双车翻车机主钢结构断裂原因分析及优化

齐桂营++王蕾++沈健

一、引言

翻车机是一种用来翻卸铁路敞车散料的大型机械设备，可将有轨车辆翻转并使之卸料，目前广泛适用于运输量大的港口、冶金和煤炭等工业部门。双车翻车机可同时翻卸两节敞车，在翻卸过程中，由于受载荷工况复杂，翻卸次数频繁，工作环境恶劣等因素的影响，其主体钢结构经常出现局部开裂或开焊，直接影响了正常工作。为保证机械设备的正常运行，可利用先进的计算机技术对其整体钢结构进行有限元仿真及优化，查找设备开裂原因，提供合理优化建议。本文针对某钢铁焦化厂翻车机前梁开裂问题，给出了详细计算结果及改进方案。

二、力学模型、载荷工况及边界条件

该C型翻车机主要用于翻卸C70车型，由端环、前梁、后梁及平台组成主体钢结构部分，并采用了液压夹紧方式。主体钢结构均由钢板焊接而成，采用壳单元进行模拟，夹紧机构则采用梁单元进行简化，整体力学模型共生成40347个节点，44360个单元，如图1所示。

翻车机所受载荷主要包括：（1）自重和配重；（2）车厢和物料自重；（3）夹紧机构载荷；（4）靠车机构载荷。除结构自重外，其他载荷均按实际位置施加到结构上。有限元分析共分为3种工况，并根据长期计算经验，对于每种工况计算较危险的倾翻角度，其中对于重载冻车工况，倾翻90°时后梁受力最大，主要工况列表如表1所示。

翻车机主要依靠底部托辊进行支撑，在该位置约束了径向移动自由度，并在端环驱动位置约束了水平方向（x向）、竖直方向（y向）移动自由度。

三、疲劳校核方法

金属疲劳是在当构件受到交变载荷作用下发生的，当载荷循环次数大于2×10⁴时，需要验算疲劳强度。目前常用的疲劳验算方法主要有应力比法和应力幅法。本文依据JB8849-2005移动式连续散料搬运设备结构设计规范，采用应力比法进行疲劳校核，极限应力比值为最小极限应力与最大极限应力的比值，此值作为极限应力的函数。许用疲劳强度受钢结构连接形式及载荷循环次数的影响，翻车机的翻卸循环次数大于6×105，属于C级结构件。

四、计算结果

根据现场反馈，开裂位置处于前梁中段，靠近压车臂四个支座的中间两个支座位置，共两个断裂处，如图2所示，A区为箱型梁整体四面开裂，B区顶部及外侧面共两个面发生断裂，与其对应的力学模型如图3所示。有限元分析将重点关注发生断裂的区域。

1.强度与变形计算结果

在上述载荷工况条件下，整机结构强度和刚度均满足规范要求。在正常卸料工况下，整机倾翻l35°时，翻车机产生最大应力为2IOMPa，在靠近端环处的前梁夹紧铰点位置，如图4所示；最大垂直变形出现在倾翻l65°时前梁中段位置，值为25.47mm，如图5所示。由于空车返回时，物料倾泻完毕，整机外载减小，在正常卸料工况整机强度和刚度满足规范要求前提下，空车返回时整机一定能满足标准要求。倾翻90°的重载冻车工况，最大应力为209MPa，出现在后梁靠近端环的夹紧铰点处；最大垂直变形为19.84mm，出现在后梁中部，应力及变形云图如图6所示。不同载荷工况下开裂位置最大应力计算结果如表2所示。

根据上述计算结果，在静载荷作用下，整机强度均满足规范要求，前梁不会发生开裂。

2.开裂处疲劳分析

由于翻车机长期承受交变载荷作用，翻卸次数多，利用有限元数值计算方法，对翻车机进行疲劳验证，对避免疲劳裂纹扩展，保证整机正常运行具有重要的意义。选定现场开裂区域作为应力输出区域，如图7所示。

所选的四个断裂区域疲劳分析评估结果如表3-6所示。评估结果显示，对于原设计图样，断裂处不满足疲劳要求，这是造成前梁中部断裂的主要原因。

3.改进后开裂处疲劳分析

该翻车机若要长期翻卸C70车型，其前梁中部必须进行局部补强，即增加其中部箱型梁板厚，优化改进将上下盖板及腹板由原设计板厚12mm改为30mm，补强范围如图8所示，箱型梁内部隔板与上下盖板及腹板之间的焊缝要考虑开坡口，避免全部角焊缝。经改进后断裂区域疲劳分析评估结果如表7-10所示。疲劳评估结果显示，经优化改进后，断裂处疲劳满足要求，实物补强示意图如图9所示。

五、结语

该翻车机翻卸C70车时，其主体钢结构中的端环、平台、后梁是满足强度、刚度、疲劳要求的，但其前梁不满足疲劳要求。这是造成前梁中部开裂的主要原因。

若要长期使用该翻车机翻卸C70车，需对已有的翻车机进行修改，其前梁中部必须进行局部补强，补强范围如图8所示，上下盖板及腹板由原设计板厚12mm改为30mm。同时，箱型梁内部隔板与上下盖板及腹板之间的焊接要考虑开坡口，避免全部角焊缝。endprint