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1、桥式起重机箱形主梁的疲劳性能北京起重运输机械研究所潘长松带横隔板的箱形构件是目前桥式起重机广泛采用 的一种承重结构,是一个承受随机加载交变应力的焊接构件。当前,国外有关箱形梁的抗疲劳试验研究资料不多,立足于国内起重机械行业焊接技术水平的疲劳试验则更少。本试验的研究目的有如下几点?研究正轨,半偏机,全偏机三种箱形梁在常幅循环应力作用下的疲劳强度差别。!提出箱形梁实测疲劳曲线。提出箱形梁的预估剩余寿命计算公式。限于试验构件数目,本试验只提供薄壁率#腹板高度与厚度之比%为? ;%破坏情况类型! :向; :9; :门匕! ?一几肠? 饰巨口巨 一?3 ?且一( 9 一8 一 半偏7 几几 轨梁参见表!
2、。试验数据按应力幅1最大应力与最小应力的代数差,和循环数1裂纹从初始裂纹尺寸。扩展至临界裂纹长度。的循环数,两个 变量进行整理,并经最小二乘法的统计计算获得双对数坐标系的直线方程。一、箱形梁的裂纹 扩展速率和应力分 析鉴于由微小裂纹扩展至某一裂纹长度而引起焊接构件的过早破坏是当前一些著作提 出 的重要现象,所以很多构件1像桥梁等的疲劳强度设计,往往 以在使用期间不允许产生裂纹为限制条件。实际上,由于裂纹具有亚临界的扩展特性,并不是所有裂纹都是可怕的。对某些构件来说,是可 以允许它在一定裂纹长度下进行 工作的。因此,运用疲劳 断裂理论来揭 示带裂纹构件在交变应力作用下的裂 纹扩展规律,对 建立裂
3、纹稳定扩展阶段 与各有关参量间的数学表达式,估算构件的剩余寿命以及寻求箱形梁 的失稳速率,临界裂纹长度等都是十分重要的。而上述数学表达式,剩 余寿命估算,裂纹 扩展失稳速率以及临界裂纹长度等,又都电阻片图5 半偏轨箱形梁,全偏轨箱形梁 正轨箱形梁图,半偏轨梁%汗瓜业仆日比附肥净澹腹板竹用叻%口口产产产箱形梁右,6角放 大图下下盖板板 一一= = =, 箱形 梁断而图圆心1图+?回吞困下盖板一腹板 连续贴角焊缝缺陷起源的裂纹扩展示意图 ? ,二!# %.,计算得 到,而包括下盖板在内的临界裂纹长度6。二 ;?6。2?) )。综上所述可以看出2箱形梁的断口形状与工字梁的试验结果基本一致。不 同的是
4、箱形梁的断口大部分起源在腹板一下盖板连续贴角焊缝上,而工字梁 则主要 起 源于横向隔板一腹板焊趾上。全偏轨梁16: : :厂厂 % % %愉姆、刃沙 千注日+工半翩份侧瑕哄娜端献切用76圆形裂纹斋一。诀系曲线表面半椭圆裂纹舞一。关系 曲线图0!?! ?1千磅英寸%卜奚丁图?2)提出的裂纹扩展速率 方程%箱形梁的裂纹扩展速率衰达式一般金属材料的疲劳过程大体包括裂纹起源阶段1滑移,裂纹成核,这个阶段的循环数为。,裂纹稳定扩展阶段1亚临界扩展过程,包括微观的和宏观的裂纹扩展,这个阶段的循环数为 和裂纹失稳阶段1断裂 三 个 过程。比较完整的说法是把裂纹的起源阶段和稳定扩展阶段定为这些构件的设计寿命并
5、容许它出现容易察觉到的裂纹。但是,最近又有很多文献不断地指出对于焊接构件,只要焊件或焊接金属一母体金属溶合线处存在尖 锐的初始裂纹,那么不管控制焊接质量的程序,制造方法以及裂纹是否位于高应力集 中的焊点上,都可忽略起源阶段对疲劳寿命的影响。而初始裂纹实际是普遍存在的,因此,从工 程 设 计出或口力心刃刃一% !一发,忽略起源阶段是可取的。本节将重点研究箱形梁裂纹稳定扩展阶段的裂纹速率表达式,并从预估剩余寿命即计算的裂纹稳定扩展阶段寿命%和实测寿命的比较中,进一步论证上述结论的正确程度。最近人们从 大量的试验数据中获得了如下结果?裂纹起源阶段的粤和2值是一个与一一一9一一”产”一 一应力比2有关
6、的 函数。它随2的减少而增加,随2的增加而减小。当裂纹扩展达到起源阶段的后期时,它的最大裂纹深度约在?;产根据实测厂。!曲线得 到2! ;.;毫米,此时斋一;:。一毫米次,把它们代人?!中得到;.:!=一#?!3#.”?#一;一衰!试裂纹箱定扩展阶段帕里斯方程汇总件名称提出单 位帕里斯方程美国调质马氏体钢 中心裂纹拉伸的丝 (铁素体一珠光体迎 ()3? !=.循 环数 的试验数据离散性来衡量。因此,经统计计算所得的疲劳强度只有从数理统计平均值这一概念来理解才是正确的。也就是说,试验的个别试件完全可能有比统计所得的疲劳强度高或低的结果,这一点需要在疲劳计算的安全系数中予以考虑。图!;是箱形梁包括
7、几种轨道偏心位置所获得的平均疲劳曲线。可以看出2疲劳曲线的相关系数在允许范围内,所有数据点全部落在分散带内。这一现象告诉我们2本次箱形 梁的试验数据具有足够的可靠性。另外从所有数据点均落在分散带内这一点可以进一步说明2在现有焊接水平条件下,无论是正轨梁、半偏轨梁还是全偏轨梁均 可用42一寻势来计算一,“一 ”一刀指定循环数下的疲劳强度 值。当4二! =时?平均值! 公斤毫米;,当4 ! =3时?平均值! #.公斤毫米,。 实际上,由于正轨梁和半偏轨梁的试验应力是取电阻片;,#,:的平均值,而全偏轨梁取电阻片:的实测值?图#,因此在设计 中,正轨梁和半偏轨梁的设计应力幅值不需考虑偏心力的影响,而
8、全偏轨梁则必须益加偏心力引起的应力增值。换句话说,就是在相 同外载条件下,正轨梁和半偏轨梁具有几乎相 同的疲劳强度,而全偏轨梁 的疲劳强度偏低。产生这 一结果的主要原因将在后面 的章节里进行说明。在验算疲劳强度中,必须要求构件的设计疲劳应力幅小于构件的容许疲劳 应力幅,即 。而一定循环数下的容许应力幅又随结构的重要程度和工作可靠性 ?包括设计应力计算可靠性,加工精度和检查制度的可靠性,维修制度和发现损伤技术水平的可靠性而不同。目前,像桥梁构件等的容许应力是以使用期间不允许出现裂纹为限制条件的。另一类如起重机和吊车梁等,则是根据实测的疲劳曲线?一4.把指定循环数下 的疲劳强度值除以安全系数?7
9、一 域十,来获得。下面我们试分析一下这两种方法 的差异。我们知道,构件上产生裂纹的时刻 用肉眼是难以觉察的。因此在现有测试条件下,要想获得以不出现裂纹为限制条件的2一4。曲线是相当困难的。近期,日本钢结构协会疲劳委员会推荐了这样一种求 /一4。的方法;,即在 一42曲线上,取;! =,循环数 的平均误差晕妞一;:一平均误差上限爪 二 ,十 仁”!8、一狡一一一 一一 孟 0加。关懈 卜 : 匕亡?仁尸挂巧幻货令8仍悠只侧巨咯护夕尤卢月护0确护图!%尹 .%妒! =循环数。这两点都对确定构件的使用期限是非常重要的。#.预估剩余寿命与实测疲劳曲线的比较根据本文推荐的箱形焊接梁在裂纹稳定扩展阶段的帕
10、里斯方程粤二。.:、!。一,.,.】一一”“一 4?八7和初始裂纹6。二=.毫米,我们统计计算了预估剩余寿命的平均疲劳曲线。从预估剩余寿命疲劳曲线落在实测疲劳曲线离散度的分散带内这一点可 以看出?图! :2预估剩余寿命和实测寿命的平均值基本是吻合的,因此该帕里斯方程尚有一定的实用价值。但 严 格说来,它与数据点之间还有较大的误差。因此尚需进一步根据较多的试验数据,建立比较准确的帕里斯表达式。一; 一实猫乎均误差上限实测勿铸欲哪一峨 峨男凡 ? ,里口/ ?预估之之,、户抽 , , 如士葵污污内月拐峨有口一吸/?+& ?试验,口。?2%(,?%,?%8:、&=+!:8:88%2类?)&美国1 1
11、洲垫=&小试件试验工 字梁起重机工作类型_6!3?&试验小试件试验未试验借用%类,44459 45?1# _,?4445,? =)下转第页%一!一因此停机时间常常就是维修时间,而在正常使用期间,停机时间为维修时间和待修时间之和。另外,如 果试验不是按三班制连续进行的,应从停机时间及工作时间中扣除工休时间。表为推荐的起重机产品工业性试验数据记录表表中所填内容只是示例,并假定两班制作业,工作时间为& & ! 7& %。+最后还有一个置信度问题。由于我们只 用?!台样机进行工业性试验,试验的时间与起重机的使用寿命相比也极其有限,试验的结果能在多大程度上反映实际的产品质量属于置信度问题,可用数理统计方
12、法如柯尔莫哥洛夫检验法%来判断。由于它们过程比较复杂,以后再专门讨论。产品工业性 试验结束,并不意味着产品可靠性试验的终结。为了更好地考核产品的可靠性,在工业性试验结束之后,对样机在实际使用中的故障情况还应继续进行监测。甚至在产品投人小批量生产后,除应对关键零部件进行可靠性台架试验外,还应与用户配合继续对产品的使用情况进行监测记录。这样才能使起重机产品的质量真正做到心中有数。衰起皿机产品工业性试验数据记录表?年=月故叫王鱼塑塑鲤序号8日期 /时,分故障开始时间日期:时,分“8“!&), ,#故障结 束时间修理 时间纯作 8作业循日期?时,分8小时%业时间:环次数8故障零部件名称 小时%次%8,
13、修理8备 故障情况8费用8 8元%8注,+&?7。+&?7+& &?7?&+&?7?)?)?7&+&) ! = ?接触器起升机构限位器吊竹头部滑轮?!+烧轴坏断8=7+&!+, 卜甩厂 尸内钢丝绳脱槽万7?! )?7 !?& !+一?+!参考文献陈国雄,何玉章 一 &+吨集装箱龙门起重机鉴定情况起重运输机械?= ,冲+上海港机厂 交通科学研究院水运所上港十区一7 &吨轮胎式集装箱龙门起重机上港十区工 业性运转试验总结?,=一机部标准汽车式和轮胎式起重机试验方法7)= 技 术条件草案%李普逊,谢斯著宁开平译工程实 验的统计设计和分析成都科技 大学? 。,? !韩有佛译可靠性初级教程人民邮 电出版
14、社? =,?!五所译,何国伟校可靠性基础数学国防工业出版社?&=,? ?几3“ 曰班 江 叱 9 5及、班3班5 ,皿? =+)=上接第! 页%冶金部,建筑科学研究总院?钢结构疲劳强度 资料汇编。一。=+北京钢铁研究院金属物理室?工程断裂力学。? =褚武扬?断裂力学墓础。?=9&5,二 等?薄壁箱形梁的疲劳强 度。田熙年译 美国国家研究委员会,运输研究局?大纲?!?!,焊接钢桥构件变幅加载下的疲劳强度?&?&? ?!?冶研院?疲劳裂纹扩展规律及随机载 荷作用下的计算和模拟。? &哈尔滨焊接研究所?断裂力学在焊接结构中的 应用译文集%。?+ &日本钢结构会疲 劳委员会?日本钢结构称会疲劳靛舒指南及解释草案%,?=7铁科院 史永吉译。?+&国家建委建筑机械研究所 等?国外起重机设计 规范选编。? =
