基于疲勞強度分析的門座起重機安全評估技術(shù)

張勇 鄧賢遠 江愛華 咼中樑

（廣州特種機電設(shè)備檢測研究院）

基于疲勞強度分析的門座起重機安全評估技術(shù)

張勇 鄧賢遠 江愛華 咼中樑

（廣州特種機電設(shè)備檢測研究院）

疲勞強度是門座起重機安全評估中的一項重要評價指標，通過疲勞校核可以發(fā)現(xiàn)疲勞損傷。首先，對門座起重機進行分析，應(yīng)用ANSYS軟件對整機進行有限元建模；然后，根據(jù)整機應(yīng)力云圖布置應(yīng)力測點，得到應(yīng)力響應(yīng)信號，計算出疲勞許用應(yīng)力，分析臂架位置的疲勞校核不合格；最后，在同一位置檢測出一條疲勞裂紋，說明疲勞強度有助于發(fā)現(xiàn)門座起重機的疲勞損傷。

門座起重機；疲勞強度；疲勞損傷；安全評估；應(yīng)力

0 引言

門座起重機是港口裝卸作業(yè)的主要起重設(shè)備，是一種間歇動作機械，具有短暫、重復、周期性循環(huán)、起制動頻繁、沖擊載荷大等工作特點[5]，導致其金屬結(jié)構(gòu)件由于疲勞可能出現(xiàn)開裂故障，給安全生產(chǎn)埋下事故隱患。

1 疲勞校核

疲勞計算常用方法有應(yīng)力比法和應(yīng)力幅法[6]，其中應(yīng)力比法的應(yīng)用更為廣泛。應(yīng)力比為極值應(yīng)力之間的比值。用和表示極值應(yīng)力的代數(shù)值，拉應(yīng)力取正號，壓應(yīng)力取負號，令最小應(yīng)力與最大應(yīng)力之比為應(yīng)力循環(huán)特性[7]，則應(yīng)力循環(huán)特性值r表示為

門座起重機的構(gòu)件連接和接頭對疲勞強度有很大影響，疲勞許用應(yīng)力要綜合考慮應(yīng)力循環(huán)特性值、結(jié)構(gòu)連接形式、循環(huán)次數(shù)和材料等因素的影響。

拉伸的疲勞許用應(yīng)力為

壓縮的疲勞許用應(yīng)力為

選取油棕幼嫩的葉片經(jīng)液氨研磨后采用CTAB法提取基因組DNA。根據(jù)本課題組前期克隆得到的油棕DGAT2基因序列，在NCBI(https: //www.ncbi.nlm.nih.gov/)網(wǎng)站上比對油棕基因組序列后得到啟動子序列，采用Primer 6.0軟件設(shè)計引物并添加酶切位點與保護堿基(表1)，PCR擴增程序如下：94℃預(yù)變性2 min；94℃變性30 s，60℃退火30 s，72℃延伸2 min，共30個循環(huán)擴增；最后72℃延伸10 min。擴增產(chǎn)物經(jīng)回收后連接到pMD19-T載體，轉(zhuǎn)化大腸桿菌得到含promoter-DGAT2-pMD19-T質(zhì)粒的陽性菌送測序。

壓縮的疲勞許用應(yīng)力為

則認為未引起疲勞破壞。

對門座起重機進行疲勞校核時，起重機絕對值最大應(yīng)力是在最不利工況下得到的，并按式(7)～式(10)進行核算。

2 測試

對1臺MC型35000 kg港口門座起重機進行安全評估。該設(shè)備于2011年投入使用，幅度在12m～ 35m時，吊具下額定起重量為30000 kg；幅度在12m～30m時吊具下額定起重量為35000 kg；起升高度為25m，下降深度為15m，整機工作級別為A8，臂架采用桁架形式。

按照最不利工況條件運用ANSYS軟件對整機進行有限元建模分析，得到整機等效應(yīng)力云圖，如圖1所示。

圖1 整機等效應(yīng)力云圖

從圖1可以看出，臂架位置應(yīng)力較大，故本次測試將臂架作為重點對象分析其疲勞強度。

在臂架上拎點左、右側(cè)上弦桿，下拎點左、右側(cè)上弦桿4個位置布置應(yīng)變傳感器，分別為測點1、2、3、4。信號采集采用TMR-211數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

在2個工況下各測點應(yīng)力響應(yīng)數(shù)值如表1所示。

工況1：臂架位于南90°，最小幅度，吊具落地，空載，臂架開始變幅至最大處；臂架開始向西轉(zhuǎn)45°，向北轉(zhuǎn)135°，向東轉(zhuǎn)45°，臂架開始變幅至最小處；開始向北轉(zhuǎn)225°，結(jié)束。

工況2：除了起升30000 kg載荷，其他重復工況1的條件。

表1 試驗工況下各測點應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果 （單位：MPa）

表1中，只考慮部分測點主要受力方向，其余方向?qū)Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力響應(yīng)值較小，用“—”表示。

根據(jù)式(7)～式(10)，可得

臂架左側(cè)受壓區(qū)上弦桿測點應(yīng)力測試壓應(yīng)力最大值大于疲勞許用應(yīng)力值，設(shè)備結(jié)構(gòu)材料超出疲勞強度安全使用要求，不符合疲勞校核要求。

疲勞校核不符合要求，說明該位置易成為結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋起始區(qū)，這是疲勞裂紋產(chǎn)生的初始區(qū)域，該區(qū)一般位于結(jié)構(gòu)表面。疲勞裂紋往往是由局部應(yīng)力集中誘發(fā)的，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)下列幾種情況會增大疲勞裂紋出現(xiàn)可能：結(jié)構(gòu)表面組織缺陷；形狀突變，如拐角、缺口或直徑的劇烈變化；工藝缺陷。在上述情況下，當材料的近表面有嚴重的冶金缺陷時，根據(jù)裂紋形成及擴展的強度原則，疲勞裂紋也可能在結(jié)構(gòu)的近表面出現(xiàn)。

為此對測點2位置進行無損檢測，發(fā)現(xiàn)存在一條長度為28mm的裂紋，證實了該位置出現(xiàn)疲勞損傷。測點2無損檢測結(jié)果如圖2所示。

圖2 測點2無損檢測結(jié)果

疲勞裂紋產(chǎn)生后，構(gòu)件并不會立即斷裂，此后裂紋會繼續(xù)擴展，這一過程是緩慢的。隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)增加，裂紋不斷成長，當裂紋長度達到臨界尺寸時，由于裂紋頂端的應(yīng)力場強度因子達到材料的斷裂韌性，或裂紋頂端由于應(yīng)力集中達到材料的斷裂強度時，則裂紋會發(fā)生快速擴展導致構(gòu)件瞬時斷裂。

一般情況下，疲勞破壞之前構(gòu)件并未發(fā)生大的塑性變形，所以疲勞裂紋不易被發(fā)現(xiàn)，具有極大的危害。

3 結(jié)語

通過采集1臺服役僅6年的門座起重機臂架的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)信號，并對其進行疲勞校核，發(fā)現(xiàn)實際應(yīng)力大于疲勞許用應(yīng)力值，設(shè)備結(jié)構(gòu)材料超出疲勞強度安全使用要求，不符合疲勞校核要求。遂進一步進行無損檢測，證實了疲勞校核不合格的部位已產(chǎn)生疲勞裂紋的狀況。通過門座起重機的應(yīng)力響應(yīng)信號，進行疲勞強度分析，有助于疲勞損傷的發(fā)現(xiàn)及預(yù)防。

[1]Bucas S,Rumelhart P,Gayton N,et al.Stress-strength interferencemethod applied for the fatigue design of tower cranes[J].Procedia Engineering,2013,66:500-507.

[2]單葆郁.四種起重機規(guī)范結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計的對比研究[D].上海:上海海事大學,2003.

[3]果新華,安立軍,石曉龍.磁粉探傷技術(shù)在門座起重機疲勞裂紋檢測的應(yīng)用[J].中國船檢,2013(12):101-103.

[4]陳小龍.門座起重機金屬結(jié)構(gòu)疲勞強度研究[D].武漢:武漢理工大學,2008.

[5]鄧賢遠,黃國健,江愛華,等.門座起重機振動模態(tài)分析研究[J].自動化與信息工程,2016,37(4):40-43.

[6]Rettenmeier P,Roos E,Weihe S.Fatigue analysis of multiaxially loaded crane runway structures including welding residual stress effects[J].International Journal of Fatigue, 2016,82:179-187.

[7]江凡,丁露露.基于疲勞強度校核的起重機結(jié)構(gòu)安全檢測[J].湖北工業(yè)大學學報,2015,30(4):76-78.

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

PortalCrane Safety Assessment Technology Based on the Fatigue Strength Analysis

Zhang Yong Deng Xianyuan Jiang Aihua Guo Zhongliang
(R&D Center,Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection&Testing)

Fatigue strength is an important evaluation index in the safety evaluation of portal crane.Fatigue damage can be found by fatigue check.To assess a portal crane,ANSYS software is used to model the wholemachine.According to the whole stress,stressmeasurementsignal isobtained by the stressmap,the fatigue allowable stress is calculated,the fatigue check of the arm stand position is calculated.Finally,a fatigue crack is detected at the same position,which indicates that the fatigue strength helps to find the portal craneof fatigue damage.

PortalCrane;Fatigue Strength;Fatigue Damage;Safety Assessment;Stress

張勇，男，1983年生，工程師，主要研究方向：特種設(shè)備檢驗檢測等。E-mail:cueert@163.com