CN108304647B - 基于轨道接头缺陷的铸造起重机金属结构特征寿命评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于轨道接头缺陷的铸造起重机金属结构特征寿命评估方法，通过刚体运动‑学动力学模型，计算高低错位、水平间隙下接头轨道运行的起重机所引起的冲击系数；编制符合工程实际的载荷谱；应用许用应力法结合有限元仿真确定铸造起重机金属结构疲劳危险截面及危险点，获取由于轨道缺陷引起危险点处异变后的第一主应力‑时间历程；采用雨流计数法提取双参应力谱，结合断裂力学中的Pairs公式计算危险点的使用寿命和疲劳剩余寿命。通过寿命特征评估结果，判断铸造起重机的延用、维修或报废，解决了大车轨道缺陷导致起重机金属结构应力‑时间历程异变而引发母材、焊缝开裂的安全性问题，为国家标准《铸造起重机报废条件》研制提供理论支持。

Description

基于轨道接头缺陷的铸造起重机金属结构特征寿命评估方法

技术领域

本发明属于结构检测技术领域，涉及一种判定起重机特种设备延用、维修或报废方面的寿命评估方法，尤其是涉及一种基于轨道接头缺陷的铸造起重机金属结构特征寿命评估方法。

背景技术

在役起重机220万台，有1/3已服役30年，而起重机的设计寿命约为30～50年，用户面临延用、更换或报废的抉择和经济性与安全性的博弈。业界对起重机剩余寿命评估需求的迫切性与评估标准、方法、手段的欠缺性存在巨大挑战。

铸造起重机是炼钢连铸工艺的主设备之一，工作环境恶劣，工作级别高，结构型式复杂，安全性要求较高。然而随着在役铸造起重机服役年限的延续，其整机、金属结构、机械零部件的寿命、性能将不可避免地退化，既会影响正常运行，又会引发安全隐患。适时对金属结构维护补强、机械零部件修复更换，是延长铸造起重机使用寿命的有效途径。但如何评价在役铸造起重机的整机、金属结构、机械零部件的现役性能、健康状态，以确保金属结构维护补强、机械零部件修复更换的最佳准入期，依然是悬而未决的关键问题。对于如何判定延用、维修或报废缺乏方法和标准的支撑。

国内外学者分别从结构件和整机入手，并针对不同的金属材料，在理论上和试验上进行了深入、系统的研究，提出了很多有效的寿命预测方法，显示出各自的特点和优势。大致可归纳为以下三类：基于力学性能的寿命评估测方法、基于概率统计的寿命评估方法、基于监测信息技术的寿命评估方法；但这些方法均不适用于轨道接头缺陷，使得目前轨道接头缺陷的铸造起重机金属结构特征寿命无法评估。

发明内容

为解决现有技术中轨道接头缺陷的铸造起重机金属结构特征寿命无法评估的问题，本发明公开了一种基于轨道接头缺陷的铸造起重机金属结构特征寿命评估方法，该方法主要用于解决轨道接头缺陷引起铸造起重机运行冲击响应导致其危险截面上危险点处第一主应力-时间历程异变而引发的结构母材、焊缝开裂的疲劳失效的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明公开了一种基于轨道接头缺陷的铸造起重机金属结构特征寿命评估方法，通过计算轨道接头缺陷引起铸造起重机运行冲击响应导致其危险截面上危险点处变异后的第一主应力-时间历程，结合Pairs公式计算危险点的使用寿命和疲劳剩余寿命。

进一步讲，所述基于轨道接头缺陷的铸造起重机金属结构特征寿命评估方法，通过如下步骤实现：

(1)计算高低错位或水平间隙轨道接头下运行起重机所引起的冲击系数φ₄；

(2)在调研、收集、统计铸造起重机工艺流程及整机使用情况的基础上，确定符合工程实际的载荷谱；

(3)根据载荷谱，应用许用应力法结合有限元仿真确定铸造起重机金属结构疲劳危险截面及危险点，获取由于轨道接头缺陷引起危险点处异变后的第一主应力-时间历程；

(4)采用雨流计数法提取双参应力谱，结合断裂力学中的Pairs公式计算危险点的使用寿命N₀和疲劳剩余寿命N_f。

作为一种优选实施方式，步骤(1)中高低错位或水平间隙轨道接头下运行起重机所引起的冲击系数φ₄通过下述具体步骤得到：

1)建立铸造起重机轨道接头高低错位或水平间隙下的轮-轨耦合运动学-动力学模型：

其中，m为铸造起重机的质量；k为起重机的刚度；h_i(t)为轨道的不平度函数，当轨道接头出现高低错位时h_i(t)＝h_s(t)＝h_smax/2(1-cosΩt)，当轨道接头出现水平间隙时h_i(t)＝h_g(t)＝h_gmax/2(1-cosΩt)；h_smax为轨道接头最大高低错位；h_gmax为轨道接头最大水平间隙e_gmax下车轮质心垂直方向的最大变化量，且

R为大车车轮半径；x(t)为大车质心垂直方向的位移；t为时间；对于轨道接头高低错位

对于水平间隙，Ω＝2πv/e_gmax；

2)以式(1)为基础结合系统能量守恒定理，确定铸造起重机越过轨道接头高低错位或水平间隙时系统的最大加速度：

其中，对于轨道接头高低错位，下标i＝s，对于水平间隙，下标i＝g；

为系统的最大加速度；v为铸造起重机的运行速度；ω为系统的固有频率且

3)根据系统的最大加速度，确定铸造起重机越过轨道接头高低错位或水平间隙时，引起对自身结构的冲击系数：

作为一种优选实施方式，步骤(3)中轨道接头缺陷引起危险点处异变后的第一主应力-时间历程通过如下具体步骤得到：

1)基于结构力学推导疲劳危险点处的动态弯矩M_y(t)、M_x(t)和剪力F(t)，分为三种情况进行求取：

当小车右轮位于主梁疲劳危险点的左侧时

其中，P_1j(t)、P_2j(t)分别为小车左、右侧车轮t时刻的轮压；F_q为主梁的均布载荷；x_z(t)为t时刻小车左侧车轮距主梁左端的距离；S为主梁的跨度；L为疲劳危险点距主梁左端的距离；b为小车轴距；M_S为偏斜侧向力引起的弯矩；P_1jH(t)、P_2jH(t)为t时刻小车左、右侧车轮轮压的水平惯性力；F_qH为主梁的水平惯性均布载荷。

当小车左轮位于主梁疲劳危险点的右侧时

当小车左右车轮位于主梁疲劳危险点的两侧时

2)计算疲劳危险截面上危险点的正应力和切应力

铸造起重机金属结构疲劳危险点的正应力为：

其中，σ(t)为疲劳危险点的正应力；当铸造起重机越过轨道接头缺陷位置时，φ_i＝φ₄，其余情况φ_i＝1；W_y、W_x分别为疲劳危险点所在截面对y、x轴的抗弯截面模量。

铸造起重机金属结构腹板上疲劳危险点的切应力为

其中，τ(t)为疲劳危险点的切应力；S为疲劳危险点所处截面的毛截面最大静矩；δ为腹板板厚。

3)获取疲劳危险点的第一主应力-时间历程

由二项应力状态转化公式可知，疲劳危险点的第一主应力为

其中，σ₁(t)为疲劳危险点的第一主应力随时间的动态变化过程。

作为一种优选实施方式，步骤(4)中所述采用断裂力学Pairs公式计算危险点的使用寿命N₀和疲劳剩余寿命N_f的计算步骤如下：

1)确定结构件发生疲劳断裂时的临界裂纹长度a_l，根据线弹性断裂判定准则有

其中，σ_max为第一主应力-时间历程中的最大循环应力，K_C为材料的断裂韧性，Y为几何修正系数；

2)采用Goodman公式将所有幅值应力转化成循环特性r＝0下的应力变程Δσ

其中，σ_-1为r＝-1时，材料的屈服极限；σ_b为材料的抗拉极限；σ_rm为循环特性r时的应力均值；σ_ra为循环特性为r时的应力幅值。Δσ为循环特性r＝0下的应力变程。

3)根据等寿命原则，采用Miner应力幅等效法将变幅载荷转化为等幅载荷

其中，a_i为各级应力幅与循环次数N_f的比值，σ_ri为各级应力幅值

4)计算危险点的寿命特征

其中，a₀为现阶段检测得到裂纹长度，当a₀为铸造起重机下线开始使用时的裂纹长度时，N_f＝N₀。

本发明的有益效果为：本发明通过刚体运动-学动力学模型，计算高低错位、水平间隙下接头轨道运行的起重机所引起的冲击系数；在调研、收集、统计铸造起重机工艺流程及整机使用情况的基础上，编制符合工程实际的载荷谱；应用许用应力法结合有限元仿真确定铸造起重机金属结构疲劳危险截面及危险点，获取由于轨道接头缺陷引起危险点处异变后的第一主应力-时间历程；采用雨流计数法提取双参应力谱，结合断裂力学中的Pairs公式计算危险点的使用寿命和疲劳剩余寿命。通过寿命特征评估结果，判断铸造起重机的延用、维修或报废，解决了大车轨道接头缺陷导致起重机金属结构应力-时间历程异变而引发母材、焊缝开裂的安全性问题，为国家标准《铸造起重机报废条件》研制提供理论支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见。下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是工艺流程示意图。

图2是铸造起重机轨道接头高低错位下的轮-轨耦合运动学-动力学模型。

图3是铸造起重机的工艺流程。

图4是铸造起重机危险截面上危险点的分布。

图5轨道接头缺陷引起的异变后的危险点处第一主应力-时间历程。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

一种基于轨道接头缺陷的铸造起重机金属结构特征寿命评估方法，具体步骤如下。

步骤1：如图1和2所示，根据铸造起重机轨道接头高低错位下的轮-轨耦合运动学-动力学模型，推导铸造起重机越过轨道接头高低错位时系统的最大加速度(见式(1)和式(2))，通过式(3)计算实测高低错位轨道接头下运行的起重机所引起的冲击系数φ₄，结果见表1。

铸造起重机轨道接头高低错位或水平间隙下的轮-轨耦合运动学-动力学模型：

其中，m为铸造起重机的质量；k为起重机的刚度；h_i(t)为轨道的不平度函数，当轨道接头出现高低错位时h_i(t)＝h_s(t)＝h_smax/2(1-cosΩt)，当轨道接头出现水平间隙时h_i(t)＝h_g(t)＝h_gmax/2(1-cosΩt)；h_smax为轨道接头最大高低错位；h_gmax为轨道接头最大水平间隙e_gmax下车轮质心垂直方向的最大变化量，且

R为大车车轮半径；x(t)为大车质心垂直方向的位移；t为时间；对于轨道接头高低错位

对于水平间隙，Ω＝2πv/e_gmax。

以式(1)为基础结合系统能量守恒定理，确定铸造起重机越过轨道接头高低错位或水平间隙时系统的最大加速度：

其中，对于轨道接头高低错位，下标i＝s，对于水平间隙，下标i＝g；

为系统的最大加速度；v为铸造起重机的运行速度；ω为系统的固有频率且

根据系统的最大加速度，确定铸造起重机越过轨道接头高低错位或水平间隙时，引起对自身结构的冲击系数：

表1实测高低错位下接头轨道运行的起重机所引起的冲击系数

步骤2：根据调研、收集、统计铸造起重机的工艺流程(如图3所示)及整机使用情况(见表2)，统计编制符合工程实际的载荷谱，见表2。

表2载荷谱

循环1指的是①-⑤起吊满包m_Q1至放下m_Q1的工作过程；

循环2指的是⑤-⑦起吊空包m_Q2至放下m_Q2的工作过程。

步骤3：应用许用应力法结合有限元仿真确定铸造起重机金属结构疲劳危险截面及危险点如图4所示，结合式(4)～式(6)获取由于轨道接头缺陷引起的异变后的危险点处第一主应力-时间历程，见图5。

当小车右轮位于主梁疲劳危险点的左侧时

其中，P_1j(t)、P_2j(t)分别为小车左、右侧车轮t时刻的轮压；F_q为主梁的均布载荷；x_z(t)为t时刻小车左侧车轮距主梁左端的距离；S为主梁的跨度；L为疲劳危险点距主梁左端的距离；b为小车轴距；M_S为偏斜侧向力引起的弯矩；P_1jH(t)、P_2jH(t)为t时刻小车左、右侧车轮轮压的水平惯性力；F_qH为主梁的水平惯性均布载荷。

当小车左轮位于主梁疲劳危险点的右侧时

当小车左右车轮位于主梁疲劳危险点的两侧时

铸造起重机金属结构疲劳危险点的正应力为：

其中，σ(t)为疲劳危险点的正应力；当铸造起重机越过轨道接头缺陷位置时，φ_i＝φ₄，其余情况φ_i＝1；W_y、W_x分别为疲劳危险点所在截面对y、x轴的抗弯截面模量。

铸造起重机金属结构腹板上疲劳危险点的切应力为

其中，τ(t)为疲劳危险点的切应力；S为疲劳危险点所处截面的毛截面最大静矩；δ为腹板板厚。

由二项应力状态转化公式可知，疲劳危险点的第一主应力为

其中，σ₁(t)为疲劳危险点的第一主应力随时间的动态变化过程。

步骤4：采用雨流计数法提取双参应力谱，根据式(10)～式(13)计算危险点的使用寿命和疲劳剩余寿命，结果见表3。

确定结构件发生疲劳断裂时的临界裂纹长度a_l，根据线弹性断裂判定准则有

其中，σ_max为第一主应力-时间历程中的最大循环应力，K_C为材料的断裂韧性，Y为几何修正系数；

采用Goodman公式将所有幅值应力转化成循环特性r＝0下的应力变程Δσ

其中，σ_-1为r＝-1时，材料的屈服极限；σ_b为材料的抗拉极限；σ_rm为循环特性r时的应力均值；σ_ra为循环特性为r时的应力幅值。Δσ为循环特性r＝0下的应力变程。

根据等寿命原则，采用Miner应力幅等效法将变幅载荷转化为等幅载荷

其中，a_i为各级应力幅与循环次数N_f的比值，σ_ri为各级应力幅值

计算危险点的寿命特征

其中，a₀为现阶段检测得到裂纹长度，当a₀为铸造起重机下线开始使用时的裂纹长度时，N_f＝N₀。

表3疲劳剩余寿命(现阶段检测得到裂纹长度a₀＝0.5mm)

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于轨道接头缺陷的铸造起重机金属结构特征寿命评估方法，其特征在于：通过计算轨道接头缺陷引起铸造起重机运行冲击响应，进而获取危险截面上危险点处变异后的第一主应力-时间历程，结合Pairs公式确定危险点的特征寿命，包括使用寿命和疲劳剩余寿命；具体的，通过如下步骤实现：

(1)通过刚体运动-学动力学模型，计算高低错位或水平间隙轨道接头下运行起重机所引起的冲击系数φ₄；

(2)根据铸造起重机的工艺流程及整机使用情况，统计获取载荷谱；

(3)以载荷谱为基础，确定铸造起重机金属结构疲劳危险截面及危险点，获取由轨道接头缺陷引起危险点处异变后的第一主应力-时间历程，具体步骤包括：

1)基于结构力学推导疲劳危险点处的动态弯矩M_y(t)、M_x(t)和剪力F(t)，分为三种情况进行求取：

当小车右轮位于主梁疲劳危险点的左侧时

其中，P_1j(t)、P_2j(t)分别为小车左、右侧车轮t时刻的轮压；F_q为主梁的均布载荷；x_z(t)为t时刻小车左侧车轮距主梁左端的距离；S为主梁的跨度；L为疲劳危险点距主梁左端的距离；b为小车轴距；M_S为偏斜侧向力引起的弯矩；P_1jH(t)、P_2jH(t)为t时刻小车左、右侧车轮轮压的水平惯性力；F_qH为主梁的水平惯性均布载荷；

当小车左轮位于主梁疲劳危险点的右侧时

当小车左右车轮位于主梁疲劳危险点的两侧时

2)计算疲劳危险截面上危险点的正应力和切应力

铸造起重机金属结构疲劳危险点的正应力为：

其中，σ(t)为疲劳危险点的正应力；当铸造起重机越过轨道接头缺陷位置时，φ_i＝φ₄，其余情况φ_i＝1；W_y、W_x分别为疲劳危险点所在截面对y、x轴的抗弯截面模量；

铸造起重机金属结构腹板上疲劳危险点的切应力为

其中，τ(t)为疲劳危险点的切应力；S_x为疲劳危险点所处截面的毛截面的最大静矩；δ为腹板板厚；

3)获取疲劳危险点的第一主应力-时间历程

由二项应力状态转化公式可知，疲劳危险点的第一主应力为

其中，σ₁(t)为疲劳危险点的第一主应力随时间的动态变化过程；

(4)采用雨流计数法提取双参应力谱，结合断裂力学Pairs公式计算危险点的使用寿命N₀和疲劳剩余寿命N_f。

2.如权利要求1所述基于轨道接头缺陷的铸造起重机金属结构特征寿命评估方法，其特征在于，步骤(1)中高低错位或水平间隙下接头轨道运行起重机所引起的冲击系数φ₄通过如下步骤得到：

1)建立铸造起重机轨道接头高低错位或水平间隙下的轮-轨耦合运动学-动力学模型：

其中，m为铸造起重机的质量；k为起重机的刚度；h_i(t)为轨道的不平度函数，当轨道接头出现高低错位时h_i(t)＝h_s(t)＝h_smax/2(1-cosΩt)，当轨道接头出现水平间隙时h_i(t)＝h_g(t)＝h_gmax/2(1-cosΩt)；h_smax为轨道接头最大高低错位；h_gmax为轨道接头最大水平间隙e_gmax下车轮质心垂直方向的最大变化量，且

R为大车车轮半径；x(t)为大车质心垂直方向的位移；t为时间；对于轨道接头高低错位

对于水平间隙，Ω＝2πv/e_gmax；

2)以式(1)为基础结合系统能量守恒定理，确定铸造起重机越过轨道接头高低错位或水平间隙时系统的最大加速度：

其中，对于轨道接头高低错位，下标i＝s，对于水平间隙，下标i＝g；

为系统的最大加速度；v为铸造起重机的运行速度；ω为系统的固有频率且

3)根据系统的最大加速度，确定铸造起重机越过轨道接头高低错位或水平间隙时，引起对自身结构的冲击系数：

3.如权利要求1所述基于轨道接头缺陷的铸造起重机金属结构特征寿命评估方法，其特征在于，步骤(4)中所述采用雨流计数法提取双参应力谱，结合断裂力学中的Pairs公式计算危险点的使用寿命N₀和疲劳剩余寿命N_f的计算步骤如下：

1)确定结构件发生疲劳断裂时的临界裂纹长度a_l，根据线弹性断裂判定准则有

其中，σ_max为第一主应力-时间历程中的最大循环应力，K_C为材料的断裂韧性，Y为几何修正系数；

2)采用Goodman公式将所有幅值应力转化成循环特性r＝0下的应力变程Δσ

其中，σ_-1为r＝-1时，材料的屈服极限；σ_b为材料的抗拉极限；σ_rm为循环特性r时的应力均值；σ_ra为循环特性为r时的应力幅值；Δσ为循环特性r＝0下的应力变程；

3)根据等寿命原则，采用Miner应力幅等效法将变幅载荷转化为等幅载荷

其中，a_i为各级应力幅与循环次数N_f的比值，σ_ri为各级应力幅值

4)计算危险点的寿命特征

其中，a₀为现阶段检测得到裂纹长度，当a₀为铸造起重机下线开始使用时的裂纹长度时，N_f＝N₀。

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