混凝土泵車支腿失效特征研究

, 　, 　, (. 長沙理工大學， 湖南 長沙　40004； . 三一重工股份有限公司， 湖南 長沙　4000)

引言

混凝土泵車是基礎建設中常見的大型工程機械。由于工程施工特點，泵車支腿在沖擊載荷和惡劣環境下循環作業，常出現故障，不僅延誤工程，還嚴重威脅施工人員安全。因此，有必要針對混凝土泵車支腿失效模式及失效機理進行研究，提出預防措施和處理方法。

文獻[1]～[3]從支腿受力出發，提出了支腿反力計算模型，推導求解支腿最大支反力計算公式，并考慮兩級伸縮支腿非線性因素，建立了ANSYS有限元模型。文獻[4]～[7]考慮臂架回轉與伸展對整機穩定性影響，以支腿展開角度為設計參數，建立目標函數求出最佳展角，并推演一種求解支腿最優展角的圖解法。文獻[8]從支腿結構設計出發，考慮臂架伸展與旋轉，研究了支腿結構設計對泵車施工穩定性和支腿支撐強度的影響。某知名泵車企業在對支腿制造工藝和焊接性能研究基礎上，研發了六自由度疲勞試驗臺研究支腿疲勞壽命。

由于混凝土泵車工作狀態變化復雜，針對混凝土泵車支腿的有限元分析和理論計算往往不能客觀反映支腿實際工況和受力狀態。為此，本研究以某公司客戶反饋的泵車施工現場失效數據為依據，研究混凝土泵車支腿失效特征；并分析支腿疲勞和開焊失效原因。

1　混凝土泵車支腿失效特征

1.1　失效模式統計分析

從失效研究中所知，失效數據主要來源有試驗數據和現場數據，現場數據更能真實反映設備運行的環境[9]。分析某知名工程機械企業混凝土泵車客戶實際使用反饋信息，截取其中支腿故障狀態和運行時間組成失效數據樣本，定義泵車出現故障停機維修時為一次失效。支腿失效數據如表1所示。

表1　支腿故障數據表

根據數據統計出支腿最常見的幾種失效模式如圖1所示，統計結果以百分比計。

圖1　泵車支腿典型失效模式統計

產品失效形式雖然多樣，歸結起來是材料、力學和化學三者交互作用的結果。材料與化學二者之間的交互作用引起材料的腐蝕；材料與力學的交互作用引起材料的斷裂、疲勞；材料、化學和力學三者之間的交互作用引起材料的磨損與腐蝕有關的斷裂(如應力腐蝕、腐蝕疲勞、高溫斷裂)[10]。根據支腿故障統計結果表明，泵車支腿作為結構件，其主要的故障模式為開焊和裂紋，各占支腿故障樣本的30.8%和43.9%，兩項之和占到支腿故障的75%，而其他故障模式相對較少。這說明混凝土泵車支腿在相應環境中作業時，支腿失效是材料與力學交互作用所導致，對支腿失效機理分析也應該重點針對開焊和裂紋這兩種失效模式進行。

1.2　失效特征分析

混凝土泵車支腿主要由支腿油缸、支腿銷軸、支撐腹板及支撐座、軸套、高強度鋼板等有機組合而成。從大量失效樣本分析可知，混凝土泵車支腿主要失效形式為外載作用下產生的母材裂紋和焊縫開焊。這些裂紋產生部位多位于支腿與底盤接觸區域、支腿支撐腹板、支腿銷軸及銷軸軸套等處。疲勞裂紋長度由40～300 mm不等，寬度由幾毫米到幾十毫米。而焊縫除沿直線開裂外，也部分存在周向裂紋。圖2是兩種典型失效模式樣本圖片。

圖2　支腿裂紋典型分布

2　支腿疲勞裂紋分析

據統計，機械零件破壞的50%～90%為疲勞破壞[11]。疲勞破壞時，最大應力遠小于材料的抗拉強度和屈服極限，常表現為無明顯的脆性斷裂和塑性變形。支腿疲勞裂紋主要出現在支腿母材上，影響支腿疲勞裂紋產生的因素很多，主要包括設計加工造成應力集中、尺寸因素、金相組織和工作環境的影響及工作時受力大小的影響。經典疲勞Miner理論認為，當：

(1)

時，材料發生疲勞破壞。其中ni對應每一級變幅循環應力pi的循環次數，i=1,2…,n；Ni為與pi相對應的等幅疲勞壽命。因此，在分析支腿疲勞裂紋時，準確計算支腿所承受的應力區間是分析支腿疲勞裂紋失效機理的關鍵。

制造支腿的材料為低合金高強度結構鋼，為某公司自制高強鋼。由于泵車工作環境特點，在泵車作業時，支腿在各種附加載荷作用下所受的地面支撐反力是支腿開裂的主要原因。以某48 m泵車為例，根據某公司提供的實際參數，參考相關計算模型，對支腿極限受力進行分析。當泵車五節臂架全部水平時，臂架形成的傾翻力矩最大，工況最危險，受力最復雜[12]。泵車相關技術參數如表2。

當臂架水平時，支腿反力計算模型如圖3所示。

結合模型及泵車結構特點，臂架系統自重簡化為通過臂架回轉中心O點垂直向下的集中載荷P和力矩M,力矩M與x軸的夾角為φ，相位比臂架超前90°；臂架以外的機體質量G垂直向下作用在O′點；風載荷影響分兩部分，非旋轉部分的可以忽略，旋轉部分簡化為通過O點的風載平移力F風、扭矩T風以及彎矩M風。由混凝土泵車的結構特點可知在臂架水平的工況下，M風和F風對支腿作用力的影響可以忽略不計，只考慮T風的作用。分別計算如下:

表2　某48米混凝土泵車相關技術參數

圖3　支腿反力計算模型

1) 載荷P和G引起的支腿反力

集中載荷P和G引起的前后支腿反力分別為F1O1,F1O2,F1O3和F1O4,方向豎直向上。由：

∑MO1O2=0, ∑MO3O4=0

(2)

F1O1=F1O2,F1O3=F1O4

(3)

可得：

(4)

F1O3=[(L4P+L5G]/2L3

(5)

2) 力矩M引起的支腿反力

將力矩M沿x軸和y軸分解為Mx和My,Mx=Mcosφ,My=Msinφ。取豎直向上為正方向，由Mx引起的支腿反力分別為F2O1,F2O2,F2O3和F2O4。Mx分配到前支腿的力矩為Mx(L3-L4)/L3，致使地面對前兩個支腿的支撐反力一個增大，另一個減小，增大量和減小量形成力矩與其平衡，所以:

(6)

(7)

同理，得：

(8)

(9)

(10)

(11)

考慮振動、沖擊載荷影響，取載荷因子為k=1.1,將表2參數代入以上公式推導可求得前后支腿最大豎直反力分別為：

RO1(max)=RO2(max)=1.28 E7(N)

(12)

RO3(max)=RO4(max)=2.25 E7(N)

(13)

由此可知，雖然支腿工況復雜多樣，但是最惡劣工況下承受的最大支腿反力為RO1、RO2、RO3、RO4，支腿在介于最大和最小反力的循環應力幅作用下工作產生疲勞裂紋。圖4為某公司實測支腿接地截面圖。

圖4　支腿接地截面平面圖

對于新式支腿，可知其接地面積為S1=πR2=0.080 m2，同理可得對于舊式支腿，其接地面積為S1=ab=0.35×0.25=0.087 m2。根據式(12)、式(13)可以得到支腿最惡劣工況下承受的壓強為：

(14)

(15)

結合實際參數的計算分析表明，前后支腿在極限工況下工作時，所受的最大壓強分別為160 MPa和281 MPa,支腿在最大和最小應力區間循環加載下產生疲勞裂紋。

3　支腿焊接裂紋分析

焊接裂紋指在焊縫表面或者焊縫內出現的縫隙，其產生的主要原因是焊接接頭局部區域的金屬在焊接應力及致脆因素共同作用下，使金屬原子結合力遭到破壞而形成一種新界面的裂縫。按照裂紋形成的溫度范圍和原因，可分為熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋及層狀撕裂四大類。影響焊接裂紋產生的原因有焊鋼淬硬性、氫及應力等因素。

支腿用料為厚度為10 mm熱軋鋼板，材料經高溫淬火后以一定溫度回火處理。試驗表明其強度、力學性能滿足要求。由于泵車支腿是鋼板焊接而成，在沖擊載荷等的作用下焊縫容易開裂。現從焊接結構化學成分和工藝方面分析裂紋產生的可能原因。支腿材料化學成分如表3所示，各成分按質量百分比計。

表3　支腿材料化學成分　(%)

據表可知，由于鋼材含碳量中等，其材料本身具有一定的強度，但塑性和可焊性較差。合金元素除Mn外其余含量較低，有害S、P含量極低，熱裂紋傾向小。根據材料含碳量結合各國不同機構推薦的碳當量計算公式，選取美國焊接學會(AWS)提出的碳當量計算公式計算材料的碳當量值，選取日本伊藤等人提出的冷裂紋敏感指數Pcm初步評定支腿材料的冷裂紋敏感性。具體表達式為：

CE=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+

Cr/5+Mo/4+Cu/13+P/2

(16)

Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+

Ni/60+Mo/15+V/3+Nb/2+5B

(17)

式中，Pcm為鋼材冷裂紋敏感指數，CE為材料的碳當量值。按公式計算可知CE=0.723，碳當量為0.373，Pcm=0.4525。由于CE>0.55%[13]，Pcm>0.20[14]，說明鋼板材料具有較大的冷裂傾向，所以焊接前要嚴格預熱，也要后熱。某公司施焊要求為焊前預熱100～120 ℃，焊后后熱200～250 ℃約8～10 min緩冷。根據文獻[15]的標準，可知材料碳當量較高以及公司焊接前預熱溫度偏低，導致焊接時產生氫逸出不充分，殘留在焊件中，使根部先產生微裂紋，然后向應力集中點擴散。同時，在焊接過程中存在液態薄膜和焊縫凝固速度過快，使焊縫受到拉伸應力而產生冷裂紋，在外力作用下加快擴展。

4　結論

(1) 支腿失效形式雖然多樣，經數據統計分析可知最常見的失效形式為疲勞裂紋和開焊，分別占到30.8%和43.9%；

(2) 針對混凝土泵車支腿疲勞裂紋的分析表明，支腿在各種載荷附加作用下所受的地面支撐反力是其疲勞開裂的原因?；诒密噷嶋H參數的極限受力計算為界定支腿疲勞裂紋產生的時間區間下限提供了依據；同時根據受力分析表明，在空間允許情況下，合理加大支腿接地截面面積和厚度是減小支腿受力的有效途徑；

(3) 通過支腿焊接工藝和材料化學成分研究表明，支腿材料滿足工況機械性能要求。在碳當量較高和冷裂紋趨向明顯前提下，某公司焊前預熱不充分和后熱溫度維持時間不長導致氫逸出速度慢，殘留在焊件中擴散產生微裂紋及焊縫凝固速度過快，導致冷裂紋產。

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