張勇 鄧賢遠(yuǎn) 江愛華 咼中樑

（廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測研究院）

基于疲勞強(qiáng)度分析的門座起重機(jī)安全評估技術(shù)

張勇 鄧賢遠(yuǎn) 江愛華 咼中樑

（廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測研究院）

疲勞強(qiáng)度是門座起重機(jī)安全評估中的一項(xiàng)重要評價(jià)指標(biāo)，通過疲勞校核可以發(fā)現(xiàn)疲勞損傷。首先，對門座起重機(jī)進(jìn)行分析，應(yīng)用ANSYS軟件對整機(jī)進(jìn)行有限元建模；然后，根據(jù)整機(jī)應(yīng)力云圖布置應(yīng)力測點(diǎn)，得到應(yīng)力響應(yīng)信號(hào)，計(jì)算出疲勞許用應(yīng)力，分析臂架位置的疲勞校核不合格；最后，在同一位置檢測出一條疲勞裂紋，說明疲勞強(qiáng)度有助于發(fā)現(xiàn)門座起重機(jī)的疲勞損傷。

門座起重機(jī)；疲勞強(qiáng)度；疲勞損傷；安全評估；應(yīng)力

0 引言

門座起重機(jī)是港口裝卸作業(yè)的主要起重設(shè)備，是一種間歇?jiǎng)幼鳈C(jī)械，具有短暫、重復(fù)、周期性循環(huán)、起制動(dòng)頻繁、沖擊載荷大等工作特點(diǎn)[5]，導(dǎo)致其金屬結(jié)構(gòu)件由于疲勞可能出現(xiàn)開裂故障，給安全生產(chǎn)埋下事故隱患。

1 疲勞校核

疲勞計(jì)算常用方法有應(yīng)力比法和應(yīng)力幅法[6]，其中應(yīng)力比法的應(yīng)用更為廣泛。應(yīng)力比為極值應(yīng)力之間的比值。用和表示極值應(yīng)力的代數(shù)值，拉應(yīng)力取正號(hào)，壓應(yīng)力取負(fù)號(hào)，令最小應(yīng)力與最大應(yīng)力之比為應(yīng)力循環(huán)特性[7]，則應(yīng)力循環(huán)特性值r表示為

門座起重機(jī)的構(gòu)件連接和接頭對疲勞強(qiáng)度有很大影響，疲勞許用應(yīng)力要綜合考慮應(yīng)力循環(huán)特性值、結(jié)構(gòu)連接形式、循環(huán)次數(shù)和材料等因素的影響。

拉伸的疲勞許用應(yīng)力為

壓縮的疲勞許用應(yīng)力為

選取油棕幼嫩的葉片經(jīng)液氨研磨后采用CTAB法提取基因組DNA。根據(jù)本課題組前期克隆得到的油棕DGAT2基因序列，在NCBI(https: //www.ncbi.nlm.nih.gov/)網(wǎng)站上比對油棕基因組序列后得到啟動(dòng)子序列，采用Primer 6.0軟件設(shè)計(jì)引物并添加酶切位點(diǎn)與保護(hù)堿基(表1)，PCR擴(kuò)增程序如下：94℃預(yù)變性2 min；94℃變性30 s，60℃退火30 s，72℃延伸2 min，共30個(gè)循環(huán)擴(kuò)增；最后72℃延伸10 min。擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)回收后連接到pMD19-T載體，轉(zhuǎn)化大腸桿菌得到含promoter-DGAT2-pMD19-T質(zhì)粒的陽性菌送測序。

壓縮的疲勞許用應(yīng)力為

則認(rèn)為未引起疲勞破壞。

對門座起重機(jī)進(jìn)行疲勞校核時(shí)，起重機(jī)絕對值最大應(yīng)力是在最不利工況下得到的，并按式(7)～式(10)進(jìn)行核算。

2 測試

對1臺(tái)MC型35000 kg港口門座起重機(jī)進(jìn)行安全評估。該設(shè)備于2011年投入使用，幅度在12m～ 35m時(shí)，吊具下額定起重量為30000 kg；幅度在12m～30m時(shí)吊具下額定起重量為35000 kg；起升高度為25m，下降深度為15m，整機(jī)工作級別為A8，臂架采用桁架形式。

按照最不利工況條件運(yùn)用ANSYS軟件對整機(jī)進(jìn)行有限元建模分析，得到整機(jī)等效應(yīng)力云圖，如圖1所示。

圖1 整機(jī)等效應(yīng)力云圖

從圖1可以看出，臂架位置應(yīng)力較大，故本次測試將臂架作為重點(diǎn)對象分析其疲勞強(qiáng)度。

在臂架上拎點(diǎn)左、右側(cè)上弦桿，下拎點(diǎn)左、右側(cè)上弦桿4個(gè)位置布置應(yīng)變傳感器，分別為測點(diǎn)1、2、3、4。信號(hào)采集采用TMR-211數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

在2個(gè)工況下各測點(diǎn)應(yīng)力響應(yīng)數(shù)值如表1所示。

工況1：臂架位于南90°，最小幅度，吊具落地，空載，臂架開始變幅至最大處；臂架開始向西轉(zhuǎn)45°，向北轉(zhuǎn)135°，向東轉(zhuǎn)45°，臂架開始變幅至最小處；開始向北轉(zhuǎn)225°，結(jié)束。

工況2：除了起升30000 kg載荷，其他重復(fù)工況1的條件。

表1 試驗(yàn)工況下各測點(diǎn)應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果 （單位：MPa）

表1中，只考慮部分測點(diǎn)主要受力方向，其余方向?qū)Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力響應(yīng)值較小，用“—”表示。

根據(jù)式(7)～式(10)，可得

臂架左側(cè)受壓區(qū)上弦桿測點(diǎn)應(yīng)力測試壓應(yīng)力最大值大于疲勞許用應(yīng)力值，設(shè)備結(jié)構(gòu)材料超出疲勞強(qiáng)度安全使用要求，不符合疲勞校核要求。

疲勞校核不符合要求，說明該位置易成為結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋起始區(qū)，這是疲勞裂紋產(chǎn)生的初始區(qū)域，該區(qū)一般位于結(jié)構(gòu)表面。疲勞裂紋往往是由局部應(yīng)力集中誘發(fā)的，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)下列幾種情況會(huì)增大疲勞裂紋出現(xiàn)可能：結(jié)構(gòu)表面組織缺陷；形狀突變，如拐角、缺口或直徑的劇烈變化；工藝缺陷。在上述情況下，當(dāng)材料的近表面有嚴(yán)重的冶金缺陷時(shí)，根據(jù)裂紋形成及擴(kuò)展的強(qiáng)度原則，疲勞裂紋也可能在結(jié)構(gòu)的近表面出現(xiàn)。

為此對測點(diǎn)2位置進(jìn)行無損檢測，發(fā)現(xiàn)存在一條長度為28mm的裂紋，證實(shí)了該位置出現(xiàn)疲勞損傷。測點(diǎn)2無損檢測結(jié)果如圖2所示。

圖2 測點(diǎn)2無損檢測結(jié)果

疲勞裂紋產(chǎn)生后，構(gòu)件并不會(huì)立即斷裂，此后裂紋會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展，這一過程是緩慢的。隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)增加，裂紋不斷成長，當(dāng)裂紋長度達(dá)到臨界尺寸時(shí)，由于裂紋頂端的應(yīng)力場強(qiáng)度因子達(dá)到材料的斷裂韌性，或裂紋頂端由于應(yīng)力集中達(dá)到材料的斷裂強(qiáng)度時(shí)，則裂紋會(huì)發(fā)生快速擴(kuò)展導(dǎo)致構(gòu)件瞬時(shí)斷裂。

一般情況下，疲勞破壞之前構(gòu)件并未發(fā)生大的塑性變形，所以疲勞裂紋不易被發(fā)現(xiàn)，具有極大的危害。

3 結(jié)語

通過采集1臺(tái)服役僅6年的門座起重機(jī)臂架的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)信號(hào)，并對其進(jìn)行疲勞校核，發(fā)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)力大于疲勞許用應(yīng)力值，設(shè)備結(jié)構(gòu)材料超出疲勞強(qiáng)度安全使用要求，不符合疲勞校核要求。遂進(jìn)一步進(jìn)行無損檢測，證實(shí)了疲勞校核不合格的部位已產(chǎn)生疲勞裂紋的狀況。通過門座起重機(jī)的應(yīng)力響應(yīng)信號(hào)，進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析，有助于疲勞損傷的發(fā)現(xiàn)及預(yù)防。

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PortalCrane Safety Assessment Technology Based on the Fatigue Strength Analysis

Zhang Yong Deng Xianyuan Jiang Aihua Guo Zhongliang
(R&D Center,Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection&Testing)

Fatigue strength is an important evaluation index in the safety evaluation of portal crane.Fatigue damage can be found by fatigue check.To assess a portal crane,ANSYS software is used to model the wholemachine.According to the whole stress,stressmeasurementsignal isobtained by the stressmap,the fatigue allowable stress is calculated,the fatigue check of the arm stand position is calculated.Finally,a fatigue crack is detected at the same position,which indicates that the fatigue strength helps to find the portal craneof fatigue damage.

PortalCrane;Fatigue Strength;Fatigue Damage;Safety Assessment;Stress

張勇，男，1983年生，工程師，主要研究方向：特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測等。E-mail:cueert@163.com