履帶式起重機使用期內(nèi)主要部件的安全評價及壽命評估技術(shù)

摘 要：履帶式起重機在使用期間的安全性評價技術(shù)，主要是研究服役期內(nèi)設(shè)備主要部件的安全性和壽命分析技術(shù)。包括主要部件的現(xiàn)狀檢測、安全隱患排查、臂架主要焊縫的無損探傷檢測、臂架結(jié)構(gòu)的強度試驗分析和壽命評估、卷揚機使用壽命的分析等內(nèi)容，具有很強的工程實際意義和應(yīng)用價值。提出了這項技術(shù)的實際操作方法，并給出了工程應(yīng)用實例。

關(guān)鍵詞：履帶起重機；安全評價；疲勞壽命

中圖分類號：TH213.7 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）06-0048-03

Abstract： The safety evaluation technology of crawler crane during use is mainly to study the safety and life analysis technology of the main components of the equipment during the service period， including the status of the main components detection， safety hidden trouble detection， the main welding seam of the arm non-destructive inspection， strength test analysis and life evaluation of the arm structure， the analysis of the service life of the hoist， and so on. It has very strong engineering practical significance and application value. The practical operation method of this technique is put forward， and an example of engineering application is given.

Keywords： crawler crane； safety evaluation； fatigue life

1 概述

履帶式起重機在工程機械中的配置率和市場占有率很高，由于使用工作環(huán)境變化較大，臂架組合形式較多，受力部件工作應(yīng)力范圍和變形狀態(tài)多樣，設(shè)備在使用期間的安全性可靠性受到高度關(guān)注，特別是隨著使用年限超過10年后，或完成工程項目量10個以上時，不可避免地會提出結(jié)構(gòu)件的安全評價和機構(gòu)件的可靠性評價問題。討論履帶式起重機在使用期間的安全性評價技術(shù)，主要是研究服役期內(nèi)設(shè)備主要部件的安全性和壽命分析技術(shù)。

我國工程機械產(chǎn)品大規(guī)模發(fā)展的歷史不長，履帶式起重機推向市場后的后續(xù)技術(shù)跟進工作還處在起步階段，用戶關(guān)心并提出的技術(shù)項目對于國內(nèi)工程機械研制單位都是需要逐步介入的課題。這方面與世界工程機械巨頭有著較大差距。而且安全性評價技術(shù)維系著商家與用戶的密切關(guān)系，具有對外封閉的技術(shù)特征。德國利勃海爾大型履帶式起重機的使用說明書中透露出他們在這方面的技術(shù)特點和高度。太原重工在20多年前與德國企業(yè)合作制造了CC1000履帶式起重機，使我們有機會比國內(nèi)廠家早一步獲取關(guān)鍵試驗驗證數(shù)據(jù)。

2 履帶式起重機質(zhì)量檢測和結(jié)構(gòu)安全評估的作用和意義

履帶式起重機質(zhì)量檢測是對設(shè)備現(xiàn)狀的一種描述，也是設(shè)備維護、檢修效果的綜合檢驗，通常，檢測結(jié)果將提示設(shè)備當(dāng)前的一些損傷以及需要整改的事項。

主要部件結(jié)構(gòu)安全評估是對結(jié)構(gòu)承載能力的分析評價，是對結(jié)構(gòu)件長期使用后出現(xiàn)強度損傷累計后的風(fēng)險評價以及使用壽命的估算，分析結(jié)果將提示用戶了解設(shè)備的安全使用年限以及在復(fù)雜載荷環(huán)境下的抗風(fēng)險能力。

當(dāng)檢測事項中出現(xiàn)一些超標(biāo)缺陷時，應(yīng)當(dāng)提出整改建議和方法，當(dāng)結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)強度與變形方面的安全隱患時，應(yīng)當(dāng)提出修復(fù)改造建議和方案。

3 設(shè)備現(xiàn)狀檢測

3.1 設(shè)備現(xiàn)狀檢查

3.2 臂架現(xiàn)狀檢查

3.3 易磨損部位檢測

3.4 臂架無損探傷

對主臂架和副臂架的每一節(jié)臂，各弦管兩端的對接焊縫是重點關(guān)注部位，超聲波探傷檢測應(yīng)符合JB/T10559-2006規(guī)定的1級標(biāo)準。

4 臂架強度試驗

服役期內(nèi)的履帶式起重機臂架強度試驗區(qū)別于型式試驗和出廠試驗，主要目的是分析臂架工作多年后可能出現(xiàn)的強度缺陷，這一點非常重要。

5 卷揚機使用壽命估算及實例

5.1 卷揚機使用壽命估算的要點

（1）起重機使用十年后，無論如何卷揚機必須修理或大修后才能繼續(xù)使用。（2）卷揚修理或大修后，制造商或授權(quán)的機構(gòu)將確定一個新的理論工作壽命D。（3）確認每年或每個工程的載荷等級（輕載Q1、中載Q2、重載Q3、特重載Q4）及載荷譜系數(shù)（0.125、0.25、0.5、1）。（4）確定卷揚操作時間，可根據(jù)起重機上車操作時間總數(shù)的比例推算，各載荷等級下卷揚機工作時間占上車計數(shù)時間的比例分別約為20%、30%、40%、80%。（5）剩余使用壽命等于理論工作壽命D減去計算工作時間。

5.2 工程實例

（1）已知條件。某臺200t履帶式起重機卷揚機理論壽命3200小時，上車小時讀數(shù)25000小時。歷年來安裝載荷級別約為中等級別Q2，載荷譜系數(shù)K=0.25。

（2）卷揚機使用壽命估算。歷年來的使用狀態(tài)是主卷揚與副卷揚使用時間約6：4，或主臂工作時間與副臂工作時間約6：4，則：

主卷揚機工作時間為25000×60%×30%=4500小時

副卷揚機工作時間為25000×40%×30%=3000小時endprint

這種情況下，主卷揚機工作時間已經(jīng)超過理論壽命，需要大修檢查，作出專業(yè)評估。

6 臂架循環(huán)工作應(yīng)力譜統(tǒng)計及疲勞壽命估算及實例

6.1 技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

在工程實踐中，履帶式桁架臂起重機的安全風(fēng)險大多數(shù)來自運行過程中臂架結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)或局部失穩(wěn)，通常的原因是變幅失控、力矩超限、基礎(chǔ)傾斜、載荷偏斜、超風(fēng)速吊裝等原因。只要安全裝置齊全有效，焊接接頭按期檢測，受力部件按期檢修更換，那么由于臂架疲勞損傷造成的破壞實例很少。因此，制造商和用戶都特別關(guān)注受力部件的檢驗、檢修、更換、維護以及施工規(guī)章制度的嚴格執(zhí)行。而對于臂架疲勞壽命的分析極少專門提及。這一點與冶金行業(yè)橋式起重機安全評估明顯不同，后者的破壞往往是由結(jié)構(gòu)疲勞損傷造成的。

履帶式起重機桁架臂的疲勞壽命估算文獻大多來自高等院校的學(xué)位論文或?qū)嶒炇铱蒲刑接?，這種計算壽命往往很長，不容易在實際產(chǎn)品使用中驗證。本文認為，對于長期在重載、超重載環(huán)境工作且使用年限較長的履帶式桁架臂起重機，進行臂架疲勞壽命估算有一定的針對性和參考意義。在具體工程實例中，對理論估算時的參數(shù)選取，作者提出了建議。

6.2 疲勞壽命估算方法

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50017-2003，構(gòu)件疲勞壽命與應(yīng)力幅的關(guān)系為：n=C/（△σ）β，當(dāng)應(yīng)力幅為多個變幅——頻次組合時，文獻[2]給出了一個變形的表達式，并考慮了損傷率D。

其中C、β為結(jié)構(gòu)S-N曲線常數(shù)，r為應(yīng)力譜中應(yīng)力幅的級數(shù)，fi為各應(yīng)力幅出現(xiàn)的頻率，△σi為各級應(yīng)力幅，D為結(jié)構(gòu)破壞時的損傷和，N為譜時間t中的總幅值數(shù)，譜時間t是指一個應(yīng)力譜所代表的實際工作循環(huán)數(shù)（工作時間），n為結(jié)構(gòu)破壞時應(yīng)力譜的重復(fù)次數(shù)。

6.3 工程實例

（1）臂架循環(huán)工作應(yīng)力譜統(tǒng)計。對某臺200t履帶式起重機實際施工過程，跟蹤實測額定載荷工況，以主臂第二節(jié)下弦管應(yīng)力變化作為臂架疲勞壽命評估選用的應(yīng)力幅與頻次數(shù)據(jù)。分別記錄兩個工作日的主臂工作過程和兩個工作日的副臂工作過程。主臂工況14個工作循環(huán)應(yīng)力譜疊加副臂工況16個工作循環(huán)應(yīng)力譜后，合成的應(yīng)力幅與頻次數(shù)據(jù)見表5。

（2）臂架疲勞壽命估算。選擇合適的結(jié)構(gòu)S-N曲線常數(shù)有一定困難，原因是國內(nèi)桁架臂桿疲勞試驗數(shù)據(jù)缺乏，有些文獻選取材料的試驗常數(shù)，有些文獻選取鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭的試驗常數(shù)，兩種選擇都會帶來一定程度的近似。如依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，取構(gòu)件第8種連接類別的材料數(shù)據(jù)，β=3，C=0.41×1012?？偸堑玫揭粋€近似于無限壽命設(shè)計的疲勞壽命估算值。這與工程實踐中的經(jīng)驗以及制造商初步給出的預(yù)期使用年限存在較大差異。根據(jù)作者的工作實踐，建議對臂架接頭疲勞數(shù)據(jù)稍作修正，取β=3.5，C=0.41×1012。損傷和D參考文獻[2]，取0.8。

將表5各數(shù)據(jù)帶入公式，可得：

因為一個譜時間表示4個工作日的額定負荷工作循環(huán)，所以

n=1874×4=7496（個工作日）

這一結(jié)果表示該設(shè)備投入使用以來，若實際生產(chǎn)工況一直近似于試驗工況，則臂架的疲勞壽命應(yīng)達到7496個額定負荷作業(yè)工作日。

由歷年實際工作量統(tǒng)計，該設(shè)備完成了13個工程量，按每個工程240個作業(yè)工作日計算，該設(shè)備已經(jīng)工作了3120個工作日，由此可以推算臂架剩余使用壽命4376個工作日，臂架可以再承擔(dān)的工程量約18個。

7 結(jié)束語

（1）履帶式起重機使用期內(nèi)主要部件的安全評價及壽命評估技術(shù)包括主要部件的現(xiàn)狀檢測、安全隱患排查、臂架主要焊縫的無損探傷檢測、臂架結(jié)構(gòu)的強度試驗分析和壽命評估、卷揚機使用壽命的分析等內(nèi)容，具有很強的工程實際意義和應(yīng)用價值。

（2）履帶式起重機使用期內(nèi)的載荷變化較大，工作環(huán)境復(fù)雜，安全要求很高。特別是使用一定年限后，都經(jīng)歷過若干大修、整改、損傷修復(fù)。因此，定期的安全評估工作非常重要。

參考文獻：

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