港口起重機疲勞破壞成因與修復(fù)措施分析

摘 要：隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展以及技術(shù)水平的提升，我國的港口貿(mào)易越來越頻繁，起重機在港口施工中占據(jù)著十分重要的地位，主要負責(zé)裝載以及卸載貨物的工作。而在長期使用的背景下，起重機難免會出現(xiàn)機械疲勞的現(xiàn)象，不利于其工作性能的穩(wěn)定發(fā)揮。基于此，本文就港口起重機疲勞破壞成因與修復(fù)措施進行分析，希望可以為港口起重機的使用與修復(fù)提供有效的建議。

關(guān)鍵詞：港口起重機;疲勞破壞;起重機修復(fù)

引言;在經(jīng)濟全球化的新形勢下，我國的國際貿(mào)易往來越發(fā)的頻繁，這就使得港口起重機的工作量顯著地增加，而港口起重作業(yè)環(huán)境存在特殊性，相對比較復(fù)雜，港口起重機需要具備更高的承載力以及穩(wěn)定性滿足實際需求。港口起重機最容易出現(xiàn)疲勞損傷的部位是焊接區(qū)域、連接軸以及葉片等部位，影響運行的穩(wěn)定性。因此，港口起重機需要對設(shè)備的運行情況進行檢查以及維護，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

1 港口起重機的概述

在新的經(jīng)濟發(fā)展時期，我國的港口貿(mào)易越來越繁榮，起重機使用的頻率越來越高，在港口貿(mào)易中占據(jù)著更加重要的地位，可以在船舶、車輛的裝卸中承擔(dān)極為重要的工作任務(wù)。港口起重機是一種重復(fù)性運作的機械設(shè)備并且具有比較繁多的設(shè)備種類。在進行研究的時候可以對設(shè)備的具體運行情況以及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行分析，可以發(fā)現(xiàn)一般情況下港口起重機的結(jié)構(gòu)體系是由工作機構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)以及動力裝置幾個系統(tǒng)構(gòu)成，港口起重機在運行的時候會存在協(xié)作差異，可以適用于不同的施工作業(yè)場景。

起重機的金屬結(jié)構(gòu)發(fā)揮的是支撐的作用，其重要的組成設(shè)備為立柱，回轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置及電動葫蘆組成。電動葫蘆是金屬結(jié)構(gòu)的核心，一般采用渦輪傳動裝置，嚴格來說這種設(shè)備屬于一種特種起重設(shè)備，由于占地面積小，自重輕，操作簡容易等使用優(yōu)勢，可以工礦企業(yè)、倉儲、碼頭等場所中得到廣泛的應(yīng)用，也在臂架、人字架、轉(zhuǎn)臺、門架或車架等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。整個起重機的另一個重要的系統(tǒng)就是動力系統(tǒng)，該系統(tǒng)的作用同起重機自身的性能息息相關(guān)，也是起重機運行的核心。另外，在運行的過程中為了提升整個設(shè)備的安全性能需要在系統(tǒng)內(nèi)部安裝一些安全裝置，提升起重裝置的整體安全性能。并且，為了保證起重機設(shè)備的平穩(wěn)運行需要專人進行維護，避免在運行的時候由于零部件的損壞導(dǎo)致整個系統(tǒng)的安全運行受到影響，并且可以減少系統(tǒng)在運行的過程中的安全故障，進而可以保證港口貿(mào)易的順利進行。

2 港口起重機疲勞破壞成因

港口的起重機屬于港口貿(mào)易設(shè)備，具有比較廣泛的應(yīng)用前景以及價值，但是在系統(tǒng)運行的過程中會出現(xiàn)部件疲勞的現(xiàn)象，導(dǎo)致在應(yīng)用的時候可能出現(xiàn)安全事故，因此需要對港口起重機疲勞破壞的成因進行分析，使得其價值可以最大化，推進港口貿(mào)易的順利進行。

2.1 應(yīng)力集中對疲勞破壞的影響

起重機的連接區(qū)域的主要組成部分包括象鼻架、門退、人字架等，這些位置十分容易出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象，而引發(fā)斷裂的原因是這些部位容易受到交變應(yīng)力的集中影響，當(dāng)應(yīng)力超過連接部位的承載能力，便會出現(xiàn)裂縫的現(xiàn)象。從設(shè)計的角度上進行分析可以發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是力流傳遞不夠順暢，導(dǎo)致連接區(qū)域焊縫過多，進而造成結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在不合理的情況。

起重器焊縫的常見形式是接焊縫以及角焊縫，而造成焊縫破壞的主要原因依舊是應(yīng)力集中，未進行的后續(xù)機械加工的焊縫容易導(dǎo)致起重機自身的抗疲勞程度降低，為了有效的延長起重機的使用壽命，需要采用相應(yīng)的加工技術(shù)去除突出部件，進而可以優(yōu)化具體應(yīng)用的效果，

2.2 金屬母件對疲勞破壞的影響

2.2.1鋼材的抗疲勞性

起重機總線破壞的主要原因是港口起重機的材料，但是，通過對實際情況進行分析可以發(fā)現(xiàn)如果鋼材處在循環(huán)荷載的作用下會導(dǎo)致疲勞破壞，而在這個時候如果應(yīng)力小于極限強度的時候會突然出現(xiàn)脆性破壞。這個時候如果鋼材處在彈性成形階段，那么起重機受到的循環(huán)載荷會導(dǎo)致塑性變形的增長，使得鋼材的穩(wěn)定性受到了影響。在這些情況下，起重機運行的過程中會出現(xiàn)微裂紋、導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象并且具有擴展的趨勢，數(shù)量也會顯著的增加，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)斷裂破壞的方式[2]。

2.2.2 鋼材的焊接性能

鋼材的焊接工藝同疲勞破壞的程度相關(guān)。起重機鋼材本身的焊接性能也會導(dǎo)致出現(xiàn)脆裂的現(xiàn)象，比如鋼材自身會由于溫度的變化產(chǎn)生冷裂以及熱裂的現(xiàn)象等。另外，鋼材中的主要組成元素有錳、硅、碳等其他許多元素，容易導(dǎo)致鋼材熱裂傾向以及熱脆性的增加，因此在進行鋼材生產(chǎn)的鋼材中需要對上述元素的含量進行嚴格的控制，從而可以降低在起重機使用的過程中的安全事故的可能性，使得其價值可以得到有效的發(fā)揮，進而可以優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，保證海上貿(mào)易的進行。

2.2.3 沸騰鋼

沸騰鋼也是起重機的常見鋼材之一。沸騰鋼的偏析程度嚴重，其主要表現(xiàn)是鋼材避免會存在少量的碳鐵薄層，中間層往往會含有大量的碳、硫、磷等元素。而由于沸騰鋼自身的偏析問題十分的嚴重，在加上沸騰鋼中的非金屬物質(zhì)比較多，并且含有大量的有害氣體導(dǎo)致整個鋼材的焊接性能受到不良的影響。導(dǎo)致焊接出現(xiàn)裂紋，降低鋼材結(jié)構(gòu)整體的可塑性。另外，沸騰鋼中的氮元素是以固溶氮的形式而存在的，增加了鋼材的冷脆敏感性，使得鋼材質(zhì)量受到了影響。而沸騰鋼的磷元素具有最為顯著的偏析效果，降低鋼材的沖擊韌性，保證其作用無法的發(fā)揮

2.2.4 鎮(zhèn)靜鋼

鎮(zhèn)靜鋼同沸騰鋼一樣，是港口起重機比較常使用的鋼材。這種鋼材的應(yīng)用優(yōu)勢在于具有比較高的沖擊韌性比較高、以及比較大的整體密度和比較低的冷脆性。鎮(zhèn)靜鋼的偏析水平比較小，并且非金屬元素的雜質(zhì)含量比較低并且氮元素都是以氮化物的形式而存在的，所以鎮(zhèn)靜鋼具有比較高的應(yīng)用特性。一般而言，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的連接位置容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致鋼材出現(xiàn)脆性破壞的現(xiàn)象，因此在進行起重機設(shè)置的時候需要選擇內(nèi)部缺陷低的優(yōu)質(zhì)鋼材，從而可以提升實際的安全效率，推進整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

3 金屬構(gòu)建焊接分析

為了保證整個港口起重機的作用可以得到有效的發(fā)揮，系統(tǒng)在進行金屬構(gòu)建焊接的時候需要注重對于鋼材焊接工藝的選取，保證焊接的實際效果，而金屬構(gòu)建焊接的實際情況分析如同下文所示：

3.1焊接殘余應(yīng)力

起重機的主要設(shè)備是鋼材，在進行焊接的時候，需要重點關(guān)注是在冷卻條件，而冷卻條件的區(qū)別也使得參與應(yīng)力存在差異。另外，在進行鋼材冷卻的時候，鋼材中的縱向收縮也會使得殘余應(yīng)力受到不良的影響。一般而言，起重機的焊縫殘余應(yīng)力基本上屬于拉應(yīng)力，但是也會產(chǎn)生壓應(yīng)力。實際上，腹板作用的壓應(yīng)力會導(dǎo)致縱向殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，而橫向殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因是在進行焊縫冷卻的時候鋼材產(chǎn)生了橫向收縮以及焊縫的縱向收縮，因此要根據(jù)自身的實際情況進行研究，從而可以得出相應(yīng)的結(jié)論。在焊接工作結(jié)束之后，不宜立刻就進行使用，而是需要將鋼材放置一定時間，等到應(yīng)力釋放完畢之后，再進行使用，從而可以保證整個起重機的實際效率[3]。

3.2焊接應(yīng)力形成過程

焊接用力的主要影響因素除了冷卻條件以外，還有焊接時的溫度變化。通過對焊接的條件進行分析可以發(fā)現(xiàn)，中心溫度和熱源處的溫差比較大，這就導(dǎo)致在進行冷卻處理的時候出現(xiàn)馬氏體形成過快，進而在使用的時候出現(xiàn)焊接硬度過高、韌性比較差的問題。因此，在進行安裝的時候為了避免出現(xiàn)上述的情況需要對冷卻速度進行嚴格的控制避免出現(xiàn)奧氏體的現(xiàn)象。通過對研究的實際情況進行分析，在焊接溫度處在200～500攝氏度的冷卻時間的時候，可以根據(jù)自身的需求適當(dāng)?shù)匮娱L冷卻的時間，促進貝氏體的形成，進而得到比較理想的鋼材塑性以及沖擊韌性，基于此可以有效的提升整個港口起重機的使用效果，進而可以推進整個港口貿(mào)易的順利進行，進而可以保證整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

4 金屬構(gòu)件修復(fù)工藝

金屬構(gòu)件的問題也是保證整個起重機的系統(tǒng)無法順利運行的關(guān)鍵，因此在進行維護的時候需要選擇合適的修復(fù)工藝進行。

通過對上述的實際情況進行深入分析可以發(fā)現(xiàn)，金屬構(gòu)件裂紋是造成整個系統(tǒng)受到影響的主要因素之一，因此相關(guān)部門需要采取有效的措施對金屬構(gòu)件進行修復(fù)，從而可以保證整個系統(tǒng)的安全以及穩(wěn)定的運行，在修復(fù)焊接裂紋的早期階段，工作人員需要打磨裂紋的位置并且需要控制打磨的實際長度，保證實際長度大于焊接裂紋長度[4]。另外，在實際進行研究的時候，需要對相關(guān)的觀察設(shè)備進行檢查，消除殘留的裂縫，尤其是對于象鼻架等重要部件的檢查，從而可以保證整個系統(tǒng)可以安全穩(wěn)定的運行。修復(fù)焊接工藝進行的時候，工作人員需要積極地進行前期準備工作，利用探測儀等設(shè)備對整個港口起重機的情況進行實時檢測，修復(fù)工作進行的時候選擇干焊條進行焊接。在具體進行焊接工作的時候，需要提前進行預(yù)熱處理，并且將焊接的溫度進行嚴格的控制，大致的溫度以500攝氏度左右為宜。另外，為了保證整個修復(fù)工作可以安全地進行，在結(jié)束焊接工作之后，需要進行隔熱保護處理。起重機的疲勞修復(fù)以及維護需要預(yù)留出一定的時間，在這個期間需要對起重機的工作量進行調(diào)整，保證修復(fù)工作可以順利地進行。修復(fù)工作結(jié)束之后，為了保證整個系統(tǒng)的運行，需要從三分之一負荷量進行裝載，為起重機提供充足的加載時間，減輕系統(tǒng)運行的時候的壓力，進而可以保證起重機的安全運行。

在實際進行應(yīng)用的時候，需要積極地應(yīng)用金屬構(gòu)建的修復(fù)工藝，降低港口起重機在運行過程中出現(xiàn)安全事故的可能性，進而可以保證其作用可以得到有效的發(fā)揮。

總結(jié)：綜上所述，近年來我國的港口貿(mào)易越來越繁榮，港口起重機的應(yīng)用也越來越頻繁，這就導(dǎo)致在系統(tǒng)運行的時候容易受到疲勞損耗的影響，使得起重機的作用無法得到有效的發(fā)揮。所以，相關(guān)人員需要對港口起重機出現(xiàn)設(shè)備疲勞情況的原因進行分析，并且進行針對性維護，進而可以使得其價值可以得到最大的發(fā)揮，進而可以推進港口貿(mào)易的順利開展。

參考文獻：

[1]張氫，江偉哲，秦仙蓉.基于VTK可視化引擎技術(shù)的港口起重機數(shù)字孿生系統(tǒng)研究及應(yīng)用[J].起重運輸機械，2020（17）：69-74.

[2]沈科宇，嚴華.基于融合特征支持向量機的港口起重機減速箱故障診斷[J].中國水運（下半月），2020，20（05）：100-103+182.

[3]許光健.試論“港口起重機位能負載能量回收及自循環(huán)利用管理系統(tǒng)”在港口生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].環(huán)渤海經(jīng)濟瞭望，2020（04）：133-134.

[4]張芳，項科忠，徐升.CFRP修復(fù)港口起重機箱形結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的數(shù)值仿真及實驗研究[J].起重運輸機械，2019（05）：76-80.

作者簡介：

陳幸超（1987.04-），男，籍貫：江西，助理工程師，研究方向：港口設(shè)備。

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海? 200125）