門式起重機運行小車金屬結構失效原因檢驗

劉紹智

（廣東省特種設備檢測研究院清遠檢測院，廣東清遠 511518）

0 引言

門式起重機是港口典型的大型裝卸機械，由于港口設備的工作環境是復雜多變的，因此港口設備的管理維修是保證設備高效安全運行的終要技術手段。本文主要是對于使用多年的設備，針對操作小車的金屬結構發生故障進行分析。目前，門式起重機的金屬構件的失效形式，大多數情況下通過有限元方法進行計算，該方法建模方便快捷，計算結果準確、直觀，便于設計者觀察到每一部位的應力狀態。一般過程是根據所擁有的參數進行整體建模，然后給予其實際材料，給出約束進行外部載荷加載，最后進行網格化計算得出計算結果，進行分析處理。

1 門式起重機運行小車金屬結構有限元分析

1.1 模型對象

本次建模是對于運行小車的小車架。該小車的重量42 t，X方向最大尺寸為7380 mm，Y 方向最大尺寸3980 mm，Z 方向最大尺寸為914 mm（圖1）。此次建模的實體，所采取材料為普通碳鋼模擬Q235 鋼，普通碳鋼的密度為7.8×103kg/m3，屈服強度221 MPa，泊松比和中泊松比分別為0.288、0.280，彈性模量和中抗剪模量分別為2.1×1011MPa、7.9×1010MPa，張力強度和屈服強度分別為399.826×103MPa、220.594×103MPa，其余參數如表1 所示。此次建模主要采取的是拉伸及切除等方式建模的小車架采取兩個零件的裝配，外部大型“箱形”架，內部為“類井字”架。

表1 不同狀態下的β2 和Φ2min

圖1 小車架建模實體

1.2 建立模型

此次建模采用SolidWorks 2019 軟件，建模過程大致如下：

首先，通過所獲得的CAD圖紙讀取一些重要參數數據；其次，通過讀圖可知本次建模將通過零件組裝成裝配圖的形式完成，并且零件個數為2個，一個為俯視圖為類“箱形”，另一個俯視圖為類“井”字形；而后使用SolidWorks 2019 軟件逐一零件建模：“箱形”的零件通過俯視圖利用所得參數畫出一個平面圖，后便根據數據對其進行凸臺拉伸；再在其正視圖面兩邊各進行一個三角形面的貫穿拉伸切除便成形，對于“井”字形零件則是根據數據在俯視圖面畫出平面形狀，后進行凸臺拉伸即可；最后便是在裝配圖中進行裝配，選中這兩個零件進行裝配找到重合基準面完成裝配，得到所需的小車架模型（圖1）。

1.3 載荷分析

1.3.1 載荷系數

1.3.1.1 起升沖擊系數Φ1

當起升質量起升時，對起重機本身主要是對金屬結構將產生激振，起重機自身質量受到起升沖擊而出現的動力增長，用起升沖擊系數Φ1乘以起重機自重載荷來考慮[1]。通常Φ1=1±a，其中a 為起升沖擊影響系數，一般0≤a≤0.1，則Φ1≤1.1。

1.3.1.2 起升動載系數Φ2

當起升質量無約束突然離地起升時，起升質量的慣性載荷將對起重機的承載結構和傳動機構產生附加的動載荷，可用于一個大于1 的起升動載系數Φ2乘以額定起升載荷Pq來考慮[2]：

式中 Φ1——起升動載系數

Φ2min——與起升狀態級別相應的起升動載系數的最小值

β2——由起升狀態級別設定的系數

vq——穩定起升速度

查表1、表2，計算可得Φ2=125。

表2 確定用Φ2 的穩定起升速度Vq

其中：H1為起升驅動機構不能低速運轉；H2為起重機作穩定低速運轉；H3為起升驅動機構保證物品離地前穩定低速運轉；H4為起重機實現無級變速控制；H5為在不依賴司機的前提下，起升繩預緊后起升驅動機構能按預定的要求進行加速控制；vqmax和vqmin分別為最高起升速度穩定、最低起升速度穩定。

1.3.1.3 突然卸載沖擊系數Φ3

已卸除或墜落部分有效載荷將對起重機結構產生振動減載作用，減少后的起升載荷用總起升載荷乘以突然部分卸載的沖擊系數Φ3來計算：

式中 ▽m——突然卸除或墜落部分的質量

m——總起升質量

β3——系數，慢速卸載裝置的起重機，β3=0.5；快速卸載裝置的起重機，β3=1.0

經過查表計算得Φ2=0.25。

1.3.1.4 運行沖擊系數Φ4

起重機或起重機的部分裝置，在由于路面不平、軌道接頭間隙或高低差會使運動的質量在鉛錘方向產生沖擊作用。對于有軌運行的起重機Φ4確定如下：

（1）軌道接頭保持良好狀態的起重機，取Φ4=1.00。

（2）一般軌道接頭情況，當起重機行經接頭時會產生垂向的沖擊效應，根據運行速度和軌道高低差的公式進行計算：Φ4=，其中vv為運行速度、h 為軌道接頭處兩軌面得高度差。查表計算可得Φ4=1.13。

1.3.2 載荷計算

（1）小車工作載荷：最大起升質量Q=42 t。

（2）小車自重載荷：小車架部件整體自重載荷mx=10 052 kg。

（3）小車運行慣性載荷：小車行走起（制）動產生的最大慣性載荷，查表計算可得Px=7.882 kN。

（4）大車運行慣性載荷、大車行走起（制）動小車產生的慣性載荷，查表計算可得Pd=12.6 kN。

1.4 有限元網格劃分及約束處理

采用三維軟件SolidWorks 2019 對小車架進行實體建模和設計，并在該軟件內進行有限元分析，具體操作過程為：

（1）在實體裝配圖中，通過SolidWorks 插件模塊中的SIMILATION 板塊進行有限元分析。在該模塊內新建一個算例選取靜力學分析，首先對模型進行加約束處理，由于小車的受力特點約束加載位置選在小車架4 個車輪所在位置，并且在連結位置應當選取無貫穿形式，然后開始進行外部載荷加載。由國外文獻可知加載位置為：該梁由荷載力沿其長度的運動加載[3]。最后在實體模型俯視圖平面進行加載，通過計算進行加載選取最大載荷進行校驗，即643 762 N。

（2）進行網格劃分，并開始算例計算。為了使分析更加精準、處理更簡便及可操作性更強，采用Solid45 單元劃分、構造三維固體結構，通過8 個節點來定義單元，每個節點有3 個沿著xyz 方向平移的自由度，比Shell63 單元的前處理更簡便、修改模型更方便。由于模型結構不同，安裝車輪處的結構更為復雜[4]。材料選取普通碳鋼模擬Q235 鋼，密度7.8×103kg/m3，彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比為0.280，屈服極限σ1=220 MPa。

1.5 計算結果及分析

根據理論判斷，工況3 對小車架的車輪梁影響最大，故只分析該工況下的強度應力和靜剛度。由于最大應力300 MPa遠大于最大許用應力，位于小車架中部橫梁兩端，且出現嚴重的應力集中狀況，因此可以判斷出該處很容易出現開裂失效現象，從而影響整個小車架結構進行安全工作。另外，最大靜位移fmax（9.68 mm）不符合靜剛度要求，出現位置為小車架3 根橫梁，這樣會導致小車架橫梁下撓嚴重、產生變形失效，影響整體小車運行。小車架車輪處等受力小于最大許用應力，符合小車架強度要求，而橫梁中段處明顯超出，易產生變形。

在小車架橫梁兩端出現了應力很大的情況，可能的原因有：①所選取的材料并不能滿足在該工作環境與工況下正常工作；②因為經常處于反復交變應力的作用下，小車架出現鋼結構疲勞；③小車架本身的設計強度不足、出現強度問題。

2 運行小車金屬結構失效形式原因

經過上述建模與有限元分析，可以大致分析出小車架的3種失效形式及失效位置。這3 處分別是：①在小車架橫梁的兩端可能會出現開裂失效；②在小車架橫梁的中段可能會出現下撓變形失效；③在小車架與主梁接觸的位置可能會出現磨損失效形式。具體失效原因分析如下。

2.1 開裂失效

在上述工況下運行，在小車架中間橫梁兩端會出現明顯的應力集中且靠近連結處，容易出現開裂。

2.2 變形失效

通過位移云圖分析，可以清楚地看出，小車架橫梁的中段位置出現了一定位移，使得中段出現下撓變形的情況。原因可能為：①設計不合理，不符合梁的靜剛度設計準則要求；②工作時出現了不合理的操作處理，如在鋼絲繩尚未繃緊時便進行埋設物起升工作、制動器調整不當或制動過猛、突然閘住下降中的重物等；③制造階段加工工藝不規范；④長期超載使用，長期過載或反復的交變應力狀態容易產生疲勞，使其產生下撓變形。

2.3 磨損失效

通過小車架與主梁的接觸及小車的受力分析不難看出，在小車架軌道的接觸位置很容易發生磨損失效的情況，而最主要的出現是疲勞磨損、磨粒磨損、粘著磨損與腐蝕磨損。磨損原因可能有：①工作載荷較大，而且會經歷反復的交變應力，并可能伴有突然卸載沖擊系數的影響，從而出現疲勞現象、明顯的磨損現象；②露天工作環境可能會讓設備受到一些酸性物質的腐蝕、產生化學腐蝕，再加上反復工作從而出現磨損；③材料的抗磨性不高。

3 總結

本研究采用目前比較主流的門式起重機金屬構件的失效形式，通過有限元方法進行模擬、分析和計算。該方法建模方便快捷，計算結果準確、直觀，便于設計者觀察到每一部位的應力狀態。其過程是，先根據所知有的參數進行整體建模，然后給予其實際材料，給出約束進行外部載荷加載，最后進行網格化計算得出結果，并進行分析處理。