江 凡, 丁露露

(1 武漢市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所, 湖北 武漢 430040； 2 南京港江北集裝箱碼頭有限公司，江蘇 南京 210000)

基于疲勞強(qiáng)度校核的起重機(jī)結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)

江 凡1, 丁露露2

(1 武漢市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所, 湖北 武漢 430040； 2 南京港江北集裝箱碼頭有限公司，江蘇 南京 210000)

通過(guò)對(duì)起重機(jī)工作過(guò)程中的應(yīng)力一時(shí)間歷程進(jìn)行研究，分析其應(yīng)力循環(huán)特性，來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，判斷結(jié)構(gòu)的安全狀況。研究表明，這種基于疲勞強(qiáng)度校核的起重機(jī)結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)方法簡(jiǎn)單有效，可以直觀地反應(yīng)結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，保證了其能安全有效的運(yùn)行。

疲勞強(qiáng)度； 應(yīng)力循環(huán)特性； 結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)

目前國(guó)內(nèi)起重機(jī)結(jié)構(gòu)的安全檢測(cè)，是通過(guò)定期檢測(cè)其重要部位，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果憑經(jīng)驗(yàn)判斷其工作狀態(tài)。起重設(shè)備在工作中工況復(fù)雜，結(jié)構(gòu)的疲勞破壞具有突發(fā)性和危險(xiǎn)性，這種檢測(cè)方式對(duì)主梁結(jié)構(gòu)、中間連接件等安全狀態(tài)不能直觀定量地描述。

本文通過(guò)對(duì)起重機(jī)結(jié)構(gòu)在實(shí)際工況下的應(yīng)力-時(shí)間歷程進(jìn)行研究，計(jì)算結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，并進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核，判斷結(jié)構(gòu)的安全狀況。研究表明，這種基于疲勞強(qiáng)度校核對(duì)起重機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全檢測(cè)的方法具有一定的實(shí)踐應(yīng)用意義。

1 疲勞強(qiáng)度校核的安全檢測(cè)理論

1.1 疲勞強(qiáng)度校核理論概述

影響結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的因素有鋼材的種類(lèi)、接頭應(yīng)力集中形式、結(jié)構(gòu)工作級(jí)別(應(yīng)力譜和應(yīng)力循環(huán)次數(shù))、結(jié)構(gòu)件的最大應(yīng)力和應(yīng)力循環(huán)特性(r=σmin/σmax)等。結(jié)構(gòu)在工作過(guò)程中，所受的應(yīng)力愈大，發(fā)生疲勞破壞所需應(yīng)力循環(huán)次數(shù)愈少，該應(yīng)力循環(huán)次數(shù)即為有限壽命。在結(jié)構(gòu)有限壽命范圍內(nèi)，根據(jù)GB3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，整機(jī)A5級(jí)或E4級(jí)(含)以上的結(jié)構(gòu)件或連接接頭應(yīng)校核疲勞強(qiáng)度[1]。

1.2 基于疲勞強(qiáng)度校核的安全檢測(cè)分析流程

結(jié)構(gòu)基于疲勞強(qiáng)度校核安全檢測(cè)分析流程見(jiàn)圖1。由圖1，首先分析結(jié)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)形式及其載荷狀況，確定能反應(yīng)結(jié)構(gòu)安全狀況的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)；然后測(cè)量這些節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值，做出其應(yīng)力—時(shí)間歷程曲線，確定應(yīng)力循環(huán)特性，計(jì)算和校核結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度，確定結(jié)構(gòu)安全狀況。

圖 1 基于疲勞強(qiáng)度校核安全檢測(cè)分析流程

2 基于疲勞強(qiáng)度校核的安全檢測(cè)

起重機(jī)在其整個(gè)壽命期間，必須對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全檢測(cè)。下面以某廠的一臺(tái)300t通用門(mén)式起重機(jī)主梁為例，研究基于疲勞強(qiáng)度校核的起重機(jī)主梁安全檢測(cè)分析過(guò)程，并制定合理的檢測(cè)計(jì)劃。

2.1 確定起重機(jī)主梁安全檢測(cè)點(diǎn)

通過(guò)對(duì)實(shí)際工作載荷下的主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合起重機(jī)作業(yè)和檢測(cè)的歷史記錄，以及同類(lèi)型起重機(jī)結(jié)構(gòu)的破壞情況，來(lái)確定主梁的危險(xiǎn)區(qū)域，選取起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)點(diǎn)，具體分析方法包括：

1)利用有限元方法分析起重機(jī)主梁上高應(yīng)力區(qū)域以及應(yīng)力集中區(qū)域；

2)對(duì)于使用多年的起重機(jī)，若其結(jié)構(gòu)有過(guò)改造和維修，需要選取維修區(qū)域以及在施工過(guò)程中易損傷區(qū)域作為檢測(cè)點(diǎn)；

3)根據(jù)同類(lèi)型起重機(jī)結(jié)構(gòu)的工作破壞情況進(jìn)行類(lèi)比，選取一些易發(fā)生損傷的區(qū)域的適當(dāng)點(diǎn)作為檢測(cè)點(diǎn)。

該廠設(shè)備為一臺(tái)雙梁不帶懸臂的通用門(mén)式起重機(jī)，根據(jù)分析結(jié)果及起重機(jī)的運(yùn)行工況，選用主梁跨中和支腿支承處截面(圖2的1-5點(diǎn))作為檢測(cè)點(diǎn)。

圖 2 主梁危險(xiǎn)截面疲勞強(qiáng)度檢測(cè)點(diǎn)

2.2 確定應(yīng)力循環(huán)特性

在起重機(jī)正常工作情況下，選取圖2各檢測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，得出各檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力一時(shí)間歷程關(guān)系(圖3)，計(jì)算各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力循環(huán)特性值。

當(dāng)結(jié)構(gòu)件正應(yīng)力σx、σy和剪應(yīng)力τxy作用時(shí)，應(yīng)力循環(huán)特性值rx、ry、rxy分別按式(1)計(jì)算

(1)

式中:rx、ry、rxy：應(yīng)力循環(huán)特性值；σxmax、σymax、τxymax：構(gòu)件(或連接)在疲勞檢測(cè)點(diǎn)上的絕對(duì)值最大正應(yīng)力和絕對(duì)值最大剪應(yīng)力，單位為N/mm2，σxmin、σymin、τxymin是應(yīng)力循環(huán)中與σxmax、σymax、τxymax相對(duì)應(yīng)的同一疲勞計(jì)算點(diǎn)上的一組應(yīng)力值(各帶正負(fù)號(hào))，其差值的絕對(duì)值為最大。

圖 3 結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)4處的應(yīng)力與時(shí)間歷程

2.3 確定疲勞許用應(yīng)力

構(gòu)件的疲勞許用應(yīng)力按表1計(jì)算[2-3]，式中選取的安全系數(shù)為：n=1.34，考慮構(gòu)件工作級(jí)別及構(gòu)件連接件的應(yīng)力集中情況、構(gòu)件材質(zhì)等因素后，得到疲勞許用應(yīng)力值(表2)；連接件的疲勞許用應(yīng)力按表3的公式計(jì)算。

表1 構(gòu)件的疲勞許用應(yīng)力

表2 拉伸和壓縮疲勞許用應(yīng)力的基本值[rt]值[2-3]N·mm-2

構(gòu)件工作級(jí)別非焊接件構(gòu)件連接的應(yīng)力集中情況等級(jí)W0W1W2Q235Q345Q235Q345Q235Q345焊接件構(gòu)件連接的應(yīng)力集中情況等級(jí)K0K1K2K3K4Q235或Q345E1249.1298.0211.7253.3174.4208.6(361.9)(323.1)271.4193.9116E2224.4261.7190.7222.4157.1183.2(293.8)262.3220.3157.494.4E3202.2229.8171.8195.3141.5160.8238.4212.9178.8127.776.6E4182.1201.8154.8171.5127.5141.2193.5172.3145.1103.762.2E5164.1177.2139.5150.6114.2124.0157.1140.3117.884.250.5E6147.8155.6125.7132.3103.5108.9127.6113.695.668.341.0E7133.2136.6113.2116.293.295.7103.59277.655.433.3E8120.0120.0102.0102.084.084.084.075.063.045.027.0

括號(hào)內(nèi)的數(shù)值為大于Q235的0.75σb(抗拉強(qiáng)度)的理論計(jì)算值，僅用于求取公式(5)所用到的[σxr]、[σyr]和[τxyr]的值

表3 連接件的疲勞許用應(yīng)力[2-3]

2.4 結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度校核

(2)

(3)

(4)

(5)

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某在用通用門(mén)式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)的安全檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行分析，分析起重機(jī)定期(年檢)的安全檢測(cè)方式，研究表明基于疲勞強(qiáng)度校核的安全檢測(cè)對(duì)于主梁及連接件安全評(píng)價(jià)進(jìn)行量化判斷，使結(jié)果更具有可靠性和說(shuō)服力，能更好地確保起重機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的安全性。

[1]GB3811-2008.起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008:53-56.

[2] 徐格寧.機(jī)械裝備金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009:74-84.

[3] 徐格寧.起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997:25-28.

[責(zé)任編校： 張巖芳]

Safety Inspection of Crane Structure Based on Fatigue Strength Checking

JIANG Fan1, DING Lulu2

(1WuhanSpecialEquipmentSupervisionandInspectionInstitution,HubeiWuhan430040,China；2NanjingJiangbeiPortContainerTerminalCo.Ltd.,Nanjing210000,China)

This paper calculates the fatigue strength of the structure through analysing crane stress—history course and confirm stress cycle feature，judges the security of the crane .This crane structure health monitoring method, based on fatigue strength checking can simply, effectively and visually reflect the safety of structure and also insure the safety of crane operation．

fatigue strength；stress cycle feature；structure health monitoring

2015-04-20

江 凡(1985-)，男，湖北武穴人，武漢市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所工程師，研究方向?yàn)樘胤N設(shè)備開(kāi)發(fā)及實(shí)驗(yàn)

1003-4684(2015)04-0076-03

X943

A