關(guān)于冶金起重機(jī)疲勞壽命的可靠性評(píng)估研究

熊祿 江西省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院新余分院

在長(zhǎng)時(shí)間使用后，很多冶金起重機(jī)的安全技術(shù)指標(biāo)會(huì)受到嚴(yán)重影響，這種影響在可靠性方面也有著直觀體現(xiàn)，可能影響整機(jī)工作安全性。為盡可能保證其安全穩(wěn)定運(yùn)行，正是本文圍繞冶金起重機(jī)疲勞壽命的可靠性評(píng)估開(kāi)展具體研究的原因所在。

一、冶金起重機(jī)疲勞壽命可靠性評(píng)估需求及價(jià)值分析

（一）需求分析

圍繞疲勞損傷進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，金屬結(jié)構(gòu)薄弱部分受到的影響較為深遠(yuǎn)，這種影響的發(fā)展會(huì)在整機(jī)工作安全性層面體現(xiàn)。如冶金起重機(jī)頻繁超載，顯現(xiàn)往往較早的疲勞損傷安全風(fēng)險(xiǎn)更大，但這類(lèi)冶金起重機(jī)的多數(shù)機(jī)構(gòu)件、結(jié)構(gòu)件的工作潛力仍較大。為及時(shí)發(fā)現(xiàn)冶金起重機(jī)的安全隱患，對(duì)可能出現(xiàn)的后果進(jìn)行評(píng)估，即可提供改造方案或改進(jìn)措施，滿足設(shè)備長(zhǎng)期安全使用需要[1]。

（二）價(jià)值分析

具體的可靠性評(píng)估需圍繞疲勞壽命估算、疲勞強(qiáng)度分析、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)展開(kāi)，疲勞壽命可靠性評(píng)估工程價(jià)值可能受到的各方面因素影響也需要得到重視。結(jié)合相關(guān)實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn)，具體評(píng)估主要圍繞六方面開(kāi)展，具體如圖1所示。

圖1 可靠性評(píng)估內(nèi)容

基于圖1進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)損探傷、機(jī)構(gòu)驗(yàn)算、靜強(qiáng)度分析、性能指標(biāo)檢測(cè)均屬于評(píng)估重點(diǎn)，這類(lèi)重點(diǎn)涉及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和強(qiáng)制約束等內(nèi)容，相關(guān)內(nèi)容在疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)、疲勞壽命估算等方面較少提及，但不應(yīng)忽視二者重要性，由于在終端市場(chǎng)的需求較高，雖然該評(píng)價(jià)體系仍處于規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)邊緣，但具備極高的市場(chǎng)價(jià)值，且在安全綜合評(píng)估中占據(jù)重要地位。因此，市場(chǎng)外在需求動(dòng)力對(duì)冶金起重機(jī)疲勞壽命的可靠性評(píng)估發(fā)展帶來(lái)的影響極為深遠(yuǎn)，技術(shù)進(jìn)步也因此獲得了充足動(dòng)力[2]。

二、冶金起重機(jī)疲勞壽命可靠性評(píng)估技術(shù)及應(yīng)用路徑

為深化研究?jī)?nèi)容，本節(jié)將圍繞可靠性評(píng)估技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，并結(jié)合實(shí)例深入探討該技術(shù)的具體應(yīng)用，希望研究?jī)?nèi)容能夠?yàn)橐苯鹌鹬貦C(jī)的科學(xué)應(yīng)用提供一定支持。

（一）技術(shù)分析

具體評(píng)估需要強(qiáng)化對(duì)疲勞壽命估算的重視，考慮到焊接結(jié)構(gòu)這一常見(jiàn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因此一般采用的疲勞壽命分析法以應(yīng)力變程為基礎(chǔ)，隨機(jī)疲勞載荷譜、Miner積累損傷理論、結(jié)構(gòu)S-N曲線屬于這種分析方法的基礎(chǔ)，由于三者的工程試驗(yàn)背景較強(qiáng)，因此這種評(píng)估技術(shù)在工程實(shí)用化方面的價(jià)值較高。基于結(jié)構(gòu)S-N曲線的評(píng)估公式為：

結(jié)構(gòu)S-N曲線常數(shù)在式中表示為C、K，f、r、S、N、D、n、t分別為各級(jí)變程出現(xiàn)頻率、應(yīng)力變程的級(jí)數(shù)（載荷譜中）、各級(jí)應(yīng)力變程數(shù)、t的總變程數(shù)、結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的損傷、譜時(shí)間、結(jié)構(gòu)破壞時(shí)載荷譜重復(fù)次數(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可獲得相關(guān)數(shù)據(jù)及工作載荷譜，進(jìn)一步研究可得到疲勞壽命估算公式，即：

冶金起重機(jī)主梁的壽命分析可采用式（2）進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合同類(lèi)研究可以了解到，上式中的C值為1011.714486，K值為3.3，本文研究取D值為0.8。結(jié)合偏軌箱型主梁所具備的具體特點(diǎn)，開(kāi)展針對(duì)性的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，工作循環(huán)歷史即可完整獲取，通過(guò)統(tǒng)計(jì)多個(gè)歷程的計(jì)數(shù)，相應(yīng)譜時(shí)間內(nèi)的各級(jí)應(yīng)力變程出現(xiàn)頻次可由此獲得，壽命估算可直接采用這類(lèi)數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)潔明了的分析可由此實(shí)現(xiàn)。通過(guò)組合、疊加不同情況下的計(jì)數(shù)結(jié)果，即可得到包含未來(lái)變化和歷史信息的載荷譜。因此，冶金起重機(jī)疲勞壽命可靠性評(píng)估技術(shù)同時(shí)包含未來(lái)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和載荷歷史追溯內(nèi)容，以及疲勞壽命估算技術(shù)。對(duì)于圖紙?jiān)O(shè)計(jì)階段的工程項(xiàng)目，需強(qiáng)化對(duì)已有載荷譜的參考，這一過(guò)程需重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)和工作載荷環(huán)境帶來(lái)的影響，載荷變化信息也需要得到重點(diǎn)關(guān)注，相應(yīng)函數(shù)由此可結(jié)合理論研究與相關(guān)實(shí)踐得出。

（二）具體應(yīng)用

以1臺(tái)440t的冶金起重機(jī)作為研究對(duì)象，該冶金起重機(jī)制造于1985年，日常搬運(yùn)空鋼水罐，具體的規(guī)格為140t，同時(shí)該冶金起重機(jī)具備的額定載荷圍毆440t，主梁工作壽命結(jié)合相關(guān)資料查詢(xún)可以確定。為600000個(gè)工作循環(huán)。2010年，在搬遷生產(chǎn)車(chē)間前，用戶希望能夠?qū)χ髁旱膶?shí)際情況進(jìn)行深入了解，具體對(duì)象為累計(jì)損傷，同時(shí)希望能夠預(yù)測(cè)該冶金起重機(jī)的未來(lái)工作壽命空間，以此確定該設(shè)備是否能夠用于新的生產(chǎn)線。因此，針對(duì)性開(kāi)展應(yīng)變傳感器的布置，選擇存在最大應(yīng)力截面的對(duì)應(yīng)部位，即強(qiáng)度校核部位（主梁跨中），同樣需要嚴(yán)格現(xiàn)場(chǎng)跟蹤記錄完整的額定載荷工作循環(huán)歷程，空鋼水罐屬于跟蹤記錄的主要對(duì)象（見(jiàn)表1）。

表1 應(yīng)力變程頻次表

結(jié)合應(yīng)力變程和頻次數(shù)據(jù)并引入壽命估算公式，可確定冶金起重機(jī)主梁額定荷載下的工作壽命為483151個(gè)工作循環(huán)，結(jié)合生產(chǎn)廠商給出的600000個(gè)工作循環(huán)可以發(fā)現(xiàn)，二者的差距源于D值和損傷選取，因此可確定生產(chǎn)廠商采用的冶金起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)疲勞估算算法與本文類(lèi)似，且D值和損傷取1。考慮到額定荷載不完全決定實(shí)際的疲勞損傷，還需要計(jì)算空鋼水罐工作量與滿載工作量1：1時(shí)、空鋼水罐工作量與滿載工作量1：2時(shí)的主梁工作壽命，分別為431711個(gè)工作循環(huán)、455981個(gè)工作循環(huán)。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際可以了解到，截至2010年，冶金起重機(jī)存在約87500工作循環(huán)數(shù)，空鋼水罐工作量與滿載工作量大致相同，因此可確定冶金起重機(jī)主梁還存在79.7%的壽命存量。

三、結(jié)論

綜上所述，可靠性評(píng)估能夠較好用于冶金起重機(jī)疲勞壽命研究。為更好開(kāi)展疲勞壽命的可靠性評(píng)估，各類(lèi)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的引入和應(yīng)用也需要得到重視。