旋挖鉆機回轉平臺關鍵結構件疲勞壽命分析

李康健等

摘要：針對旋挖鉆機作業能力及疲勞壽命問題，結合旋挖鉆機的工作特點，基于名義應力法，運用ADAMS以及ABAQUS軟件，對旋挖鉆機在回轉平臺的主卷揚底座進行疲勞壽命分析。結果表明：回轉平臺的工字梁頂板與主卷揚底座焊接的外側邊緣處最容易發生開裂現象；旋挖鉆機的作業半徑對主卷揚底座壽命也有較大影響。

關鍵詞：旋挖鉆機；回轉平臺；主卷揚底座；疲勞壽命

中圖分類號：U415.51文獻標志碼：B

Abstract： Aimed at the work capacity and fatigue life problems of rotary drilling rig， combined with the working characteristics of rotary drilling rig and based on the nominal stress method， ADAMS and ABAQUS were applied to carry out the analysis on fatigue life of primary winding base of rotating platform. The results show that the outer edge of where H beam roof and primary winding base are welded is most prone to cracking， and the operating radius of rotary drilling rig has noticeable impact on the service life of primary winding base.

Key words： rotary drilling rig； rotating platform； primary winding base； fatigue life

0引言

回轉平臺是旋挖鉆機的核心構件之一，包括主體回轉平臺以及左右側縱梁。其中，主體回轉平臺通過回轉支承裝置安裝在旋挖鉆機的行走底架上，與變幅機構連接，實現回轉運動[12]。回轉平臺是整體式焊接結構，其工字梁頂板通過焊接將主卷揚底座固定。主卷揚底座是主體回轉平臺關鍵焊接件，其強度的大小直接決定著旋挖鉆機的作業能力及其服役壽命。由于主卷揚底座焊接結構頻繁地承受變幅機構的交變作用力以及鋼絲繩的交變載荷，隨著工作頻次增加，薄弱部位的焊縫會發生疲勞開裂現象，因而對回轉平臺主卷揚底座危險焊縫進行疲勞壽命的研究，能為結構設計以及優化提供重大的依據。

本文基于名義應力法，綜合運用ADAMS以及ABAQUS軟件，獲得旋挖鉆機在最小與最大的作業半徑下，從最大加壓力鉆進至最大提拔力提鉆時主卷揚底座危險焊縫所承受的時間歷程，對其進行雨流計數處理形成荷載譜，同時根據該焊接結構的接頭形狀、載荷方向以及焊接形式選取合適的SN曲線，最后將荷載譜帶入SN曲線方程中，得到主卷揚底座焊縫的疲勞壽命。

1主卷揚底座結構及受力分析

回轉平臺主卷揚底座結構形式較為簡單，左右主板下部通過焊接方式固定在工字梁頂板上，上部通過螺栓與主卷揚相連接，中間聯接板用于加強結構的剛度，如圖1所示。

在旋挖鉆機施工作業前，安裝在回轉平臺尾部的配重將對主卷揚底座產生一定的彎矩，即底座焊縫在初始時刻承受裝配應力；在鉆進時，鋼絲繩松弛無拉力，主卷揚底座焊接結構無外載荷，焊縫承受動臂、支撐桿、動臂變幅油缸以及配重傳遞的作用力；提鉆時，主卷揚底座焊縫不僅承受鋼絲繩拉力，還包含動臂等機構傳遞的作用力。

變幅機構以及配重在工字梁兩端的綜合作用，致使工字梁整體呈現出上凸的彎曲狀態，因此，與工字梁頂板彎曲應力方向垂直的主卷揚底座在寬度方向上的焊縫（如圖2中焊縫1所示）處于危險狀態。焊縫1處于主卷揚底座附近，頻繁承受鋼絲繩交變載荷，較其他部位焊縫薄弱。因此，在焊縫1處的焊趾選取5個疲勞評估點a、b、c、d、e，對其進行疲勞壽命研究，如圖2所示。

2主卷揚底座焊縫荷載譜

2.1回轉平臺典型載荷歷程

在實際作業中，旋挖鉆機工作載荷主要來自變幅、鉆進、提鉆以及回轉卸土4種工況。由于土層種類繁多，硬度、粘度不一，以及作業幅度的交替變化，致使工作裝置傳遞給回轉平臺的作用力具有隨機性。本文對旋挖鉆機分別處于最小與最大作業半徑下的極限工作狀態（受力最惡劣）進行順序組合，形成一個典型的最大加壓力鉆進至最大提拔力提鉆的作業過程，如表1所示；并在ADAMS中對各作業階段進行仿真計算，輸出回轉平臺各鉸點在X、Y方向上的載荷歷程，如圖3、4所示。

2.2主卷揚底座焊縫時間歷程

在進行有限元分析時，視焊縫材料與母材一致，焊縫處網格細密，主卷揚底座與工字梁頂板一體化處理，同時將回轉平臺各鉸接孔內壁節點都耦合到某一參考點，并對該參考點施加應力。至此有限元模型已建立。

通過對有限元模型計算，得到不同作業階段主卷揚底座與右頂板焊縫處的應力分布。圖5為最小半徑極限狀態下鉆進（BC階段）的焊縫應力分布云圖，其中最大應力為197.9 MPa，位于a點。圖6為最小半徑極限狀態下提鉆（EF階段）的焊縫應力分布云圖，其中最大應力位于e點，為103.8 MPa，a點應力為98.6 MPa。圖7、8分別為焊縫處各疲勞評估點在最小與最大作業半徑極限狀態作業時的應力時間歷程。

2.3雨流計數法處理

雨流計數法是以雙參數法為基礎的計數法，考慮了動強度（幅值）和靜強度（均值）2個變量，符合疲勞載荷固有特性，其主要功能是把載荷歷程簡化為若干個載荷循環，供疲勞壽命估算和編制疲勞試驗載荷譜使用[34]。

將上述a、b、c、d、e各點在最小與最大作業半徑下進行極限作業時所經歷的應力時間歷程分別進行雨流計數，得到以均值、幅值及頻次為變量的載荷譜，如表2所示。endprint

3焊縫SN曲線的確定

由于模型焊接結構的接頭形狀是單一的角焊縫接頭，可根據BS7608：1993標準選取焊縫的SN曲線。根據接頭形狀、加載方向以及焊接形式確定了焊縫等級為F2級；由F2級查到SN曲線有限壽命部分的斜率m=3，疲勞壽命為107周次對應的應力幅σ0=35 MPa。

4主卷揚底座焊縫疲勞壽命預測

有研究表明，原始焊接接頭經過錘擊等處理后，雖能得到部分殘余壓縮應力來補償原始焊態中存在的殘余拉伸應力，但焊縫及其附近仍存有達到或接近屈服點的殘余應力。無論外加動應力的循環特性如何，焊縫附近的實際循環應力都是在母材的屈服應力值上下擺動。故當焊接結構承載最大應力小于母材屈服極限的動應力時，焊縫的壽命值與外載平均應力關聯不大，尤其是設計規范中SN曲線有限壽命部分的斜率已被硬性規定為3，據此本文不再進行平均應力的修正。將表2中數據帶入SN曲線方程，得出a、b、c、d、e各點在最小與最大作業半徑狀態下所能承受的周期數，如表3所示。

由表3可知，a點壽命最短，原因是a點位于工字梁頂板與主卷揚底座焊接的外側邊緣處，應力集中嚴重，應力變動大，會先于其他部位發生疲勞開裂現象。因此，旋挖鉆機作業半徑對主卷揚底座焊縫壽命有較大影響，當旋挖鉆機處于最小作業半徑時，a點可以承受226 255個最大加壓力鉆進至最大提拔力提鉆的周期；處于最大作業半徑時a點可以承受317 321個周期。

5結語

（1） 工字梁頂板與主卷揚底座焊接的外側邊緣處抗疲勞性能最為薄弱，容易出現疲勞開裂；當旋挖鉆機處于最小作業半徑施工時，主卷揚底座焊縫的壽命比最大作業半徑時少91 066個最大加壓力鉆進至最大提拔力提鉆的周期。

（2） 旋挖鉆機作業時，工字梁處于上凸的彎曲狀態，主卷揚底座寬度方向焊縫恰好垂直于彎曲應力（最大拉應力）方向，在保證主卷揚底座與工字梁頂板焊接強度和剛度足夠大的前提下，可考慮省去此焊縫，以減少回轉平臺疲勞開裂的風險；鑒于工字梁的承載特性，可在工字梁兩側主梁對稱布置托板，通過托板使主卷揚底座與工字梁主梁連接，從而避免因主卷揚底座直接焊接在工字梁頂板而出現危險焊縫的情況，有效地提高了回轉平臺的可靠性。

參考文獻：

[1]黎中銀，焦生杰，吳方曉.旋挖鉆機與施工技術[M].北京：人民交通出版社，2010.

[2]何清華.旋挖鉆機研究與設計[M].長沙：中南大學出版社，2012.

[3]王宏偉，刑波.雨流計數法及其在疲勞壽命估算中的應用[J].礦山機械，2006，34（3）：9697.

[4]霍立興.焊接結構的斷裂行為及評定[M].北京：機械工業出版社，2000.

[責任編輯：杜敏浩]endprint