顾建华
江苏省特种设备安全监督检验研究院南通分院 江苏南通 226500
摘要：起重机械是石油化工、冶金、建筑、水利电力、港口、机械等行业中不可或缺的重要设备。这些设备价格昂贵，制造、安装、调试时间长，使用维护成本高，管理复杂，设备的更新报废使用时间至今没有标准企业中现有的设备大多已服役多年，它们的使用寿命或极限状态的预测，是企业非常关心和迫切需要解决的问题。金属结构是起重运输机械的重要组成部分，金属结构的设计对起重机工作性能有决定性的影响，因此，对于起重机结构疲劳剩余寿命评估方法的研究显得尤为重要。
关键词：起重机结构；疲劳剩余；寿命评估；方法
起重机箱金属结构本身存在着材料和设计缺陷，又承受重复的交变载荷，疲劳破坏是其主要失效形式。据调查统计，最常见的也是最严重的是以疲劳裂纹为特征的起重机焊接结构的破坏，而梁结构的疲劳破坏直接表现为裂纹的萌生与扩展。
一、起重机结构疲劳剩余寿命估算
起重机械在经济建设中骑着不可或缺的重要作用，是重大技术装备行业中的特种设备，一旦发生事故，经济损失惨重、社会影响恶劣。近年来，国内许多国家和地区，相继发生起重机械结构系统突然断裂和失效事件，而造成这类事故的主要原因之一就是疲劳破坏。因此，各国政府和检验机构对起重机械结构系统进行定寿、延寿的研究空前重视。
二、估算起重机金属结构剩余疲劳寿命的方法
由于影响金属疲劳的因素复杂，准确预计起重机金属结构剩余疲劳寿命的工作比较困难。目前国内外在解决该问题时采用的方法有：
（一） 结构无损伤监测法
（1）超声波探伤法超声波探伤法是根据超声波原理，利用金属结构件对超声波的反射信号进行测试，通过判断金属结构件内部的裂纹程度，预测金属结构的剩余疲劳寿命。
（2）红外线检测法红外线检测是通过测量热流或热量来鉴定金属或非金属材料质量。当材料中的疲劳裂纹被检测后，计算出裂纹对材料疲劳寿命的影响。
（3）光纤测试法光纤测试是将光纤或集成光纤束预制带，粘贴到被测件上，检测结构受疲劳作用后参数的变化，利用计算机采集和分析，预测结构的剩余疲劳寿命。
（二）涂漆法
美国等国家正在研究一种特殊用途的“油漆”，将该种油漆涂在需要测试的构件表面。在构件受疲劳作用力后，油漆表面将发生变形，然后用特殊仪器来测试其变化量，由此得出该构件的剩余疲劳寿命。
（三）计算机仿真估算法
采用人工神经网络描述疲劳损伤过程中材料的性能变化。实际上，载荷对材料的作用是连续的，但为了确定损伤的状态，把连续载荷离散为循环载荷序列，将疲劳过程本身描述为材料状态的变迁，构成离散事件仿真系统。系统按循环载荷—时间历程推进，每作用一个载荷循环，材料状态发生一次变迁，当材料的损伤达到临界值时材料失效，仿真结束。
（四）断裂力学估算法
断裂力学理论是研究具有初始缺陷的材料和结构强度的有力工具。该理论基于金属材料本身存在的冶金缺陷以及金属结构在焊接过程中产生的气孔、夹渣和焊接裂纹等焊接缺陷这一事实，结合现代的无损伤检测技术，定量计人初始缺陷对疲劳寿命的影响。以裂纹的尺寸大小和裂纹的扩展速度作为结构损伤大小的判据来判定金属结构的剩余疲劳寿命。
疲劳寿命评估路线图
三、实例分析起重机结构疲劳剩余寿命评估方法
（一）臂架系统有限元分析与计算
根据起重机作业情况统计表中的记录内容（近 5 个月）及相关的人员调查中，得知这三台起重机通常在 36.6m 主臂、16.6m 副臂情况下作业。为了确定臂架的最大应力和工作应力，分别对 18.3m 基本主臂和 36.6m 主臂两种臂长进行了有限元分析与计算。
臂架系统在实际作业过程中，弦杆与腹杆主要承受轴向力。由于臂架自重，以及臂架所承受的侧向载荷（货重、风载或回转等引起的）作用，使得弦杆与腹杆承受弯矩.因此采用梁单元构建臂架系统的有限元模型.
（二）有关起重机作业的历史记录
进行臂架实际工作寿命计算时需要有详细具体的臂架历史工作记录，包括起重量、作业幅度、臂长、主副钩作业等数据记录。由于这三台起重机在以往的作业过程中没有历史记录，这给计算带来了很大困难。为此，对这三台起重机进行了 5 个月的作业统计，得到了起重机作业情况统计表，可以从这些数据了解起重机作业强度和频繁程度。从这些数据中看出，起重机总工作次数为 675 次（平均每天吊 8.4 次钩）。副臂工作 564 次，占总工作次数的 84%。
主臂工作次数为 111 次，占总工作次数的 16%。副臂工作多数在小载荷情况下（（0.2t-4.8t），主臂工作强度相对较大，接近额定起重量，甚至出现超载现象。
（三）应用载荷状态法评估臂架系统的工作寿命
首先确定起重机的工作级别.根据起重机设计规范，履带起重机主要应用于安装作业中，属安装用起重机，工作级别为 A1-A2.除非特殊要求，才在设计中根据客户要求重定工作级别，否则按照设计规范规定的工作级别进行设计.该三台履带起重机属于常规设计，因此确定其工作级别为 A2。一般履带起重机的载荷状态属于中等级别，即 Q2=0.25（有时起升额定载荷，一般起升中等载荷）.由载荷状态和工作级别可以确定起重机的利用等级。该三台起重机的利用等级为认，工作总的循环次数在 3.2 X1-6.3 X 104 之间，即结构的工作寿命。
结束语
科学在发展，人们对客观世界的认识在发展，起重机结构疲劳是人们在生产劳动中逐渐发现并研究掌握的力学现象。产业革命后，许多起重机的断裂事故令工程师们烦恼不己，破坏往往发生在零部件的应力集中处，名义应力并不高，低于材料的强度极限和屈服极限。因此，开展对这类结构，尤其是对己服役结构疲劳破坏规律研究，估算其疲劳剩余疲劳寿命，研究其疲劳可靠性，对于预防疲劳断裂事故的发生，因此，科学准确地评估预测大型设备的寿命，实施设备的科学管理，选择设备的最佳更新时间等，对于提高企业的装卸效率、保证企业的安全生产、降低成本、提高经济效益等，都有十分重要的意义。
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论文作者:顾建华
论文发表刊物:《防护工程》2018年第12期
论文发表时间:2018/9/30
标签：起重机论文; 疲劳论文; 寿命论文; 载荷论文; 结构论文; 作业论文; 工作论文; 《防护工程》2018年第12期论文;