謝飛翔

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關(guān)于門式起重機(jī)檢測(cè)情況的分析與對(duì)策探討

謝飛翔

福建匯盛運(yùn)輸裝卸有限公司廈門分公司

高崎站20/10T雙梁箱型門式起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱門吊），跨度18m，有效懸臂7.2m，工作級(jí)別為重級(jí)（U6），工作環(huán)境：露天，1985年由三明鐵路裝卸機(jī)械廠制造的。參與高崎站2道貨場(chǎng)繁忙的裝卸作業(yè)至今，累計(jì)到2010年10月已完成裝卸作業(yè)5813568噸，成為保證高崎站鐵路運(yùn)輸暢通，加快貨物周轉(zhuǎn)不可缺少的設(shè)備。因?qū)俪g逾期服役設(shè)備（門吊使用期限為19年），為確保這臺(tái)門吊以最大的潛能，并安全地為高崎站裝卸作業(yè)服務(wù)，分別于2006年7月、2010年5月采用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集分析儀，對(duì)這臺(tái)門吊的技術(shù)狀態(tài)作檢測(cè)，本文針對(duì)兩次檢測(cè)的情況作具體的闡述分析，并提出看法與對(duì)策，以供探討。

門吊 檢測(cè)

1 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測(cè)的結(jié)果及剩余壽命的分析

1.1 金屬結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力檢測(cè)

《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB3811—83要求，對(duì)U6級(jí)以上的結(jié)構(gòu)件，應(yīng)驗(yàn)算疲勞強(qiáng)度?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017—2003規(guī)定，當(dāng)應(yīng)力變化的循環(huán)次數(shù)n等于或大于5×104次時(shí)，應(yīng)進(jìn)行疲勞計(jì)算。本門式起重機(jī)工作級(jí)別為U6且循環(huán)次數(shù)n＞1×106次以上，所以必須進(jìn)行疲勞檢測(cè)。

金屬結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力檢測(cè)和剩余安全使用壽命估算的說(shuō)明：利用應(yīng)變片測(cè)量鋼結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)截面在最危險(xiǎn)情況下的動(dòng)態(tài)應(yīng)力幅值，據(jù)此可以知道鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平和強(qiáng)度儲(chǔ)備，根據(jù)應(yīng)力幅值和起重機(jī)的工作歷程可以算出起重機(jī)的剩余壽命。

1.1.1容許應(yīng)力幅

式中：Af——欠載效應(yīng)的等效系數(shù)，在此Af=0.8

1.1.2檢測(cè)點(diǎn)的確定

能否把檢測(cè)點(diǎn)布置在門吊金屬結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)力幅最大的位置是一個(gè)十分關(guān)鍵的問(wèn)題，它將直接影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。采用有限元法對(duì)擬檢測(cè)的門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，就可準(zhǔn)確找到金屬結(jié)構(gòu)所受到的最大應(yīng)力部位，即裂紋的敏感部位，也是最易出現(xiàn)疲勞破壞的部位。將應(yīng)變片貼在這些位置，可大大提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確率和工作效率。通過(guò)對(duì)這些部位進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)，了解起重機(jī)在不同工況下，結(jié)構(gòu)件受載的大小，可以判斷起重機(jī)的安全工作情況。本機(jī)在下述各位置粘貼應(yīng)變片：

測(cè)點(diǎn)1：布置在主梁跨中一側(cè)距跨中有1/4小車軸距的上蓋板附近，盡量靠近小車軌道的地方。

測(cè)點(diǎn)2：布置在主梁跨中一側(cè)距跨中有1/4跨度的上蓋板附近，盡量靠近小車軌道的地方。

測(cè)點(diǎn)3：布置在支腿與主梁連接懸臂側(cè)根部附近的上蓋板處，盡量靠近角焊縫的地方。

1.1.3檢測(cè)工況

檢測(cè)時(shí)，起升載荷為額定起重量，兩個(gè)機(jī)構(gòu)同時(shí)動(dòng)作，采集以下三種工作狀況時(shí)的數(shù)據(jù)。

工況一：起吊額定載荷離地面約2m，起升機(jī)構(gòu)不動(dòng)，大、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)同時(shí)動(dòng)作，大車在20m范圍內(nèi)不停地往返，小車從貼有應(yīng)變片的一端運(yùn)動(dòng)到另一端的支腿處，再返回。

工況二：小車停在貼有應(yīng)變片的有效懸臂處，起吊額定載荷起升機(jī)構(gòu)上下運(yùn)動(dòng)，始終不落地，同時(shí)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)在20m范圍內(nèi)不停地往返動(dòng)作。

工況三：小車停在跨中，起吊額定載荷起升構(gòu)上下運(yùn)動(dòng)，始終不落地，同時(shí)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)在20m范圍內(nèi)不停地往返動(dòng)作。

1.1.4結(jié)果及分析

表1 測(cè)量結(jié)果（2006年） 單位：MPa

說(shuō)明：測(cè)量時(shí)，所吊載荷約22噸。

表2 測(cè)量結(jié)果（2010年） 單位：MPa

說(shuō)明：測(cè)量時(shí)，所吊載荷約19噸。

1.2 金屬結(jié)構(gòu)剩余安全使用壽命估算

1.2.1計(jì)算公式

N余=N-N已

式中：N余——剩余工作循環(huán)次數(shù)；

N已——已經(jīng)完成的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，N已=T/0.63Q，其中T是已經(jīng)完成的作業(yè)噸數(shù)，Q是額定起重量。本機(jī)額定起重量為20噸。

通過(guò)上述計(jì)算，可以按下式估算出剩余安全使用的年限。

Y= N余/K·NY

式中；K——安全系數(shù)，考慮疲勞計(jì)算的離散性比較大，取K=5；

NY——每年完成的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，NY=TY/0.63Q，其中TY是年平均作業(yè)噸數(shù)。從本機(jī)履歷本統(tǒng)計(jì)歷年完成作業(yè)量為5813568噸，從2004年至2009年平均年工作量為410789噸。

1.2.2剩余使用壽命計(jì)算與分析

那么總的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n應(yīng)為：

又根據(jù)機(jī)械的履歷本可以知道已完成的作業(yè)量，如表3。

表3 近年作業(yè)量統(tǒng)計(jì)

那么從2004年～2009年的年平均作業(yè)量為：

Ty=410789.5（噸）

一般認(rèn)為一個(gè)工作循環(huán)出現(xiàn)一次最大應(yīng)力幅，因此已經(jīng)完成的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n'可按如下公式計(jì)算：

通過(guò)以上計(jì)算，剩余壽命為14.2年，說(shuō)明本機(jī)械的鋼結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度是合符要求的（注:所提供的作業(yè)量為1985年以來(lái)，為5813568噸）。

1.3 結(jié)果與分析

門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的模擬估算是建立在疲勞理論和概率統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)上的一種計(jì)算方法，即是有假設(shè)前提和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的模擬計(jì)算。

（1）檢測(cè)時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件作了一些約束，如：檢測(cè)時(shí)風(fēng)力較小、起重機(jī)吊額定載荷不變、不考慮材料銹蝕問(wèn)題、不野蠻作業(yè)、司機(jī)操作正常、作業(yè)頻度適當(dāng)?shù)龋簿褪钦f(shuō)未考慮這些不確定因素對(duì)安全使用期限的影響。

（2）由于起重機(jī)實(shí)際作業(yè)時(shí)，每次所吊的貨物重量不同，不會(huì)都是額定起重量，起重小車所在位置也不相同，因此各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力幅是隨機(jī)變化的。難以預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在使用壽命期間各種載荷的頻率分布、應(yīng)力水平和頻次分布總和。

（3）起重機(jī)年作業(yè)量的計(jì)算是使用2004年～2009年來(lái)的算術(shù)平均值，未考慮年作業(yè)量變化對(duì)安全使用期限的影響。

（4）檢測(cè)時(shí)所吊載荷重約19t，未到額定載荷。

簽于上述因素，金屬結(jié)構(gòu)剩余安全使用壽命的估算結(jié)果僅供參考。

（5）從表2與表1的比較可看出，這臺(tái)門吊2010年鋼結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)額定載荷下的動(dòng)態(tài)應(yīng)力幅值比2006年增大。①雖都符合要求，但必須定期對(duì)裂紋敏感部位進(jìn)行重點(diǎn)檢查。②經(jīng)模擬計(jì)算，當(dāng)起重機(jī)超載10%時(shí)，最大應(yīng)力幅將增大1.25～1.3倍；超載20%時(shí)，最大應(yīng)力幅將增大1.6～1.7倍，因此嚴(yán)禁超載作業(yè)。

2 鋼結(jié)構(gòu)的靜剛度和動(dòng)鋼度檢測(cè)結(jié)果分析

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造時(shí)，都有一定的拱翹度，利用水準(zhǔn)儀可以測(cè)量結(jié)構(gòu)主梁在空載和額定載荷時(shí)的拱翹度差值，可以知道鋼結(jié)構(gòu)的靜剛度。根據(jù)額定載荷、額定起升高度時(shí)，主梁的自振頻率可以知道鋼結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度。2006年和2010年測(cè)量的拱翹曲線分別如圖1、圖2所示：

圖1 2006年測(cè)量的主梁空拱翹曲線

圖2 2010年測(cè)量的主梁空拱翹曲線

表4 拱翹度

因?yàn)楸鹃T吊的跨度為18m，有效懸臂為7.2m。門吊機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)允許的跨中上拱值為（0.9～1.4）L/1000，即允許值為16.2mm～25.2mm；允許的有效懸臂上翹值為（0.9～1.4）LC/350，即允許值為18.5mm～28.7mm。通過(guò)對(duì)2006年和2010年看測(cè)量的拱翹度對(duì)比，可以看出跨中上拱略有下降，西側(cè)懸臂上翹減小，東側(cè)懸臂上翹增大，本門吊懸臂翹度均超差。

通過(guò)表5～表7可以看出，這臺(tái)門吊的動(dòng)靜剛度都發(fā)生大幅度的減少，特別是西懸靜剛度減少了6mm，動(dòng)剛度減少了0.78025Hz，已不符合門吊作業(yè)所要示的剛度幅值范圍1.8～2.4Hz。本機(jī)的動(dòng)鋼度值為1.5625Hz，已到達(dá)報(bào)廢界限。也就是說(shuō)，由于機(jī)構(gòu)的起動(dòng)和制動(dòng)，使此起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的衰減振動(dòng)，對(duì)裝卸作業(yè)和司機(jī)的生理器官與心理感覺(jué)會(huì)產(chǎn)生不良的影響，使機(jī)械操作者會(huì)感到不適。究其主要原因在于此門吊以往在裝卸作業(yè)過(guò)程中沒(méi)有使用超載報(bào)警器且較多次的嚴(yán)重超載現(xiàn)象,使此門吊機(jī)械猶如彈簧超限度的拉伸失去彈性一般，固有的自振頻率喪失所致。

3 主梁水平旁彎?rùn)z測(cè)結(jié)果分析

圖3 2006年測(cè)量的主梁旁彎曲線

圖4 2010年測(cè)量的主梁帝彎曲線

從圖3和圖4對(duì)照可以看出，水平旁彎比四年前增大了4mm，主梁水平旁彎超差。也正由于主梁水平旁彎超差，導(dǎo)致小車拖纜導(dǎo)軌也隨橋架的變形產(chǎn)生彎曲，使用中小車拖纜輪經(jīng)常脫軌及小車啃軌的現(xiàn)象發(fā)生。原因在于：

（1）該臺(tái)門吊在有時(shí)沒(méi)有使用超載報(bào)警器情況下經(jīng)常超載作業(yè)和歪拉斜吊（如拉車）等非正規(guī)作業(yè)加劇了主梁的變形。

（2）該臺(tái)門吊曾經(jīng)出現(xiàn)東面大車步行電機(jī)燒而沒(méi)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，造成門吊單邊驅(qū)動(dòng)好長(zhǎng)一陣時(shí)間，大車兩邊走行不同走，使該臺(tái)門吊的水平旁彎逐漸加劇。

4 鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕及裂紋檢測(cè)的分析

2010年測(cè)量的鋼結(jié)構(gòu)腐蝕情況表如下：

表6 鋼結(jié)構(gòu)腐蝕情況

可以看出鋼結(jié)構(gòu)個(gè)別部位已銹蝕很嚴(yán)重，特別是西懸下蓋板銹蝕已達(dá)10%。主要原因是本機(jī)在高崎站2道，屬一線兩機(jī)，有一段時(shí)期笨重貨物到發(fā)量少，經(jīng)常處于閑置狀態(tài)，鋼結(jié)構(gòu)已有部分腐蝕，加上門吊是在南方陰雨潮濕地區(qū)和處在海邊鹽霧環(huán)境中使用，在東懸下蓋板及支腿與支梁的連接處等容易積水的地方易出現(xiàn)腐蝕嚴(yán)重的現(xiàn)象。

裂紋檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在支腿承載處有4處裂紋，裂紋長(zhǎng)度各為10mm。左右腹板都有大面積的起皺。

針對(duì)以上出現(xiàn)的裂紋情況決定先由維修組在裂紋頭處鉆10mm的洞以防防裂紋延伸，并在裂紋處及起皺處打孔實(shí)焊加強(qiáng)板和加強(qiáng)肋。實(shí)焊加強(qiáng)板及加強(qiáng)肋的情況如下：

5 結(jié)論

本門吊的疲勞強(qiáng)度及剩余壽命符合要求，鋼結(jié)構(gòu)的裂紋經(jīng)打孔實(shí)焊加固后無(wú)擴(kuò)展跡象。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)部分銹蝕嚴(yán)重、漆層“鼓包”的地方除去表層，予以割掉補(bǔ)強(qiáng)并做到經(jīng)常性的箱型主梁腹內(nèi)檢查，不會(huì)出現(xiàn)較大問(wèn)題。但因主梁水平旁彎及懸臂翹度超差，加上動(dòng)鋼度已達(dá)報(bào)廢限度，所以本門吊必須通過(guò)減少有效懸臂及減噸（16t）作業(yè)，方可在今后5～8年以目前作業(yè)頻繁程度進(jìn)行裝卸作業(yè)。

[1] 王金諾. 起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)[M]. 北京: 中國(guó)鐵路出版社, 1986.

[2] 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB3811—83).

[3] 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50017—2003).