根据前大梁的挠度来判断桥式抓斗卸船机的稳定性

2011-11-18李普阳王悦民

中国重型装备 2011年3期

李普阳王悦民

(上海海事大学物流工程学院，上海 200135)

桥式抓斗卸船机随着使用年限的增加，在循环载荷的作用下会发生疲劳损伤。虽然其钢结构没有发现裂纹，也没有受到撞击发生变形，但是卸船机在基本达到设计寿命后能否继续安全使用仍旧需要重新评估。本文是根据测量的前大梁挠度来判断前大梁的刚度弱化情况，通过计算分析前大梁有效弹性模量的减小来判断桥式抓斗卸船机局部稳定性。

1 大梁的疲劳损伤

Henry 基于疲劳损伤对材料S-N 曲线的影响，提出了疲劳损伤理论，该理论认为:

(1)经过一定次数的循环后，材料将产生损伤。受损后材料的S-N 曲线方程与损伤前材料(或称无损伤材料)的S-N 曲线方程具有相同的形式。只是曲线方程中的常数不同。

(2)损伤定义为:

式中 SL——为无损伤材料的疲劳极限;

S'L——为损伤后材料的疲劳极限。

最终得到损伤曲线方程为:

式中 x——当前循环次数占总循环次数的循环比，x=n/N;

q=(S=SL)/SL，S 为使用应力。

损伤因子D 与应力水平、循环软化指数、疲劳极限以及循环比等因素有关，载荷顺序和外界环境对疲劳累计损伤也有影响。

随着循环次数的增加，材料循环软化，损伤因子逐渐变大。在受到循环载荷损伤的作用下有效弹性模量会随着损伤因子的变化而变化(不考虑有效承载面积的变化)，对于平面应变状态，有效弹性模量与损伤因子的关系式:

式中 E——弹性模量;

由上面的方程可以看出，在循环载荷作用下，损伤因子越来越大，有效弹性模量逐渐减小，并且呈现非线性变化。

2 前大梁的挠度

前大梁在使用过程中，经检测没有发现裂纹，同时也没受到外界撞击发生变形。每次测量前大梁的挠度时都尽最大努力使起升载荷、温度、风速等相同，因此可以忽略外界因素对挠度测量的影响。在前大梁同一位置同种工况下测量出大梁累计工作循环N 次后，小车行至最大外伸距时起吊额定起重量时的挠度。

图1 前大梁的挠度Figure 1 Deflection of front crossbeam

随着使用年限的增加，前大梁本身会有塑性变形，实验测得的大梁挠度是大梁施加力之后可以完全弹回未施加力位置的相对变形量(如图1曲线从1 受力变形为3，移去载荷后弹回曲线1)，一次的微小塑性变形相对与大梁的弹性变形量可以忽略不计。大梁使用几年后本身会有累计塑性变形(如图1 曲线从1 位置变化到2 位置)，实验测量的大梁挠度是不考虑大梁本身变形的相对弹性变形量。

3 桥式抓斗卸船机的实验参数

根据前大梁的几何尺寸，建立前大梁的ANSYS 模型，见图2。具体参数如下:桥式抓斗卸船机的额定起重量为45 t，前大梁自重32 t，小车自重25 t，最大加速度1 m2/s，大车最大加速度为0.49 m2/s，根据F.E.M 规范得，动载系数γc=1.2，起升冲击载荷系数ψ=1.4。卸船机主结构制造材料为Q235，弹性模量E=2.1×1011MPa。按一类工况加载，约束前后大梁铰点与前大梁和前拉杆铰点位置。

图2 前大梁ANSYS 模型Figure 2 ANSYS mode of front crossbeam

4 实验结果及分析

随着桥式抓斗卸船机的使用，前大梁在循环载荷的作用下发生循环软化，大梁挠度变大。根据前大梁的挠度，通过ANSYS 模型计算出在该挠度下的前大梁有效弹性模量，依据F.E.M 规范，分别计算在不同有效弹性模量情况下组合梁最危险位置的安全系数，判断前大梁的局部稳定性。该桥式卸船机使用至今的挠度测量及计算结果的部分数据见表1。