夏常福

（南京市特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇 南京 210019）

大型造船門(mén)式起重機(jī)一般工作級(jí)別較高，交變載荷作用下易發(fā)生疲勞損傷，損傷累積將可能導(dǎo)致主要受力結(jié)構(gòu)件失效，進(jìn)而引發(fā)安全事故。目前，住建部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T189-2009《建筑起重機(jī)械安全評(píng)估規(guī)程》中對(duì)塔式起重機(jī)，施工升降機(jī)和井架式升降機(jī)的報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)和使用年限作過(guò)規(guī)定，而其他類(lèi)型起重機(jī)械的報(bào)廢尚未有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作出規(guī)定。而由于起重機(jī)的實(shí)際使用載荷狀態(tài)各不相同，壽命存在較大的分散度，單純從年限上確定起重機(jī)的報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)亦不合理。因此，對(duì)大型造船門(mén)式起重機(jī)的工作壽命進(jìn)行適時(shí)監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)管理、準(zhǔn)確并及時(shí)對(duì)其剩余壽命作出預(yù)測(cè)對(duì)于保證其安全運(yùn)行、提高經(jīng)濟(jì)效益有重大意義。

本文以一臺(tái)300t造船門(mén)式起重機(jī)為研究對(duì)象，首先以疲勞損傷理論估算起重機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，再由FE-SAFE疲勞分析軟件分析疲勞壽命，以實(shí)例驗(yàn)證了FE-SAFE仿真方法的可行性。

1 疲勞損傷理論分析估算方法

起重機(jī)總的壽命周期是指從起重機(jī)投入使用到報(bào)廢為止的整個(gè)時(shí)間。因其大多工作在循環(huán)往復(fù)交變載荷下，鋼結(jié)構(gòu)的失效形式以疲勞失效為主，首先產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，最終導(dǎo)致突然斷裂破壞。目前對(duì)于金屬結(jié)構(gòu)的疲勞壽命主要方式是考察其在一定的載荷下能夠達(dá)到的循環(huán)次數(shù)，通過(guò)循環(huán)次數(shù)大小對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的壽命特性實(shí)現(xiàn)定量評(píng)價(jià)?？蓪?shí)測(cè)起重機(jī)一段作業(yè)時(shí)間內(nèi)的應(yīng)力（應(yīng)變）歷程數(shù)據(jù)，編制載荷譜，再由斷裂力學(xué)理論估算壽命。壽命估算時(shí)，通常將載荷譜對(duì)構(gòu)件作一次全譜循環(huán)作為一個(gè)循環(huán)周期，進(jìn)而考察構(gòu)件發(fā)生破壞時(shí)該載荷譜一共作用了多少個(gè)周期循環(huán)。假設(shè)循環(huán)次數(shù)為N次，可定量描述起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)剩余壽命。

2 典型工況下的造船門(mén)式起重機(jī)疲勞壽命估算

本文選取的研究對(duì)象300t造船門(mén)式起重機(jī)，是一種造船廠(chǎng)內(nèi)常用的用于實(shí)現(xiàn)工件翻轉(zhuǎn)、吊運(yùn)等要求的起重機(jī)。其金屬結(jié)構(gòu)主要有主梁、剛性支腿和柔性支腿組成，在柔性支腿與主梁之間采用球型鉸連接。上小車(chē)和下小車(chē)雙小車(chē)作業(yè)，上小車(chē)的軌道在主梁外側(cè)，下小車(chē)的軌道在主梁的內(nèi)側(cè)，下小車(chē)可從上小車(chē)下通過(guò)。該起重機(jī)材料為Q345鋼，抗拉強(qiáng)度，根據(jù)作業(yè)工況多為承受交變載荷。

估算剩余壽命時(shí)選取兩小車(chē)在跨中起吊300噸工況時(shí)的不利作業(yè)工況。此時(shí)主梁下翼緣板跨中位置是受拉彎矩危險(xiǎn)截面，此處通過(guò)光纖光柵傳感器測(cè)試兩小車(chē)起吊300t額定載重量時(shí)的應(yīng)變，將實(shí)測(cè)應(yīng)變時(shí)間歷程數(shù)據(jù)乘以彈性模量，即可得結(jié)構(gòu)相應(yīng)的應(yīng)力時(shí)間歷程數(shù)據(jù)（圖1）。由此測(cè)試結(jié)果利用雨流計(jì)數(shù)法編制的載荷譜（圖2），當(dāng)量載荷譜見(jiàn)表1。

由Miner理論計(jì)算所得載荷譜作用一次造成的總損傷為：

式中，為臨界損傷總值，為第i級(jí)應(yīng)力水平的循環(huán)數(shù)，為第級(jí)應(yīng)力水平疲勞壽命，i為應(yīng)力級(jí)數(shù)。

則在該工況下可運(yùn)行的總循環(huán)壽命次數(shù)為：

3 基于FE-SAFE的結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算

圖1 應(yīng)力時(shí)間歷程

圖2 三維載荷譜

表1 兩小車(chē)起吊300噸工況當(dāng)量載荷譜

FE-SAFE軟件可使用基于有限元分析和實(shí)測(cè)的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行疲勞分析。疲勞估算之前需定義其材料的屬性，確定結(jié)構(gòu)材料的S-N曲線(xiàn)。首先需定義Q345鋼的疲勞特性曲線(xiàn)。將Q345鋼的材料參數(shù)強(qiáng)度極限輸入后，可得Q345鋼的S-N曲線(xiàn)，再對(duì)其進(jìn)行修正即可獲得最終計(jì)算用S-N曲線(xiàn)。

本文在計(jì)算過(guò)程中，設(shè)定結(jié)構(gòu)的表面粗糙度為FineMachined-4

此臺(tái)造船龍門(mén)起重機(jī)主要用于實(shí)現(xiàn)船體拼裝和翻轉(zhuǎn)，它的典型工況即上下小車(chē)共同抬吊分段制造好的總重約300噸的船體。此處只對(duì)該典型工況下的疲勞壽命進(jìn)行分析研究。該起重機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)是：吊鉤下降—載重起升—小車(chē)或大車(chē)移動(dòng)—載重下降—吊鉤起升—大車(chē)或小車(chē)移動(dòng)—吊鉤下降。為了方便分析，提高軟件計(jì)算效率，不考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨小車(chē)位置發(fā)生的變化，將實(shí)際載荷譜簡(jiǎn)化為單位載荷形式。

仿真所得起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命云圖與安全系數(shù)云圖如圖3所示。

圖3 仿真疲勞分析計(jì)算云圖

由疲勞壽命云圖可以看出，在上下小車(chē)位于跨中起吊300噸載荷作用下，起重機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命最薄弱部位發(fā)生在主梁與柔性支腿連接處，即橡膠支座壽命最低，應(yīng)對(duì)該部位進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)。此外，整個(gè)起重機(jī)結(jié)構(gòu)壽命相對(duì)薄弱區(qū)域主要出現(xiàn)在主梁跨中位置、柔性支腿與主梁連接處以及柔性支腿劈叉處?？梢钥闯鲋髁合律w板安全系數(shù)要比上蓋板小，這是由于下蓋板受拉變形程度較大所致。

不同方法估算所得起重機(jī)最低疲勞壽命對(duì)比見(jiàn)表2，仿真與理論算法結(jié)果誤差在5%以?xún)?nèi)，驗(yàn)證了仿真方法的可行性與科學(xué)性，可作為工程應(yīng)用的計(jì)算參考。

表2 疲勞損傷理論與FE-SAFE估算結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

FE-SAFE軟件可應(yīng)用于橋架型起重機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命估算，參數(shù)設(shè)置較為方便，計(jì)算獲得的疲勞壽命云圖和安全系數(shù)云圖，可直觀(guān)顯示起重機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命分布定位，為進(jìn)一步校核強(qiáng)度薄弱部位提供引導(dǎo)。仿真結(jié)果與經(jīng)典疲勞損傷理論估算對(duì)比表明，仿真方法具有一定的可靠性，可作為安全評(píng)價(jià)參考依據(jù)。