桥式起重机载荷应力谱分析与优化

王 鑫 孙同峰 郭富城

摘 要：桥式起重机是一种应用于现代社会的重要机械设备，多应用于港口、码头、工厂等区域，用于重载货物的吊运。桥式起重机属于特种设备，积极做好桥式起重机的运行监控与安全管理工作是保障桥式起重机安全、高效运行的重要一环。在对桥式起重机安全管控的过程中通过良好的定量评估用以预测桥式起重机的使用寿命，在桥式起重机安全管理的过程中有针对性地对其进行维护，从而最大限度地发挥出桥式起重机的作用，保障桥式起重机的安全运行。

关键词：桥式起重机;应力谱;疲劳寿命评估

中图分类号：TH215      文献标志码：A

0 前言

桥式起重机是一种应用于工业生产的重要设备。桥式起重机的金属结构不可更换，一旦其发生失效将会造成严重的安全事故。在桥式起重机的运行管理过程中通过对桥式起重机使用检测传感器建立起桥式起重机的载荷谱，并应用金属结构疲劳剩余壽命评估方法用以做好对于桥式起重机的运行监控，保障桥式起重机的安全运行。

1 获取桥式起重机载荷谱及疲劳评估的重要意义

桥式起重机在工业生产领域中的应用极为广泛，做好桥式起重机的安全监测与寿命评估将能够最大限度地发挥出桥式起重机的经济效益，在降低用户更新置换成本的同时提高桥式起重机运行的安全性。桥式起重机在设计之初将会以桥式起重机的使用工况、使用等级以及工作年限等参数作为基础对桥式起重机进行设计。但是实际完成制造后的桥式起重机由于制造质量、使用工况等条件的不同导致桥式起重机的实际使用寿命与设计寿命之间存在较大的差距。在桥式起重机的实际使用中，对于桥式起重机中的易损部件及电气部分可以根据需要进行检修更换，但是作为桥式起重机主体部分的金属结构件将无法进行更换，做好桥式起重机金属结构部分的载荷检测与寿命评估对于保障桥式起重机的安全运行有着重要的意义。桥式起重机长期承受着复杂变化载荷的作用，据不完全统计桥式起重机中的金属结构部分所产生的疲劳断裂有近一半是在长期复杂变化载荷作用下产生的。疲劳断裂所产生的危害很大，加之其具有“突然死亡”的特点，因此做好桥式起重机载荷谱与剩余寿命评估有着极为重要的意义。

2 桥式起重机载荷谱获取方法

桥式起重机载荷应力谱主要是由一段时间内的桥式起重机载荷应力统计分析处理后所得出的，获取桥式起重机载荷应力方面最直接的方法是使用传感器进行现场测量，这一方法虽然测得的数据准确，能够对桥式起重机的载荷应力有着最直观的显示，但是其耗时长、成本高不利于实际推广。而另一种桥式起重机载荷应力谱的获取方式主要是通过将桥式起重机载荷现场测量与计算机模拟结合的方式，通过对桥式起重机载荷进行现场数据采集，并对所采集到的数据进行分析估算用以模拟桥式起重机载荷应力谱，并在所得出模拟数据的基础上对桥式起重机载荷应力数据的现场实测数据与仿真模拟结果进行对比，用以优化仿真模拟数据。

2.1 确定桥式起重机疲劳核算点的位置

桥式起重机疲劳断裂位置多集中在桥式起重机金属结构的载荷集中区与疲劳性能薄弱区。在桥式起重机疲劳核算点位置确定上以某型桥式起重机为例，某型桥式起重机采用中轨箱型梁，以桥式起重机梁上各处疲劳性能一致为基准确定进行桥式起重机疲劳核算点位置，可以确定在桥式起重机应力相应的最大位置处，而中轨箱型梁式起重机的金属结构决定了其最大应力主要集中在起重机的中跨点及附近区域，为了更加精确地确定桥式起重机疲劳核算点的位置，需要对桥式起重机的金属结构部分进行建模分析，用以找到桥式起重机疲劳核算点位置。在建立桥式起重机金属结构箱梁的模型的过程中可以按照以下方法：1）首先建立坐标系，坐标系的坐标原点选在桥式起重机端梁上翼源板中心线与桥架主梁方向的中心线交点处，X轴方向与桥式起重机主梁方向平齐，并指向小车位置，Y轴方向与桥式起重机的端梁方向平齐。2）单元类型。某型桥式起重机主端梁采用钢板焊接，主箱梁的宽厚比较大，在模型的建立上可以选用Shell63弹性板单元，这一单元类型具有良好的弯曲和薄膜特征，这一弹性板单元能够对桥式起重机在复杂载荷条件作用下的弯曲和扭转特性进行良好的反映，用以保证所建立的模型能够满足桥式起重机疲劳核算的精度要求。3）边界条件。桥式起重机在运行的过程中主要沿箱梁轨道运行，桥式起重机桥架结构有限元模型约束点主要集中在端梁两侧安装大车车轮轴的位置上，将桥式起重机的主端梁视为简支梁，用以约束桥式起重机所承受的来自于X/Y/Z 3个方向上的移动自由度，将桥式起重机主梁的变形视为移动的大车绕桥式起重机轨道轴线Y向转动，端梁变形则视为沿X轴转动。

2.3 桥式起重机载荷有限元计算

在桥式起重机运行过程中，桥式起重机的金属结构部分受到来自于桥式起重机金属结构部分自重和起升载荷的作用。建模计算中将对桥式起重机上的所有载荷（桥式起重机自重、导电架小车、大车等部分的重量）进行均匀化考虑，而对于桥式起重机上的操作室、配电箱及其他剩余的部分按照集中载荷规制，通过这一方式完成桥式起重机所承受载荷的计算。在建立的桥式起重机模型中，由于所规划的网格长度为0.2 m，相对于桥式起重机箱梁的长度各节点处所承受的载荷表现为集中载荷，作用在桥式起重机箱梁上。由于建立的桥式起重机模型应力集中，造成有限元计算得出的桥式起重机箱梁上的应力分布图中局部应力值偏大的情况，而如若应力集中点并未集中在桥式起重机金属结构疲劳核算点的位置，就无需考虑桥式起重机应力集中点对桥式起重机金属结构疲劳应力点分析的影响。

根据所建立的桥式起重机载荷模型进行分析和计算，桥式起重机上的大小车移动时，其跨中截面的应力分布主要集中于跨中位置，且分别对应于X方向、第一主应力、等效应力等。由模拟结果可以得知，桥式起重机上的应力载荷在桥式起重机的中跨区域将导致桥式起重机产生弯曲应力，其中桥式起重机主梁跨中截面主要承受自由弯曲所产生的正应力，外载荷在桥式起重机中跨区域所产生的剪切应力较小。在桥式起重机跨中梁上翼缘板所承受的压应力主要为正应力，而下翼缘板则主要承受拉应力。而由于作用于桥式起重机上的拉应力容易造成金属结构部分产生疲劳破坏，桥式起重机的疲劳核算点应该选取在桥式起重机中跨区域的下翼缘板附近。依据模拟结果完成桥式起重机应力谱的构建，并依照所构建的桥式起重机应力谱计算评估桥式起重机的使用寿命。同时在对桥式起重机进行维护保养时可以根据所构建的桥式起重机应力谱对桥式起重机进行针对性的维修加固。

3 结语

桥式起重机属于特种设备，其一旦发生故障将会导致极为严重的安全事故。在桥式起重机的运行安全管理中，需要积极构建好桥式起重机的应力谱与疲劳寿命估算，用以保障桥式起重机的安全运行。该文在分析构建桥式起重机载荷应力谱与疲劳寿命估算重要性的基础上对如何做好桥式起重机载荷应力谱与模型构建优化进行了分析介绍。

参考文献

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