大型重載螺紋疲勞壽命與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

尹 冰 張海濤 潘國智

(中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司，湖南410100)

大型重載螺紋應(yīng)用于載荷大、應(yīng)力交變頻率高的場合，容易發(fā)生疲勞破壞。集裝箱吊具旋鎖裝置是大型重載螺紋的一種，其疲勞壽命直接影響設(shè)備的安全使用。集裝箱堆場經(jīng)常出現(xiàn)吊具旋鎖斷裂導(dǎo)致集裝箱跌落的安全故障，造成安全事故及巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為此，準(zhǔn)確地評(píng)估旋鎖的疲勞壽命，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高旋鎖使用壽命，是集裝箱設(shè)備使用安全的關(guān)鍵。為了保證設(shè)備安全，生產(chǎn)廠家往往要求客戶在使用3000～5000 h時(shí)更換旋鎖，但并無理論依據(jù)，過早更換造成配件浪費(fèi)，過遲更換則有安全隱患。

1—旋鎖螺母 2—旋鎖桿件 3—M36螺紋 4—退刀槽 5—旋鎖鎖頭圖1 集裝箱吊具旋鎖結(jié)構(gòu)Figure 1 Structure of container sling spin lock

基于通過疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證旋鎖的疲勞壽命，并根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行疲勞壽命估算，為旋鎖的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考，為準(zhǔn)確地評(píng)估旋鎖的更換周期提供依據(jù)。

1 旋鎖的結(jié)構(gòu)說明

吊具旋鎖由旋鎖桿件和旋鎖螺母組成。旋鎖桿件為整體鍛件，其底部鎖鉤與集裝箱孔接觸，承受集裝箱的重力，頂部為M36的普通螺紋。螺母底部受吊具支撐。吊具旋鎖結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 疲勞試驗(yàn)

2.1 試件材料

旋鎖材料為42CrMo，調(diào)質(zhì)處理，抗拉強(qiáng)度1080 MPa，屈服強(qiáng)度930 MPa。材料的疲勞特性S-N曲線缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可通過經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行擬合。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及長期實(shí)踐[1]，根據(jù)材料的抗拉強(qiáng)度計(jì)算出N0=1×106次的疲勞極限：

σ-1=0.357Rm

(1)

材料疲勞特性S-N曲線的函數(shù)式為：

σr,im·Ni=C

(2)

式中，m為材料常數(shù)，母材取m=5.3；r為交變應(yīng)力的應(yīng)力比，對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力r=-1；σi為有限壽命的疲勞極限應(yīng)力；Ni為應(yīng)力作用的循環(huán)次數(shù)；C為常數(shù)值。

通過公式(1)和公式(2)能擬合出不同鋼材的S-N曲線。通過計(jì)算得出鋼材42CrMo的疲勞極限為385 MPa，擬合其S-N曲線如圖2所示。

圖2 鋼材42CrMo疲勞S-N曲線Figure 2 Fatigue S-N curve of 42CrMo steel

2.2 試驗(yàn)載荷

為了縮短疲勞試驗(yàn)周期，施加比實(shí)際疲勞工況大的載荷，再通過當(dāng)量載荷等效計(jì)算將試驗(yàn)次數(shù)轉(zhuǎn)換為實(shí)際疲勞工況的次數(shù)?；诓牧掀赟-N曲線，不同載荷等效作用次數(shù)計(jì)算公式為：

N2=(F1/F2)mN1

式中，m為材料常數(shù)，母材取m=5.3；F1為試驗(yàn)加載載荷；F2為實(shí)際疲勞工況載荷；N1為試驗(yàn)次數(shù)；N2為等效疲勞工況次數(shù)。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，吊具下疲勞載荷為28 t，采用吊載35 t做加速試驗(yàn)，等效次數(shù)與試驗(yàn)次數(shù)的關(guān)系為N2=3.05N1。吊具有四個(gè)旋鎖，吊載35 t集裝箱試驗(yàn)，平均每個(gè)旋鎖的載荷為10.9 t。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)集裝箱吊裝作業(yè)工況，建立吊具疲勞試驗(yàn)臺(tái)。疲勞試驗(yàn)的一個(gè)工作循環(huán)為從地面以250 mm/s的速度起升35 t載荷，離地0.5 m高，停頓2 s，再以同樣的速度將載荷放到地面。每臺(tái)吊具裝4根旋鎖，若其中一根斷裂，記錄其總試驗(yàn)次數(shù)，更換新旋鎖后試驗(yàn)，第二根斷裂旋鎖同樣記錄其總吊載次數(shù)。試驗(yàn)累計(jì)斷裂了10根旋鎖，數(shù)據(jù)見表1。

表1 疲勞試驗(yàn)斷裂旋鎖壽命Table 1 Fractured spin lock lifetime of fatigue test

第四列的等效壽命按每小時(shí)吊載20箱計(jì)算。通過表1可以看出，旋鎖的壽命為22 888 ～45 929 h，吊載28 t載荷時(shí)平均壽命為33 000 h。10根旋鎖斷裂位置全部為退刀槽上方的第一圈螺紋，如圖3所示。

圖3 疲勞試驗(yàn)斷裂的旋鎖Figure 3 Fractured spin lock of fatigue test

3 有限元疲勞壽命計(jì)算

3.1 有限元模型

建立旋鎖螺桿及螺母的三維幾何模型(見圖4)，M36螺紋均采用螺旋掃描切除的方法建立。有限元模型定義螺母螺紋與螺桿螺紋的接觸對(duì)，使螺桿的載荷通過接觸對(duì)傳遞到螺母上，約束螺母下底面，在螺桿鎖頭上表面施加載荷。模型整體網(wǎng)格2 mm，螺紋網(wǎng)格局部細(xì)化0.5 mm。集裝箱載荷35 t，由4根旋鎖承受，考慮起升動(dòng)載系數(shù)為1.25，則每個(gè)旋鎖載荷為10.9 t。

圖4 旋鎖有限元模型Figure 4 Finite element model of spin lock

3.2 應(yīng)力計(jì)算

通過計(jì)算，得出螺桿最高應(yīng)力位于螺桿底部第一圈螺紋上，最大應(yīng)力676 MPa。從圖5應(yīng)力圖中可看出，螺紋應(yīng)力變化比較大，第二圈應(yīng)力為507 MPa，第三圈驟降到272 MPa，可見螺紋的載荷主要集中在前兩圈。

圖5 旋鎖應(yīng)力圖Figure 5 Stress of spin lock

3.3 理論壽命計(jì)算

旋鎖材料為42CrMo，Rm=1080 MPa，根據(jù)公式(1)和(2)擬合，母材疲勞極限σ-1=385 MPa，根據(jù)GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，疲勞極限考慮安全系數(shù)為1.34，則計(jì)算疲勞極限為[σ-1]=287 MPa。對(duì)于吊具旋鎖，應(yīng)力循環(huán)特性為脈動(dòng)循環(huán)r=0，開裂位置的應(yīng)力特性為拉應(yīng)力，應(yīng)用Smith公式計(jì)算疲勞極限為σ0=421 MPa。根據(jù)S-N曲線，最大應(yīng)力676 MPa作用下的計(jì)算壽命為1.6×105次。按每小時(shí)20箱，轉(zhuǎn)換為28 t疲勞載荷等效壽命為24 000 h。該計(jì)算值在疲勞試驗(yàn)結(jié)果的壽命范圍中。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)與有限元結(jié)果，得出旋鎖疲勞壽命最薄弱位置為第一圈螺紋處。為了改善螺紋牙上載荷分布不均情況，分別采用兩種方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。方案一為懸置螺母，將螺母底部一段切除，形成臺(tái)階，通過墊板傳遞載荷到中部螺紋。方案二為環(huán)槽螺母，將螺母底部開環(huán)形槽，螺母底部承受的載荷被傳遞到螺紋中部。旋鎖結(jié)構(gòu)圖見圖6。從應(yīng)力圖7中可以看出，兩種優(yōu)化方案各圈螺紋的應(yīng)力分布較均勻，方案1第一圈最大應(yīng)力485 MPa，方案2第一圈最大應(yīng)力501 MPa。通過計(jì)算得出疲勞壽命分別為47 017 h和39 587 h，較原結(jié)構(gòu)提高了近兩倍。

圖6 旋鎖結(jié)構(gòu)圖Figure 6 Structure of spin lock

圖7 旋鎖應(yīng)力圖Figure 7 Stress of spin lock

5 總結(jié)

(1)通過疲勞試驗(yàn)證明，調(diào)質(zhì)處理合格的42CrMo旋鎖疲勞壽命大于20 000 h。

(2)用有限元法計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力，再根據(jù)S-N曲線名義應(yīng)力法計(jì)算疲勞壽命，結(jié)果與實(shí)際測(cè)試較吻合，通過該方法評(píng)估結(jié)構(gòu)疲勞壽命可減少疲勞試驗(yàn)成本。

(3)旋鎖壽命薄弱點(diǎn)為第一圈螺紋處，通過懸置螺母與槽型螺母方案可顯著改善螺紋應(yīng)力集中情況，提高疲勞壽命。