大型重載螺紋疲勞壽命與結構優化設計試驗

尹 冰， 張海濤， 潘國智

(中國鐵建重工集團股份有限公司，湖南 長沙 410100)

0 引 言

大型重載螺紋應用于載荷大、應力交變頻率高的場合，容易發生疲勞破壞。集裝箱吊具旋鎖裝置是大型重載螺紋的一種，其疲勞壽命直接關系到設備的安全使用。集裝箱堆場經常出現吊具旋鎖斷裂導致集裝箱跌落的安全故障，造成巨大的經濟損失及安全事故。為此，準確的評估旋鎖的疲勞壽命，優化結構設計，提高旋鎖使用壽命，是事關集裝箱設備使用安全的關鍵課題。為了保證設備安全，生產廠家往往要求客戶在使用3 000～5 000 h更換旋鎖，但并無理論依據，過早更換造成配件浪費，過遲更換則有安全隱患。

筆者基于通過疲勞試驗驗證旋鎖的疲勞壽命，并根據有限元計算結果進行疲勞壽命估算，為旋鎖的優化設計提供參考。為準確的評估旋鎖的更換周期提供依據。

1 旋鎖的結構及疲勞試驗

吊具旋鎖由旋鎖桿件和旋鎖螺母組成。旋鎖桿件為整體鍛件，其底部鎖鉤與集裝箱孔接觸，承受集裝箱的重力，頂部為M36普通螺紋。螺母底部受吊具支撐。結構如圖1所示。

1.1 試件材料

旋鎖材料為42CrMo，調質處理，抗拉強度1 080 MPa，屈服強度930 MPa。材料的疲勞特性S-N曲線缺乏試驗數據時，可通過經驗公式進行擬合。根據相關文獻及長期實踐[2]，可根據材料的抗拉強度計算出N0=1×106次的疲勞極限：

σ-1=0.357σb

(1)

材料疲勞特性S-N曲線的函數式為：

(2)

式中：m為材料常數，母材取m=5.3；r為交變應力的應力比，對稱循環應力r=-1；σi為有限壽命的疲勞極限應力；Ni為應力作用的循環次數；C為常數值。

圖1 集裝箱吊具旋鎖結構

通過式(1)、(2)能擬合出不同鋼材的S-N曲線。通過計算得出鋼材42CrMo的疲勞極限為385 MPa，擬合其S-N曲線如圖2所示。

圖2 鋼材42CrMo疲勞S-N曲線

1.2 試驗載荷

為了縮短疲勞試驗周期，施加比實際疲勞工況大的載荷，再通過當量載荷等效計算將試驗次數轉換為實際疲勞工況的次數。不同載荷等效作用次數計算基于材料疲勞S-N曲線，計算公式如下：

式中：m為材料常數，母材取m=5.3；F1為試驗加載載荷；F2為實際疲勞工況載荷；N1為試驗次數；N2為等效疲勞工況次數。

根據統計結果，吊具下疲勞載荷為28 t，采用吊載35 t做加速試驗，等效次數與試驗次數的關系為N2=3.05 N1。吊具有4個旋鎖，吊載35 t集裝箱試驗平均每個旋鎖的載荷為10.9 t。

1.3 試驗結果

根據集裝箱吊裝作業工況，建立了吊具疲勞試驗臺，如圖3所示。疲勞試驗的一個工作循環為，從地面以250 mm/s的速度起升35 t載荷，離地0.5 m高，停頓2 s，再以同樣的速度將載荷放到地面。每臺吊具裝4根旋鎖，若其中一根斷裂，記錄其總試驗次數，更換新旋鎖后試驗，第二根斷裂旋鎖同樣記錄其總吊載次數。試驗累計斷裂了10根旋鎖，數據如表1所列。

表1 疲勞試驗斷裂旋鎖壽命

注：等四列的等效壽命按每小時吊載20箱計算。

通過試驗結果列表看出，旋鎖的壽命范圍在22 888～45 929 h，平均壽命為吊載28 t載荷33 000 h。10根旋鎖斷裂位置全部為退刀槽上方的第一圈螺紋，如圖4所示。

圖3 吊具疲勞試驗臺 圖4 疲勞試驗斷裂的旋鎖

2 有限元疲勞壽命計算

2.1 有限元模型

建立旋鎖螺桿及螺母的三維幾何模型，M36螺紋均采用螺旋掃描切除的方法建立。有限元模型定義螺母螺紋與螺桿螺紋的接觸對，使螺桿的載荷通過接觸對傳遞到螺母上，約束螺母下底面，在螺桿鎖頭上表面施加載荷。模型整體網格2 mm，螺紋網格局部細化0.5 mm。集裝箱載荷35 t,由4根旋鎖承受，考慮起升動載系數1.25，則每個旋鎖載荷為10.9 t。

圖5 旋鎖有限元模型

2.2 應力計算

通過計算，得出螺桿最高應力位于螺桿底部第一圈螺紋上，最大應力676 MPa。從應力圖中可看出，螺紋應力變化非常大，第二圈應力507 MPa，第三圈驟降到272 MPa，可見螺紋的載荷主要集中在前兩圈。

圖6 旋鎖應力圖

2.3 理論壽命計算

旋鎖的材料為42CrMo為σb=1 080 MPa, 根據經驗公式(4)、(5)擬合，母材疲勞極限σ-1=385 MPa，根據《起重機設計規范》，疲勞極限考慮1.34的安全系數，則計算疲勞極限為[σ-1]=287 MPa。對于吊具旋鎖，應力循環特性為脈動循環r=0，開裂位置的應力特性為拉應力，應用Smith公式計算疲勞極限為σ0=421 MPa。根據S-N曲線，676 MPa作用的計算壽命為1.6×105次。按每小時20箱，轉換為28 t疲勞載荷等效壽命為24 000 h。該計算值在疲勞試驗結果的壽命范圍中。

3 優化設計

根據試驗與有限元結果，得出旋鎖疲勞壽命最薄弱位置為第一圈螺紋處。為了改善螺紋牙上載荷分布不均程度，分別采用兩種方案進行結構優化如圖7、8。

圖7 優化方案1 圖8 優化方案2

方案一為懸置螺母，將螺母底部一段切除形成臺階，通過墊板傳遞載荷到中部螺紋。方案二為環槽螺母，將螺母底部開環形槽，螺母底部承受的載荷被傳遞到螺紋中部螺紋。

從應力圖中9、10看出，兩種優化方案各圈螺紋的應力分布較均勻。

圖9 優化方案1應力

圖10 優化方案2應力

方案1第一圈最大應力485 MPa,方案2第一圈最大應力501 MPa。參考第3節理論計算方法，得出疲勞壽命分布為47 017 h和39 587 h，較原結構提高了近2倍。

4 結 語

通過以上計算分析及試驗，所得結論對吊具旋鎖更換周期提供了依據，并對結構優化設計提供了一套疲勞壽命評估的方法。結論如下：

(1) 通過疲勞試驗，證明，調質處理合格的42CrMO旋鎖疲勞壽命大于20 000 h。

(2) 有限元法計算結構應力，再根據S-N曲線名義應力法計算疲勞壽命，結果與實際測試較吻合，可通過該方法評估結構疲勞壽命，減少疲勞試驗花費昂貴的成本。

(3) 旋鎖壽命薄弱點為第一圈螺紋處，通過懸置螺母與槽型螺母方案可顯著改善螺紋應力集中情況，提高疲勞壽命。