鐵路門式起重機剩余壽命預(yù)測問題的探討

（北京鐵路局 貨運處，北京 100860）

鐵路門式起重機價值較高，購置時投資較大，由于經(jīng)營資金問題，目前許多超期服役的門式起重機仍然繼續(xù)使用。為了確保門式起重機的作業(yè)安全，需要委托專業(yè)檢測部門對超期服役的門式起重機進行狀態(tài)檢測。通過狀態(tài)檢測，預(yù)防門式起重機金屬結(jié)構(gòu)存在的安全隱患，及時采取整修措施，控制安全風(fēng)險。然而，門式起重機運行條件復(fù)雜、環(huán)境惡劣，在長期運行過程中會逐漸老化，剩余壽命會逐漸下降，容易導(dǎo)致惡性事故發(fā)生，而且盲目地對門式起重機維修、報廢則會帶來巨大的浪費。因此，正確預(yù)測門式起重機的剩余壽命，對于保證設(shè)備的運行安全、提高經(jīng)濟效益具有重要意義。

1 港口和鐵路裝卸設(shè)備疲勞壽命研究現(xiàn)狀

1.1 港口裝卸設(shè)備疲勞壽命研究現(xiàn)狀

20世紀 70年代初，我國開始進行機械結(jié)構(gòu)疲勞問題研究，并在 1978年召開了首次全國性的機械結(jié)構(gòu)疲勞問題討論會。港口機械開展結(jié)構(gòu)疲勞壽命研究始于20世紀 90年代。隨著港口的快速發(fā)展，大量港口裝卸設(shè)備投入使用。港口繁忙的工作狀態(tài)、惡劣的工作環(huán)境、循環(huán)往復(fù)裝卸船的工作性質(zhì)造成港口裝卸機械結(jié)構(gòu)疲勞問題日益嚴重，因而加強港機結(jié)構(gòu)疲勞壽命研究應(yīng)用十分關(guān)鍵。因此，基于缺陷探傷的結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析系統(tǒng)[1]的開發(fā)主要包括：①聲發(fā)射檢測設(shè)備。用于動態(tài)監(jiān)測、檢測材料的開裂和裂紋擴展，以及缺陷的定位。②超聲波探傷設(shè)備。用于結(jié)構(gòu)內(nèi)部多種缺陷 (焊縫、裂紋、夾雜、氣孔等) 的檢測、定位、評估和診斷。③應(yīng)力應(yīng)變測量設(shè)備。用于金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變的動態(tài)監(jiān)測和測量。④疲勞壽命分析與評估軟件。該系統(tǒng)以斷裂力學(xué)理論為基礎(chǔ)，通過檢測當(dāng)前結(jié)構(gòu)初始裂紋，計算結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴展速率，可以準確地分析結(jié)構(gòu)的疲勞剩余壽命。孫遠韜等[2]利用有限元法計算不同裂紋長度下的SIF 幅值，通過函數(shù)擬合的方法確定 SIF 幅值和裂紋長度計算公式，計算裂紋擴展壽命。舒斌及仉傳興等[3-4]通過對服役年限長的門座起重機、橋式起重機的主要承載結(jié)構(gòu)件進行動態(tài)、靜態(tài)強度測試，使用抗疲勞設(shè)計方法，從材料S-N 曲線出發(fā)，考慮各種影響系數(shù)，得到構(gòu)件 p-S-N曲線，根據(jù)實測應(yīng)力譜，按照線性累積損傷理論、Miner 理論及其派生的安全使用期限估算式進行估算，結(jié)合起重機結(jié)構(gòu)狀態(tài)，綜合估算安全使用壽命。另外，上海國際港務(wù)集團與高校合作開發(fā)了裝卸結(jié)構(gòu)實時監(jiān)控系統(tǒng)，對岸橋壽命進行管理，成功應(yīng)用于上海洋山港。

1.2 鐵路門式起重機疲勞壽命研究現(xiàn)狀

20世紀 80年代末期，由于較多的裝卸機械處于服役后期，鐵路裝卸機械結(jié)構(gòu)疲勞問題日益嚴重。為此，鐵路相關(guān)高校、科研院所開展了鐵路裝卸機械結(jié)構(gòu)疲勞壽命研究、試驗與檢測，根據(jù)門式起重機壽命和報廢標準的研究，配備了相關(guān)檢測工具，并對全路門式起重機的預(yù)期壽命進行了較大規(guī)模的檢測。張質(zhì)文等[5]通過對門式起重機的壽命、報廢標準的研究，建立了裝卸機械最佳壽命優(yōu)化模型，以投入產(chǎn)出效益最大為目標函數(shù)，以金屬結(jié)構(gòu)損傷、斷裂和腐蝕作為約束條件，為合理制訂機械報廢年限提供了理論基礎(chǔ)。

目前，鐵路門式起重機金屬結(jié)構(gòu)的疲勞壽命預(yù)測及安全壽命評估技術(shù)的研究尚未廣泛深入地開展，而結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測的基礎(chǔ)是結(jié)構(gòu)檢測、監(jiān)測，由于全路裝卸機械剩余壽命檢測的技術(shù)和能力不足，尚未形成適合鐵路裝卸機械特點的系統(tǒng)的安全性檢測、疲勞壽命分析與評估方法。

2 門式起重機疲勞壽命預(yù)測方法

門式起重機具有較大的結(jié)構(gòu)自重，其結(jié)構(gòu)壽命決定整機的使用期限。門式起重機壽命可以分為設(shè)計壽命、經(jīng)濟壽命、技術(shù)壽命、折舊壽命、自然壽命和可靠壽命等，其中自然壽命是指門式起重機實際可用壽命，也是在役起重機確保安全和壽命的主要理論依據(jù)。壽命預(yù)測可以分為早期預(yù)測、中期預(yù)測和晚期預(yù)測：早期預(yù)測是確定設(shè)備的設(shè)計壽命，主要采用理論和試驗的方法進行；中期預(yù)測是對處于設(shè)計壽命之內(nèi)的設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)測實現(xiàn)壽命預(yù)測，避免出現(xiàn)意外事故；晚期預(yù)測是對累計運行時間已經(jīng)超過設(shè)計壽命的設(shè)備進行剩余壽命預(yù)測，以得到對設(shè)備的充分運用，避免浪費。門式起重機壽命預(yù)測方法主要有名義應(yīng)力法、局部應(yīng)力應(yīng)變法、損傷容限法、疲勞可靠性法等。

（1）名義應(yīng)力法。該方法是最早提出的用于壽命預(yù)測的方法，目前仍然最為常用。名義應(yīng)力法是以名義應(yīng)力為基本參數(shù)，以 S-N 曲線為主要計算依據(jù)。根據(jù)設(shè)計壽命的不同，分為無限壽命設(shè)計法和有限壽命設(shè)計法；根據(jù)名義應(yīng)力參數(shù)的不同，又分為應(yīng)力比法和應(yīng)力幅法。

（2）局部應(yīng)力應(yīng)變法。該方法是在低周疲勞基礎(chǔ)上發(fā)展起來的疲勞壽命估算方法，其基本設(shè)計參數(shù)為應(yīng)力集中處的局部應(yīng)變和局部應(yīng)力。局部應(yīng)力應(yīng)變法目前主要應(yīng)用于單個零件的疲勞分析，對于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，尚難以進行精確的應(yīng)力應(yīng)變分析。

（3）損傷容限法。該方法是以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)，其基本原則是承認材料內(nèi)有初始缺陷 (裂紋)，根據(jù)材料在外載荷下的裂紋擴展性質(zhì)，估算其剩余壽命的方法。

（4）疲勞可靠性法。在考慮了載荷、材料疲勞性能和其他影響疲勞壽命數(shù)據(jù)分散性的基礎(chǔ)上，提出疲勞破壞的概率，保證在一定范圍內(nèi)不破壞。

由于應(yīng)用名義應(yīng)力法計算疲勞壽命理論簡單，易于進行應(yīng)力分析與現(xiàn)場檢測，目前的鐵路門式起重機的剩余壽命預(yù)測主要采用名義應(yīng)力法。

3 鐵路門式起重機疲勞壽命預(yù)測存在的主要問題

（1）門式起重機結(jié)構(gòu)剩余壽命預(yù)測未考慮裂紋擴展。鐵路門式起重機的剩余壽命預(yù)測主要采用名義應(yīng)力法，該方法是以金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)沒有缺陷和裂紋為前提，而且要在總壽命中排除設(shè)備過去工作的應(yīng)力循環(huán)數(shù)。在門式起重機實際工作中，金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部往往經(jīng)常存在著宏觀或微觀裂紋，因而其疲勞壽命計算壽命與實際差異較大。例如，在曾經(jīng)發(fā)生的門式起重機主梁折斷事故中，由于主梁長期疲勞損傷產(chǎn)生裂紋，在超載條件下，引起斷裂。

（2）統(tǒng)計數(shù)據(jù)不準確影響疲勞壽命計算準確性。在計算疲勞壽命時，需要統(tǒng)計作業(yè)循環(huán)數(shù)和作業(yè)量。在統(tǒng)計作業(yè)循環(huán)數(shù)時需要有起重機的運轉(zhuǎn)小時數(shù)，運轉(zhuǎn)小時數(shù)和作業(yè)量數(shù)據(jù)從履歷簿中獲取。但是，由于人為因素影響，履歷簿中的運轉(zhuǎn)小時數(shù)和門式起重機的作業(yè)量的統(tǒng)計準確性欠佳，在實際運用中還存在很多的意外因素，如超載撞擊，起重時鋼絲繩擺脫擠壓、拖拉等造成偶發(fā)性應(yīng)力突增，檢修工藝不良形成應(yīng)力的不正常集中等，而且目前這些數(shù)據(jù)在預(yù)測疲勞壽命時無法獲取。另外，在設(shè)備運用時間和作業(yè)量的統(tǒng)計上還存在人為因素，因而利用該數(shù)據(jù)計算門式起重機的疲勞壽命準確性不高。

（3）門式起重機金屬結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)不能在線獲取。目前，主要采用雨流計數(shù)法統(tǒng)計出結(jié)構(gòu)疲勞分析位置在典型工作時間歷程中的應(yīng)力循環(huán)情況來確定結(jié)構(gòu)的載荷譜和應(yīng)力譜，其中數(shù)據(jù)獲取有2種方法：一是選擇典型工作狀態(tài)計算分析；二是現(xiàn)場檢測結(jié)構(gòu)應(yīng)變。這種方法載荷譜和應(yīng)力譜不全，并且不能及時掌握金屬結(jié)構(gòu)受力狀況及其應(yīng)力應(yīng)變變化趨勢，屬于疲勞壽命定期預(yù)測方法。

4 提高鐵路門式起重機疲勞壽命預(yù)測質(zhì)量的建議

4.1 加強對超期服役的門式起重機狀態(tài)檢測

對于超期服役的門式起重機，除了例常檢測外，更應(yīng)當(dāng)關(guān)注結(jié)構(gòu)裂紋的擴展和變形的增大，尤其是裂紋與變形擴展的速率，因此必須加強狀態(tài)檢測，跟蹤記錄，并且及時報修，避免惡性事故發(fā)生。當(dāng)用于剩余壽命預(yù)測的數(shù)據(jù)量不完整時，剩余壽命的結(jié)論用于管理監(jiān)測，只能作為參考，不宜作為報廢門式起重機的依據(jù)。而且，在門式起重機超期服役期內(nèi)，應(yīng)采用安全巡檢的方式，對設(shè)備疲勞危險點進行監(jiān)控，以保證結(jié)構(gòu)安全使用。

4.2 計算疲勞壽命綜合影響因素

按照現(xiàn)代斷裂力學(xué)理論，有裂紋的物體不一定不能用，使用時不一定不安全，這主要取決于裂紋是否擴展。金屬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋，只要檢查檢測及時發(fā)現(xiàn)處理就可以避免事故發(fā)生。通過對金屬結(jié)構(gòu)加強檢查，強化起重量限制器的使用，減少產(chǎn)生應(yīng)力沖擊的各種因素，可以延長超期服役的起重機的使用時間。

4.3 門式起重機金屬結(jié)構(gòu)在線健康監(jiān)測系統(tǒng)

應(yīng)用健康監(jiān)測系統(tǒng)，有利于加強對門式起重機的在線監(jiān)測，實時掌握門式起重機金屬機構(gòu)受力狀況及其應(yīng)力應(yīng)變變化趨勢，便于早期發(fā)現(xiàn)或預(yù)見結(jié)構(gòu)上存在的安全隱患，提前采取補救措施，減少技術(shù)人員上機巡檢和維修次數(shù)，增強運用管理的科學(xué)性，因此應(yīng)盡快研究門式起重機金屬結(jié)構(gòu)在線健康監(jiān)測系統(tǒng)。

4.4 門式起重機報廢條件

門式起重機技術(shù)經(jīng)濟壽命完結(jié)時可以報廢，如當(dāng)門式起重機的主要結(jié)構(gòu)損壞嚴重?zé)o法修復(fù)，或者修復(fù)費用過大不經(jīng)濟時；當(dāng)技術(shù)性能低，設(shè)計制造質(zhì)量差，不能進行改造利用時；通過技術(shù)經(jīng)濟論證后，已無經(jīng)濟壽命時。因此，為確保門式起重機作業(yè)安全，應(yīng)研究制定門式起重機報廢條件。

5 結(jié)束語

門式起重機疲勞壽命預(yù)測，需要通過現(xiàn)場檢測、結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測等技術(shù)手段，以金屬結(jié)構(gòu)損傷、疲勞裂紋擴展和腐蝕作為預(yù)測條件，考慮綜合影響因素，合理確定門式起重機結(jié)構(gòu)疲勞壽命，保證門式起重機作業(yè)安全，更好地為運輸生產(chǎn)服務(wù)。同時，加強門式起重機的技術(shù)經(jīng)濟壽命研究，對技術(shù)經(jīng)濟壽命完結(jié)的起重機提出報廢條件，以利于設(shè)備管理。

[1] 劉晉川，張玉波，丁 敏.港口機械結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測技術(shù)研究與應(yīng)用[J].起重運輸機械，2008(3)：1-4.

[2] 孫遠韜，王少梅.基于SIF幅值擬合的機械結(jié)構(gòu)裂紋擴展壽命分析方法研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版，2008，32(5)：910-912，928.

[3] 舒 斌，徐承軍.門座起重機金屬結(jié)構(gòu)的測試及壽命估算[J].湖北工學(xué)院學(xué)報，2002，17(2)：123-125.

[4] 仉傳興，肖漢斌.橋式起重機金屬結(jié)構(gòu)剩余安全使用期限估算[J].港口技術(shù)，2008，182(4)：18-20.

[5] 張質(zhì)文，程文明，張仲鵬.鐵路裝卸機械使用壽命的優(yōu)化[J].鐵道貨運，1994，12(1)：45-47.