苏宗万 上海铁路局科研所
路内机务、车辆、装卸等单位所用的双梁桥式起重机大多采用正轨箱形梁,工作级别一般属于A5级,工作级别的划分是以金属结构的疲劳设计理论为依据的。在起重机的使用过程中,组成起重机的金属结构件,特别是主要受力构件通常是不可更换的,一般要求做到与起重机整机同步报废或停止工作,按照《起重机设计规范》(GB/T3811-2008)表9及附录表B.4可以发现,采用结构件的工作级别E4以上级别相当于整机工作级别的A5级以上级别,需要进行疲劳强度的验算和校核,即新规范提高了起重机结构抗疲劳设计要求,根据新规范A5级校核疲劳强度比原规范A6级要求低一级。这要求对A5级不但要进行主梁的静强度、静刚度和稳定性验算和校核,也要进行疲劳强度的验算和校核。但是,由于设计和使用人员没有重视疲劳强度的验算和校核,主梁出现疲劳破坏的事例屡见不鲜。主梁的疲劳强度取决于结构件的工作级别、材料种类、应力变化情况及结构件连接的应力集中等级等。现根据《起重机设计规范》
主梁的疲劳强度经常发生在最大正应力、最大剪应力或者正应力和剪应力都较大的位置附近,而且主要发生在受拉区。桥式起重机的主梁在跨中截面附近有最大的正应力,在1/4跨度截面内的正应力和剪应力都比较大,在跨端有最大的剪应力,根据设计实践在跨端的剪应力不予考虑。因此对桥式起重机来说,只需验算跨中和1/4跨度截面的副腹板下角点,它们均是受拉区。
按照《起重机设计规范》(GB/T3811-2008)附录O的规定,对一个角焊缝接头进行纵向拉伸、压缩或纵向剪切时,应力集中等级可定为K0类;凡属隔板用双面贴角焊缝与翼缘板和腹板相连,隔板带有切角的情况,应力集中等级可定为K3类。因此,在计算跨中和1/4跨度截面的副腹板下角点时应力集中等级可分别取为K3和 K0类。
计算结构件疲劳强度时,按规范规定,应用A类载荷组合进行。计算主梁跨中截面疲劳强度时,应使满载小车位于跨中最不利位置,在最大弯矩作用截面求出计算点的应力,作为最大应力绝对值;然后使空载小车移至端部极限位置,求出跨中与最大应力同一计算截面的同一点上的应力作为最小绝对值。
计算1/4跨度处的截面疲劳强度时,使满载小车位于1/4跨度处,在计算点求出的应力作为 σmax和τmax的绝对值。使空载小车位于远端的极限位置,求出与最大应力同一计算截面的同一点上的应力作为σmin和τmin最小绝对值。
应力循环特性γ按以下公式计算(代入时应含各自的正负号,拉应力为正、压应力为负)。对桥式起重机主梁,跨中截面主要承受正应力(τ≈0)γ=σmin/σmax,1/4跨度处的正应力和剪应力都比较 大 γx=σxmin/σxmax,γy=σymin/σymax,γxy=σxymin/σxymax。由于计算点在截面的下角点,可按单向力考虑,即σy=0。
(1)根据起重机的工作级别和应力集中等级,从《起重机设计规范》(GB/T3811-2008)的表33中可查得疲劳许用应力基本值[σ-1]。
(2)根据[σ-1]和应力循环特性 γ,按规范中的表31可计算出疲劳许用应力[σγ]和[τγ]。
(3)若有 σmax≤[σγ],则跨中最大弯矩截面的疲劳验算合格。
(1)按照(1)节的①和②过程计算出[σγ]和[τγ]。
(2)若有 σmax≤[σγ],τmax≤[τγ],(σmax/[σγ])2+(τmax/[τγ])2≤1.1,则 1/4 跨度截面的疲劳验算合格。
现以某段起重量20 t,跨度22.5 m,工作级别A5,材料Q235的正轨箱形梁起重机为例,对主梁进行疲劳强度的验算。计算简图和截面几何尺寸如图1和图2所示。
图1 计算简图
图2 截面几何尺寸
Q=20 t,L=22500 mm,P1=71000 N,P2=65540 N,R=136540 N,R'=7154 N,b=2400 mm,b=1152 mm,主梁自重 PG=76500 N,q=3.4 N/mm。主梁截面特性:Ix=6.34×109mm4;Wx=1.06×107mm3;Iy=1.21×109mm4;Wy=0.494×107mm3。
小车轮压引起的弯矩:M垂=RL/4(1-2b1/L)=6.89×108N.mm
主梁自重引起的弯矩:M,垂=qL2/8=2.15×108 N.mm,
M,水=0.11×108N.mm
计算弯矩时取:ψ1=1.1,ψ2=1.15
最大应力为:
最小应力计算时,空载小车位于端部极限位置,作上述同样计算得:(σl/2)min=30.1 N/mm2
同理可计算出1/4跨度处截面的最大正应力和剪应力:
空载小车位于端部极限位置,最小应力:(σl/4)min=21.9 N/mm2。
跨中截面构造、应力集中等级为K3,材料 Q235,σb=380 N/mm2,[σ-1]=71.4 N/mm2,代入规范中的表31式
得:
1/4跨度处的截面构造,应力集中等级为 K0,[σ-1]=42.8 N/mm2,×0.254=88.3 N/mm2
1/4 跨度处,相应的[τγt]经计算得:
正应力和剪应力同时作用应满足:(σmax/[σγ])2+(τmax/[τγ])2≤1.1,即(86.3/88)2+(7.52/167)2=0.96<1.1
根据以上计算结果,可以得出跨中最大弯矩截面和1/4跨度截面的疲劳验算合格。
对于正轨箱形桥式起重机特别是大起重量的起重机,由于主梁处于桥架系统中,它既受端梁和小车轨道的约束,又要受小车承载的随机变量的作用,同时还要受环境温度的影响与自然力的作用,为此主梁易于产生疲劳破坏,并且主梁通常是不可更换的主要结构,应按照《起重机设计规范》(GB/T3811-2008)的要求进行疲劳强度验算。