大型重载螺纹疲劳寿命与结构优化

2020-10-14张海涛潘国智

中国重型装备 2020年4期

尹冰张海涛潘国智

(中国铁建重工集团股份有限公司，湖南410100)

大型重载螺纹应用于载荷大、应力交变频率高的场合，容易发生疲劳破坏。集装箱吊具旋锁装置是大型重载螺纹的一种，其疲劳寿命直接影响设备的安全使用。集装箱堆场经常出现吊具旋锁断裂导致集装箱跌落的安全故障，造成安全事故及巨大的经济损失。为此，准确地评估旋锁的疲劳寿命，优化结构设计，提高旋锁使用寿命，是集装箱设备使用安全的关键。为了保证设备安全，生产厂家往往要求客户在使用3000～5000 h时更换旋锁，但并无理论依据，过早更换造成配件浪费，过迟更换则有安全隐患。

1—旋锁螺母 2—旋锁杆件 3—M36螺纹 4—退刀槽 5—旋锁锁头图1 集装箱吊具旋锁结构Figure 1 Structure of container sling spin lock

基于通过疲劳试验验证旋锁的疲劳寿命，并根据有限元计算结果进行疲劳寿命估算，为旋锁的优化设计提供参考，为准确地评估旋锁的更换周期提供依据。

1 旋锁的结构说明

吊具旋锁由旋锁杆件和旋锁螺母组成。旋锁杆件为整体锻件，其底部锁钩与集装箱孔接触，承受集装箱的重力，顶部为M36的普通螺纹。螺母底部受吊具支撑。吊具旋锁结构如图1所示。

2 疲劳试验

2.1 试件材料

旋锁材料为42CrMo，调质处理，抗拉强度1080 MPa，屈服强度930 MPa。材料的疲劳特性S-N曲线缺乏试验数据时，可通过经验公式进行拟合。根据相关文献及长期实践[1]，根据材料的抗拉强度计算出N0=1×106次的疲劳极限：

σ-1=0.357Rm

(1)

材料疲劳特性S-N曲线的函数式为：

σr,im·Ni=C

(2)

式中，m为材料常数，母材取m=5.3；r为交变应力的应力比，对称循环应力r=-1；σi为有限寿命的疲劳极限应力；Ni为应力作用的循环次数；C为常数值。

通过公式(1)和公式(2)能拟合出不同钢材的S-N曲线。通过计算得出钢材42CrMo的疲劳极限为385 MPa，拟合其S-N曲线如图2所示。

图2 钢材42CrMo疲劳S-N曲线Figure 2 Fatigue S-N curve of 42CrMo steel

2.2 试验载荷

为了缩短疲劳试验周期，施加比实际疲劳工况大的载荷，再通过当量载荷等效计算将试验次数转换为实际疲劳工况的次数。基于材料疲劳S-N曲线，不同载荷等效作用次数计算公式为：

N2=(F1/F2)mN1

式中，m为材料常数，母材取m=5.3；F1为试验加载载荷；F2为实际疲劳工况载荷；N1为试验次数；N2为等效疲劳工况次数。

根据统计结果，吊具下疲劳载荷为28 t，采用吊载35 t做加速试验，等效次数与试验次数的关系为N2=3.05N1。吊具有四个旋锁，吊载35 t集装箱试验，平均每个旋锁的载荷为10.9 t。

2.3 试验结果

根据集装箱吊装作业工况，建立吊具疲劳试验台。疲劳试验的一个工作循环为从地面以250 mm/s的速度起升35 t载荷，离地0.5 m高，停顿2 s，再以同样的速度将载荷放到地面。每台吊具装4根旋锁，若其中一根断裂，记录其总试验次数，更换新旋锁后试验，第二根断裂旋锁同样记录其总吊载次数。试验累计断裂了10根旋锁，数据见表1。

表1 疲劳试验断裂旋锁寿命Table 1 Fractured spin lock lifetime of fatigue test

第四列的等效寿命按每小时吊载20箱计算。通过表1可以看出，旋锁的寿命为22 888 ～45 929 h，吊载28 t载荷时平均寿命为33 000 h。10根旋锁断裂位置全部为退刀槽上方的第一圈螺纹，如图3所示。

图3 疲劳试验断裂的旋锁Figure 3 Fractured spin lock of fatigue test

3 有限元疲劳寿命计算

3.1 有限元模型

建立旋锁螺杆及螺母的三维几何模型(见图4)，M36螺纹均采用螺旋扫描切除的方法建立。有限元模型定义螺母螺纹与螺杆螺纹的接触对，使螺杆的载荷通过接触对传递到螺母上，约束螺母下底面，在螺杆锁头上表面施加载荷。模型整体网格2 mm，螺纹网格局部细化0.5 mm。集装箱载荷35 t，由4根旋锁承受，考虑起升动载系数为1.25，则每个旋锁载荷为10.9 t。

图4 旋锁有限元模型Figure 4 Finite element model of spin lock

3.2 应力计算

通过计算，得出螺杆最高应力位于螺杆底部第一圈螺纹上，最大应力676 MPa。从图5应力图中可看出，螺纹应力变化比较大，第二圈应力为507 MPa，第三圈骤降到272 MPa，可见螺纹的载荷主要集中在前两圈。

图5 旋锁应力图Figure 5 Stress of spin lock

3.3 理论寿命计算

旋锁材料为42CrMo，Rm=1080 MPa，根据公式(1)和(2)拟合，母材疲劳极限σ-1=385 MPa，根据GB/T 3811—2008《起重机设计规范》，疲劳极限考虑安全系数为1.34，则计算疲劳极限为[σ-1]=287 MPa。对于吊具旋锁，应力循环特性为脉动循环r=0，开裂位置的应力特性为拉应力，应用Smith公式计算疲劳极限为σ0=421 MPa。根据S-N曲线，最大应力676 MPa作用下的计算寿命为1.6×105次。按每小时20箱，转换为28 t疲劳载荷等效寿命为24 000 h。该计算值在疲劳试验结果的寿命范围中。

4 优化设计

根据试验与有限元结果，得出旋锁疲劳寿命最薄弱位置为第一圈螺纹处。为了改善螺纹牙上载荷分布不均情况，分别采用两种方案进行结构优化。方案一为悬置螺母，将螺母底部一段切除，形成台阶，通过垫板传递载荷到中部螺纹。方案二为环槽螺母，将螺母底部开环形槽，螺母底部承受的载荷被传递到螺纹中部。旋锁结构图见图6。从应力图7中可以看出，两种优化方案各圈螺纹的应力分布较均匀，方案1第一圈最大应力485 MPa，方案2第一圈最大应力501 MPa。通过计算得出疲劳寿命分别为47 017 h和39 587 h，较原结构提高了近两倍。