戴祖洪(南京明州碼頭有限公司,江蘇南京210000)

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橋式抓斗卸船機裂紋機理分析及相應設備管理建議

戴祖洪
(南京明州碼頭有限公司,江蘇南京210000)

摘要：本文結合國內某港口橋式抓斗卸船機出現(xiàn)的問題，詳細描述疲勞裂紋的類型、產生原因及擴展機理，并從裂紋尖端的應力強度因子K的角度分析了裂紋擴展的條件，帶裂紋構件的壽命估計計算，這可用于生產實際的機械金屬結構裂紋分析及設備的管理過程，同時也針對性的提出設備管理建議。

關鍵詞：港口；橋式抓斗卸船機；裂紋

大量的港口起重機事故是由于金屬結構失效引起的。對于橋式起重機械的鋼結構來講，裂紋、斷裂、變形與銹蝕是起重機鋼結構安全運行的四大危害因素。其中銹蝕和變形過程時間比較長，特征明顯，容易被提前發(fā)現(xiàn)，采取有效措施進行控制和修復。但是裂紋的發(fā)生卻具有時間和空間的不確定性，因此金屬結構的裂紋更加為人所重視。不僅如此，金屬結構產生裂紋也是這四種缺陷中最主要的。國內某港口的6臺橋式抓斗卸船機使用至今7年，其卸船機運行臺車金屬結構出現(xiàn)了80余條宏觀裂紋，嚴重威脅了作業(yè)安全。

1橋式抓斗卸船機運行臺車的結構類型及工作特點

1.1結構類型

運行臺車即運行機構的均衡裝置，一般為箱型結構。運行臺車與車輪通過輪軸和軸孔連接，各級均衡梁之間通過銷軸連接。銷軸連接處軸套與臺車架腹板是對接焊縫。

1.2工作特點

抓斗卸船機的整機載荷，包括自重、起升載荷、風載荷等，最終由金屬結構傳到運行臺車及車輪，幾組運行臺車平均承受整機載荷。

在起重機非工作時，運行臺車承受載荷大致不變；在卸船機起升載荷時，海測運行臺車所受壓應力增加，陸側運行臺車所受壓應力減小，且都恒為負應力；而卸載時，海測運行臺車所受壓應力減小，陸側運行臺車所受壓應力增加。

如此完成一個工作循環(huán)，可認為，運行臺車工作時反復承受交變壓應力的影響，將成為疲勞裂紋擴展的動力。而且根據(jù)力矩平衡，陸側運行臺車的力臂較海側長，固卸船機在加載荷卸載時陸側壓應力變幅更大，也更容易出現(xiàn)疲勞裂紋。

2疲勞裂紋

疲勞裂紋起源于結構缺陷和應力較高、應力集中的區(qū)域。結構缺陷包括材料本身的缺陷和焊接缺陷。承受交變應力作用是結構疲勞破壞的首要條件。經(jīng)摩擦后的裂紋表面會變得光滑，且愈近裂紋源愈光滑，這就是俗稱的“貝殼線”現(xiàn)象。疲勞裂紋擴展至臨界尺寸時，隨著剩余工作截面的減小，應力逐漸增加，裂紋進入加速擴展階段。當有效工作截面小到不能承載時，構件在載荷的沖擊下便會發(fā)生脆性斷裂。在應力集中的區(qū)域，例如承載界面突變處，力流設計不合理，會導致在短時間內也會出現(xiàn)明顯裂紋。

2.1裂紋尖端應力強度因子

2.1.1帶裂紋構件受力后，裂紋尖端區(qū)域產生局部應力集中現(xiàn)象

裂紋尖端區(qū)域應力集中程度與曲率半徑有關，裂紋越尖銳，應力集中的程度就越高。斷裂力學表明：當固體有非常尖銳的裂紋存在時，固體材料的實際斷裂強度較理論斷裂強度低得多。

2.1.2根據(jù)線彈性斷裂力學，引入應力強度因子K

K是構件幾何、裂紋尺寸與外載荷的函數(shù)，表征了裂紋尖端載荷和變形的強度，是裂紋擴展趨勢或者裂紋擴展推動力的度量。Ⅰ型裂紋（張開型裂紋）的裂紋尖端應力強度因子用表示：

σ—名義應力；a—裂紋尺寸；Y—為形狀系數(shù)。

以上參數(shù)可通過設計說明或機械設計手冊獲得。對于常見的或較簡單的應力強度因子，已有應力強度因子手冊作詳細介紹。

當一個工程結構中存在著初始裂紋時，雖然開始使用時在工作載荷下并不會產生斷裂，但是由于絕大多數(shù)工程結構在服役期間都要承受循環(huán)式的載荷，在這種載荷作用下，結構中的初始裂紋將會緩慢增長。一旦外加載荷與裂紋長度的組合使得應力強度因子達到其臨界值，結構就會失效。

2.2疲勞裂紋擴展

在工程實際中，構件要承載或守循環(huán)載荷（疲勞載荷）的作用。根據(jù)裂紋擴展規(guī)律，裂紋的擴展有三個階段：起裂、亞臨界擴展（穩(wěn)定擴展）、失穩(wěn)擴展。起初構件中的裂紋很小，沒有達到臨界尺寸；在載荷作用下裂紋發(fā)生亞臨界擴展，最后達到臨界裂紋尺寸而失穩(wěn)擴展，以致結構完全破壞或失效。從初始裂紋擴展到臨界裂紋長度（即與外載荷組合得到的應力強度因子達到臨界值時的裂紋長度）所需的載荷循環(huán)次數(shù)，稱為結構的疲勞裂紋擴展壽命。Paris公式指出，應力強度因子是表征裂紋尖端附近應力、應變長的主要參量，同樣也應該是控制裂紋擴展速率的主要參量，有：

對含中央裂紋的無限大板，有：

該公式適用于宏觀裂紋擴展階段。此時裂紋擴展方向與拉應力垂直，且為單一裂紋擴展。一般認為時為宏觀裂紋擴展。

對上式積分，得到裂紋擴展壽命的估計：

3國內某港口橋式抓斗卸船機裂紋產生原因分析

假設運行臺車裂紋的產生僅與其工作特點、載荷特性有關，則可初步斷定裂紋是由長期的交變載荷所引起的疲勞裂紋，這也是最常見的原因。

在卸船機的一個工作循環(huán)內，海測和陸側的運行臺車承受交變壓應力。在卸船機工時，運行臺車將反復承受交變應力，這是疲勞裂紋產生的普遍原因。初步判定，運行臺車焊縫及其附近母材的裂紋是由疲勞產生的。

3.1計算驗證

根據(jù)第二章，采用應力強度因子簡略計算裂紋從初始長度到現(xiàn)在檢測長度的擴展時間，與實際工作時間比較，驗證裂紋產生的主要原因是否是疲勞。

以國內某港口6臺卸船機中的5號樣機的最長裂紋為例：

表1裂紋檢測結論

做近似處理，認為該裂紋為無限大板的中央裂紋，且處于宏觀裂紋的擴展階段，其擴展方向與交變壓應力垂直，為單一裂紋擴展。

已知：卸船機運行臺車材料為Q235A，根據(jù)《機械設計手冊》，Q235鋼，其材料系數(shù)為：

表2 Q235材料參數(shù)

根據(jù)該卸船機的特點，設計時陸側運行臺車腹板壓應力：（單位：MPa）

表3運行臺車腹板應力

該裂紋為一般形態(tài)的無限大板的中央裂紋，取Y=1。

因此可知該處裂紋仍處于亞臨界擴展狀態(tài)（穩(wěn)定擴展狀態(tài)），即可根據(jù)公式（5），計算得Q235材料在該結構的名義應力作用下的臨界裂紋長度：

由此可知該出裂紋仍在臨界裂紋長度之內，且該處裂紋適用于Paris公式。

實際情況下，國內某港口的該卸船機5號樣機已工作7年，每天大約350個工作循環(huán)，利用率為60%~ 70%，可計算得到現(xiàn)已消耗壽命：

由此可知，僅由疲勞導致的裂紋擴展壽命遠遠大于現(xiàn)已消耗的壽命。

結論：疲勞裂紋擴展壽命遠大于現(xiàn)已消耗的壽命，理論上在現(xiàn)工作循環(huán)次數(shù)內不應該出現(xiàn)這么長的裂紋。由此可知初步判定——運行臺車焊縫及其附近母材的裂紋是由疲勞產生的，是不正確的。該處裂紋的擴展，由交變應力導致的疲勞并非主要原因。

3.2設計原因分析

既然使用過程中的疲勞并非運行臺車腹板裂紋擴展的主要原因，那么在設計制造過程中是否使得該運行臺車存在缺陷呢？

3.2.1查閱該卸船機5號樣機的運行臺車部分的設計圖紙，發(fā)現(xiàn)了重大的設計錯誤

三級平衡梁的腹板與銷軸軸套之間采用對接焊縫連接，且屬于厚板與薄板對接。查閱《機械設計手冊》及《起重機械鋼結構設計》，對對接焊縫的構造有如下要求：

當采用對接焊縫連接不同厚度或不同寬度的鋼板時，為減少應力集中，應將板的一側或兩側加工成坡度不大于1:4的坡度，形成平緩過渡。在改變厚度時，焊縫的計算厚度取較薄板的厚度。

而該設計圖紙表明此處的焊接位置的坡度大于1:4，因此會引起較大的應力集中，力的傳遞阻礙打，力流線不順暢。經(jīng)計算，大坪衡梁、中平衡梁、小平衡梁對接焊位置計算坡度均大于1：4，不符合焊接標準。

3.2.2坡度對力流的影響

當應力集中在兩變截面對接處，軸套傳遞下來的應力流向下傳遞至近母材。當坡度過大時，薄板（腹板）將承受附加彎矩，且有較大的應力集中，應力不能順暢地傳導至腹板，易產生開裂甚至斷裂；當坡度滿足對接焊標準時，力流線會隨坡度緩慢變向匯合，能順暢地傳導匯集至焊縫及薄板（腹板），這種情況下腹板承力狀態(tài)比較良好。

結論：該運行臺車的裂紋產生和亞臨界擴展（穩(wěn)定擴展），在卸船機設計階段，腹板及軸套對接結構不合理，導致應力集中，力流線不順暢是主要原因。

3.3分析結果

造成運行臺車的裂紋產生和亞臨界擴展的原因有兩方面。

第一：設計制造階段，腹板及軸套采用對接焊縫連接，但結構設計不合理，導致應力集中，力流線不順暢，并對腹板的局部區(qū)域產生附加彎矩。

第二：運行臺車工作中承受交變壓應力，由此產生的疲勞也使得裂紋擴展。

其中，設計錯誤是根本原因，如果設計中沒有較大的應力集中，僅由疲勞導致裂紋擴展的壽命大大提高，不會產生宏觀長裂紋。

4設備管理建議

4.1設備管理中的不足

從國內某港口的卸船機運行臺車開裂的分析看，其在設備管理中存在以下問題：

在對設備的設計制造過程沒有做到良好的監(jiān)督，對原有的設計單位的圖紙沒有進行詳細的審核。雖然設計單位在運行臺車對接焊縫處的設計不合理，但同時由于港口企業(yè)對設計圖紙的審查不到位，造成在使用過程中不可避免的損失。

日常維護、每月普查中忽視整機金屬結構的檢查，只注重經(jīng)驗辨識的危險點。

設備管理過程中沒有認真執(zhí)行規(guī)章制度。

4.2設備管理改善建議

加強設備的初期管理，加強對設備設計、制造階段的審核。應理解設備一生的管理概念，每一個環(huán)節(jié)都是極為重要的，特別是設備的設計、制造環(huán)節(jié)的質量好壞，決定了設備壽命周期費用的多少，應將不必要的損失扼殺在搖籃之中。

加強使用過程的維護和檢查，做到重點檢查，全面兼顧。日常維護、點檢以易發(fā)生故障或故障修復位置的檢查為主；月檢、季檢時應對整機進行全面檢查，不放過任何一個故障源。

引進或推進TnPM體系，在人機精細化管理上下功夫。只有在管理上做到精細，才能從最微小的地方遏制故障的發(fā)生。

DOI編碼：10.13646/j.cnki.42-1395/u.2016.01.018

中圖分類號：U657.3

文獻標識碼：A

文章編號：1006－7973（2016）01－0059－03