隨著機車車輛產(chǎn)品的不斷發(fā)展,對工裝的要求越來越高,吊具的安全也越來越重視。在機車車輛制造業(yè)中,多半使用兩臺吊車配備一套吊具同步進行抬車、落車作業(yè)。吊具在起吊的瞬間承受沖擊載荷,其值大于實際載荷。為了驗證強度是否符合要求,斷面形狀是否合理,可通過應力測試測得吊具危險截面處的應變應力及其分布規(guī)律。本文主要采用電阻應變測量法測試內(nèi)燃機車吊具應力。
吊具結構特點
吊具為龍門式剛性骨架結構,吊具的橫梁及吊柱皆為鋼板焊接箱形結構,兩根吊柱通過吊環(huán)螺栓懸掛在橫梁上,吊柱可左右擺動,吊環(huán)螺母與橫梁支承面間裝有止推軸承,使吊柱能繞鉛垂方向旋轉(zhuǎn)。使用吊具時,將吊柱旋轉(zhuǎn)90°,以使吊柱彎臂部分不碰及車體。吊具到位后,將吊柱轉(zhuǎn)回,把臂彎上凸出的銷子鉤入機車牽引拉桿座上的抬車孔內(nèi),找正位置后即可起吊。U形吊環(huán)與橫梁由四根拉桿連接。多數(shù)吊具的拉桿與橫梁之間的連接銷都設在橫梁底部,以求結構簡單。本設計為了提高吊具的穩(wěn)定性,將連接銷設在橫梁中部,并適當加大連接銷之間的尺寸。為了限制拉桿擺動的幅度,使吊車的吊鉤能方便的鉤住U形吊環(huán),在橫梁上方焊有限位擋塊。一般吊具的彎臂部分為實體鍛件,加工后與吊柱鉚接在一起,也有用螺栓連接的。本設計為簡化結構,減輕自重,改用整體箱型焊接彎臂。對實際構件的幾何形狀、受力條件作了簡化,結果是否符合實際情況,還需通過實驗來驗證。為此,我們采用電阻應變測量法對該吊具進行應力測試。
吊具受力分析
1. 額定載荷,吊車的額定起重力為490332N。吊具的額定載荷等于吊車的額定起重力減去吊具的自重。
2. 計算載荷。吊具承受動載荷,動載系數(shù)K按中級工況選?。↘=1.3),Q計=K•Q額=637432N。
3. 受力分析,以吊柱為例,吊柱為二力桿件,所受之力為P(載荷),p’(吊環(huán)螺栓反力)。將P分解為Px和Py,Px=38301.2N,Py=316413.2N。Py作用在C-D截面上,使C-D截面承受彎曲與拉伸組合應力,Px引起剪應力。根據(jù)強度理論求出主應力σ主=90.5N/mm2.
4. 計算各點應力
σⅠ=90.26,σⅡ=90.54,σⅢ=-69.89,σⅣ=-69.53,σⅤ=33.68。
電阻應變測量方案
測試前,先將被測部位表面打磨光滑,然后粘貼應變片,涂上樹脂密封,再用屏蔽導線連接應變儀。當?shù)蹙呤芰r,電阻應變片的金屬絲的長度和斷面即發(fā)生改變,引起其電阻值的變化。只要測定出應變片電阻值的變化,就可將其轉(zhuǎn)換成構件的應變值。
測試儀器采用聚航科技生產(chǎn)的JHYC靜態(tài)應變儀、JHDY動態(tài)應變儀。儀器精度高、測量準確。
在被測試的橫梁、吊柱、拉桿上共布置38片應變片。對兩套吊具的4根吊柱測試了其中的3根,共布片22片。重點測試一號吊柱,布片18片,二號、三號吊柱各布片2片,每點各測3次。具體測點位置見下圖。
測試數(shù)據(jù)討論
在一號吊柱的彎臂上方,應變片布置成兩組等角三角形的應變花,通過測試應變花某點三個方向應變的大小,來確定測點的主應力及其方向。*一組應變花的編號為13、14、15,測試數(shù)據(jù)完整,第二組應變花的編號為19、20、21,測試數(shù)據(jù)不完整;其他各點都是單片組。
測試計算應力與設計計算應力的比較見下表1
1. 本試驗主要測試吊柱彎臂部分內(nèi)側(cè)的應變值,因此應變花主要布置在吊柱內(nèi)側(cè)的縱向中心線上,計算出拉應力分別為75.44N/mm2。二、三號吊柱上的29、30和31應變片分別在內(nèi)、外側(cè)的縱向中心線上。測得的拉應力分別為88.83、74.14(N/mm2);壓應力分別為46.81、41.81(N/mm2),應力值都小于材料的選用應力93.95(N/mm2),實際安全系數(shù)平均為2.8,從而證實吊具的強度設計是安全可靠的。原設計安全系數(shù)為2.4,與實測數(shù)據(jù)相接近,作為起重機具設計取值并不算高,說明吊具的設計是合理的。
2. 4、5、6、7、9、10、11、12應變片布置在一號吊柱內(nèi)側(cè)蓋板的兩側(cè)邊緣處,測算出這些部位的應力值皆高于中心線上應變花部位的應力值,說明蓋板與腹板的焊縫上存在應力集中,而且由上往下應力值呈遞增趨勢,符合機件彎曲部位易產(chǎn)生應力集中的規(guī)律。上述各部位的應力值均超過了材料的許用應力,特別是7和12的應力值*大??梢娫O計彎曲部分的內(nèi)圓弧半徑偏小,需適當加大。
3. 電阻應變法只能測試構件表面的應變,對構件內(nèi)部的應力分布情況必須借助于力學理論來分析。
4. 從一號吊柱的應變花上測算得的應力與三號吊柱32號應變片上測算得到應力值接近,與二號吊柱上30號應變片上測算得到的應力值相差較多,其比值接近1.2:1。這種現(xiàn)象說明四根吊柱上負荷的不均勻性。因此,設計吊具時,必須充分考慮載荷的不均勻分布。本實驗將載荷的不均勻系數(shù)放在安全系數(shù)中考慮。
5. 在吊柱的腹板上測試四點,其中1、3位受拉,2、8位受壓。由表1中看處,從1、3位應變片上測算的主應力*大達90.82N/mm2,而許用應力為93.95N/mm2,說明此處強度設計安全可靠,腹板厚度16mm選取得當。從外側(cè)蓋板上29和31位應變片上測算得到的壓應力值遠小于設計計算值及許用值,安全系數(shù)分別高達4.8和5.4,顯然選材不夠合理,外側(cè)蓋板的厚度*全可以減薄一些。
6. 由應變花測算得主應力方向與吊柱縱向中心線偏差4.14°,這固然與應變花粘貼的相對位置誤差有關,但偏差太大,不可忽視。除在設計或制造中,應嚴格控制各構件的形位公差外,在使用時應注意吊具的位置要對正,避免吊具歪斜,受力不均。
7. 試驗中注意了起吊平穩(wěn),從記錄的波形曲線分析,起吊瞬間雖有沖擊,但振幅不大。
8. 本文所討論的內(nèi)容,只限于對吊具的強度檢驗,而吊具的安全性不僅與吊具的強度有關,還與吊具的結構穩(wěn)定性等其他一些因素有關。
9. 箱型焊接彎臂結構與整體鍛造的彎臂結構相比,無論是在材料的利用上還是在加工的工時上都是節(jié)省的。
10. 實驗中儀器的零點漂移值較大,并不是應變片有問題,而是測試儀器受環(huán)境因素的干擾引起的,但零點漂移由一定的規(guī)律,因此,三組數(shù)據(jù)應是有效數(shù)據(jù)。
由上述實驗驗證,電阻應變測量法可用于工裝構件的強度分析??山鉀Q工裝粗大笨重,提高工裝設計水平。
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