关文献和具体试验数据。本文采用动态应变测量仪和无线静态应变仪记录了不同作业工况下臂架结构的应力数据。应力测试点布置如图3～图5所示。

图1 履带起重机结构示意图

图2 臂架结构安全评估流程

图3 主臂底部测试点分布

图4 主臂顶部测试点分布

图5 副臂底部测试点分布

3.1 单主臂作业试验工况

单主臂作业试验工况下主臂长度为54 m，主臂仰角为73.3°，作业半径为19.1 m，载荷重量为39 t。单主臂作业工况下静态应力测试结果见表1。臂架材料的许用应力为466 MPa，此工况下臂架强度是合格的。

此工况下动态应力测试为履带吊起吊-回转-卸载过程，共14个工作循环过程。动态测试点1工作循环动态应力最大值为-105.1 MPa，如图6所示。动态测试点2工作循环的动态应力最大值为-94.0 MPa，如图7所示。

3.2 主臂加副臂作业试验工况

主臂加副臂作业试验工况下主臂长度为54 m，主臂仰角为88°，副臂长度为48 m，作业半径为38.4 m，载荷重量为9.1 t。主臂加副臂作业工况下静态应力测试结果见表2(主臂加副臂组合作业试验时，原先接测点9～12的信号线分别接到测点13～16，所以试验数据没有9～12测点的值)。臂架材料的许用应力为466 MPa，此工况下臂架强度是合格的。

表1 单主臂作业工况下静态应力测试结果

测点应力σ(MPa)测点应力σ(MPa)1-33．27-49．72-40．08-52．13-22．39-37．74-28．610-46．55-67．711-53．76-40．112-92．6

图6 单主臂作业动态测试点1的应力

图7 单主臂作业动态测试点2的应力

表2 主臂加副臂作业工况下静态应力测试结果

测点应力σ(MPa)测点应力σ(MPa)1-33．27-49．72-40．08-52．13-22．313-37．74-28．614-46．55-67．715-53．76-40．116-92．6

此工况下动态应力测试为履带吊起吊-回转-卸载过程，共16个工作循环过程。

动态测试点1工作循环动态应力最大值为-68.6 MPa，如图8所示。动态测试点2工作循环动态应力最大值为-38.8 MPa，如图9所示。

4 循环工作载荷谱统计

以雨流计数法统计图6～图9中动态测试点工作循环载荷谱(见表3)，表示了应力变程与频次之间的关系。

5 结构使用寿命估算

估算结构件寿命的公式为：

.

(1)

其中：n为结构破坏时载荷谱的重复次数；C、k为结构S-N曲线常数；D为结构破坏时的损伤和；r为级数；si为应力变程；N为谱时间t中的总变程数，谱时间t是指一个载荷谱所代表的实际工作循环数(工作时间)。将14个主臂工作循环加16个副臂工作循环时的应力变程频次表(表3)作为臂架疲劳寿命评估选用的应力变程频次数据。根据现场实际观测，这个载荷谱的统计结果可以代表2个主臂工作日加2个副臂工作日的臂架工作量。根据钢结构焊接接头试验数据，选用D=0.8、k=3.3、C=1011.714 486。将表3的载荷谱代入到公式(1)中，可得n≈1 438(个谱时间)，因为一个谱时间表示4个工作日的额定负荷工作循环，所以n=1 438×4=5 752(个工作日)。

图8 主臂加副臂作业动态测试点1的应力

图9 主臂加副臂作业动态测试点2的应力

表3 应力变程—频次数据表

级数r应力变程SiMPa应力变程出现频次应力变程出现频率fi%级数r应力变程SiMPa应力变程出现频次应力变程出现频率fi%1871272．1495630．3021413413．58106210．10320666．69116810．10426272．74127410．10532121．22139230．3063870．71149850．5174420．211510450．5185070．711612210．10

这一结果表示起重机自投入使用以来，若实际生产工况一直近似于试验工况，则该设备臂架的疲劳寿命应达到5 752个额定负荷作业工作日。由历年实际工作量统计，该设备完成了13个工程量，按每个工程240个作业工作日计算，该设备已经工作了3 120个工作日，由此可以推算已经完成的工作量占臂架疲劳寿命的百分比为3 120/5 752=54.2%。

上述计算的主要结论如下：臂架疲劳寿命5 752个工作日；臂架剩余使用寿命2 632个工作日；臂架可以再承担的工程量是11个。

6 结论

对履带机桁架臂结构进行的静、动态应力测试结果表明：其强度满足材料及设计要求，其疲劳寿命的估算使得用户了解设备的安全使用年限以及在复杂载荷环境下的抗风险能力。

参考文献：

[1] 王宏伟，邢波，骆红云.雨流计数法及其在疲劳寿命估算中的应用[J].矿山机械，2006(3):95-97.

[2] 刘兵，何国球，蒋小松，等.材料疲劳寿命的影响因素和研究方法[J].材料导报，2011(9):103-106.

Stress Test and Analysis for Crawler Crane Truss Boom

LI Wei

(Technique Center of Taiyuan Heavy Industry Co., Ltd., Taiyuan 030024, China)

Abstract：In this paper, the static and dynamic stress measurement for crawler crane truss boom is carried out. Static stress is used as the basis of evaluating its strength, and dynamic stress is used as the basis of evaluating its fatigue life, which is measured by using the rain flow count method.

Key words：crawler crane; truss boom; fatigue life; stress analysis

收稿日期：2016-03-02；

修订日期：2016-10-25

作者简介：李玮(1985-)，男，山西孝义人，工程师，硕士，主要从事重型机械测控工作。

中图分类号：TH222∶TP391.7

文献标识码：：A

文章编号：1672-6413(2016)06-0147-02