冶金起重機(jī)主梁疲勞及剩余壽命分析*

朱東科

太原重工股份有限公司技術(shù)中心 太原 030024

0 引言

冶金起重機(jī)是冶煉生產(chǎn)線上承擔(dān)繁重物料搬運(yùn)工作的特種設(shè)備，具有滿載率高、使用頻繁、工作環(huán)境溫度高、粉塵多等特點(diǎn)，事故發(fā)生率較高。隨著使用年限增加，結(jié)構(gòu)件在長(zhǎng)期使用過(guò)程中會(huì)遇到作業(yè)環(huán)境改變、負(fù)荷變化、異常載荷沖擊等狀況，在結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域、應(yīng)力集中區(qū)域、高應(yīng)力低疲勞強(qiáng)度區(qū)域易產(chǎn)生疲勞裂紋，導(dǎo)致設(shè)備安全性、重要技術(shù)指標(biāo)呈現(xiàn)逐步下降趨勢(shì)。

本文以某鋼廠在用冶金起重機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)橋架主梁關(guān)鍵部位的現(xiàn)狀檢測(cè)、強(qiáng)度試驗(yàn)、應(yīng)力譜測(cè)試、有限元計(jì)算，對(duì)設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)狀安全性作出評(píng)價(jià)，在實(shí)測(cè)應(yīng)力譜基礎(chǔ)上對(duì)主梁疲勞強(qiáng)度和剩余壽命進(jìn)行分析計(jì)算，可有效保證起重機(jī)工作的安全性和可靠性，同時(shí)也為設(shè)備的計(jì)劃性維修和更新?lián)Q代提供技術(shù)依據(jù)。

1 主要技術(shù)參數(shù)和技術(shù)路線

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

該研究對(duì)象為四梁四軌雙小車結(jié)構(gòu)的240 t-21.5 m鑄造起重機(jī)，主要承擔(dān)煉鋼廠鋼水包搬運(yùn)工作。該機(jī)的主梁結(jié)構(gòu)為偏軌箱形截面，主要受力結(jié)構(gòu)材質(zhì)為Q355B，正常工作起吊載荷為200～210 t，每天約90個(gè)工作循環(huán)；該機(jī)主起升額定起重量為240 t，主起升速度為1.0～10.0 m/min，大車運(yùn)行速度為8.0～80 m/min，主小車運(yùn)行速度為4.0～40 m/min，起重機(jī)工作級(jí)別為A7，主小車自重（含吊具）為128.6 t，主梁自重為38 t。

1.2 技術(shù)路線

1）依據(jù)GB/T 5905—2011《起重機(jī)試驗(yàn)規(guī)范和程序》、GB/T 14405—2011《通用橋式起重機(jī)》、JB/T 7688.1—2008《冶金起重機(jī)技術(shù)條件 第一部分：通用要求》、GB/T 36697—2018《鑄造起重機(jī)報(bào)廢條件》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，完成設(shè)備的質(zhì)量檢測(cè)，評(píng)價(jià)設(shè)備質(zhì)量現(xiàn)狀和完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)功能的能力；對(duì)主要結(jié)構(gòu)件的可見焊縫及母材，由目測(cè)進(jìn)行詳細(xì)的裂紋檢查，對(duì)重要焊縫內(nèi)部進(jìn)行超聲波抽檢無(wú)損探傷；

2）在工作載荷（約210 t）狀態(tài)下完成結(jié)構(gòu)最大受力部位的強(qiáng)度試驗(yàn)，評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)最大受力部位的強(qiáng)度安全性；

3）在滿載狀態(tài)下完成橋架有限元應(yīng)力計(jì)算，評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的安全性；

4）依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工況的實(shí)測(cè)應(yīng)力譜，完成橋架主梁疲勞壽命評(píng)估；

5）綜合現(xiàn)狀檢測(cè)、強(qiáng)度試驗(yàn)、有限元計(jì)算、疲勞壽命試驗(yàn)評(píng)估等幾項(xiàng)內(nèi)容，完成設(shè)備剩余壽命分析。

2 強(qiáng)度試驗(yàn)及應(yīng)力譜測(cè)試

2.1 現(xiàn)狀檢測(cè)

現(xiàn)狀檢測(cè)是對(duì)設(shè)備現(xiàn)狀的描述，也是設(shè)備維護(hù)、檢修效果的綜合檢驗(yàn)，通常檢測(cè)結(jié)果將提示設(shè)備當(dāng)前的一些損傷及需要整改的事項(xiàng)。該設(shè)備自投入使用至今已安全工作8.5 a，保證了煉鋼生產(chǎn)線按照設(shè)計(jì)工藝要求正常運(yùn)行。

為了掌握設(shè)備現(xiàn)狀，及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種影響設(shè)備正常運(yùn)行的隱患，首先對(duì)主梁的主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)（包括主梁跨中上拱度、主梁旁彎、主梁腹板的局部平面度、主梁上翼緣板的水平偏斜、主梁腹板的垂直偏斜、小車軌距偏差、同截面小車軌道高度差、小車軌道中心線對(duì)腹板中心線的偏差以及主梁剛度等），按照GB/T 14405—2011《通用橋式起重機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)細(xì)則對(duì)橋架的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行考核，檢驗(yàn)其是否滿足使用要求，主梁基本參數(shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。對(duì)主要結(jié)構(gòu)件的可見焊縫（如蓋板腹板自身的對(duì)接焊縫以及T形鋼與上蓋板和主腹板的連接焊縫，上下蓋板與主副腹板的連接焊縫以及腹板與各自加厚板的連接焊縫等）及母材，采用目測(cè)進(jìn)行詳細(xì)的裂紋檢查。對(duì)關(guān)鍵焊縫內(nèi)部按照J(rèn)B/T 4730.3—2005《超聲檢測(cè)承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》和GB/T 11345—2013《焊縫無(wú)損檢測(cè)超聲檢測(cè)技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定進(jìn)行檢驗(yàn)》進(jìn)行超聲波抽檢無(wú)損探傷，確認(rèn)技術(shù)指標(biāo)在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍之內(nèi)以及關(guān)鍵受力部位無(wú)裂紋及影響使用性能的缺陷存在。

表 2 母材試件單軸疲勞試驗(yàn)結(jié)果 mm

在實(shí)際工作載荷狀態(tài)下，機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)正常，控制系統(tǒng)和制動(dòng)器工作正常，機(jī)械部分和電動(dòng)機(jī)未見不正常的振動(dòng)和噪聲，各部件能安全準(zhǔn)確完成其功能。目測(cè)檢查未發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)或結(jié)構(gòu)部件有影響正常工作的損壞，運(yùn)行試驗(yàn)檢測(cè)如表2所示。

表2 運(yùn)行試驗(yàn)檢測(cè)內(nèi)容

對(duì)主梁重要焊縫進(jìn)行目測(cè)檢查，未發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵部位焊縫開裂；對(duì)重要焊縫的無(wú)損探傷檢測(cè)結(jié)果均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求；其他零件進(jìn)行目測(cè)檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯損傷。

將表1、表2所示數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，由現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和焊縫探傷檢驗(yàn)記錄可得出目前設(shè)備健康狀況良好。

2.2 強(qiáng)度試驗(yàn)

應(yīng)力測(cè)試分試驗(yàn)準(zhǔn)備、試驗(yàn)開始和帶載試驗(yàn)3步驟。其中，試驗(yàn)準(zhǔn)備是指選擇測(cè)試部位，安裝應(yīng)變計(jì)及信號(hào)線；試驗(yàn)開始是指小車空載位于主梁跨端，應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)初始狀態(tài)調(diào)零；在試驗(yàn)載荷作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力試驗(yàn)即為在實(shí)際工作載荷狀態(tài)下實(shí)時(shí)記錄各測(cè)試部位應(yīng)變或應(yīng)力變化過(guò)程。

為保證生產(chǎn)的正常運(yùn)行，真實(shí)反映生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)際應(yīng)力譜和工作循環(huán)狀況，強(qiáng)度試驗(yàn)在實(shí)際正常生產(chǎn)狀態(tài)下進(jìn)行。選取跨中正應(yīng)力最大截面和跨端剪應(yīng)力最大截面作為危險(xiǎn)截面，布置應(yīng)變計(jì)測(cè)點(diǎn)1～9，測(cè)試這些部位的動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)，檢測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 主梁跨中截面和跨端截面檢測(cè)點(diǎn)布置圖

測(cè)點(diǎn)1位于跨中截面下蓋板與主腹板連接焊縫邊緣，該部位是主梁跨中截面最大拉應(yīng)力點(diǎn)；測(cè)點(diǎn)2位于跨中截面T形鋼與上蓋板對(duì)接焊縫邊緣，該部位是主梁跨中截面最大壓應(yīng)力點(diǎn)；測(cè)點(diǎn)3位于跨中截面上蓋板與副腹板連接焊縫邊緣，該部位也是主梁跨中截面壓應(yīng)力校核點(diǎn)；在主梁端部主腹板變截面1/2高度布置應(yīng)變計(jì)測(cè)點(diǎn)4～6（其中測(cè)點(diǎn)4平行于主梁方向，測(cè)點(diǎn)5高度與測(cè)點(diǎn)4逆時(shí)針45°方向，測(cè)點(diǎn)6高度垂直于主梁方向，這3個(gè)測(cè)點(diǎn)組成一個(gè)應(yīng)變花），彎板圓弧處布置應(yīng)變計(jì)測(cè)點(diǎn)7、8、9（其中測(cè)點(diǎn)7平行于主梁方向，測(cè)點(diǎn)8與測(cè)點(diǎn)7逆時(shí)針45°方向，測(cè)點(diǎn)9垂直于主梁方向，這3個(gè)測(cè)點(diǎn)組成一個(gè)應(yīng)變花），這2個(gè)部位是主梁端部剪應(yīng)力最大點(diǎn)。

圖2記錄了連續(xù)4次起吊實(shí)際工作載荷（約210 t）時(shí)測(cè)點(diǎn)1～9的應(yīng)力（或應(yīng)變）數(shù)據(jù)變化，橫坐標(biāo)單位是時(shí)間s，縱坐標(biāo)單位是應(yīng)變?chǔ)苔?。這時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)沒(méi)有疊加主梁的自重影響和儀器調(diào)零時(shí)主小車自重的影響。由最大應(yīng)變值轉(zhuǎn)化的最大應(yīng)力如表3所示。

表3 主梁實(shí)際測(cè)試部位最大應(yīng)力值 N/mm2

圖2 測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)

3 有限元計(jì)算

3.1 計(jì)算模型

該機(jī)橋架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，若要建立詳細(xì)的結(jié)構(gòu)模型，不僅會(huì)增大建模工作量，而且計(jì)算機(jī)求解效率變低。因此，在確保所建立的有限元模型能真實(shí)反映結(jié)構(gòu)實(shí)際受力的情況下，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要且合理的簡(jiǎn)化處理。對(duì)橋架結(jié)構(gòu)的主梁、副主梁和端梁采用Beam 188單元進(jìn)行建模，該單元機(jī)構(gòu)對(duì)于線性、大角度轉(zhuǎn)動(dòng)問(wèn)題的處理求解非常適用，欄桿與梁外的走臺(tái)結(jié)構(gòu)通過(guò)增大重力加速度的方式施加在橋架結(jié)構(gòu)上，司機(jī)室、電氣設(shè)備等通過(guò)在相對(duì)應(yīng)分節(jié)點(diǎn)施加質(zhì)量單元模擬真實(shí)載荷作用下的情況。對(duì)于小車質(zhì)量與起重量在Ansys中通過(guò)Mass質(zhì)量單元施加到車輪與鋼軌接觸的支點(diǎn)處。

按照GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算載荷及其組合選取3種工況進(jìn)行計(jì)算，且主梁簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁約束進(jìn)行計(jì)算。

1）工況1 主小車空載位于主梁端部時(shí)（測(cè)點(diǎn)對(duì)側(cè)，校對(duì)測(cè)試零位）；

2）工況2 主小車起吊240 t載荷位于主梁跨中；

3）工況3 主小車起吊240 t載荷位于主梁端部。

考慮到除上述試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)1～9之外，又增加了計(jì)算點(diǎn)11和計(jì)算點(diǎn)12，如圖3所示。計(jì)算點(diǎn)11在跨中截面T形鋼直角處，此處有最大彎曲正應(yīng)力和小車輪壓產(chǎn)生的局部擠壓應(yīng)力；計(jì)算點(diǎn)12在跨中截面副腹板與下蓋板連接處，此處有最大彎曲正應(yīng)力。

圖3 主梁跨中、跨端截面測(cè)試點(diǎn)和計(jì)算點(diǎn)示意圖

3.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

按上述模型和受力采用Ansys軟件對(duì)橋架進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算，對(duì)應(yīng)3種工況下橋架主梁應(yīng)力云圖如圖4～圖6所示，主梁關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算值如表4所示。

表4 3種工況下主梁計(jì)算點(diǎn)應(yīng)力值 N/mm2

圖4 工況1主梁跨中和跨端截面等效應(yīng)力圖

圖5 工況2主梁跨中截面等效應(yīng)力圖

圖6 工況3主梁端部剪應(yīng)力圖

由表4可知，在工況1空載小車位于檢測(cè)點(diǎn)對(duì)側(cè)時(shí)各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值均較小，在工況2滿載小車位于跨中和工況3滿載小車位于跨端極限位置時(shí)各檢測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值有顯著增加，但相對(duì)于材料的許用值也有較大的差距。表4中的一字線部分表示數(shù)值較小可忽略不計(jì)。

4 主梁疲勞強(qiáng)度和剩余壽命分析

4.1 主梁靜強(qiáng)度分析

主梁跨中、跨端截面各點(diǎn)實(shí)測(cè)最大應(yīng)力和計(jì)算最大應(yīng)力以及主梁跨中最大下?lián)系谋容^和評(píng)價(jià)如表5所示。其中測(cè)試應(yīng)力值是試驗(yàn)數(shù)據(jù)疊加了主梁自重影響后的合成應(yīng)力，許用應(yīng)力按照Q355材料、屈服強(qiáng)度為355 N/mm2、極限強(qiáng)度為470 N/mm2、安全系數(shù)為1.48、高危系數(shù)為1.1進(jìn)行確定[4]，表格中的一字線部分未進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)。

表5 主梁實(shí)測(cè)應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力對(duì)照表 N/mm2

4.2 主梁疲勞強(qiáng)度分析

主梁的疲勞強(qiáng)度按照實(shí)際工作情況起吊210 t載荷的測(cè)試應(yīng)力和起吊240 t額定載荷有限元計(jì)算應(yīng)力2種方法進(jìn)行計(jì)算。210 t測(cè)試最大應(yīng)力由不含自重的實(shí)測(cè)應(yīng)力與自重產(chǎn)生的計(jì)算應(yīng)力相疊加，疲勞強(qiáng)度許用值根據(jù)GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的焊縫按照K2應(yīng)力集中情況等級(jí)、母材按照W0應(yīng)力集中情況等級(jí)、E7工作級(jí)別計(jì)算所得，如表6所示。表6中一字線部分未進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)。

表6 主梁實(shí)測(cè)應(yīng)力和計(jì)算應(yīng)力疲勞強(qiáng)度比較表 N/mm2

4.3 主梁剩余壽命預(yù)測(cè)

該240 t-21.5 m鑄造起重機(jī)自投入使用至今歷時(shí)8.5 a，日常工作載荷為200～210 t，按正常工作頻率估算，每天在日常負(fù)荷狀態(tài)下工作90個(gè)循環(huán)，每年工作350 d，每年滿負(fù)荷工作31 500個(gè)循環(huán)，已完成267 750個(gè)滿負(fù)荷工作循環(huán)。選取主梁跨中截面測(cè)點(diǎn)1作為壽命計(jì)算的關(guān)鍵點(diǎn)，在主梁中該點(diǎn)具有最大拉應(yīng)力，可由該點(diǎn)的實(shí)測(cè)應(yīng)力譜預(yù)測(cè)主梁剩余壽命。

1）應(yīng)力幅-頻次統(tǒng)計(jì)表

實(shí)測(cè)應(yīng)力記錄了主梁跨中截面下蓋板最大拉應(yīng)力的統(tǒng)計(jì)曲線（見圖2a），實(shí)測(cè)4個(gè)工作循環(huán)，并經(jīng)過(guò)雨流計(jì)數(shù)法得到表7所示基于測(cè)點(diǎn)1的應(yīng)力幅與頻次統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表7 應(yīng)力幅-頻次統(tǒng)計(jì)表

2）疲勞剩余壽命估算[5，6]

主梁疲勞壽命可按照下式進(jìn)行計(jì)算

式中：C、K為結(jié)構(gòu)S-N曲線的常數(shù)；D為結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的損傷和，選用的常數(shù)為D＝0.8，K＝3.2，C＝1 011.714 486；r為載荷譜中應(yīng)力幅的級(jí)數(shù)；fi為各級(jí)應(yīng)力幅出現(xiàn)的頻率；Si為各級(jí)應(yīng)力幅；N為譜時(shí)間t中的總頻次數(shù)，譜時(shí)間t是指一個(gè)載荷譜所代表的實(shí)際工作循環(huán)數(shù)（工作時(shí)間）；n為結(jié)構(gòu)破壞時(shí)載荷譜的重復(fù)次數(shù)。

將表5中的應(yīng)力幅-頻次表數(shù)據(jù)代入公式，可得n≈137 485.6（個(gè)譜時(shí)間）。

由于一個(gè)譜時(shí)間表示4個(gè)日常負(fù)荷工作循環(huán)，故可折合成n＝549 942（個(gè)工作循環(huán)） 或n＝6 110（個(gè)工作日）。結(jié)果表明：240 t-21.5 m鑄造起重機(jī)投入使用以來(lái)，若實(shí)際生產(chǎn)工況一直近似于當(dāng)前測(cè)試工況，則該設(shè)備主梁的疲勞壽命可達(dá)549 942個(gè)滿負(fù)荷工作循環(huán)，6 110個(gè)工作日。

該起重機(jī)自投入使用，以1 a工作350 d估算，已完成了2 975個(gè)工作日，由此推算已完成的工作量占主梁疲勞壽命的百分比為2 975/6 110＝48.7%。由此，主梁疲勞壽命為6 110個(gè)工作日，約17.5 a；主梁剩余壽命為3 135個(gè)工作日，約9 a。

5 結(jié)論

1）根據(jù)現(xiàn)狀檢測(cè)，橋架主梁各項(xiàng)指標(biāo)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，關(guān)鍵受力部位焊縫和母材未發(fā)現(xiàn)裂紋和影響使用性能的缺陷；

2）根據(jù)日常工作負(fù)荷時(shí)的強(qiáng)度試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果和額定負(fù)荷時(shí)的有限元分析計(jì)算結(jié)果，表明以跨中截面最大正應(yīng)力、端部截面最大剪應(yīng)力為代表的結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度指標(biāo)均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，處于安全狀態(tài)；

3）根據(jù)日常工作負(fù)荷時(shí)的強(qiáng)度試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果計(jì)算出主梁疲勞壽命為549 942個(gè)滿負(fù)荷工作循環(huán)數(shù)。以每天工作量90個(gè)滿負(fù)荷作業(yè)、每年工作350個(gè)工作日估算，主梁的疲勞壽命達(dá)到6 110個(gè)工作日，折合17.5 a；主梁剩余壽命為3 135個(gè)工作日，折合9 a。