基于疲勞強度校核的起重機結(jié)構(gòu)安全檢測

江 凡, 丁露露

(1 武漢市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所, 湖北 武漢 430040； 2 南京港江北集裝箱碼頭有限公司，江蘇 南京 210000)

基于疲勞強度校核的起重機結(jié)構(gòu)安全檢測

江 凡1, 丁露露2

(1 武漢市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所, 湖北 武漢 430040； 2 南京港江北集裝箱碼頭有限公司，江蘇 南京 210000)

通過對起重機工作過程中的應(yīng)力一時間歷程進行研究，分析其應(yīng)力循環(huán)特性，來計算結(jié)構(gòu)的疲勞強度，判斷結(jié)構(gòu)的安全狀況。研究表明，這種基于疲勞強度校核的起重機結(jié)構(gòu)安全檢測方法簡單有效，可以直觀地反應(yīng)結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，保證了其能安全有效的運行。

疲勞強度； 應(yīng)力循環(huán)特性； 結(jié)構(gòu)安全檢測

目前國內(nèi)起重機結(jié)構(gòu)的安全檢測，是通過定期檢測其重要部位，根據(jù)檢測結(jié)果憑經(jīng)驗判斷其工作狀態(tài)。起重設(shè)備在工作中工況復(fù)雜，結(jié)構(gòu)的疲勞破壞具有突發(fā)性和危險性，這種檢測方式對主梁結(jié)構(gòu)、中間連接件等安全狀態(tài)不能直觀定量地描述。

本文通過對起重機結(jié)構(gòu)在實際工況下的應(yīng)力-時間歷程進行研究，計算結(jié)構(gòu)的疲勞強度，并進行疲勞強度校核，判斷結(jié)構(gòu)的安全狀況。研究表明，這種基于疲勞強度校核對起重機結(jié)構(gòu)進行安全檢測的方法具有一定的實踐應(yīng)用意義。

1 疲勞強度校核的安全檢測理論

1.1 疲勞強度校核理論概述

影響結(jié)構(gòu)疲勞強度的因素有鋼材的種類、接頭應(yīng)力集中形式、結(jié)構(gòu)工作級別(應(yīng)力譜和應(yīng)力循環(huán)次數(shù))、結(jié)構(gòu)件的最大應(yīng)力和應(yīng)力循環(huán)特性(r=σmin/σmax)等。結(jié)構(gòu)在工作過程中，所受的應(yīng)力愈大，發(fā)生疲勞破壞所需應(yīng)力循環(huán)次數(shù)愈少，該應(yīng)力循環(huán)次數(shù)即為有限壽命。在結(jié)構(gòu)有限壽命范圍內(nèi)，根據(jù)GB3811-2008《起重機設(shè)計規(guī)范》要求，整機A5級或E4級(含)以上的結(jié)構(gòu)件或連接接頭應(yīng)校核疲勞強度[1]。

1.2 基于疲勞強度校核的安全檢測分析流程

結(jié)構(gòu)基于疲勞強度校核安全檢測分析流程見圖1。由圖1，首先分析結(jié)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)形式及其載荷狀況，確定能反應(yīng)結(jié)構(gòu)安全狀況的檢測節(jié)點；然后測量這些節(jié)點的應(yīng)力值，做出其應(yīng)力—時間歷程曲線，確定應(yīng)力循環(huán)特性，計算和校核結(jié)構(gòu)疲勞強度，確定結(jié)構(gòu)安全狀況。

圖 1 基于疲勞強度校核安全檢測分析流程

2 基于疲勞強度校核的安全檢測

起重機在其整個壽命期間，必須對其結(jié)構(gòu)進行安全檢測。下面以某廠的一臺300t通用門式起重機主梁為例，研究基于疲勞強度校核的起重機主梁安全檢測分析過程，并制定合理的檢測計劃。

2.1 確定起重機主梁安全檢測點

通過對實際工作載荷下的主梁結(jié)構(gòu)進行計算，結(jié)合起重機作業(yè)和檢測的歷史記錄，以及同類型起重機結(jié)構(gòu)的破壞情況，來確定主梁的危險區(qū)域，選取起重機主梁結(jié)構(gòu)安全檢測點，具體分析方法包括：

1)利用有限元方法分析起重機主梁上高應(yīng)力區(qū)域以及應(yīng)力集中區(qū)域；

2)對于使用多年的起重機，若其結(jié)構(gòu)有過改造和維修，需要選取維修區(qū)域以及在施工過程中易損傷區(qū)域作為檢測點；

3)根據(jù)同類型起重機結(jié)構(gòu)的工作破壞情況進行類比，選取一些易發(fā)生損傷的區(qū)域的適當(dāng)點作為檢測點。

該廠設(shè)備為一臺雙梁不帶懸臂的通用門式起重機，根據(jù)分析結(jié)果及起重機的運行工況，選用主梁跨中和支腿支承處截面(圖2的1-5點)作為檢測點。

圖 2 主梁危險截面疲勞強度檢測點

2.2 確定應(yīng)力循環(huán)特性

在起重機正常工作情況下，選取圖2各檢測節(jié)點進行檢測，得出各檢測節(jié)點的應(yīng)力一時間歷程關(guān)系(圖3)，計算各測點應(yīng)力循環(huán)特性值。

當(dāng)結(jié)構(gòu)件正應(yīng)力σx、σy和剪應(yīng)力τxy作用時，應(yīng)力循環(huán)特性值rx、ry、rxy分別按式(1)計算

(1)

式中:rx、ry、rxy：應(yīng)力循環(huán)特性值；σxmax、σymax、τxymax：構(gòu)件(或連接)在疲勞檢測點上的絕對值最大正應(yīng)力和絕對值最大剪應(yīng)力，單位為N/mm2，σxmin、σymin、τxymin是應(yīng)力循環(huán)中與σxmax、σymax、τxymax相對應(yīng)的同一疲勞計算點上的一組應(yīng)力值(各帶正負號)，其差值的絕對值為最大。

圖 3 結(jié)構(gòu)測點4處的應(yīng)力與時間歷程

2.3 確定疲勞許用應(yīng)力

構(gòu)件的疲勞許用應(yīng)力按表1計算[2-3]，式中選取的安全系數(shù)為：n=1.34，考慮構(gòu)件工作級別及構(gòu)件連接件的應(yīng)力集中情況、構(gòu)件材質(zhì)等因素后，得到疲勞許用應(yīng)力值(表2)；連接件的疲勞許用應(yīng)力按表3的公式計算。

表1 構(gòu)件的疲勞許用應(yīng)力

表2 拉伸和壓縮疲勞許用應(yīng)力的基本值[rt]值[2-3]N·mm-2

構(gòu)件工作級別非焊接件構(gòu)件連接的應(yīng)力集中情況等級W0W1W2Q235Q345Q235Q345Q235Q345焊接件構(gòu)件連接的應(yīng)力集中情況等級K0K1K2K3K4Q235或Q345E1249.1298.0211.7253.3174.4208.6(361.9)(323.1)271.4193.9116E2224.4261.7190.7222.4157.1183.2(293.8)262.3220.3157.494.4E3202.2229.8171.8195.3141.5160.8238.4212.9178.8127.776.6E4182.1201.8154.8171.5127.5141.2193.5172.3145.1103.762.2E5164.1177.2139.5150.6114.2124.0157.1140.3117.884.250.5E6147.8155.6125.7132.3103.5108.9127.6113.695.668.341.0E7133.2136.6113.2116.293.295.7103.59277.655.433.3E8120.0120.0102.0102.084.084.084.075.063.045.027.0

括號內(nèi)的數(shù)值為大于Q235的0.75σb(抗拉強度)的理論計算值，僅用于求取公式(5)所用到的[σxr]、[σyr]和[τxyr]的值

表3 連接件的疲勞許用應(yīng)力[2-3]

2.4 結(jié)構(gòu)疲勞強度校核

(2)

(3)

(4)

(5)

3 結(jié)論

通過對某在用通用門式起重機主梁結(jié)構(gòu)的安全檢測過程進行分析，分析起重機定期(年檢)的安全檢測方式，研究表明基于疲勞強度校核的安全檢測對于主梁及連接件安全評價進行量化判斷，使結(jié)果更具有可靠性和說服力，能更好地確保起重機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的安全性。

[1]GB3811-2008.起重機設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008:53-56.

[2] 徐格寧.機械裝備金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社,2009:74-84.

[3] 徐格寧.起重運輸機金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997:25-28.

[責(zé)任編校： 張巖芳]

Safety Inspection of Crane Structure Based on Fatigue Strength Checking

JIANG Fan1, DING Lulu2

(1WuhanSpecialEquipmentSupervisionandInspectionInstitution,HubeiWuhan430040,China；2NanjingJiangbeiPortContainerTerminalCo.Ltd.,Nanjing210000,China)

This paper calculates the fatigue strength of the structure through analysing crane stress—history course and confirm stress cycle feature，judges the security of the crane .This crane structure health monitoring method, based on fatigue strength checking can simply, effectively and visually reflect the safety of structure and also insure the safety of crane operation．

fatigue strength；stress cycle feature；structure health monitoring

2015-04-20

江 凡(1985-)，男，湖北武穴人，武漢市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所工程師，研究方向為特種設(shè)備開發(fā)及實驗

1003-4684(2015)04-0076-03

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