旋挖鉆機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件疲勞壽命分析

李康健等

摘要：針對(duì)旋挖鉆機(jī)作業(yè)能力及疲勞壽命問題，結(jié)合旋挖鉆機(jī)的工作特點(diǎn)，基于名義應(yīng)力法，運(yùn)用ADAMS以及ABAQUS軟件，對(duì)旋挖鉆機(jī)在回轉(zhuǎn)平臺(tái)的主卷?yè)P(yáng)底座進(jìn)行疲勞壽命分析。結(jié)果表明：回轉(zhuǎn)平臺(tái)的工字梁頂板與主卷?yè)P(yáng)底座焊接的外側(cè)邊緣處最容易發(fā)生開裂現(xiàn)象；旋挖鉆機(jī)的作業(yè)半徑對(duì)主卷?yè)P(yáng)底座壽命也有較大影響。

關(guān)鍵詞：旋挖鉆機(jī)；回轉(zhuǎn)平臺(tái)；主卷?yè)P(yáng)底座；疲勞壽命

中圖分類號(hào)：U415.51文獻(xiàn)標(biāo)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(zhuǎn)平臺(tái)是旋挖鉆機(jī)的核心構(gòu)件之一，包括主體回轉(zhuǎn)平臺(tái)以及左右側(cè)縱梁。其中，主體回轉(zhuǎn)平臺(tái)通過回轉(zhuǎn)支承裝置安裝在旋挖鉆機(jī)的行走底架上，與變幅機(jī)構(gòu)連接，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[12]?；剞D(zhuǎn)平臺(tái)是整體式焊接結(jié)構(gòu)，其工字梁頂板通過焊接將主卷?yè)P(yáng)底座固定。主卷?yè)P(yáng)底座是主體回轉(zhuǎn)平臺(tái)關(guān)鍵焊接件，其強(qiáng)度的大小直接決定著旋挖鉆機(jī)的作業(yè)能力及其服役壽命。由于主卷?yè)P(yáng)底座焊接結(jié)構(gòu)頻繁地承受變幅機(jī)構(gòu)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(huì)發(fā)生疲勞開裂現(xiàn)象，因而對(duì)回轉(zhuǎn)平臺(tái)主卷?yè)P(yáng)底座危險(xiǎn)焊縫進(jìn)行疲勞壽命的研究，能為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及優(yōu)化提供重大的依據(jù)。

本文基于名義應(yīng)力法，綜合運(yùn)用ADAMS以及ABAQUS軟件，獲得旋挖鉆機(jī)在最小與最大的作業(yè)半徑下，從最大加壓力鉆進(jìn)至最大提拔力提鉆時(shí)主卷?yè)P(yáng)底座危險(xiǎn)焊縫所承受的時(shí)間歷程，對(duì)其進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)處理形成荷載譜，同時(shí)根據(jù)該焊接結(jié)構(gòu)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?yè)P(yáng)底座焊縫的疲勞壽命。

1主卷?yè)P(yáng)底座結(jié)構(gòu)及受力分析

回轉(zhuǎn)平臺(tái)主卷?yè)P(yáng)底座結(jié)構(gòu)形式較為簡(jiǎn)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?yè)P(yáng)相連接，中間聯(lián)接板用于加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛度，如圖1所示。

在旋挖鉆機(jī)施工作業(yè)前，安裝在回轉(zhuǎn)平臺(tái)尾部的配重將對(duì)主卷?yè)P(yáng)底座產(chǎn)生一定的彎矩，即底座焊縫在初始時(shí)刻承受裝配應(yīng)力；在鉆進(jìn)時(shí)，鋼絲繩松弛無拉力，主卷?yè)P(yáng)底座焊接結(jié)構(gòu)無外載荷，焊縫承受動(dòng)臂、支撐桿、動(dòng)臂變幅油缸以及配重傳遞的作用力；提鉆時(shí)，主卷?yè)P(yáng)底座焊縫不僅承受鋼絲繩拉力，還包含動(dòng)臂等機(jī)構(gòu)傳遞的作用力。

變幅機(jī)構(gòu)以及配重在工字梁兩端的綜合作用，致使工字梁整體呈現(xiàn)出上凸的彎曲狀態(tài)，因此，與工字梁頂板彎曲應(yīng)力方向垂直的主卷?yè)P(yáng)底座在寬度方向上的焊縫（如圖2中焊縫1所示）處于危險(xiǎn)狀態(tài)。焊縫1處于主卷?yè)P(yáng)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(gè)疲勞評(píng)估點(diǎn)a、b、c、d、e，對(duì)其進(jìn)行疲勞壽命研究，如圖2所示。

2主卷?yè)P(yáng)底座焊縫荷載譜

2.1回轉(zhuǎn)平臺(tái)典型載荷歷程

在實(shí)際作業(yè)中，旋挖鉆機(jī)工作載荷主要來自變幅、鉆進(jìn)、提鉆以及回轉(zhuǎn)卸土4種工況。由于土層種類繁多，硬度、粘度不一，以及作業(yè)幅度的交替變化，致使工作裝置傳遞給回轉(zhuǎn)平臺(tái)的作用力具有隨機(jī)性。本文對(duì)旋挖鉆機(jī)分別處于最小與最大作業(yè)半徑下的極限工作狀態(tài)（受力最惡劣）進(jìn)行順序組合，形成一個(gè)典型的最大加壓力鉆進(jìn)至最大提拔力提鉆的作業(yè)過程，如表1所示；并在ADAMS中對(duì)各作業(yè)階段進(jìn)行仿真計(jì)算，輸出回轉(zhuǎn)平臺(tái)各鉸點(diǎn)在X、Y方向上的載荷歷程，如圖3、4所示。

2.2主卷?yè)P(yáng)底座焊縫時(shí)間歷程

在進(jìn)行有限元分析時(shí)，視焊縫材料與母材一致，焊縫處網(wǎng)格細(xì)密，主卷?yè)P(yáng)底座與工字梁頂板一體化處理，同時(shí)將回轉(zhuǎn)平臺(tái)各鉸接孔內(nèi)壁節(jié)點(diǎn)都耦合到某一參考點(diǎn)，并對(duì)該參考點(diǎn)施加應(yīng)力。至此有限元模型已建立。

通過對(duì)有限元模型計(jì)算，得到不同作業(yè)階段主卷?yè)P(yáng)底座與右頂板焊縫處的應(yīng)力分布。圖5為最小半徑極限狀態(tài)下鉆進(jìn)（BC階段）的焊縫應(yīng)力分布云圖，其中最大應(yīng)力為197.9 MPa，位于a點(diǎn)。圖6為最小半徑極限狀態(tài)下提鉆（EF階段）的焊縫應(yīng)力分布云圖，其中最大應(yīng)力位于e點(diǎn)，為103.8 MPa，a點(diǎn)應(yīng)力為98.6 MPa。圖7、8分別為焊縫處各疲勞評(píng)估點(diǎn)在最小與最大作業(yè)半徑極限狀態(tài)作業(yè)時(shí)的應(yīng)力時(shí)間歷程。

2.3雨流計(jì)數(shù)法處理

雨流計(jì)數(shù)法是以雙參數(shù)法為基礎(chǔ)的計(jì)數(shù)法，考慮了動(dòng)強(qiáng)度（幅值）和靜強(qiáng)度（均值）2個(gè)變量，符合疲勞載荷固有特性，其主要功能是把載荷歷程簡(jiǎn)化為若干個(gè)載荷循環(huán)，供疲勞壽命估算和編制疲勞試驗(yàn)載荷譜使用[34]。

將上述a、b、c、d、e各點(diǎn)在最小與最大作業(yè)半徑下進(jìn)行極限作業(yè)時(shí)所經(jīng)歷的應(yīng)力時(shí)間歷程分別進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)，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(jié)構(gòu)的接頭形狀是單一的角焊縫接頭，可根據(jù)BS7608：1993標(biāo)準(zhǔn)選取焊縫的SN曲線。根據(jù)接頭形狀、加載方向以及焊接形式確定了焊縫等級(jí)為F2級(jí)；由F2級(jí)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(duì)應(yīng)的應(yīng)力幅σ0=35 MPa。

4主卷?yè)P(yáng)底座焊縫疲勞壽命預(yù)測(cè)

有研究表明，原始焊接接頭經(jīng)過錘擊等處理后，雖能得到部分殘余壓縮應(yīng)力來補(bǔ)償原始焊態(tài)中存在的殘余拉伸應(yīng)力，但焊縫及其附近仍存有達(dá)到或接近屈服點(diǎn)的殘余應(yīng)力。無論外加動(dòng)應(yīng)力的循環(huán)特性如何，焊縫附近的實(shí)際循環(huán)應(yīng)力都是在母材的屈服應(yīng)力值上下擺動(dòng)。故當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)承載最大應(yīng)力小于母材屈服極限的動(dòng)應(yīng)力時(shí)，焊縫的壽命值與外載平均應(yīng)力關(guān)聯(lián)不大，尤其是設(shè)計(jì)規(guī)范中SN曲線有限壽命部分的斜率已被硬性規(guī)定為3，據(jù)此本文不再進(jìn)行平均應(yīng)力的修正。將表2中數(shù)據(jù)帶入SN曲線方程，得出a、b、c、d、e各點(diǎn)在最小與最大作業(yè)半徑狀態(tài)下所能承受的周期數(shù)，如表3所示。

由表3可知，a點(diǎn)壽命最短，原因是a點(diǎn)位于工字梁頂板與主卷?yè)P(yáng)底座焊接的外側(cè)邊緣處，應(yīng)力集中嚴(yán)重，應(yīng)力變動(dòng)大，會(huì)先于其他部位發(fā)生疲勞開裂現(xiàn)象。因此，旋挖鉆機(jī)作業(yè)半徑對(duì)主卷?yè)P(yáng)底座焊縫壽命有較大影響，當(dāng)旋挖鉆機(jī)處于最小作業(yè)半徑時(shí)，a點(diǎn)可以承受226 255個(gè)最大加壓力鉆進(jìn)至最大提拔力提鉆的周期；處于最大作業(yè)半徑時(shí)a點(diǎn)可以承受317 321個(gè)周期。

5結(jié)語

（1） 工字梁頂板與主卷?yè)P(yáng)底座焊接的外側(cè)邊緣處抗疲勞性能最為薄弱，容易出現(xiàn)疲勞開裂；當(dāng)旋挖鉆機(jī)處于最小作業(yè)半徑施工時(shí)，主卷?yè)P(yáng)底座焊縫的壽命比最大作業(yè)半徑時(shí)少91 066個(gè)最大加壓力鉆進(jìn)至最大提拔力提鉆的周期。

（2） 旋挖鉆機(jī)作業(yè)時(shí)，工字梁處于上凸的彎曲狀態(tài)，主卷?yè)P(yáng)底座寬度方向焊縫恰好垂直于彎曲應(yīng)力（最大拉應(yīng)力）方向，在保證主卷?yè)P(yáng)底座與工字梁頂板焊接強(qiáng)度和剛度足夠大的前提下，可考慮省去此焊縫，以減少回轉(zhuǎn)平臺(tái)疲勞開裂的風(fēng)險(xiǎn)；鑒于工字梁的承載特性，可在工字梁兩側(cè)主梁對(duì)稱布置托板，通過托板使主卷?yè)P(yáng)底座與工字梁主梁連接，從而避免因主卷?yè)P(yáng)底座直接焊接在工字梁頂板而出現(xiàn)危險(xiǎn)焊縫的情況，有效地提高了回轉(zhuǎn)平臺(tái)的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

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[責(zé)任編輯：杜敏浩]endprint