張文軍

日照港股份有限公司第二港務(wù)分公司

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橋式抓斗卸船機(jī)裂紋機(jī)理分析

張文軍

日照港股份有限公司第二港務(wù)分公司

摘要：針對日照港橋式抓斗卸船機(jī)出現(xiàn)的裂紋問題，分析了疲勞裂紋的類型、產(chǎn)生原因及擴(kuò)展機(jī)理，從裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子K的角度分析了裂紋擴(kuò)展的條件，給出了帶裂紋構(gòu)件的壽命估計(jì)計(jì)算方法，并提出了強(qiáng)化設(shè)備管理和日常維護(hù)的對策。

關(guān)鍵詞：橋式抓斗卸船機(jī)；裂紋機(jī)理；裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子

1前言

起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的失效導(dǎo)致大量港口起重機(jī)發(fā)生事故。對于橋式起重機(jī)械的鋼結(jié)構(gòu)來講，裂紋、斷裂、變形和銹蝕是影響起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行的4大危害因素，其中銹蝕和變形的過程時間比較長，特征明顯，容易被提前發(fā)現(xiàn)，可采取有效措施進(jìn)行控制和修復(fù)[1]。但是裂紋的產(chǎn)生卻具有時間上和空間上的不確定性，也是這4種缺陷中最主要的，因此金屬結(jié)構(gòu)的裂紋更加為人們所重視。日照港的6臺橋式抓斗卸船機(jī)使用至今7年，其卸船機(jī)運(yùn)行臺車的金屬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了80余條宏觀裂紋，嚴(yán)重威脅了生產(chǎn)作業(yè)安全。

2橋式抓斗卸船機(jī)運(yùn)行臺車的結(jié)構(gòu)類型及工作特點(diǎn)

2.1結(jié)構(gòu)類型

運(yùn)行臺車即運(yùn)行機(jī)構(gòu)的均衡裝置，一般為箱型梁結(jié)構(gòu)。運(yùn)行臺車與車輪之間通過輪軸和軸孔連接，各級均衡梁之間通過銷軸連接。銷軸連接處的軸套與臺車架腹板采用對接焊縫連接。

2.2工作特點(diǎn)

(1)抓斗卸船機(jī)承受的常規(guī)載荷包括自重載荷、起升載荷、垂直動載荷、變速動載荷等，并通過金屬結(jié)構(gòu)傳遞到運(yùn)行機(jī)構(gòu)。

(2)在起重機(jī)非工作狀態(tài)下，運(yùn)行臺車承受載荷類型基本不變；卸船機(jī)承受起升載荷時，靠海一側(cè)的運(yùn)行臺車所受壓應(yīng)力增加，而陸地一側(cè)的運(yùn)行臺車所受壓應(yīng)力減小，且應(yīng)力恒為負(fù)；卸船機(jī)卸載時，靠海一側(cè)的運(yùn)行臺車所受壓應(yīng)力減小，而陸側(cè)的運(yùn)行臺車所受壓應(yīng)力增加。

(3)卸船機(jī)在一個工作循環(huán)中承受交變應(yīng)力，這是疲勞裂紋擴(kuò)展的動力。根據(jù)力矩平衡原理，陸側(cè)運(yùn)行臺車的力臂較海側(cè)長，導(dǎo)致卸船機(jī)在加載和卸載時陸側(cè)壓應(yīng)力更大，容易出現(xiàn)疲勞裂紋。

3疲勞裂紋分析

3.1裂紋產(chǎn)生機(jī)理

疲勞裂紋容易在有結(jié)構(gòu)缺陷和應(yīng)力較高、應(yīng)力集中的區(qū)域產(chǎn)生[2]。結(jié)構(gòu)缺陷包括材料本身的缺陷和焊接缺陷。承受交變應(yīng)力是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞破壞的首要因素。經(jīng)摩擦后的裂紋表面會變得光滑，且愈近裂紋源處愈光滑，疲勞裂紋擴(kuò)展至臨界尺寸時，隨著剩余工作截面的減小，應(yīng)力逐漸增加，裂紋進(jìn)入加速擴(kuò)展階段。當(dāng)有效工作截面變得不能受載時，構(gòu)件會發(fā)生脆性斷裂。在應(yīng)力集中的區(qū)域，例如承載界面突變處的力流設(shè)計(jì)不合理，在短時間內(nèi)也會出現(xiàn)裂紋。

3.2裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子

(1)帶裂紋構(gòu)件受力后，裂紋尖端區(qū)域產(chǎn)生局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。裂紋尖端處的應(yīng)力集中程度與曲率半徑有關(guān)。裂紋越尖銳，應(yīng)力集中的程度就越高。斷裂力學(xué)表明：當(dāng)固體有非常尖銳的裂紋存在時，固體材料的實(shí)際斷裂強(qiáng)度較理論斷裂強(qiáng)度低得多。

(2)由線彈性斷裂力學(xué)[3]，引入應(yīng)力強(qiáng)度因子K。K是構(gòu)件幾何特征、裂紋尺寸與載荷的函數(shù)，表征外力作用下彈性物體裂紋尖端附近應(yīng)力場強(qiáng)度的一個參量。Ⅰ型裂紋(張開型裂紋)的裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子用KⅠ表示：

(1)

式中，σ為名義應(yīng)力；a為裂紋尺寸；Y為形狀系數(shù)。

以上參數(shù)可通過設(shè)計(jì)說明或機(jī)械設(shè)計(jì)手冊查得。應(yīng)力強(qiáng)度因子手冊可查得常見的或較簡單的應(yīng)力強(qiáng)度因子。

材料抵抗裂紋擴(kuò)展的抗力函數(shù)Kc稱為材料的斷裂韌度(應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值)，由試驗(yàn)測定。

定義脆性斷裂的函數(shù)K準(zhǔn)則：

(2)

如果某個工程結(jié)構(gòu)存在初始裂紋，雖然開始使用時，在承受工作載荷下不會產(chǎn)生斷裂，但是由于絕大多數(shù)工程結(jié)構(gòu)在使用期間都要承受循環(huán)式的載荷，長期承受這種載荷，結(jié)構(gòu)中的初始裂紋將會緩慢擴(kuò)大。一旦外加載荷與裂紋長度的組合使得應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到其臨界值Kc，結(jié)構(gòu)就會失效。

3.3疲勞裂紋擴(kuò)展

在工程實(shí)際中，構(gòu)件經(jīng)常承受疲勞載荷。根據(jù)裂紋擴(kuò)展規(guī)律，裂紋的擴(kuò)展分為3個階段：起裂、亞臨界擴(kuò)展(穩(wěn)定擴(kuò)展)、失穩(wěn)擴(kuò)展。初始構(gòu)件中的裂紋很小，沒有達(dá)到破壞規(guī)定的臨界尺寸；在載荷作用下裂紋發(fā)生亞臨界擴(kuò)展，最后達(dá)到臨界裂紋尺寸而失穩(wěn)擴(kuò)展，以致結(jié)構(gòu)完全破壞或失效。從初始裂紋擴(kuò)展到臨界裂紋長度(即與外載荷組合得到的應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到臨界值Kc時的裂紋長度)所需的載荷循環(huán)次數(shù)，稱為結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命。Paris公式指出，應(yīng)力強(qiáng)度因子是表征裂紋尖端附近應(yīng)力、應(yīng)變長的主要參量，同樣也應(yīng)該是控制裂紋擴(kuò)展速率的主要參量，有：

(3)

式中，ΔK=ΔKmax-ΔKmin為應(yīng)力強(qiáng)度因子變程，C和n為材料常數(shù)。

對含中央裂紋的無限大板，有：

(4)

(5)

式中，Δσ=σmax-σmin。代入原式，有：

(6)

該公式適用于宏觀裂紋擴(kuò)展階段。此時裂紋擴(kuò)展方向與拉應(yīng)力垂直，且為單一裂紋擴(kuò)展。一般認(rèn)為0.10 mm

對上式積分，得到裂紋擴(kuò)展壽命的估計(jì)：

(7)

式中，n≠2。當(dāng)n=2時，結(jié)果為

(8)

4日照港橋式抓斗卸船機(jī)裂紋產(chǎn)生原因分析

4.1理論分析

假設(shè)運(yùn)行臺車裂紋的產(chǎn)生僅與其工作特點(diǎn)、載荷特性有關(guān)，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。

由圖1可知，在卸船機(jī)的1個工作循環(huán)內(nèi)，海側(cè)和陸側(cè)的運(yùn)行臺車承受交變壓應(yīng)力。在卸船機(jī)工作時，運(yùn)行臺車反復(fù)承受交變應(yīng)力，這是疲勞裂紋產(chǎn)生的普遍原因。初步判定，運(yùn)行臺車焊縫及其附近母材的裂紋是由疲勞產(chǎn)生的。

以日照港6臺卸船機(jī)中的5號樣機(jī)的最長裂紋為例，裂紋檢測結(jié)論見表1。

表1　裂紋檢測結(jié)論

檢測結(jié)論：發(fā)現(xiàn)裂紋，不合格。

做近似處理，認(rèn)為該裂紋為無限大板的中央裂紋，且處于宏觀裂紋的擴(kuò)展階段，其擴(kuò)展方向與交變壓應(yīng)力方向垂直，為單一裂紋擴(kuò)展。

已知：卸船機(jī)運(yùn)行臺車材料為Q235A，其材料系數(shù)見表2。

根據(jù)該卸船機(jī)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時陸側(cè)運(yùn)行臺車腹板壓應(yīng)力見表3。

圖1　卸船機(jī)工作循環(huán)內(nèi)臺車應(yīng)力變化

材料KIC/(MPa·m)Kth/(MPa·m)CnQ235A126.54.192.68×10-103.78

表3　運(yùn)行臺車腹板應(yīng)力(單位：MPa)

現(xiàn)檢測到的裂紋長度為a1=307.5 mm

由公式1,公式2，可計(jì)算得當(dāng)前裂紋長度時的裂紋強(qiáng)度因子：

(9)

該裂紋為一般形態(tài)的無限大板的中央裂紋，取Y=1。

可知該處裂紋仍處于亞臨界擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)(穩(wěn)定擴(kuò)展?fàn)顟B(tài))，根據(jù)公式5，計(jì)算得Q235材料在該結(jié)構(gòu)的名義應(yīng)力作用下的臨界裂紋長度：

(10)

由此可知，該處裂紋仍在臨界裂紋長度之內(nèi)，且該處裂紋適用于Paris公式。

確定裂紋初始長度a0:

(11)

根據(jù)公式7計(jì)算，該裂紋從初始裂紋長度a0到現(xiàn)檢測長度a1的擴(kuò)展時間N=2.11×107。

實(shí)際情況下，日照港的該卸船機(jī)5號樣機(jī)已工作7年，每天大約350個工作循環(huán)，利用率為60%～70%，可計(jì)算得到現(xiàn)已消耗壽命N1：

(12)

比較N和N1，可知：N?N1

由此可見，僅由疲勞導(dǎo)致的裂紋擴(kuò)展壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)已消耗的壽命。因此，疲勞裂紋擴(kuò)展壽命遠(yuǎn)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(nèi)不應(yīng)該出現(xiàn)這么長的裂紋[4]。由此可初步判定，認(rèn)為運(yùn)行臺車焊縫及其附近母材的裂紋由疲勞產(chǎn)生是不正確的。該處裂紋的擴(kuò)展，由交變應(yīng)力導(dǎo)致的疲勞并非主要原因。

4.2設(shè)計(jì)分析

既然使用過程中的疲勞并非運(yùn)行臺車腹板裂紋擴(kuò)展的主要原因，那么在設(shè)計(jì)制造過程中是否導(dǎo)致該運(yùn)行臺車存在缺陷呢？

查閱該卸船機(jī)5號樣機(jī)的運(yùn)行臺車部分的設(shè)計(jì)圖紙，發(fā)現(xiàn)了一個重大的設(shè)計(jì)錯誤，現(xiàn)截取圖紙(見圖2)如下進(jìn)行說明。

由設(shè)計(jì)圖紙可知，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。當(dāng)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(yīng)力集中，應(yīng)當(dāng)將板的一側(cè)或兩側(cè)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(jì)算厚度取較薄板的厚度。而該設(shè)計(jì)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(yīng)力集中，力的傳遞阻礙打，力流線不順暢。經(jīng)計(jì)算，大坪衡梁、中平衡梁、小平衡梁對接焊位置計(jì)算坡度均大于1 ∶4，計(jì)算坡度不符合焊接標(biāo)準(zhǔn)。

圖2　大車行走機(jī)構(gòu)(圈出的是軸套及近母材區(qū)，裂紋位置)

當(dāng)應(yīng)力集中在兩變截面對接處，軸套傳遞下來的應(yīng)力流向下傳遞至近母材。當(dāng)坡度過大時，薄板(腹板)將承受附加彎矩，且有較大的應(yīng)力集中，應(yīng)力不能順暢地傳導(dǎo)至腹板，易產(chǎn)生開裂甚至斷裂；當(dāng)坡度滿足對接焊標(biāo)準(zhǔn)時，力流線會隨坡度緩慢變向匯合，能順暢地傳導(dǎo)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，見圖3。

圖3　腹板及套軸對接坡度對應(yīng)力的影響

因此，該運(yùn)行臺車的裂紋產(chǎn)生和亞臨界擴(kuò)展(穩(wěn)定擴(kuò)展)，在卸船機(jī)設(shè)計(jì)階段，腹板及軸套對接結(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)致應(yīng)力集中，力流線不順暢是主要原因。

4.3 分析結(jié)果

造成運(yùn)行臺車的裂紋產(chǎn)生和亞臨界擴(kuò)展的原因有以下2方面。

(1)設(shè)計(jì)制造階段，腹板及軸套采用對接焊縫連接，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致應(yīng)力集中，力流線不順暢，并對腹板的局部區(qū)域產(chǎn)生附加彎矩。

(2)運(yùn)行臺車工作中承受交變壓應(yīng)力[5]，由此產(chǎn)生的疲勞也使得裂紋擴(kuò)展。其中，設(shè)計(jì)錯誤是根本原因，如果設(shè)計(jì)中沒有較大的應(yīng)力集中，僅由疲勞導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展的壽命將大大提高，不會產(chǎn)生宏觀長裂紋。

5結(jié)語

從日照港的卸船機(jī)運(yùn)行臺車開裂的分析看，其在設(shè)備管理中還存在一些問題，如對使用設(shè)備的設(shè)計(jì)制造過程沒有做到良好的監(jiān)督，對原有的設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)圖紙沒有進(jìn)行詳細(xì)的審核。由于設(shè)計(jì)單位對運(yùn)行臺車的對接焊縫處的設(shè)計(jì)不合理，港口企業(yè)對設(shè)計(jì)圖紙的審查不到位，以致在使用過程中造成了不可彌補(bǔ)的損失。另外，在對設(shè)備日常維護(hù)和每月普查中，只注重經(jīng)驗(yàn)辨識的危險點(diǎn)而忽視了對整機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的檢查，以及在設(shè)備管理過程中沒有認(rèn)真詳細(xì)地執(zhí)行規(guī)章制度，也是運(yùn)行臺車開裂的重要原因。

因此，要避免類似故障的發(fā)生，首先應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備的初期管理，加強(qiáng)對設(shè)備設(shè)計(jì)、制造階段的審核。其次應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)設(shè)備使用過程的維護(hù)和檢查，做到重點(diǎn)檢查，全面兼顧。在日常維護(hù)和點(diǎn)檢中以易發(fā)生故障或故障修復(fù)位置的檢查為主；在月檢、季檢時，應(yīng)當(dāng)對整機(jī)進(jìn)行全面檢查，不放過任何一個可能存在的故障源。最后，應(yīng)當(dāng)引進(jìn)或推進(jìn)TnPM體系，在人機(jī)精細(xì)化管理上下功夫。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]劉秀華,謝劍剛.橋式抓斗卸船機(jī)滑輪座底部裂紋的處理及分析[M].武漢：武漢科技大學(xué)，2010:25-27.

[2]徐灝.疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981:32-36.

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[4]羅偉立.基于有限元和斷裂力學(xué)的卸船機(jī)疲勞壽命評估[D].廣州：華南理工大學(xué)，2014.

[5]甘文兵,毛磊，戚戰(zhàn)鋒.基于有限元法的卸船機(jī)鋼結(jié)構(gòu)開裂原因分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2014(6)：52-54.

張文軍： 276828，山東省日照市東港區(qū)黃海一路97號

Crack Mechanism Analysis of Bridge Grab Ship-unloader

The Second Harbor Company of Rizhao Port Co., Ltd.Zhang Wenjun

Abstract：To solve the cracking problem of bridge grab ship-unloader on Rizhao port, the types,causes and extension mechanism of fatigue crack are analyzed. The extension condition of crack is analyzed from the stress intensity factor of crack′s tip, the life estimation method of a structure with crack is given and the scheme of device management and routing maintenance is proposed.

Key words:bridge grab ship-unloader; crack mechanism; stress intensity factor of crack′s tip

收稿日期：2016-05-08

DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2016.03.007