矩形管在起重机端梁的受力分析

洪秋华德马格起重机械( 上海) 有限公司 上海 200331摘要：简析了德马格起重机M2 系列的驱动端梁，由于焊接式端梁价格过高，不利于推广，采用矩形管代替可显著降低成本，对新设计出的矩形管端梁进行手工计算和Ansys 分析，从理论上证明了其可行性，对样品进行了本体试验，安装端梁到测试台上，综合FEM 标准和德马格内控标准中相关测试内容进行疲劳试验，通过静载和4个步骤动载试验，利用应力片分析得出其受力状况，并定时检查关键受力点，最后端梁经历30 万次循环而没出现可视裂纹，故其性能满足批量化生产的要求。关键词：起重机；端梁；矩形管；Ansys；应力片；疲劳试验中图分类号：TH211+.3 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2018）08-0089-05起重机端梁是起重机金属结构的组成部件，它承载着连接大车运行机构的作用。优秀的端梁结构不仅能够减轻结构质量，充分发挥材料的力学性能，还能有效地传递载荷，提高起重机的整机性能。为此，端梁的成本成为改进的关注点，一些起重机厂商在起重机上大都使用矩形管形式的端梁，使用矩形管的端梁成本在一定条件下要比焊接式端梁的成本更低，市场更有竞争力。利用市场通用的、不需要定制的矩形管，可简化起重机的制造工艺，颠覆了传统端梁制作工艺，避免端梁焊后机加工。在整个制造过程中，有效地降低了对于设备制造能力、工人焊接能力及场地等要求。在成本方面，相对于原有产品降低了20% 以上，若在OEM 厂家制造，成本会更低。1 端梁模型在设计时，基于经济性及通用性的考虑选用矩形管和板件材料为Q235A。根据德马格现有端梁系列长度，优先设计出125 mm×3 150 mm 的端梁，这样即与原型号有通用性。初步定义矩形管尺寸为350 mm×250mm×6 mm，增加需焊接的支撑板件，如图1 所示，而其整体安装见图2。图1 端梁尺寸示意图图2 端梁总成3D 示意图2 端梁计算对已经设计完成的端梁模型进行手工计算，可以初步确定是否可行，依据起重机设计规范FEM 内结构构件钢材的许用应力，已知矩形管350 mm×250 mm×6 mm截面参数为Wx ＝ 712 000 mm3，Wy ＝ 594 000 mm3；基本受力为Fy ＝ 5 000×9.81×1.2 ＝ 58 860 N，Fx ＝ 5000×9.81×0.2 ＝ 9 810 N。受力应力计算选用第四强度理论：正应力因此，矩形管受力完全满足设计要求。手工计算通过后，再次进行Ansys 分析，判断是否可以通过受力要求。采用Ansys 的经典界面，由于大板件的长宽比过大，不采用常用的四面体单元，而以壳单元来计算，可减少计算时间，且在后期进行判断处理更方便。首先，以常用工况下进行负载进行Ansys 分析，根据实际情况进行综合考虑，每个车轮处负载为5 t，影响因子为1.2。每个车轮的垂直力为 58 860 N，每个车轮的水平力为12 263 N。要求达到标准定义为循环受力20 万次，不产生影响安全使用的裂纹。计算参考热点应力法与经验相结合，最后计算出最大范式应力为285 MPa，其余关键点最大为181 MPa，结构设计不绝对满足要求，只达到16 万次循环受力，如图3 所示。图3 常用工况受力示意图其次，以试验工况下进行负载进行Ansys 分析，每个车轮承受竖直轮压为5 t，承受同向水平轮压为（0.15×5）t。矩形管偏转角度为9°，以模拟水平载荷的影响，综合受力为99 kN 计算参考热点应力法，计算出最大范式应力为251 MPa，结构设计满足要求。如图4 所示。3 试验分析以上计算结果，发现其最大受力值差别不大，为了获得更多实际参数及保证端梁使用的安全性，需要做试验来证明其可用性。选用MTS FlexTest 250 kN 做动器，该测试台性能参数为最大载荷25 t，操作频率为0 ～ 15 Hz，液压缸载荷精度为10 N。液压缸两端受力位置处采用球铰连接设计，可保证其载荷沿液压缸轴向作用。3.1 试验前准备1）对端梁材料进行本体取样分析，零件材料参考标准GB/T 700—2006 中的Q235B (t ≤ 16 mm)。本体拉伸实验参考标准GB/T 228.1—2010，测量结果见表1，该矩形管性能完全满足标准。2）检查端梁，清除油漆和污迹，清理毛刺等，保证主要观察部位的清洁。检查焊缝及其周边区域，不得有裂纹、气孔、固体夹杂未融合和未焊透等缺陷。检查主观察区域方管折弯处内外表面，不得有裂纹等缺陷。检查完成后把样品端梁安装到测试台上，首先把液压缸调整至适合高度，然后连接液压缸与试件接头并紧固，提升液压缸带动测试件并将底座垫于试件相应支座下，调整底座位置使其对中，调整液压缸铰接头及底座位置，使支承面与压力作用面平行，保证受力均匀，最后再次检查各部件位置，确认安装完成。见图5 疲劳测试台端梁安装示意图。3）根据Ansys 分析结果在端梁表面受力关键位置贴应变片，应变片规格选用1 mm×2 mm，精度为1 个微应变。其中，A、B、C、D 等为主要裂纹观察区域，应变片安装位置及编号见图6。图6 应变片安装位置示意图3.2 疲劳试验根据GB/T 3811—2008《起重机设计规范》中要求，对于工作级别A5 起重机钢结构件在Q4 即额定载荷情况下使用，等级不低于U3，静载实验在1.25 倍额定载荷下保持时间不低于10 min。以上实验完成后，检测被测试零件没有可见裂纹和永久变形，可进行疲劳实验,疲劳测试要求循环次数不低于2.0×105，端梁仍可使用。首先，确定动态载荷试验流程，实验温度为20℃，假设结构受力时处于弹性阶段，考虑桥架、葫芦等自重，输入载荷下限预设为10 kN。步骤1：额定载荷，预压力F m ＝ 54.5 kN，振幅力F a ＝ 44.5 kN，故载荷为10 ～ 99 kN，疲劳次数为12.5 万次，此时采用2.5 Hz 正弦波；步骤2：1.2 倍额定载荷，预压力F m ＝ 64.5 kN，振幅力F a ＝ 54.5 kN，故载荷为10 ～ 119 kN，疲劳次数为3.5 万次，此时采用2.5 Hz 正弦波；步骤3：1.3 倍额定载荷，预压力F m ＝ 69.5 kN，振幅力F a ＝ 59.5 kN，故载荷为10 ～ 129 kN，其疲劳次数为7.3 万次，此时采用2.5 Hz 正弦波；步骤4：1.5 倍额定载荷，预压力F m ＝ 79.25 kN，振幅力F a ＝ 69.25 kN，故载荷为10 ～148.5 kN，其疲劳次数为7.7 万次，此时采用2.0 Hz 正弦波。累计疲劳次数为30 万次。每一步骤结束后需保持该载荷10 min。在首次加载16 000、63 000、125 000、160000、200 000、300 000 次循环时各检查一次裂纹，采用10 倍放大镜，配合手电检查，在125 000、200000、300 000 次时采用着色检验。同时，通过收集4个步骤下的8 个应变片变化值，由钢材弹性模量E ＝2.06×105 MPa，可以获得表2 所示相应受力点应力值。经过5 d 实验，端梁经历300 000 次循环受力结束后，通过PT 检测未发现异常裂纹和永久变形( 符合标准，并超过标准最低要求)，最终其结果超过理论设计的寿命。4 结论文中所述端梁的设计要求相当于GB/T 3811—2008《起重机设计规范》结构工作级别S4-B4-E5 和DIN15018 结构工作级别S3-N1-B4，当承受竖直轮压5 t、水平轮压为0.15×5 t 时，端梁能经历20 万次循环而不出现裂纹。通过疲劳试验，经过30 万次疲劳受力仍未见裂纹，可见该端梁仍可进行疲劳测试。虽然试验结果只基于一个样件，疲劳试验的离散性非常大，且因试验条件的限制对试件的安装及受力方式等做了简化，与实际情况会有一定差异，但仍认可该设计达到目标，安全可靠，并在某些数据上优于上述目标的要求，故综合考虑中止试验。由于设计计算要考虑多种因素，经此次测试，发现市场上的Q235A 端梁矩形钢管仍可挖掘其使用寿命，但要通过试验获取更多的技术参数，在计算的基础上允许应力放宽或疲劳次数增加，为同行提供了技术参考。理论计算可知区域A 和区域D 的应力值相当，但从实际测量值看，应变片的安装位置对测量值的影响非常大，特别是在接近焊趾部位，说明这个部位应力梯度非常大。但是，通过分析最危险区域A 处，发现Ansys 计算最大值为251 MPa，而应力检测值为248 MPa，这两个值很接近。其他贴应力片位置的理论计算和实际测量值也几乎很接近，差值在±10%，说明Ansys 受力分析真实可靠，最终一致确认本设计产品是安全的，样品阶段完成，可进行批量化生产。参考文献[1] 张质文，王金诺，程文明，等. 起重机设计手册[M]. 北京：中国铁道出版社，2013.[2] FEM 欧洲起重机设计规范[S].[3]GB/T 3811—2008 起重机设计规范[S].举报/反馈发表评论发表作者最新文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 刚柔耦合动力学仿真01-2014:40液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估01-2014:33SPMT 液压平板车车板变形有限元计算与仿真模拟01-2014:31相关文章中型起重机从宁乡销往全球130个国家和地区「数据」2020年1~11月份工程起重机销量及出口情况统计分析关于起重机轴承结构选择和技术参数计算基于无人机平台的起重机金属结构损伤检测方法大型化、多样化、智能化——钢桥专用设备的发展趋势

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