乌云图等院岸边集装箱桥式起重机疲劳寿命预测 15 0 引言起重机作为整个物流链中重要组成部分袁对物 [1] 料进行起重尧运输尧装卸等安装作业袁其重要性不言而喻遥在众多种类的起重机中袁岸边集装箱桥式起重机作为码头的主力装卸设备袁它很好地体现着 [2] 港口物资的吞吐能力遥然而起重机械设备却是特种设备中

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宇纪
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CHIA MEASUREMET & TEST Vol.44 o.4 April 袁 2018 doi 院 10.11857/j.issn.1674-5124.2018.04.003 岸边集装箱桥式起重机疲劳寿命预测乌云图 1 袁李娜 2 袁蔡晋辉 1 渊 1. 中国计量大学计量测试工程学院袁浙江杭州 318 曰 2.

1 CHIA MEASUREMET & TEST Vol.44 o.4 April 袁 2018 doi 院 /j.issn 岸边集装箱桥式起重机疲劳寿命预测乌云图 1 袁李娜 2 袁蔡晋辉 1 渊 1. 中国计量大学计量测试工程学院袁浙江杭州 318 曰 2. 中国特种设备检测研究院袁北京 029 冤摘要院为确保岸边集装箱桥式起重机能够安全的运行尧防止安全事故的发生袁对其进行两个月不间断连续监测袁并对主梁结构进行疲劳寿命预测分析遥将起重机实际的运行数据经过等值压缩尧峰谷值提取等处理袁再利用雨流计数法对数据结果进行循环数据统计遥利用 Goodman 等寿命法对循环应力进行等寿命转换袁消除平均应力的影响遥结合 P-S- 曲线和 Miner 法则袁对起重机进行疲劳寿命预测遥结果显示袁在 99% 的存活率下袁岸边集装箱桥式起重机的主梁寿命约为年袁所得数据可为起重机的维修与保养提供参考遥关键词院疲劳寿命预测曰雨流计数法曰岸边集装箱桥式起重机曰 Goodman 等寿命法曰 P-S- 曲线文献标志码院 A 文章编号院渊 2018 冤 The fatigue life prediction of quayside container bridge crane WU untu 1 袁 LI a 2 袁 CAI Jinhui 1 渊 1. Institute of Precision Measurement and Control 袁 China Jiliang University 袁 Hangzhou 318 袁 China 曰 2. China Special Equipment Inspection and Research Institute 袁 Beijing 029 袁 China 冤 Abstract: In order to ensure the safe operation and prevent the occurrence of safety accidents of quayside container bridge crane 袁 two-month continuous monitoring 袁 and fatigue life prediction and analysis for main beam structure were carried out. After equivalent compression and peak value extraction for the actual operating data of the crane 袁 cyclic data statistics was carried out for data results in rain-flow count method 袁 and then Goodman equal life method was adopted to carry out equal life transition for cyclic stress and eliminate the influence of average stress. Fatigue life prediction of crane was carried out by combining the P-S - curve and the Miner rule. The results show that the fatigue life of main beam of the quayside container bridge crane is about years under the survival rate of 99% 袁 which can be the reference of maintenance and repair of the crane. Keywords: fatigue life prediction 曰 rain -flow count method 曰 quayside container bridge crane 曰 Goodman equal life method 曰 P-S- curve 收稿日期院曰收到修改稿日期院基金项目院国家高技术研究发展计划渊 2015AA 冤曰国家重点基础研究发展计划专项渊 2016FF 冤作者简介院乌云图渊冤袁男袁内蒙古兴安盟人袁硕士研究生袁专业方向为故障诊断尧疲劳分析尧工业物联网系统开发遥

2 乌云图等院岸边集装箱桥式起重机疲劳寿命预测 15 0 引言起重机作为整个物流链中重要组成部分袁对物 [1] 料进行起重尧运输尧装卸等安装作业袁其重要性不言而喻遥在众多种类的起重机中袁岸边集装箱桥式起重机作为码头的主力装卸设备袁它很好地体现着 [2] 港口物资的吞吐能力遥然而起重机械设备却是特种设备中隐藏危险因素最多尧发生事故几率最大的特种设备之一遥我国近年来所发生的众多事故中袁因交变载荷引起的疲劳断裂事故占机械结构失效总数的 95% 遥疲劳断裂有很大的危险性袁在交变载荷的作用下袁机械结构在接近疲劳寿命时袁结构上的裂纹会进一步 [3] 扩展袁造成整个机械的失效遥由于岸边集装箱桥式起重机的主梁等构件是典型的焊接结构袁在工作过程中结构承受随时都在变化的交变载荷袁因此其主要的失效形式是在随机载荷作用下的主梁发生的 [4-5] 疲劳破坏遥而目前袁我国关于起重机的机械疲劳 [6] 寿命研究和寿命预测仍处于初级阶段袁因此袁根据岸边集装箱桥式起重机的实际工作环境与工作情况袁对主梁金属结构的实际有效使用寿命进行准确预测袁可以为起重机的使用和维修提供可靠的依据袁 [7] 且具有重要的工程意义和经济价值遥相比于传统的人工检定袁本文提出一种简单便捷的方法来预测起重机的主梁疲劳寿命袁不但节约成本袁又可以避免安全事故的发生遥 1 疲劳载荷统计进行疲劳寿命预测袁最常用的方法有两种院 1 冤名 [8] 义应力法曰 2 冤局部应力应变法遥相比于名义应力法袁局部应力应变法适用于承受应力水平较高的构件遥而岸边集装箱桥式起重机机械结构的应力一般属于低水平袁所承受的断面应力小于材料的屈服极限袁主梁钢结构的疲劳破坏特性为高周疲劳破坏遥因此在工程实践中袁常用名义应力法来对构件进行寿命预测遥本文的全部测试数据来自青岛某公司的岸边集装箱桥式起重机袁其结构主要是焊接钢结构遥针对岸边集装箱桥式起重机工作环境特殊尧数据采集以及统计分析较为困难袁设计开发了起重物联安全健康管理系统遥整个系统包括数据采集模块尧数据传输模块尧数据存储模块和载荷谱及应力数据分析模块袁如图 1 所示遥该系统可以对目标岸边集装箱桥式起重机进行 24 h 不间断的数据监测袁并可以将数据采集模块全部数据完整的存储下来袁为进行载荷谱统计和疲劳寿命预测提供数据支持袁同时使计算结果更加趋于真实遥 1.1 应力测试点的选取金属结构发生疲劳破坏的位置往往在其应力集中的薄弱部位袁因此袁在进行寿命预测前袁应力测试点的选择就应在主梁应力集中的危险部位遥本文通过 ASS 分析软件对岸边集装桥式起重机主梁进行建模袁模拟起重机的一般工况袁对主梁进行静态和动态的力学分析遥在建立模型分析的过程中袁无法对所有的结构都进行建模袁所以对岸边集装箱桥式起重机进行合理的简化是必需的袁同时因为数据来源于实测袁建模只为确定其危险位置遥因此简化模型袁并不会对最终的寿命预测产生影响遥经过分析袁最终得到的疲劳测试核算点为大梁腹板遥通过数据采集模块和数据传输模块袁将 24 h 不间断监测的数据存储至云平台袁提取数据袁生成时间 - 应力曲线袁如图 2 所示遥图载荷谱的获取疲劳载荷具有多种形式袁一般情况下可以分为确定载荷和随机载荷 [9] 袁而加在岸边集装箱桥式起重机上的载荷一般为随机载荷遥这种形式的载荷具有不确定性袁而且没有数学公式可以描述袁只能用统计来进行描述遥数据传输模块图 2 数据存储模块渊数据库冤起重物联安全健康管理系统框图载荷谱及应力数据分析模块 t/ 渊 10 4 s 冤现场实测的时间 - 应力曲线将得到的应力点测试数据按时间排序袁得到应力 - 时间曲线遥而实测的应力 - 时间曲线为随机载荷袁因此在疲劳分析时要将其通过循环计数法转换成应

3 16 力频谱袁从而进行统计遥转换过程包括等值压缩尧波峰波谷值检测尧无效幅值去除和雨流计数统计遥等值压缩是将实测应力 - 时间曲线中相邻相等数据去除袁只保留一个遥其具体的做法为院设待处理的数据为 A 渊 x 1 冤袁处理后的数据为 B 渊 x 1 冤袁 i 和 j 设为两个循环变量遥将数组 A 渊 x 1 冤中的最后一个数据与前一个数据进行比较袁如相同袁删除最后的数据曰如不同袁再向前一个数据进行比较遥直到循环到第 1 个数据没有相同的袁就将其保存到 B 渊 x 1 冤中遥然后再选取第 2 个数据袁一一向前比较遥具体流程袁如图 3 所示遥波峰波谷值检测是为去除无效幅值和雨流统计做准备遥将应力 - 时间曲线中的波峰波谷值保留袁删除其他的非峰谷值遥具体做法为院设待处理的数据为 A 渊 x 2 冤袁处理后的数据为 B 渊 x 2 冤袁 i 和 j 设为两个循环变量遥渊 A 渊 i 冤 -A 渊 i-1 冤冤窑渊 A 渊 i 冤 -A 渊 i+1 冤冤 >0 袁那么就可以判 A 渊 x 1 冤袁 n=length 袁 i=1 i<n 钥 j=i+1 A 渊 i 冤 =A 渊 j 冤钥 B 渊 i 冤 =B 渊 j 冤袁 i=i+1 B 渊 x 1 冤图 3 等值压缩程序流程图 A 渊 x 2 冤袁 n=length 渊 A 冤袁 i=1 袁 j=1 断 A 渊 i 冤点为峰值或者谷值袁并将其存入 B 渊 x 2 冤中袁循环下一点遥具体程序流程袁如图 4 所示遥在实际的时间 - 应力曲线的获取过程中袁通常因信号线与接线柱接触不良或者由于现场磁场的干扰导致所测数据发生变化袁影响结果的准确性袁因此可以将小数据点去除遥文献 [10] 指出袁可将应力时间历程中不超过最大应力幅值的 13% 的数据点去除袁这些数据点对结构的疲劳寿命影响较小袁不影响最终的计算结果遥经过处理后的时间 - 应力曲线袁如图 5 所示遥 t/ 渊 10 4 s 冤图雨流计数法雨流计数法 [11] 顾名思义袁是模仿雨流下落的方式来实现统计计数的遥将应力 - 时间曲线图顺时针旋转 90 毅袁使时间坐标轴垂直向下袁如图 6 所示遥从图中可以将这个应力 - 时间曲线看做建筑物的屋顶袁雨流按照屋檐的排布袁从上向下袁依次流下遥最后根据雨流下流的轨迹袁确定循环载荷袁计算循环载荷的应力幅值和应力均值遥按雨流计数法将预处理后的应力 - 时间曲线进行统计计数袁得到循环应力的幅值和均值统计直方图袁如图 7 尧图 8 所示遥处理后的时间 - 应力曲线 i<n 钥 i=i+1 d o b b1 c a 滓渊 A 渊 i 冤 -A 渊 i-1 冤冤窑渊 A 渊 i 冤 -A 渊 i+1 冤冤 >0? B 渊 j 冤 =A 渊 i 冤袁 j=j+1 h f f 1 g e1 e i B 渊 x 2 冤 t 图 4 峰谷值检测提取程序流程图图 6 雨流计数法

4 乌云图等院岸边集装箱桥式起重机疲劳寿命预测循环应力幅值 /MPa 图 7 循环应力幅值统计直方图表 1 等效幅值循环次数统计表幅值比循环幅值 / 循环均值 / 等效幅值 / MPa MPa MPa 循环次数频次 /% 循环应力均值 /MPa 图 8 2 疲劳寿命预测 2.1 平均应力修正循环应力均值统计直方图应力幅值是影响岸边集装箱桥式起重机主梁疲劳寿命的最主要原因袁应力均值对其也有一定影响遥通常袁经过雨流计数法得到的都是非零的平均应力袁而我们计算疲劳寿命的材料疲劳性能数据都是在平均应力 S m =0 的条件下测得遥因此利用 Goodman 等寿命法 [12] 对应力幅值进行平均应力修正遥 Goodman 的计算公式为因此院 S a = 滓 b-s m S a 忆滓 b 渊 1 冤 S a 忆 = S a 滓 b 渊 2 冤滓 b-s m 其中 S a 尧 S m 尧 S a 忆尧滓 b 分别为循环应力幅值尧循环应力均值尧循环应力等效幅值和材料屈服极限遥本文研究的岸边桥式起重机的主梁材料为 Q235 钢袁其材料参数院密度为 7.85 g/cm 3 袁泊松比为 0.31 袁极限抗拉强度为 450 MPa 袁屈服极限为滓 -1=213 MPa 袁弹性模量为 2.06 伊 Pa 遥经计算袁得到等效应力幅值袁如表 1 所示遥 2.2 P-S- 曲线疲劳寿命预测的必要条件是零件材料的 S- 曲线 [13] 袁它是用来反映外加应力和金属结构疲劳寿命关系的一种曲线袁也用来表示材料的疲劳强度特性遥材料 S- 曲线的绘制方法有逐点描绘法和直线拟合法遥而材料的 P-S- 拟合曲线就是在不同可靠度下的 S- 曲线袁其表达式为 lg p = a p +b p lg 滓式中院 p 要要在不同可靠度下的循环次数曰渊 3 冤滓要要在不同条件下的应力幅或者最大应力曰 a p 尧 b p 要要固定参数遥通过文献 [14] 可知 Q235 钢在不同可靠度下的参数值袁如表 2 所示遥参数表 2 Q235 钢在 P-S- 曲线下的 a p 和 b p 值 50% 90% 95% 99% 99.9% a p b p 传统的理论认为只有当循环应力大于材料的屈服极限时袁才会发生疲劳破坏袁并影响寿命遥但是经过大量的试验表明袁当循环应力小于屈服极限时袁对材料中微小裂纹的产生或扩展都是有影响的 [15] 遥因此袁我们要对传统的 P-S- 曲线中屈服极限的水平曲线进行修正袁使结果更加趋于真实遥使用斜率为渊 b p -2 冤的斜线来代替水平线袁取 p =107 袁此时得到不同存活率下的疲劳屈服极限为 P=50% 时袁滓 -1= MPa 曰 P=90% 时袁滓 -1= MPa 曰 P=99.9% 时袁滓 -1= MPa 遥从安全层面考虑袁取可靠度为 99% 袁得到的 P-S- 曲线袁其表达式为嗓 lg 0.99 = lg 滓滓逸滓 lg 滓滓 < 滓 -1 渊 4 冤

5 Miner 法则 Miner 线性累计损伤理论是工程上广泛应用的疲劳寿命计算方法 [9] 遥该法则的假设如下院从能量累积的角度上来看袁认为当构件吸收的能量到达极限值时袁构件发生破坏遥假设用 W 来表示构件可以吸收的能量极限值袁用来表示构件的总寿命袁也就是总循环数遥当构件吸收的能量 W 1 时袁在某一对应应力水平下所发生的循环数为 1 袁有 W 1 /W= 1 / 遥而构件所承受的应力循环不会一直是一个水平袁因此在不同的应力循环滓 1 袁滓 2 袁噎袁滓 k 下袁所对应的不同应力循环数为 n 1 袁 n 2 袁噎袁 n k 袁得到总的疲劳损伤为 k D = 移 n i / i =a/ i = 1 式中院 n i 要要在第 i 级循环应力水平下的循环次数曰 i 要要第 i 级应力水平下的疲劳寿命遥经计算得到起重机损伤度袁如表 3 所示遥渊 5 冤参数 a 一般由疲劳试验确定袁理论上一般取 1 袁但实际工程试验中袁平均值为 0.68 遥所以最终寿命计算公式为 = 0.68 移 D i 经计算袁 = / 次遥渊 6 冤本文选取的起重机数据周期为 2016 年 10 月 25 日耀 2016 年 12 月 19 日袁共 55 d 遥该时间一共发生了次应力循环袁平均每天发生次遥因此起重机剩余总寿命约为年遥本文研究的起重机是 2015 年 4 月 20 日投入使用袁通常岸边集装箱桥式起重机的使用年限为 40 年袁经计算该结果基本与实际相符遥 3 结束语表 3 测试点应力数据损伤表 1 冤幅值 /MPa n i i D i 伊伊伊伊伊伊伊伊伊伊伊伊伊伊伊伊注院 1 冤 D i 为不同幅值情况下对应的损伤度遥本文对 65 t 岸边集装箱桥式起重机进行周期为 55 d 的应力数据采集监测袁并将其整理为时间 - 应力曲线遥再将时间 - 应力曲线数据经过等值压缩尧峰谷值提取等处理袁经过雨流计数法的统计尧 Goodman 法的应力修正和 Miner 疲劳累积损伤法则的计算袁得到了在 99% 的存活率下袁在役岸边集装箱桥式起重机的剩余疲劳寿命约为年遥根据定期实测数据计算得到的剩余寿命袁有助于判断起重机在监测数据周期内的工作级别遥同时为使用人员对起重机的使用频率和检定周期起到参考和指导作用袁也为生产厂家提供了参考依据遥参考文献 [1] 申志刚. 桥式起重机箱形主梁结构疲劳寿命研究 [D]. 太原院太原科技大学袁 [2] 李静. 岸边集装箱桥式起重机载荷谱与剩余寿命研究 [D]. 武汉院武汉理工大学袁 [3] 鞠宁. 大型起重机剩余寿命评估相关技术研究 [D]. 大连院大连理工大学袁 [4] 谢敏袁张安哥. 起重机焊接箱型梁的疲劳分析与寿命计算 [J]. 华东交通大学学报袁 1993 袁 10 渊 4 冤院 [5] MOA T 袁 EGESVIK K M. Discussion of fatigue reliability 院 introduction by the committee on fatigue and fracture reliability of the committee on structural safety and reliability of the structural division 渊 January 袁 1982 冤 [J]. Journal of Structural Engineering 袁 1984 袁 110 渊 1 冤院 [6] 曾婷. 门座起重机载荷谱及裂纹扩展特性研究 [D]. 武汉院武汉理工大学袁 [7] 强宝民袁袁仁武袁鹿飞袁等. 桥式起重机主梁剩余寿命估算 [J]. 四川兵工学报袁 2014 渊 11 冤院 [8] 王爱红袁徐格宁袁高有山. 桥式起重机随机应力谱获取及剩余疲劳寿命估算 [J]. 机械工程学报袁 2012 袁 9 渊 18 冤院 [9] 徐敏敏袁杨春兰袁段月星袁等. 基于雨流计数法的疲劳寿命预测 [J]. 机械设计与研究袁 2016 渊 5 冤院 [10] A J H 袁 ZHEG X L 袁 ZHAO K. Experimental investigation on the small-load-omitting criterion[j]. International Journal of Fatigue 袁 2001 袁 23 渊 5 冤院 [11] 阎楚良袁卓宁生袁高镇同. 雨流法实时计数模型 [J]. 北京航空航天大学学报袁 1998 渊 5 冤院 [12] 曾光. 桥式起重机金属结构疲劳损伤和剩余寿命预估研究 [D]. 太原院太原科技大学袁 [13] 陈龙袁彭高明袁罗淑洪. 基于 ASS 的斗齿疲劳寿命预测 [J]. 热加工工艺袁 2015 袁 11 渊 44 冤院 [14] 吕少华. 基于 ASS 的桥式起重机随机应力谱获取方法及其寿命分析 [D]. 太原院太原科技大学袁 [15] 赵宁袁李虎. 修正的 P-S- 曲线计算齿轮疲劳寿命 [J]. 现代制造工程袁 2007 渊 5 冤院渊编辑院李妮冤

中国公路学报年

中国公路学报年第卷第期年月中国公路学报孟瑾朱平胡志刚根据耐久性试验中常用的整车台架试验方法通过多体动力学模型仿真模拟整车在四轮路面激励下的运动状态提取车身与底盘连接位置的载荷历程采用有限元法分析动载荷作用下的车身结构响应基于传统的应力寿命方法方法寻找车身薄弱环节辨识危险零件应力双轴性并选择多轴疲劳损伤参量预测车身疲劳寿命分析结果表明结合多体动力学与多轴疲劳的寿命