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如何利用起重機在線監測系統對橋式起重機主梁疲勞壽命估算呢?

來源:愷德爾起重機安全監控管理系統專家 發表日期: 2016-06-27 22:02:00

摘要:以某庫房32tXl6.5m橋式起重機為研究對象,提出了一種基于在線監測系統獲取全程應力譜的新方法。在此基礎上,結合材料的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行了疲勞壽命估算。結果表明:該橋式起重機主梁的剩余疲勞壽命為38.8年,為起重機的長期安全使用和后期維修提供可靠依據。‘


0前言


由于實際工況與預期工況存在較大的差異,橋式起重機的實際壽命通常會偏離其設計壽命。若根據起重機在線監測系統壽命對起重機進行大修或報廢,將出現浪費和危險并存的問題。因此,根據實際工況對橋式起重機進行壽命預測,可以為起重機的維修和報廢提供可靠依據,具有重要的工程意義和經濟價值。


起重機的實際工況主要由應力譜反映,因此應力譜的獲取是預測起重機實際壽命的關鍵。目前,常用的應力譜獲取方法有現場實測法和計算機仿真法,這兩種方法是通過實測或仿真獲取采樣時間內的應力譜。隨著經濟的快速發展,起重機的使用量和工作強度呈持續增大的趨勢,因此,采樣時間內的應力譜與歷史應力譜和未來的應力譜有明顯差異,僅根據采樣時問內的應力譜進行全壽命預測存在較大失真。針對這兩種方法的不足,本文作者基于在起重機安全監測系統,全程實時監測反映起重機實際工況的相關參數,通過對監測數據的計算和處理,獲取起重機自服役至今的全程應力譜,該應力譜準確反映了起重機的全程實際使用工況。主梁疲勞壽命基本決定了整機壽命,因此,基于全程應力譜,利用模糊累積損傷理論對主梁疲勞壽命進行估算,流程如圖1所示。

主梁疲勞壽命估算流程圖




1、主梁危險部位的確定

主梁的疲勞破壞多發于應力集中和形變較大的危險部位,因此通常基于危險部位的應力譜進行疲勞壽命估算。文中以某庫房32 t×16.5 in橋式起重機為研究對象,在滿載小車位于跨中的工況下,通過對主梁進行有限元分析確定其危險部位。


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)。

整體結構圖



圖2主梁Pro/E三維模型將主梁的Pro/E三維模型導入有限元分析軟件ANSYS Workbench,進行網格的劃分(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行機構安裝在走臺側主梁上,因而走臺側主梁比另一側主梁承受更大的載荷,故以走臺側主梁為研究對象。因建模時對主梁結構做了必要的簡化,導致所建模型的質量小于主梁的實際質量,為此采用密度補償法,將電氣系統、運行機構和走臺的總質量(6.734 t)附加在主梁自重(6.216 t)上,因此材料密度設置為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、大車運行機構及走臺的質量,按重力加速度的慣性載荷進行施加。



1.3分析結果

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


變形云布圖



2基于在線監測系統獲取應力譜


2.1危險部位的應力計算


根據彎曲正應力公式,計算主梁跨中下蓋板與腹板焊縫處的應力

盯2:—掣一 (1)LJ

l

』:

式中:M為主梁跨中的彎矩;


Y為危險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。當小車位移戈的大小范圍不同時,主梁跨中彎矩M有不同計算公式,分別為:


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

式中:G.為主梁、電氣系統、大車運行機構及走臺的總質量;


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


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

、 7

8 2


2.2在線監測系統由式(1)一(4)可知,危險部位的應力隨起質量G和小車位移戈的變化而變化。因此,設計在起重機在線監測系統全程實時監測起重量和小車位移,根據式(1)一(4)對監測數據進行計算,可得到起重機自服役至今的應力一時間歷程。起重量和小車位移的監測原理如下:


(I)起重量的監測:將壓力傳感器安裝在卷筒的軸承座下(見圖5)


(2)小車位移的監測:將絕對值型旋轉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,再根據式(6)可計算得到小車位移z。 (6)戈=OxR式中:R為小車的車輪半徑。

小車位移的監控



2.3全程當量應力譜


利用雨流計數法處理應力一時間歷程,可獲取反映起重機自服役至今實際使用工況的全程應力譜。由于S—N曲線通常是在均值為0的對稱循環載荷作用下獲取的,而主梁承受的是隨機載荷,產生的應力譜均值不為0,所以需要將全程應力譜轉換為均值為0


根據等壽命曲線,可將平均值為盯。的循環應力,轉換為平均值為0的等效循環應力,等效循環應力的幅值q為G=2NxF (5) 式中:盯。為材料的抗拉強度根據式(7),可將全程應力譜轉換為均值為。

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件的疲勞壽命,但該方法認為:以疲勞極限為為界,大于疲勞極限的應力能對構件產生損傷,小于疲勞極限的應力不能對構件產生損傷。事實上,構件的疲勞極限具有“不確定性”,疲勞極限附近的應力能否對構件產生損傷存在模糊性,不能絕對地將疲勞極限作為應力能否對構件產生損傷的界線。因此,需要考慮疲勞極限的模糊性,根據模糊理論對Miner線性累積損傷理論進行修正。


描述疲勞極限模糊性的關鍵是建立隸屬函數,文獻[3]通過實例驗證了以升半正態分布為隸屬函數進行計算時,疲勞壽命的誤差最小。因此,以升半正態分布為隸屬函數,計算應力對主梁危險部位產生損傷的概率。隸屬函數的曲線如圖8所示,表達式為。


(2)小車位移的監測:將絕對值型旋轉光電編

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


4結論


(1)提出了一種基于在線監測系統的監測數據,通過計算處理,獲取全程應力譜的新方法,該全程應力譜能真實地反映起重機自服役至今的實際使用工況,保證了主梁剩余疲勞壽命估算的準確性,為橋式起重機的壽命預測提供了新思路。


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


(3)基于全程應力譜,結合材料的P—S—N曲線,利用模糊累積損傷理論估算出某庫房32txl6.5m橋式起重機主梁的剩余疲勞壽命為38.8年,為起重機的長期安全使用和后期維修提供可靠依據。



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