港口起重机金属结构安全使用寿命的确定

焊接结构件的接头形式 ，在确定
存活率的前提下， 分别确定 ｍ与
Ｃ的数值
（）载荷的幅值分布 ３
雨流计数后得到的是随机谱 ， 通常没有一定的
的Ｓ －Ｎ曲线估算构件的实际安全使用期限， 对实 际的应力谱做了修正， 使之成为均值等于０ 的等价
１ 行星轮受力分析
图１ 为传动某一瞬间行星轮的受力分析图，图
中。Ｉ ， ｎ 。分别为内 合角，Ｆ 为内 外啮 。 外啮合处的
法向力，尸为啮合力的反作用力，Ｗ为行星轴所 受外载荷。 Ｗ ＝ （ｎ。 ｓａ Ｘ Ｆ ａ一 ｉ Ｗ ｓ ｉ ｎ ）
叭＝ ｎ ａ＋ｏｗ Ｆ （Ｓ ｃａ Ｏｎ ｓ ） Ｃ
使用期限。
氏ｌ
仃 １ ２
ｎｊ ｎ２
Ｎ， Ｎｚ
图 １ 线性累积损伤示意图
２ 数据采集及预处理
工程中大多数机械设备广泛存在着随机振动的 现象，港口 起重机的作业特点与作业环境对金属结 构构件所造成的振动是随机振动中最典型的实例。 起重机金属结构所承受的载荷，实际为一连续的随 机过程。起重机工作时， 其结构的应力大小和频率 都是随机变化的， 从实测起重机的载荷时间历程中 可以看出， 起重机金属结构实际承受的应力是由大 振幅的低频波与小振幅的高频波复合而成。通常低 频波是由工作循环外力变化所引起的，如装卸载或 者起制动；而高频波主要是由于其他激励源所引起 的，如风振。随机载荷作用的疲劳寿命估算， 有别 于常幅载荷的疲劳问题， 其中，数据的采集是重要
先找出最大的应力幅值 ，然后将载荷幅值分为 ８ 计算出各级幅值与最大幅值之比，再统计出 级， 各级应力水平的循环次数。
（）剩余安全使用期限估算 ４
将计算得到的 ８ 级应力水平代人已确定的存活
率下的 Ｐ －Ｎ曲线公式，得出各级应力水平下 －Ｓ
的疲劳寿命及统计出的各级应力水平的循环次数， 利用线性累积损伤理论公式得出在该样本载荷作用 下造成的损伤度 Ｄ 。设样本载荷经历的时间为 ｔ ＇ ， 则得起重机的总安全使用期限计算公式为
即可将该循环特征下的循环转换成均值为０ 的
等效循环，同理即可获得均值为 ０ 的当量应力谱。 实测测点的应力时间历程，因客观原因的影响 往往遗漏次数虽少， 但数值极大的应力变化，这些
变化对结构所造成的疲劳损伤是不可忽视的，因此 需要根据当量应力幅值分布的密度函数的拟合曲线
对之进行相应的扩展。
港口起重机金属结构安全使用寿命的确定
秦皇岛港务集团有限公司杂货分公司 赵 虎 刘赤清 港口 起重机械金属结构是整机的支撑， 其失效
不仅使起重机械失去功能，而且会给生产和人身安
全带来巨大危害。金属结构在循环载荷或者随机载 荷作用下工作，疲劳破坏是一种主要的失效形式， 对于已进人服役后期或者超期服役阶段的起重机 械， 其机械零件、金属结构已经不同程度的出现各 种损伤，对安全生产构成了潜在的威胁，因此需要 考虑疲劳寿命的问题。 现介绍 １ 种根据材料的 Ｐ 一Ｎ曲线，结合 一Ｓ 实测应力谱， 按照线性累积损伤理论的安全使用期 限估算式进行寿命估算， 再结合起重机械的结构状 态， 进行综合分析的设计方法， 估算起重机的安全
＂７ 英国
ｎ
、 、， 。， ｛ 、 。
１
２ ４． ２ ２
３
４
６
１ ０
２ ５
１０ ０
数，各国的选择标准不同， 见表 ｔ ｏ 则剩余安全使用期限 Ｔ （ ／ ） 一Ｈ ＝ Ｈｎ ＇
式中
５． ０ １
６ ３ ９ ３ ７ ３． ． ．５ ３ ４ ６
３． ５
１ ０
３． ３．３ ４ ３ ２ ５
Ｈ— 已使用时间 ＇
环节。
１ 线性累积损伤理论
线性累积损伤理论也称迈内尔 （ ｉｒ Ｍｎ ）法则， ｅ
它的基本原理 ： 认为材料的疲劳破坏是损伤累积的
结果坏。
在应力交变过程中如果是变幅应力， 则可将其 分成若干个不同的应力等级 。 、。 、…每一应力 ｕ 二 等级的循环数分别为 ｎ， ． ｎ（ １ ｎ， 见图１。设： ２ ．ｎ ． ） 只有某一应力等级如 Ｑｌ Ｌ 作用， 疲劳寿命为 Ｎ ，即 １ 经过 Ｎ 次循环，累积损伤量达到了临界值 Ｄ １ 。那 么每一次循环的损伤量按线性关系是 Ｄ Ｎ。在变 Ｉ，
（） －Ｎ曲 ２Ｐ －Ｓ 线的确定
由于疲劳试验数据的离散性 ，试样的疲劳安全
值为起点 （ 视二者的绝对值哪个更大而定） ； （）雨流依次从每个峰 （ ２ 谷）值的内侧向下 流， 在下一个峰 （ 谷）处落下， 直到有一个比其起 点更高的峰值 （ 或更低的谷值）停止； （）当雨流遇到自 ３ 上屋顶流下的雨流时即行停
止；
（）取出全部循环，并记录各 自的变程和均 ４
值。
３ 数据处理和估算方法
（）当量应力谱 １ 根据应力时间历程统计计数可获得应力谱。由
于材料的抗力指标通常是在对称循环载荷作用下获 取的，均值为 ０ ，而在随机载荷作用下产生的应力 谱是有均值的，因此， 必须先将有均值的应力谱转 换成均值为０ 的当量应力谱。为了能应用对称循环
ｎ — 疲劳寿命安全系数
＂１ ７ 苏联
ｎ
１０ ０
５． ０
３５ ．
３． ０
４ 结论
该方法可对在役和服役后期或者超期服役的起
德国 美国 中国
关键件 ５０ ．，一般件 ３０ ．
２￣４
４
重机械的主要金属结构和部件的疲劳寿命进行估 算。消除其在使用中潜在的安全隐患。
作者地址： 秦皇岛市港务集团有限公司杂货分公司
《 起重运输机械》 ２０ （） ０６ ８
一 ７ 一 ５
行星齿轮油膜均载机构动力学分析
长安大学工程机械学院 张 涛
摘 要：为了使载荷在各行星轮之间的均衡分布， 行星齿轮传动采用了各式各样的均载机构。文献 ［］对 １ 各种均载机构进行了分析， 指出 ｎ 油膜均载机构是 目 旧， 前较理想的一种均载方法。本文对该机构动力学性能进 行理论分析， 进而应用轴承理论中联动的概念， Ｉ， 对 Ｍ 机构提出了改进意见。 关键词： 行星齿轮；润滑；动力学分析
Ａ ｓａｔ ｌ ｅ ｇ ｒ ｄｖ ａ ｉ ｋ ｄ ｏｕｉ ｔｇ ｖ 一ｏ ． ｈ ａｓ ｎ ｙｎ ｉ ｒ ｔ ｓ ｖ － Ｐ ｎ 一 ｅ 一 ｒｅ ｌｓ ｓ ｎｓ ｅｅ ｎ ｌｄ Ｏ ｔ ｂｓ ｏａ ｌｉ ｄ ｅ ｎｋ ｄ ｏｅ ｎ ｂｔ ｃ： ｔ ａ ｉ ｐ ｅ ｉ ｆ ｏ ｅ ａ ｎ ｉ ｆ ｚｇ ｅ ｉ ｆ ｒ ａ ｐ ｎ ｔ ｔ ｅ ａ ｆ ｎ ｅ ｌｄ ｓ ｔ ｒｕ ｓ ｗ ｔ ｔ ｏ Ｂ ｉ ｂ ｎ ｆ ｅ ｎ ｌｄ ｈ ｉ ｉｔ ｂｓｏ ． ｐ ｅｏｅ ａ ｏｉ ｏ ｕｉ， ｅ ｌ ｈ ｓ ｕ ｔｎ Ｔ ｏ 一 ｏ ｄ ｖ 一ｏ ｍｃ ｎｍ ｈ ｅ ｎ Ｔｅ ｒ ｓ ｐ － ａ ｎ ｈ ｓｔ ｈ ｐ ｏ ｔ ｅ ｏ ａ ｗ ｌ ｕ ｉ ｅ ａ ｅ ａ ｓ ｓ ｔ ｈ ａ ｆｒ ｎ ｌ ｍ ｅ ｅ ｐ ｎ
Ｗ＝ Ｘ Ｗ ｚ Ｗ＋ Ｚ Ｙ
Ｗ＝２ Ｏ Ｆ ＣＳ ｎ
Ｒａａ Ｗ Ｗ ＝２ － ｎ
设在该瞬时 ， ｔ 由于太阳轮、内齿轮、行星架 使行星轮中心相对于理论位置产 的综合误差影响，
表 １ 疲劳寿命安全系数表
图 １ 行星轮受力分析 １ ．内齿轮
２ ．行星系 ３ ．太阳轮
幅应力时， Ｌ 循环次数是 ｎ次。ｎ次的 ６ ｌ 的 １ １ 损伤量 是 ｎ （Ｉ ， 样， １ Ｎ） Ｄ 。同 对于应力水平 ６ ， １ 循环数 ２ ｎ 的损伤量是 ｎ （ ／ 。应力水平 ６ 。循环数 ： ２ 从） Ｄ Ｌ ３ ｎ的 ３ 损伤量是 ｎ （ ３ Ｏ Ｎ ／ Ｄ 。如变幅应力作用下达
载荷谱，在修正中要运用到等寿命曲线。
设雨流计数得到的 １ 个循环中， 应力幅为 。， 。 平均应力为 。，根据等寿命曲线的哥德曼假设， ｍ 作该循环特征下的等寿命曲线如图２ 该循环特征 ， 以Ａ点表示， 其平均应力为 ０的等寿命点以 Ｂ点 表示， 其应力幅为 ６ ／ ａ
６巴 ｅ
规律和次序，由于在高周载荷的作用下， 结构的损 伤只与载荷的大小和出现的频次有关，为了便于试 验和计算， 需要研究随机载荷的分布，通常采用的 方法是编制 ８ 级载荷谱。
《 起孟运输机械》 ２０ （） ０ ６ ８
历程的最大幅值、应力点个数。 对于随机载荷，统计分析的方法主要有 ２ 类： 计数法和功率谱法，在抗疲劳设计中广泛使用计数 法， 其中以雨流计数使用最多。应用雨流计数法对
测点的应力时间历程进行统计分析前，首先要按规 则对应力波形进行对接改造， 然后按雨流计数法的 规则对改造后的数据进行统计处理，得到测点的应 力幅谱。雨流计数的规则： （）重新安排载荷历程，以最高峰值或最低谷 １
到损伤临界值 Ｄ而破坏，则有 ｎ Ｄ Ｎ ）＋ｎ Ｄ 从）＋ｎ Ｄ 凡）＋ １（ Ｉ ， ２（ ／ ３（ ／ …＝ Ｄ
采用应变片、记录仪和计算机完成构件的应力 测定。将应变片粘在构件上，当构件受载时， 应变 片产生变形，引起电流的变化。在记录仪器中， 仪 器记录由电流引起的电压变化值并与标定数据进行
ｉ ａ ｕｉ ｒｅｅ ｔｔ ｍｃ ｎｍ ｅ ｏ ｌｋ ｅ ｃ ｔ ｅｉ ｔｏ ． ｏ ｂ ｔ ｏ ｍｎ ｏ ｅ ａｓ ｂ ｄ ｎａ ｃ ｅ ｏｈ ｒｇ ｒ ｎ ｍ ｖ ｔ ｅ ｈ ｉ ａ ｎ ｇ ｏ ｐ ｆ ｎ ｈ ｙ ｏ ｐ ｈ ｓ ｉ ｎ ａ ｅ Ｋｙｏ ｓ ａ ｔ ｇ ｒ ｌ ｒａ ； ｍ ｎｙｓ 碑ｎ 一 ｅ ； ｉｔｎ ｄ ａｉａ ｌｉ ｅｗｒ ： ｅ ａ ｕ ｃｉ ｙ ｃ ｓ ｄ ｂ ｏ ｎ ａ
Ｈ＝ （ Ｉ ＇ Ｄ Ｄ ）ｔ
图２ 等寿命换算图
从三角形相似，可以得出
即：
ａ ＇ ６ ／ ， Ｑ ＝ （、 ‘）／６ 。一 ６ ６ Ｑ６ Ｕ一 ｍ ａ ＝ ６ （ 。） ｒ ａ ／ ｂ ａ
在安全使用期限的计算过程中，由于选择的各 种参数的分散性和不准确度， 对计 结果 的影 响较
邮 编：０６０ ６００