王 允

?

基于橋架類起重機(jī)全生命周期的金屬結(jié)構(gòu)檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和構(gòu)建

王 允

（河南省特種設(shè)備安全檢測研究院，河南 鄭州 450000）

以國家橋架類及輕小型起重機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心建設(shè)為契機(jī)，根據(jù)橋架類起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、拼裝、在役等生命階段的形成和使用特征，構(gòu)建全生命周期內(nèi)的檢驗(yàn)檢測能力，包括實(shí)驗(yàn)室定位、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、方法和設(shè)備、達(dá)到的目標(biāo)和效果等。

橋架類起重機(jī)；金屬結(jié)構(gòu)；檢測系統(tǒng)

橋架類起重機(jī)是制造、物流、交通等行業(yè)的重要裝備，它通常由橋架、起升機(jī)構(gòu)、大小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、動(dòng)力裝置、操縱控制及必要的輔助裝置組合而成，見圖1所示。組成橋架的金屬結(jié)構(gòu)是制造起重機(jī)的骨架，其重量占起重機(jī)總重量的60%~80%，是起重機(jī)運(yùn)行的基礎(chǔ)，在起重機(jī)安全運(yùn)行方面發(fā)揮著重要作用[1~3]。因此，起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量和安全檢驗(yàn)尤為重要，它是保證起重機(jī)安全運(yùn)行的前提。為此作者所在單位以籌建國家橋架類及輕小型起重機(jī)械質(zhì)檢中心建設(shè)為契機(jī)，籌建了金屬結(jié)構(gòu)檢測平臺(tái)，目的是搭建這方面的檢驗(yàn)和測試系統(tǒng)，開展相關(guān)輕量化和優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)研究，進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)檢測、安全評價(jià)等業(yè)務(wù)，為政府決策、企業(yè)質(zhì)量提升和起重機(jī)安全使用提供檢驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)服務(wù)。

1.主梁；2.電器；3.支腿；4.操縱室；5.起升機(jī)構(gòu)；6.運(yùn)行機(jī)構(gòu)

圖1 橋架類起重機(jī)的基本組成

1 構(gòu)建的目的和必要性

金屬結(jié)構(gòu)是橋架類起重機(jī)的骨架，承擔(dān)著包括自身結(jié)構(gòu)和起重量在內(nèi)的全部載荷，因此保證金屬結(jié)構(gòu)的質(zhì)量安全對起重機(jī)來說有重要意義。目前對起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的檢測手段比較分散，對于起重機(jī)的原材料，一般起重機(jī)生產(chǎn)制造企業(yè)不具有檢測分析能力，常委托給專門實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測。起重機(jī)生產(chǎn)廠家僅對金屬結(jié)構(gòu)的制造過程進(jìn)行檢驗(yàn)，采用的方式是生產(chǎn)企業(yè)構(gòu)建自己的檢驗(yàn)部門，對制造過程進(jìn)行檢驗(yàn)。針對在役起重機(jī)，使用單位一般不做檢驗(yàn)，主要由當(dāng)?shù)氐奶胤N設(shè)備檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)每年做一次定期檢驗(yàn)，但也僅做有限的檢驗(yàn)項(xiàng)目。因此在《中國裝備制造2025》發(fā)布前，搭建全生命周期內(nèi)的檢驗(yàn)手段和能力，開展檢測系統(tǒng)建設(shè)、人員保證要求建設(shè)、設(shè)備保證要求建設(shè)、管理保證要求建設(shè)，是非常有必要的[4~5]。

2 建設(shè)方案

從起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的形成過程來看，分設(shè)計(jì)、制造、安裝、在役等四個(gè)階段；從保證起重機(jī)質(zhì)量和安全角度出發(fā)，不同的階段實(shí)施有不同的檢測項(xiàng)目，設(shè)計(jì)階段考慮在保證安全的前提下進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，助力起重機(jī)行業(yè)提升；制造階段對起重機(jī)的原材料和焊縫、結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀公差進(jìn)行檢驗(yàn)，以保證產(chǎn)品達(dá)到相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)；安裝和在役的起重機(jī)主要對金屬結(jié)構(gòu)加載后的狀態(tài)進(jìn)行檢測，對此建設(shè)的橋架類起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)全生命周期檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和構(gòu)建應(yīng)有不同的考慮，見表1所示。

表1 起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)形成階段和基本檢測項(xiàng)目體系

2.1 設(shè)計(jì)階段的結(jié)構(gòu)分析和評價(jià)方法

起重機(jī)的設(shè)計(jì)階段主要是進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析評價(jià)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化評價(jià)。由于起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其結(jié)構(gòu)功能函數(shù)通常是未知的，必須借助數(shù)值方法才能進(jìn)行其強(qiáng)度、剛度及疲勞壽命計(jì)算。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值方法的快速發(fā)展，有限元法成為目前工程界分析和設(shè)計(jì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)常用的手段。

本中心籌建了結(jié)構(gòu)與分析實(shí)驗(yàn)室，設(shè)置了兩個(gè)大型的有限元工作站，采取有限元分析技術(shù)，利用ANSYS、SAP84等軟件，研究了橋架類起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模，開展對金屬結(jié)構(gòu)載荷變化規(guī)律、動(dòng)態(tài)特性和疲勞特性的研究，開展對金屬結(jié)構(gòu)可靠性的實(shí)驗(yàn)研究，起重機(jī)結(jié)構(gòu)有限元模型分析界面見圖2。

2.2 制造過程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、方法和設(shè)備

制造階段主要分原材料、制造（主要是焊接）、預(yù)裝或現(xiàn)場安裝三個(gè)階段。

起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)通常采用板材或型材焊接而成。起重機(jī)工作性能好壞與金屬結(jié)構(gòu)的材料選用有著直接關(guān)系，因此對原材料及焊縫進(jìn)行機(jī)械性能、化學(xué)成分和金相分析是非常有必要的。針對原材料及焊縫的檢測，本單位構(gòu)建了力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)室、物理性能實(shí)驗(yàn)室、化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)室，擁有的檢測設(shè)備包括：萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)、扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)機(jī)、擺錘沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)、洛氏/布氏硬度計(jì)等儀器及其配套設(shè)備；檢測金屬組織的金相顯微鏡及金相制樣的全套設(shè)備等金屬材料組織性能分析儀器；檢測金屬成分及含量的光譜分析儀、化學(xué)元素分析儀等儀器。這三個(gè)針對原材料檢測設(shè)置的實(shí)驗(yàn)室可以檢測原材料及焊縫的強(qiáng)度、沖擊韌性、硬度、化學(xué)成分、各成分含量和金屬顯微組織結(jié)構(gòu)。從微觀檢驗(yàn)到宏觀檢驗(yàn)，從成分檢驗(yàn)到性能全面檢驗(yàn)，幫助起重機(jī)生產(chǎn)企業(yè)控制原材料的質(zhì)量，這也是保證起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量達(dá)標(biāo)的前提。

起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)主要是通過焊接的方式來連接，并且鋼板或型材之間焊縫中的缺陷是構(gòu)件斷裂的主要原因，因此對焊縫質(zhì)量的檢測是保證起重機(jī)安全運(yùn)行的前提。焊接成形后檢驗(yàn)主要是尺寸檢驗(yàn)和焊縫無損檢測，針對金屬結(jié)構(gòu)的焊后檢驗(yàn)，本單位籌建了無損檢測實(shí)驗(yàn)室，配備了檢測表面和近表面缺陷的滲透和磁粉無損檢測設(shè)備，以及用于檢測焊縫內(nèi)部缺陷的超聲無損檢測設(shè)備，從表面到內(nèi)部對焊縫進(jìn)行全方位檢測，保證焊接結(jié)構(gòu)的可靠性。

總裝后應(yīng)進(jìn)行主梁的上拱度、上翹度、水平、垂直偏斜、旁彎，懸臂的上翹度、腹板的翹曲、垂直偏斜等檢測，以及外形尺寸的檢查。針對這些檢測項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)室配備的檢測儀器有激光測距儀、全站儀、經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、鋼直尺、塔尺等。

2.3 預(yù)裝或安裝后的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、方法和設(shè)備

預(yù)裝或安裝后的主要項(xiàng)目是動(dòng)靜載荷實(shí)驗(yàn)、拱度測量、應(yīng)力應(yīng)變測試以及結(jié)構(gòu)對稱性檢測，配備的儀器有激光測距儀、應(yīng)力應(yīng)變測試儀、結(jié)構(gòu)壓力實(shí)驗(yàn)臺(tái)等儀器設(shè)備。

2.4 在役橋架類起重機(jī)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、方法和設(shè)備

在役起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)使用一段時(shí)間后，會(huì)發(fā)生疲勞，甚至出現(xiàn)裂紋[6]，為此需要對鋼結(jié)構(gòu)疲勞、焊縫缺陷及上拱度等進(jìn)行檢測。主要用到的儀器裝置有聲發(fā)射測試儀、滲透和磁粉無損檢測裝置、超聲無損檢測裝置、全站儀或經(jīng)緯儀等。

3 實(shí)驗(yàn)室管理模式和檢測系統(tǒng)組成

金屬結(jié)構(gòu)各生命周期階段的檢驗(yàn)方法、手段和環(huán)境都不一樣，為便于業(yè)務(wù)的開展，在管理模式方面有著自己的特點(diǎn)。在組織體系上，金屬結(jié)構(gòu)檢測系統(tǒng)構(gòu)建的主要依托機(jī)構(gòu)是河南省特種設(shè)備安全檢測研究院，由國家橋架類及輕小型起重機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行管理，系統(tǒng)的構(gòu)建主要包括以下幾個(gè)檢測試驗(yàn)室。

3.1 結(jié)構(gòu)分析和評價(jià)實(shí)驗(yàn)室

主要開展新產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的結(jié)構(gòu)分析和評價(jià)、應(yīng)力應(yīng)變測試、老舊起重機(jī)的安全評價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)分析等。針對不同類型和用途的起重機(jī)采用有限元軟件進(jìn)行參數(shù)化建模，通過對數(shù)據(jù)的分析，對起重機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，促進(jìn)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)向輕量化和節(jié)能化的發(fā)展。通過對在役起重機(jī)的有限元結(jié)構(gòu)分析，對起重機(jī)的安全性進(jìn)行評價(jià)，進(jìn)而判斷金屬結(jié)構(gòu)的使用壽命。

3.2 力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)室

主要開展結(jié)構(gòu)用材料的拉、壓、彎、扭、沖，硬度和金相實(shí)驗(yàn)等。金屬材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)室通過不同技術(shù)實(shí)驗(yàn)測定金屬的各種力學(xué)性能指標(biāo)。通過金屬力學(xué)性能測試，可以最大限度發(fā)揮材料潛力、分析金屬結(jié)構(gòu)故障、確保金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)室的檢驗(yàn)流程依次是樣品接收、任務(wù)分配、樣品交接、實(shí)驗(yàn)測試、分析數(shù)據(jù)及出具證書報(bào)告。

3.3 化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)室

化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)室主要對原材料進(jìn)行檢測。起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的主要部件采用的材料有普通碳素鋼、普通低合金鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼。通常，鋼中除了鐵（Fe）外還含有少量的碳(C)、硅(Si)、錳(Mn)、磷(P)、硫(S)、氧(0)、氮(N)、鈦(Ti)、釩(V)等元素，這些元素雖含量很少，但對鋼材性能的影響很大。因此化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)室配備了碳硫分析儀、錳磷硅分析儀、光譜分析儀等設(shè)備，全面的對鋼材的元素含量、元素種類進(jìn)行檢測，從原材料上監(jiān)控金屬結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

3.4 無損檢測實(shí)驗(yàn)室

起重機(jī)的故障發(fā)生率調(diào)查數(shù)據(jù)顯示：故障的45％來自裂紋，22％來自焊縫缺陷[7]。對焊縫的檢測分為制造過程中和使用中的起重機(jī)的無損檢測。根據(jù)起重機(jī)的檢測特點(diǎn)，無損檢測實(shí)驗(yàn)室配備了便攜式無損檢測設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)室和起重機(jī)工作現(xiàn)場均可開展檢驗(yàn)。

4 結(jié)語

本文論述了橋架類起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)全生命周期檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，分析了構(gòu)建該檢驗(yàn)系統(tǒng)所需設(shè)備及檢測項(xiàng)目?？梢钥闯?，完成金屬結(jié)構(gòu)檢測系統(tǒng)的構(gòu)建，可以為企業(yè)提供技術(shù)支持，為起重機(jī)安全運(yùn)行發(fā)揮重要作用。

（責(zé)任編輯呂春紅）

[1] 須雷.起重機(jī)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，1996(8):3-7.

[2] 張勝民.基于有限元軟件ANSYS7.0的結(jié)構(gòu)分析[M].北京：清華大學(xué)，2003.

[3] 張質(zhì)文.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[4] 郭景霞.工業(yè)工程綜合實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的研究與實(shí)施[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2015,32（11）:260-264.

[5] 董國強(qiáng).實(shí)驗(yàn)室管理模式的研究與探索[J].哈爾濱工程大學(xué)，實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2015,6(24)：93-99.

[6] 王正勇.起重機(jī)箱形主梁疲勞壽命研究[D].成都：西南交通大學(xué),2010.

[7] 黃祥聲.起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)故障可視化技術(shù)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2008.

2016-07-28

王允（1983―），女，河南新鄉(xiāng)人，碩士，主要從事特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究。

TH215

A

1008–2093(2016)05–0021–03