在一次起重機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)試驗(yàn)中，使用中短臂、基本臂兩個(gè)臂段的最大力矩工況吊載，按《GB/T 3811-2008》規(guī)范施加 5% 側(cè)載力，在吊載回轉(zhuǎn)過程中，起重機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)處發(fā)出“嘣、嘣、嘣”異響聲。異響聲能被人清楚的辨別，易引起客戶的抱怨，為此需要對(duì)此問題進(jìn)一步分析。

1 分析問題階段

1.1 測(cè)量聲音來源

使用聲源定位設(shè)備，采用同樣的起重工況再進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)及結(jié)果如圖 1、2 所示，聲源位于轉(zhuǎn)臺(tái)底板與側(cè)立板交接位置。由于轉(zhuǎn)臺(tái)體在此處是一個(gè)箱形結(jié)構(gòu)，箱形內(nèi)部有加強(qiáng)板組合成的焊接結(jié)構(gòu)，需要對(duì)此位置進(jìn)一步分析。

圖 1 轉(zhuǎn)臺(tái)底板處異響 

圖 2 底板異響側(cè)面位置

1.2 有限元在轉(zhuǎn)臺(tái)分析中的應(yīng)用

使用的轉(zhuǎn)臺(tái)為框架式結(jié)構(gòu)，它采用不同的鋼板組合拼焊而成。由于已初步確定異響源的位置，只需重點(diǎn)分析轉(zhuǎn)臺(tái)底板的箱形結(jié)構(gòu)位置處的應(yīng)力。轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，產(chǎn)生異響轉(zhuǎn)臺(tái)使用的高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)鋼許用應(yīng)力 [σ] 推薦值為 460MPa。

對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行應(yīng)力分析，采取離散逼近的方式，將其離散為有限個(gè)標(biāo)準(zhǔn)幾何單元的組合，分析單元的內(nèi)力與外力，建立基于節(jié)點(diǎn)的單元受力平衡方程并求解。轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，劃分后節(jié)點(diǎn)數(shù)量非常多，而且需確保計(jì)算的收斂性、高效性和結(jié)果誤差度，為此使用有限元分析軟件完成計(jì)算過程。

圖 3 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

2 結(jié)果分析及優(yōu)化

2.1 轉(zhuǎn)臺(tái)受力分析

對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行有限元分析，得到有限元分析結(jié)果，其用應(yīng)力云圖顯示如圖 4、圖 5 所示。

圖 4 底板應(yīng)力云圖 

圖 5 側(cè)板應(yīng)力云圖

2.2 轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)力結(jié)果

根據(jù)測(cè)量的聲音源位置，結(jié)合有限元分析的應(yīng)力云圖，可知聲音在圖 4、圖 5 橢圓圈所示位置傳出。此處應(yīng)力峰值達(dá)到 478MPa，而材料 HG785D 的許用應(yīng)力 [σ] 推薦僅為 460MPa，峰值已超出許用應(yīng)力范圍。這表明雖然材料的整體還處于彈性范圍，但此處已有微裂紋等缺陷產(chǎn)生，同時(shí)發(fā)出聲發(fā)射信號(hào)，也就是所聽到的轉(zhuǎn)臺(tái)異響聲。

2.3 轉(zhuǎn)臺(tái)聲源處應(yīng)力下降方案

在原轉(zhuǎn)臺(tái)基礎(chǔ)上，制定了 3 個(gè)改進(jìn)方案，以降低應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度。方案一如圖 6 所示，即改變斜置加強(qiáng)板的位置，由支承在底板加強(qiáng)板內(nèi)側(cè)位置改為外側(cè)位置，從而加大此處的截面模量。方案二如圖 7 所示，即在方案一的基礎(chǔ)上，去掉在轉(zhuǎn)臺(tái)立板內(nèi)側(cè)一塊加強(qiáng)板，同時(shí)減小焊接應(yīng)力集中。方案三如圖 8 所示，即改變應(yīng)力集中位置的立板結(jié)構(gòu)，改用一個(gè)小箱形結(jié)構(gòu)替代它。

圖 6 改進(jìn)方案一 

圖 7 改進(jìn)方案二

2.4 轉(zhuǎn)臺(tái)不同方案應(yīng)力值結(jié)果及分析

對(duì)以上 3 種方案分別進(jìn)行分析。其有限元分析結(jié)果分別如圖 9、圖 10、圖 11 所示。

圖 9 所示的方案一中，最大應(yīng)力值仍然在箱形結(jié)構(gòu)中應(yīng)力集中位置，峰值由 478MPa 下降為 305MPa，下降幅度為 36%，表明該方案有效。轉(zhuǎn)臺(tái)底板回轉(zhuǎn)支承加強(qiáng)座圈板為環(huán)形結(jié)構(gòu)，斜置加強(qiáng)板在內(nèi)側(cè)時(shí)，來自于轉(zhuǎn)臺(tái)尾鉸點(diǎn)受力往下傳遞至轉(zhuǎn)臺(tái)底板位置時(shí)，存在附加力矩的作用。當(dāng)加強(qiáng)板移至環(huán)形外側(cè)時(shí)，附加力矩得到有效減小。在圖 10 所示的方案二中，應(yīng)力集中位置的應(yīng)力峰值由 478MPa 下降為 263MPa，下降幅度為 45%。這驗(yàn)證了斜置加強(qiáng)板在底板加強(qiáng)環(huán)形板的位置，為主要影響因素。方案二相比方案一，去掉了轉(zhuǎn)臺(tái)立板內(nèi)側(cè)的一塊加強(qiáng)板，應(yīng)力由 305MPa 下降為 263MPa，下降幅度為 13.8%。這說明沿應(yīng)力最大位置分布在近似垂直的位置，立板間距布置狀況也起著一定的作用。方案二去掉了一塊立板后，最大應(yīng)力區(qū)域范圍明顯擴(kuò)大，受力更均勻，故減小了最大應(yīng)力峰值?？紤]在實(shí)際制造過程中，立板之間距離較小時(shí)，焊接較為困難。在交錯(cuò)焊縫較多時(shí)，附加焊接應(yīng)力較高，更易導(dǎo)致原轉(zhuǎn)臺(tái)中應(yīng)力峰值增大，從而引起異響。在圖 11 所示的方案三中，應(yīng)力峰值由 478MPa 下降為393MPa，下降幅度為 17.8%。此方案中，箱形結(jié)構(gòu)的截面模量得到優(yōu)化，但僅靠增加立板的板厚，對(duì)應(yīng)力峰值的改善效果并不理想。立板間距的改變，只適當(dāng)改變了底板位置的應(yīng)力分布，難以達(dá)到大幅降低應(yīng)力峰值的作用。

圖 8 改進(jìn)方案三

圖 9 方案一有限元分析

圖 10 方案二有限元分析

圖 11 方案三有限元分析

2.5 轉(zhuǎn)臺(tái)方案實(shí)際應(yīng)用

根據(jù)以上分析可知，斜置加強(qiáng)板位置是應(yīng)力強(qiáng)度的主要影響因素，立板及立板加強(qiáng)板位置及間隔是次要影響因素。斜置加強(qiáng)板在底板梯度變化處沿圓周布置效果最佳。

分別按上述方案制造轉(zhuǎn)臺(tái)，并進(jìn)行驗(yàn)證。方案一、二在相同試驗(yàn)工況反復(fù)吊載，異響聲未再出現(xiàn)。這表明當(dāng)應(yīng)力值低于 305MPa 時(shí)，能夠產(chǎn)生聲發(fā)射的能量值較小，微裂紋的擴(kuò)展速率較低，不足以產(chǎn)生人耳可感受的聲發(fā)射。按方案三試驗(yàn)時(shí)，異響聲再次出現(xiàn)，但異響聲強(qiáng)度比原轉(zhuǎn)臺(tái)弱。這表明應(yīng)力值為 393MPa 時(shí)，重載荷情況下不可避免產(chǎn)生微裂紋，但裂紋的擴(kuò)展速率有所降低，聽到的異響

聲也相應(yīng)減小。根據(jù)方案一中應(yīng)力值 305MPa（為材料推薦值 [σ] 的 2/3）計(jì)算，考慮在一定的安全系數(shù)范圍內(nèi)，推薦轉(zhuǎn)臺(tái)底板應(yīng)力敏感集中區(qū)域應(yīng)力設(shè)計(jì)值應(yīng)小于 0.7[σ] 。

實(shí)際應(yīng)用的轉(zhuǎn)臺(tái)以方案二為基礎(chǔ)，適當(dāng)增加立板加強(qiáng)板的厚度并進(jìn)行優(yōu)化后，再進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，轉(zhuǎn)臺(tái)底板位置未出現(xiàn)明顯的異響聲，檢查未出現(xiàn)開裂，由此驗(yàn)證最終方案可行。

來源《工程機(jī)械與維修》2019年第六期