岸橋大車平衡梁腹板結(jié)構(gòu)的多軸疲勞試驗(yàn)研究

鄭惠強(qiáng),喬 榛,2

(1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院,上海,201804; 2.上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院,上海,201306)

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岸橋大車平衡梁腹板結(jié)構(gòu)的多軸疲勞試驗(yàn)研究

鄭惠強(qiáng)1,喬 榛1,2

(1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院,上海,201804; 2.上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院,上海,201306)

近年來,在役岸邊集裝箱起重機(jī)大車平衡梁腹板發(fā)生了系統(tǒng)性開裂的現(xiàn)象.通過對(duì)平衡梁結(jié)構(gòu)的受力分析以及載荷情況測(cè)定發(fā)現(xiàn),岸橋在實(shí)際工作中不僅受到其垂直載荷的作用,還受到較大的水平側(cè)向力的作用.在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究結(jié)論的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了縮尺的帶有圓環(huán)形蓋板式重磅的腹板結(jié)構(gòu)試件及配套的試驗(yàn)臺(tái)架,用該試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)腹板結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行多軸疲勞試驗(yàn).通過試驗(yàn)考察研究該結(jié)構(gòu)在多軸載荷作用下的疲勞壽命和影響因素.

大車平衡梁; 開裂; 水平側(cè)向力; 多軸疲勞試驗(yàn); 影響因素

ZHENG Hui-qiang1,QIAO Zhen1,2

(1.Energy and Mechanical Engineering College,Tongji University,Shanghai,201804,China;2.Logistics Engineering College,Shanghai Maritime University,Shanghai,201306,China)

隨著我國(guó)航運(yùn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,港口機(jī)械設(shè)備的工作強(qiáng)度越來越高.岸邊集裝箱起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱岸橋)是港口碼頭最常用的裝卸設(shè)備之一,由于其工作環(huán)境特殊、使用頻繁,常年在露天環(huán)境及惡劣工況下工作,受力狀態(tài)復(fù)雜多變,極易引發(fā)疲勞破壞.近年來,在岸橋大車平衡梁的腹板上接連發(fā)生了疲勞開裂現(xiàn)象.大車是實(shí)現(xiàn)岸橋整機(jī)運(yùn)行的重要機(jī)構(gòu),而平衡梁起到支承整機(jī)結(jié)構(gòu)、傳遞輪壓等重要作用,因此,其強(qiáng)度和疲勞壽命將直接影響岸橋的正常使用,研究其疲勞開裂的成因具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義.

通過對(duì)岸橋工作特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析,發(fā)現(xiàn)大車平衡梁除了受到以岸橋上部結(jié)構(gòu)、小車結(jié)構(gòu)以及起升質(zhì)量為主的垂直載荷的作用以外,還受到由小車起制動(dòng)所引起的慣性力、吊重偏擺力以及結(jié)構(gòu)變形引起的水平載荷的作用,使得平衡梁腹板處于復(fù)雜的多軸應(yīng)力狀態(tài).早期起重機(jī)小,運(yùn)行速度慢,因此該水平載荷并沒有被充分重視,疲勞問題并不突出.但是,如今隨著起重機(jī)向大型化、重型化發(fā)展,整機(jī)起重量和小車運(yùn)行速度都有較大幅度的提高,這些因素都導(dǎo)致水平載荷顯著增加,對(duì)于平衡梁的疲勞是極不利的.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析得知:在較為惡劣的工況下,單腿下大車平衡梁承受的水平側(cè)向力為15～20 t,整機(jī)水平側(cè)向力可達(dá)60 t.

有研究結(jié)果表明[1,2]:在多軸加載下會(huì)使結(jié)構(gòu)的疲勞壽命大大降低,一般可達(dá)50%～90%.據(jù)此認(rèn)為:大車平衡梁腹板系統(tǒng)性開裂的原因是垂直載荷與水平載荷的聯(lián)合作用使其處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài).

現(xiàn)以某典型岸橋的大車平衡梁結(jié)構(gòu)及受力情況為依據(jù),取單塊腹板為研究對(duì)象,根據(jù)平均應(yīng)力和應(yīng)力幅相似性原則,設(shè)計(jì)制作小尺寸試件及配套的試驗(yàn)臺(tái)架開展多軸疲勞試驗(yàn),旨在通過試驗(yàn)得到腹板結(jié)構(gòu)在多軸加載下的疲勞壽命,分析其在裂紋萌生前后力學(xué)表現(xiàn)的差異.試驗(yàn)內(nèi)容包括:試驗(yàn)臺(tái)架的設(shè)計(jì)(試件、夾具、加載裝置)、試驗(yàn)方案的制定、數(shù)據(jù)的采集與分析.

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試件的設(shè)計(jì)

考慮到垂直力和水平側(cè)向力的大小和作用效果均在平衡梁腹板上有所體現(xiàn),并且實(shí)際工程中的開裂都是發(fā)生在腹板與重磅板的焊縫連接位置,因此從簡(jiǎn)化試驗(yàn)對(duì)象、節(jié)省試驗(yàn)成本、提高試驗(yàn)效率的角度出發(fā),取帶圓環(huán)形蓋板式重磅的腹板結(jié)構(gòu)為主要研究對(duì)象,將翼緣板對(duì)腹板的嵌固作用簡(jiǎn)化為鉸接約束.并且考慮后續(xù)研究處理數(shù)據(jù)的便利性,將試件設(shè)計(jì)為雙軸對(duì)稱結(jié)構(gòu).由于疲勞試驗(yàn)機(jī)的作業(yè)空間有限,初步設(shè)定試件為厚度為5mm的300mm x 300 mm的正方形板件.圓環(huán)形重磅尺寸的設(shè)計(jì)原則是:在設(shè)計(jì)載荷的作用下,重磅正下方板件的應(yīng)力均值和應(yīng)力幅值與測(cè)試岸橋腹板結(jié)構(gòu)在測(cè)試載荷下的對(duì)應(yīng)參數(shù)的數(shù)值相當(dāng).由此得到試件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖1所示.

圖1 試件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖

1.2 試驗(yàn)臺(tái)架的設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)架如圖2所示.其中WK1為試件夾具,與WK3,WK4組成封閉結(jié)構(gòu),提供垂直力施加的支反力;WK2,WK3,WK4亦為試件夾具,內(nèi)側(cè)具有燕尾槽口,用于固定試件,起到四邊簡(jiǎn)支的約束作用;U形加載裝置用來傳遞利用螺栓預(yù)緊產(chǎn)生的垂直力;面外力加載軸可同時(shí)實(shí)現(xiàn)與疲勞試驗(yàn)機(jī)加載頭連接施加水平側(cè)向力、傳遞垂直力的作用;利用疲勞試驗(yàn)機(jī)上部的夾頭夾持支撐架以固定試驗(yàn)臺(tái)架.

圖2 試驗(yàn)臺(tái)架示意圖

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)中采用的主要硬件設(shè)備包括MTS材料疲勞試驗(yàn)機(jī)、高速靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試儀、數(shù)字成像儀、測(cè)厚儀、PC機(jī)等,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)況如圖3所示.

圖3 試驗(yàn)平臺(tái)放置實(shí)況圖

1.4 應(yīng)變片布置方案

為了保證垂直力的施加達(dá)到設(shè)定值,在U形加載裝置的兩個(gè)耳板的上下表面各貼一片應(yīng)變片(參見圖4),則試件受到的面內(nèi)載荷即垂直力Pin可通過列公式換算得到.

(1)

(2)

Pin=Eεr1A1+Eεr2A2

(3)

式中:?1,?2為一側(cè)耳板上、下表面的應(yīng)變片讀數(shù),?r1為兩者的均值,A1為耳板的橫截面面積;?3,?4為另一側(cè)耳板上、下表面的應(yīng)變片讀數(shù),?r2為兩者的均值,A2為另一側(cè)耳板的橫截面面積;E為鋼材的彈性模量.

并且,為了使垂直力施加在板件中面,在加載過程中對(duì)上述應(yīng)變片數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣,調(diào)整螺栓的位置,使上下耳板的應(yīng)變之和盡可能趨于相等.

另外,為了獲取試件表面某位置的應(yīng)力水平,在試件一側(cè)的易開裂區(qū)——重磅焊縫正下方的焊趾部位也布置應(yīng)變片(盡可能靠近焊趾),同時(shí)在該應(yīng)變片的左右兩側(cè)間隔25 mm處再各布置一片,便于通過應(yīng)變片數(shù)值的變化及時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋,如圖5所示.

圖4 U形加載裝置應(yīng)變片貼片示意

圖5 試件表面應(yīng)變片貼片示意

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)載荷工況為在8t恒定不變的垂直力作用下,水平側(cè)向力以0.4t對(duì)稱循環(huán).在相同的載荷工況下,總共進(jìn)行了3個(gè)試件的多軸疲勞試驗(yàn),試件情況及壽命結(jié)果列于表1.以1#試件為例,試件開裂情況如圖6,7所示.

表1 1～3# 試件試驗(yàn)情況總結(jié)

注:此處“裂紋萌生壽命”指的是試件從開始受載到應(yīng)變測(cè)試儀反映出應(yīng)變片幅值出現(xiàn)明顯變化時(shí)的累計(jì)循環(huán)加載次數(shù).同理,“裂紋擴(kuò)展壽命”指的是試件從開始受載到裂紋在試件厚度方向穿透并向母材擴(kuò)展的累計(jì)循環(huán)加載次數(shù).

圖6 數(shù)字拍攝表面開裂示意

圖7 貼片面開裂示意

通過對(duì)上述3個(gè)試件的試驗(yàn)過程的觀察以及數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn):

(1) 裂紋均萌生于重磅板正下方的焊趾部位,與大車平衡梁腹板的實(shí)際開裂位置相同.該部位既是垂直力作用下的最大受力位置,也是水平側(cè)向力的直接作用位置,在二力聯(lián)合作用下,重磅焊縫不斷地?cái)D入擠出,容易累積疲勞損傷.

(2) 隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加,試件逐漸累積疲勞損傷,當(dāng)損傷達(dá)到臨界值時(shí)初始裂紋萌生.在這個(gè)過程中,疲勞試驗(yàn)機(jī)的加載頭位移增長(zhǎng)緩慢,因此在裂紋萌生初期不易察覺,而裂紋一旦萌生后,擴(kuò)展速度極快.因此,在日常使用過程中應(yīng)注意對(duì)結(jié)構(gòu)的易開裂部位進(jìn)行定期排查.

(3) 焊縫開裂后向兩側(cè)擴(kuò)展,但是擴(kuò)展并不對(duì)稱,易向截面薄弱處先擴(kuò)展.

對(duì)比1～3#試件的試驗(yàn)結(jié)果(表1)還可以發(fā)現(xiàn),在相同的載荷工況下,試件壽命呈一定的離散性.經(jīng)分析,該離散性與試件的厚度、焊縫加工質(zhì)量以及板邊約束條件有關(guān).

① 板厚 板厚對(duì)疲勞壽命會(huì)造成一定的影響.從1,2#試件的裂紋萌生壽命結(jié)果可以看出,板厚僅相差0.1 mm,疲勞壽命就有明顯的不同,說明該結(jié)構(gòu)在此類多軸疲勞狀態(tài)下對(duì)板件厚度的敏感度較高.進(jìn)而可得出結(jié)論:在設(shè)計(jì)大車平衡梁時(shí),適當(dāng)增加腹板厚度可有效提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命.

② 焊縫 焊縫設(shè)計(jì)及加工質(zhì)量對(duì)疲勞壽命的影響較大.根據(jù)試件加工要求,焊縫高度應(yīng)為6 mm.經(jīng)焊后處理,1,2#試件焊縫高度達(dá)到加工要求,但是它們的焊縫強(qiáng)度并不相同,1#試件的重磅焊縫打磨后通過補(bǔ)焊進(jìn)一步提高了其強(qiáng)度,2#試件經(jīng)車削后未做任何加強(qiáng)處理,并且其焊縫剩余量明顯少于1#試件.3#試件由于本身焊縫高度大(8mm)、車削加工量小,因此焊縫強(qiáng)度大于其余兩個(gè)試件.因此,焊縫強(qiáng)度可能是導(dǎo)致2#試件的裂紋萌生壽命明顯低于同厚度的3#試件的最主要原因,也是3#試件的裂紋萌生壽命大于1#試件的原因.

③ 板邊約束條件 板邊約束條件在試驗(yàn)過程中,3#試件的一側(cè)板邊約束沒有達(dá)到簡(jiǎn)支那么強(qiáng),試件與夾具之間存在一定間隙,因此,實(shí)際壽命比四邊簡(jiǎn)支的情況有所提高,這是導(dǎo)致3#試件壽命較大的另一個(gè)原因.

3 結(jié)論

通過對(duì)縮尺的大車平衡梁腹板試件進(jìn)行多軸疲勞試驗(yàn),在相同的載荷工況下得到了3個(gè)試件樣本的疲勞壽命.經(jīng)試驗(yàn)研究,得出以下結(jié)論:

(1) 帶圓環(huán)形蓋板式重磅的焊接腹板結(jié)構(gòu)在恒定垂直力和對(duì)稱循環(huán)水平側(cè)向力的作用下,腹板表面處于多軸應(yīng)力狀態(tài).雖然水平側(cè)向力的數(shù)值遠(yuǎn)小于垂直力,但其對(duì)壽命有著顯著的影響.裂紋萌生于重磅正下方與腹板焊接處,在載荷作用下迅速擴(kuò)展.

(2) 小尺寸腹板結(jié)構(gòu)的疲勞壽命對(duì)腹板厚度和焊縫高度的敏感性較高.板厚增加2%,壽命增加62.4%;焊縫高度增加33%,壽命增加93.5%.因此,對(duì)于此類結(jié)構(gòu)的加工制造,需要特別注意保證板厚和焊縫高度.

[1] 王英玉.金屬材料的多軸疲勞行為與壽命估算[D].南京:南京航空航天大學(xué),2005.

WANG Yingyu.Fatigue behavior and fatigue life prediction of metals under multiaxial cyclic loading[D].Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2005.

[2] 朱正宇,何國(guó)求,陳成澍,等.多軸非比例加載高周疲勞研究進(jìn)展[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,34(9),1221-1250.

ZHU Zhengyu,HE Guoqiu,CHEN Chengshu,et al.Recent advances of multiaxial high cycle fatigue under nonproportional loading [J].Journal of Tongji University:Natural Science,2006,34(9),1221-1250.

作者簡(jiǎn)介：王 欣(1972-),女,博士,副教授。E-mail：wangxbd21@163.com

Multi-axial fatigue testing on web structure for cart balance beams of quayside container cranes

In recent years,the systematic cracks occur on the web plates for cart balance beams of in-service quayside container cranes.By employing the loading analysis and determination,the quayside container crane is significantly enforced by both vertical and horizontal forces.Based on the on-site testing,the scaled ring-cover heavy web structure and test-bed are designed for multi-axial fatigue testing.the fatigue life,along with impact factors,is investigated.

cart balance beam; crack; horizontal force; multi-axial fatigue testing; impact factor

喬 榛(1984-),女,講師.E-mail:hazel_qz@163.com.

TH 213

A

1672-5581(2016)01-0073-04

國(guó)家"八六三"高科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012AA041804)