郑惠强1,乔 榛1,2
(1.同济大学机械与能源工程学院,上海,201804; 2.上海海事大学物流工程学院,上海,201306)
摘要：近年来,在役岸边集装箱起重机大车平衡梁腹板发生了系统性开裂的现象.通过对平衡梁结构的受力分析以及载荷情况测定发现,岸桥在实际工作中不仅受到其垂直载荷的作用,还受到较大的水平侧向力的作用.在现场测试研究结论的基础上,设计了缩尺的带有圆环形盖板式重磅的腹板结构试件及配套的试验台架,用该试验台架对腹板结构试件进行多轴疲劳试验.通过试验考察研究该结构在多轴载荷作用下的疲劳寿命和影响因素.
关键词：大车平衡梁; 开裂; 水平侧向力; 多轴疲劳试验; 影响因素
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)
随着我国航运业的蓬勃发展,港口机械设备的工作强度越来越高.岸边集装箱起重机(以下简称岸桥)是港口码头最常用的装卸设备之一,由于其工作环境特殊、使用频繁,常年在露天环境及恶劣工况下工作,受力状态复杂多变,极易引发疲劳破坏.近年来,在岸桥大车平衡梁的腹板上接连发生了疲劳开裂现象.大车是实现岸桥整机运行的重要机构,而平衡梁起到支承整机结构、传递轮压等重要作用,因此,其强度和疲劳寿命将直接影响岸桥的正常使用,研究其疲劳开裂的成因具有十分重要的现实意义.
通过对岸桥工作特点和结构特点的分析,发现大车平衡梁除了受到以岸桥上部结构、小车结构以及起升质量为主的垂直载荷的作用以外,还受到由小车起制动所引起的惯性力、吊重偏摆力以及结构变形引起的水平载荷的作用,使得平衡梁腹板处于复杂的多轴应力状态.早期起重机小,运行速度慢,因此该水平载荷并没有被充分重视,疲劳问题并不突出.但是,如今随着起重机向大型化、重型化发展,整机起重量和小车运行速度都有较大幅度的提高,这些因素都导致水平载荷显著增加,对于平衡梁的疲劳是极不利的.根据现场测试数据分析得知:在较为恶劣的工况下,单腿下大车平衡梁承受的水平侧向力为15～20 t,整机水平侧向力可达60 t.
有研究结果表明[1,2]:在多轴加载下会使结构的疲劳寿命大大降低,一般可达50%～90%.据此认为:大车平衡梁腹板系统性开裂的原因是垂直载荷与水平载荷的联合作用使其处于复杂的应力状态.
现以某典型岸桥的大车平衡梁结构及受力情况为依据,取单块腹板为研究对象,根据平均应力和应力幅相似性原则,设计制作小尺寸试件及配套的试验台架开展多轴疲劳试验,旨在通过试验得到腹板结构在多轴加载下的疲劳寿命,分析其在裂纹萌生前后力学表现的差异.试验内容包括:试验台架的设计(试件、夹具、加载装置)、试验方案的制定、数据的采集与分析.
1.1 试件的设计
考虑到垂直力和水平侧向力的大小和作用效果均在平衡梁腹板上有所体现,并且实际工程中的开裂都是发生在腹板与重磅板的焊缝连接位置,因此从简化试验对象、节省试验成本、提高试验效率的角度出发,取带圆环形盖板式重磅的腹板结构为主要研究对象,将翼缘板对腹板的嵌固作用简化为铰接约束.并且考虑后续研究处理数据的便利性,将试件设计为双轴对称结构.由于疲劳试验机的作业空间有限,初步设定试件为厚度为5mm的300mm x 300 mm的正方形板件.圆环形重磅尺寸的设计原则是:在设计载荷的作用下,重磅正下方板件的应力均值和应力幅值与测试岸桥腹板结构在测试载荷下的对应参数的数值相当.由此得到试件设计简图如图1所示.
图1 试件设计简图
Fig.1 Dimension and formation of the specimen
1.2 试验台架的设计
试验台架如图2所示.其中WK1为试件夹具,与WK3,WK4组成封闭结构,提供垂直力施加的支反力;WK2,WK3,WK4亦为试件夹具,内侧具有燕尾槽口,用于固定试件,起到四边简支的约束作用;U形加载装置用来传递利用螺栓预紧产生的垂直力;面外力加载轴可同时实现与疲劳试验机加载头连接施加水平侧向力、传递垂直力的作用;利用疲劳试验机上部的夹头夹持支撑架以固定试验台架.
图2 试验台架示意图
Fig.2 Test bed diagram
1.3 试验设备
试验中采用的主要硬件设备包括MTS材料疲劳试验机、高速静态应力应变测试仪、数字成像仪、测厚仪、PC机等,现场试验实况如图3所示.
图3 试验平台放置实况图
Fig.3 Constraint and load conditions of test bed
1.4 应变片布置方案
为了保证垂直力的施加达到设定值,在U形加载装置的两个耳板的上下表面各贴一片应变片(参见图4),则试件受到的面内载荷即垂直力Pin可通过列公式换算得到.
(1)
(2)
Pin=Eεr1A1+Eεr2A2
(3)
式中:?1,?2为一侧耳板上、下表面的应变片读数,?r1为两者的均值,A1为耳板的横截面面积;?3,?4为另一侧耳板上、下表面的应变片读数,?r2为两者的均值,A2为另一侧耳板的横截面面积;E为钢材的弹性模量.
并且,为了使垂直力施加在板件中面,在加载过程中对上述应变片数据进行采样,调整螺栓的位置,使上下耳板的应变之和尽可能趋于相等.
另外,为了获取试件表面某位置的应力水平,在试件一侧的易开裂区——重磅焊缝正下方的焊趾部位也布置应变片(尽可能靠近焊趾),同时在该应变片的左右两侧间隔25 mm处再各布置一片,便于通过应变片数值的变化及时发现裂纹,如图5所示.
图4 U形加载装置应变片贴片示意
Fig.4 Strain gauges plastered on U-shape part
图5 试件表面应变片贴片示意
Fig.5 Strain gauges plastered on the surface of the specimen
试验载荷工况为在8t恒定不变的垂直力作用下,水平侧向力以0.4t对称循环.在相同的载荷工况下,总共进行了3个试件的多轴疲劳试验,试件情况及寿命结果列于表1.以1#试件为例,试件开裂情况如图6,7所示.
表1 1～3# 试件试验情况总结
Tab.1 Test results summary
试件编号试件尺寸/mm焊高/mm裂纹萌生寿命/次裂纹扩展寿命/次备 注1#4.9x300x30063960007041992#4.8x300x300690000288000车削后焊缝剩余厚度较小3#4.8x300x3008468000936000试验中一侧板边未达到简支约束效果
注:此处“裂纹萌生寿命”指的是试件从开始受载到应变测试仪反映出应变片幅值出现明显变化时的累计循环加载次数.同理,“裂纹扩展寿命”指的是试件从开始受载到裂纹在试件厚度方向穿透并向母材扩展的累计循环加载次数.
图6 数字拍摄表面开裂示意
Fig.6 Crack on the surface of the specimen taken by digital camera
图7 贴片面开裂示意
Fig.7 Crack on the other surface of the specimen
通过对上述3个试件的试验过程的观察以及数据分析发现:
(1) 裂纹均萌生于重磅板正下方的焊趾部位,与大车平衡梁腹板的实际开裂位置相同.该部位既是垂直力作用下的最大受力位置,也是水平侧向力的直接作用位置,在二力联合作用下,重磅焊缝不断地挤入挤出,容易累积疲劳损伤.
(2) 随着加载循环次数的增加,试件逐渐累积疲劳损伤,当损伤达到临界值时初始裂纹萌生.在这个过程中,疲劳试验机的加载头位移增长缓慢,因此在裂纹萌生初期不易察觉,而裂纹一旦萌生后,扩展速度极快.因此,在日常使用过程中应注意对结构的易开裂部位进行定期排查.
(3) 焊缝开裂后向两侧扩展,但是扩展并不对称,易向截面薄弱处先扩展.
对比1～3#试件的试验结果(表1)还可以发现,在相同的载荷工况下,试件寿命呈一定的离散性.经分析,该离散性与试件的厚度、焊缝加工质量以及板边约束条件有关.
① 板厚 板厚对疲劳寿命会造成一定的影响.从1,2#试件的裂纹萌生寿命结果可以看出,板厚仅相差0.1 mm,疲劳寿命就有明显的不同,说明该结构在此类多轴疲劳状态下对板件厚度的敏感度较高.进而可得出结论:在设计大车平衡梁时,适当增加腹板厚度可有效提高结构的疲劳寿命.
② 焊缝 焊缝设计及加工质量对疲劳寿命的影响较大.根据试件加工要求,焊缝高度应为6 mm.经焊后处理,1,2#试件焊缝高度达到加工要求,但是它们的焊缝强度并不相同,1#试件的重磅焊缝打磨后通过补焊进一步提高了其强度,2#试件经车削后未做任何加强处理,并且其焊缝剩余量明显少于1#试件.3#试件由于本身焊缝高度大(8mm)、车削加工量小,因此焊缝强度大于其余两个试件.因此,焊缝强度可能是导致2#试件的裂纹萌生寿命明显低于同厚度的3#试件的最主要原因,也是3#试件的裂纹萌生寿命大于1#试件的原因.
③ 板边约束条件 板边约束条件在试验过程中,3#试件的一侧板边约束没有达到简支那么强,试件与夹具之间存在一定间隙,因此,实际寿命比四边简支的情况有所提高,这是导致3#试件寿命较大的另一个原因.
通过对缩尺的大车平衡梁腹板试件进行多轴疲劳试验,在相同的载荷工况下得到了3个试件样本的疲劳寿命.经试验研究,得出以下结论:
(1) 带圆环形盖板式重磅的焊接腹板结构在恒定垂直力和对称循环水平侧向力的作用下,腹板表面处于多轴应力状态.虽然水平侧向力的数值远小于垂直力,但其对寿命有着显著的影响.裂纹萌生于重磅正下方与腹板焊接处,在载荷作用下迅速扩展.
(2) 小尺寸腹板结构的疲劳寿命对腹板厚度和焊缝高度的敏感性较高.板厚增加2%,寿命增加62.4%;焊缝高度增加33%,寿命增加93.5%.因此,对于此类结构的加工制造,需要特别注意保证板厚和焊缝高度.
参考文献：
[1] 王英玉.金属材料的多轴疲劳行为与寿命估算[D].南京:南京航空航天大学,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,何国求,陈成澍,等.多轴非比例加载高周疲劳研究进展[J].同济大学学报,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.
作者简介：王 欣(1972-),女,博士,副教授。E-mail：wangxbd21@163.com
Abstract：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.
Key words：cart balance beam; crack; horizontal force; multi-axial fatigue testing; impact factor
作者简介：乔 榛(1984-),女,讲师.E-mail:hazel_qz@163.com.
中图分类号：TH 213
文献标志码：A
文章编号：1672-5581(2016)01-0073-04
基金项目：国家'八六三'高科技计划资助项目(2012AA041804)
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