机车吊具强度应力测试

随着机车车辆产品的不断发展，对工装的要求越来越高，吊具的安全也越来越重视。在机车车辆制造业中，多半使用两台吊车配备一套吊具同步进行抬车、落车作业。吊具在起吊的瞬间承受冲击载荷，其值大于实际载荷。为了验证强度是否符合要求，断面形状是否合理，可通过应力测试测得吊具危险截面处的应变应力及其分布规律。本文主要采用电阻应变测量法测试内燃机车吊具应力。

吊具结构特点

吊具为龙门式刚性骨架结构，吊具的横梁及吊柱皆为钢板焊接箱形结构，两根吊柱通过吊环螺栓悬挂在横梁上，吊柱可左右摆动，吊环螺母与横梁支承面间装有止推轴承，使吊柱能绕铅垂方向旋转。使用吊具时，将吊柱旋转90°，以使吊柱弯臂部分不碰及车体。吊具到位后，将吊柱转回，把臂弯上凸出的销子钩入机车牵引拉杆座上的抬车孔内，找正位置后即可起吊。U形吊环与横梁由四根拉杆连接。多数吊具的拉杆与横梁之间的连接销都设在横梁底部，以求结构简单。本设计为了提高吊具的稳定性，将连接销设在横梁中部，并适当加大连接销之间的尺寸。为了限制拉杆摆动的幅度，使吊车的吊钩能方便的钩住U形吊环，在横梁上方焊有限位挡块。一般吊具的弯臂部分为实体锻件，加工后与吊柱铆接在一起，也有用螺栓连接的。本设计为简化结构，减轻自重，改用整体箱型焊接弯臂。对实际构件的几何形状、受力条件作了简化，结果是否符合实际情况，还需通过实验来验证。为此，我们采用电阻应变测量法对该吊具进行应力测试。

吊具受力分析

1. 额定载荷，吊车的额定起重力为490332N。吊具的额定载荷等于吊车的额定起重力减去吊具的自重。

2. 计算载荷。吊具承受动载荷，动载系数K按中级工况选取（K=1.3），Q_计=K•Q_额=637432N。

3. 受力分析，以吊柱为例，吊柱为二力杆件，所受之力为P（载荷），p’（吊环螺栓反力）。将P分解为P_x和P_y，P_x=38301.2N，P_y=316413.2N。P_y作用在C-D截面上，使C-D截面承受弯曲与拉伸组合应力，P_x引起剪应力。根据强度理论求出主应力σ_主=90.5N/mm².

4. 计算各点应力

σ_Ⅰ=90.26，σ_Ⅱ=90.54，σ_Ⅲ=-69.89，σ_Ⅳ=-69.53，σ_Ⅴ=33.68。

电阻应变测量方案

测试前，先将被测部位表面打磨光滑，然后粘贴应变片，涂上树脂密封，再用屏蔽导线连接应变仪。当吊具受力时，电阻应变片的金属丝的长度和断面即发生改变，引起其电阻值的变化。只要测定出应变片电阻值的变化，就可将其转换成构件的应变值。

测试仪器采用聚航科技生产的JHYC静态应变仪、JHDY动态应变仪。仪器精度高、测量准确。

在被测试的横梁、吊柱、拉杆上共布置38片应变片。对两套吊具的4根吊柱测试了其中的3根，共布片22片。重点测试一号吊柱，布片18片，二号、三号吊柱各布片2片，每点各测3次。具体测点位置见下图。

测试数据讨论

在一号吊柱的弯臂上方，应变片布置成两组等角三角形的应变花，通过测试应变花某点三个方向应变的大小，来确定测点的主应力及其方向。第一组应变花的编号为13、14、15，测试数据完整，第二组应变花的编号为19、20、21，测试数据不完整；其他各点都是单片组。

测试计算应力与设计计算应力的比较见下表1

1. 本试验主要测试吊柱弯臂部分内侧的应变值，因此应变花主要布置在吊柱内侧的纵向中心线上，计算出拉应力分别为75.44N/mm²。二、三号吊柱上的29、30和31应变片分别在内、外侧的纵向中心线上。测得的拉应力分别为88.83、74.14（N/mm²）；压应力分别为46.81、41.81（N/mm²），应力值都小于材料的选用应力93.95（N/mm²），实际安全系数平均为2.8，从而证实吊具的强度设计是安全可靠的。原设计安全系数为2.4，与实测数据相接近，作为起重机具设计取值并不算高，说明吊具的设计是合理的。

2. 4、5、6、7、9、10、11、12应变片布置在一号吊柱内侧盖板的两侧边缘处，测算出这些部位的应力值皆高于中心线上应变花部位的应力值，说明盖板与腹板的焊缝上存在应力集中，而且由上往下应力值呈递增趋势，符合机件弯曲部位易产生应力集中的规律。上述各部位的应力值均超过了材料的许用应力，特别是7和12的应力值最大。可见原设计弯曲部分的内圆弧半径偏小，需适当加大。

3. 电阻应变法只能测试构件表面的应变，对构件内部的应力分布情况必须借助于力学理论来分析。

4. 从一号吊柱的应变花上测算得的应力与三号吊柱32号应变片上测算得到应力值接近，与二号吊柱上30号应变片上测算得到的应力值相差较多，其比值接近1.2:1。这种现象说明四根吊柱上负荷的不均匀性。因此，设计吊具时，必须充分考虑载荷的不均匀分布。本实验将载荷的不均匀系数放在安全系数中考虑。

5. 在吊柱的腹板上测试四点，其中1、3位受拉，2、8位受压。由表1中看处，从1、3位应变片上测算的主应力最大达90.82N/mm²，而许用应力为93.95N/mm²，说明此处强度设计安全可靠，腹板厚度16mm选取得当。从外侧盖板上29和31位应变片上测算得到的压应力值远小于设计计算值及许用值，安全系数分别高达4.8和5.4，显然选材不够合理，外侧盖板的厚度完全可以减薄一些。

6. 由应变花测算得主应力方向与吊柱纵向中心线偏差4.14°，这固然与应变花粘贴的相对位置误差有关，但偏差太大，不可忽视。除在设计或制造中，应严格控制各构件的形位公差外，在使用时应注意吊具的位置要对正，避免吊具歪斜，受力不均。

7. 试验中注意了起吊平稳，从记录的波形曲线分析，起吊瞬间虽有冲击，但振幅不大。

8. 本文所讨论的内容，只限于对吊具的强度检验，而吊具的安全性不仅与吊具的强度有关，还与吊具的结构稳定性等其他一些因素有关。

9. 箱型焊接弯臂结构与整体锻造的弯臂结构相比，无论是在材料的利用上还是在加工的工时上都是节省的。

10. 实验中仪器的零点漂移值较大，并不是应变片有问题，而是测试仪器受环境因素的干扰引起的，但零点漂移由一定的规律，因此，三组数据应是有效数据。

由上述实验验证，电阻应变测量法可用于工装构件的强度分析。可解决工装粗大笨重，提高工装设计水平。