游樂設施在給人們提供休閑娛樂的同時,安全性不容忽視,實際使用年限接近設計使用年限,安全隱患就會增加。載荷譜對應的是設備,S-N曲線是對應的材料。通過設備與材料的對比,去計算設備的壽命。
《大型游樂設施安全技術規程》(2023征求意見稿)3.3.6節:
主要受力部件進行疲勞強度校核。當循環載荷的最大計算應力小于材料的疲勞極限時,主要受力部件為無限壽命;當循環載荷的最大計算應力大于材料的疲勞極限時,用疲勞載荷譜來計算主要受力部件的設計使用期限。
一、載荷的分類
載荷分為靜載荷和動載荷兩大類。動載荷又分為周期載荷、非周期載荷和沖擊載荷。周期載荷和非周期載荷可統稱為疲勞載荷。二、什么是載荷譜
在很多情況下,作用在結構或機械上的載荷是隨時間變化的,這種加載過程稱為載荷—時間歷程。由于隨機載荷的不確定性,這種譜無法直接使用,必須對其進行統計處理。處理后的載荷—時間—歷程稱為載荷譜。
有了實際工作的載荷譜,即有了準確的設計輸入條件,就可以得到傳動系統各零件在載荷譜條件下的實際受力情況,從而可以得到準確的計算結果。
載荷譜反映產品服役過程的載荷-時間歷程,是部件進行耐久可靠性設計的基礎。
三、S-N 曲線
為確定疲勞極限,選定一定數量標準試樣在疲勞試驗機上各組應力下進行試驗,記錄每根試樣的最大應力S(交變應力,所定義的等效應力標示的是最大絕對主應力,以便說明壓縮平均應力)與此應力下發生破壞所經歷的循環次數N(又稱壽命),標注在S-N坐標中,一系列離散的點擬合成曲線,稱為S-N曲線,也叫疲勞壽命曲線 ,如圖所示。
四、什么是疲勞壽命
重復交變載荷的作用下,游樂設施的零部件和構件在運行中承受循環應力,在受交變循環應力作用的零部件和構件發生疲勞損傷,零部件和構件在低于材料屈服極限的交變應力的反復作用下,經過一定的循環次數以后,在應力集中部位產生微裂紋,再經過若干次應力循環后,微裂紋繼續擴展,最終脆性斷裂,這一失效過程稱為疲勞破壞。
所以,疲勞破壞是塑性材料發生的脆性斷裂。
一句話:疲勞壽命是結構材料在疲勞破壞前所經歷的應力循環次數。
注意,這里的壽命指的是次數,好多人錯誤的理解為時間。
五、無限壽命和有限壽命
對于疲勞,應力幅比構件承受的應力更重要。經過無窮多次(10e7)應力循環而不發生破壞時的最大應力值,稱為疲勞極限。超過疲勞極限,即認為是無限疲勞壽命。此時疲勞極限對應的應力值與結構零部件實際工作載荷下的應力幅的比值,就是安全系數。所以,凡是求解疲勞安全系數,對應的肯定是無線疲勞壽命。
當零部件承受的循環載荷的最大計算應力,大于材料的疲勞極限時,用疲勞載荷譜計算零部件的使用壽命。
采用有限壽命設計的目的是減小零件截面、減輕重量或者采用廉價的材質,以降低成本。假設零件承受循環交變應力,當其最大和最小應力的數值保持恒定時,有限壽命設計的方法與無限壽命設計一樣,僅在強度判據中,以有限壽命的條件疲勞極限代替疲勞極限。
六、小結
在游樂設備設計中,重要的零部件一般不采用有限壽命。因為游樂設施大都為單件或小批量生產。重要的零部件即使采用有限壽命,其成本也降低不了多少,還會給用戶帶來一定的麻煩。
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