徐羅軍 徐 超 余橋芳 謝學(xué)武 余春梅

1湖北特種設(shè)備檢驗檢測研究院宜昌分院 宜昌 443000 2武漢先思科技有限公司 武漢 430000

0 引言

大型水工起重機械的安全評估是利用系統(tǒng)工程方法對在用設(shè)備在服役期間可能發(fā)生的危險事件的概率和嚴重性，利用數(shù)學(xué)方法和經(jīng)驗進行檢測、分析、評價及預(yù)測，并根據(jù)可能發(fā)生的危險事件風(fēng)險系數(shù)的大小提出相應(yīng)的安全對策措施，以達到設(shè)備安全運行的過程。起重機械安全評估既是生產(chǎn)經(jīng)營單位搞好安全生產(chǎn)的重要保障，也是政府部門對特種設(shè)備安全監(jiān)督管理的需要[1，2]。目前國內(nèi)對于水工類起重機械安全評估還沒有統(tǒng)一的做法，相關(guān)標準也沒有明確的規(guī)定，如何科學(xué)合理地對這類起重機械進行安全評估，根據(jù)評估結(jié)果采取相應(yīng)預(yù)防措施保證安全工作，是一個得到普遍關(guān)注但又未得到較好解決的問題。

1 水工門式啟閉機安全評估系統(tǒng)

本文以水工機械中常見的水工門式啟閉機作為研究對象，構(gòu)建水工門式啟閉機安全評估系統(tǒng)，如圖1所示，安全評估系統(tǒng)由水工門式啟閉機失效模式研究、門機金屬結(jié)構(gòu)載荷譜獲取及有限元分析仿真、應(yīng)力測試、金屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測以及門式啟閉機的整機安全評估等方面組成。

圖1 水工門式啟閉機壽命及安全評估系統(tǒng)圖

2 水工門式啟閉機安全評估系統(tǒng)內(nèi)容

1）查閱相關(guān)資料，研究水工用門式啟閉機的主要失效模式及其失效機理；

2）收集水工門式啟閉機整機設(shè)計圖紙、制造及焊接工藝、主要受力結(jié)構(gòu)材料的機械性能，在考慮實際工況的前提下，基于現(xiàn)場測試與有限元仿真分析相結(jié)合的方法獲取啟閉機載荷譜；

3）通過確定的疲勞載荷模型，根據(jù)不同典型周期所對應(yīng)的載荷譜而獲得的P-S-N曲線和疲勞累積損傷準則對結(jié)構(gòu)的疲勞壽命及可靠性進行評估，估算結(jié)構(gòu)的疲勞壽命；

4）引用風(fēng)險的評估，利用風(fēng)險矩陣法對水工門式啟閉機在使用過程中的安全管理、主要零部件、重要構(gòu)件以及控制系統(tǒng)、安全保護裝置等各評估單元及項目發(fā)生危險的概率和發(fā)生危險后果的嚴重程度進行相應(yīng)風(fēng)險等級的劃分，最后通過整機的安全評級給出相應(yīng)的使用檢測維修建議或計劃。

3 水工門式啟閉機整機安全評估原理

該項目引用基于風(fēng)險法評估方法，根據(jù)設(shè)置各評估單元及項目發(fā)生危險的概率和發(fā)生危險后果的嚴重程度，利用風(fēng)險矩陣對設(shè)備的各個評估單元和整機進行危險等級的劃分。對可預(yù)見的危險事件和在服役期間發(fā)生的頻次確定其嚴重程度和概率等級（見表1、表2）。將危險隱患的嚴重程度和概率等級進行組合，得到具體危險等級（見表3）。

表1 危險嚴重程度表

表2 危險概率等級表

結(jié)合水工門式啟閉機實際狀況，對不同的評估項目根據(jù)表3進行評級，然后根據(jù)表4對不同的評估項目進行賦值。

表3 矩陣法確定危險等級表

表4 危險等級賦值

對每一個評估項目根據(jù)危險等級進行賦值后，每個評估單元的安全狀況得分為

式中：Dj為第j個評估單元最終的安全狀況得分，Vi(i=1，…，n)為對應(yīng)于該評估單元中的第i個評估項目的危險類別的賦值，n為一個評估單元中所有進行評估項目的個數(shù)。

在計算得到每一個評估單位的安全狀況得分后，整個設(shè)備進行安全狀況得分為

式中：Z為設(shè)備的整體安全情況綜合得分，m為評估單元個數(shù)，βj為j個評估單元的權(quán)重值。

4 水工門式啟閉機整機安全評估流程

水工門式啟閉機安全評估流程如圖2所示，在確定項目啟動后，對門式啟閉機的連接方式及其失效模式、失效機理進行研究，同時收集評估對象相應(yīng)資料及信息，在考慮實際工況的前提下，基于現(xiàn)場測試與有限元仿真分析相結(jié)合的方法獲取啟閉機載荷譜，并利用相關(guān)理論及數(shù)學(xué)模型計算出主要金屬結(jié)構(gòu)的剩余疲勞壽命，在此基礎(chǔ)上，對門式啟閉機進行評估單元的劃分，分別對水工門式啟閉機整機的設(shè)備管理、金屬結(jié)構(gòu)、主要零部件、電氣系統(tǒng)、安全防護裝置等各評估單元及項目的傷害嚴重程度和傷害發(fā)生的概率進行風(fēng)險等級的估計判定。根據(jù)判定結(jié)構(gòu)出具安全評價報告，并給出相應(yīng)的使用檢測維修建議或計劃，如果風(fēng)險已減小或達到可接受的程度，則評估結(jié)束，如果風(fēng)險未減小或仍不可接受，需重新進行減小或消除風(fēng)險。

圖2 水工門式啟閉機壽命及安全評估流程圖

5 安全評估的實施

5.1 起重機械失效分析

在進行起重機械的安全評估前，有必要對起重機械的失效[3]進行分析研究，其失效形式可能是單一因素也可能是由多種因素復(fù)合造成的，且其失效形式多種多樣，失效的結(jié)構(gòu)往往由一個宏觀表征現(xiàn)象體現(xiàn)。在起重機械服役期間，腐蝕和疲勞往往被認為是單一的過程，其導(dǎo)致的結(jié)果分別為金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕失效和結(jié)構(gòu)的機械失效，具體表征為構(gòu)件中裂紋的產(chǎn)生、擴展以至斷裂[4]。

在實際對起重機械作用過程中，疲勞和腐蝕是一組有協(xié)同效應(yīng)的作用形式，2個因素相互增強，使得失效作用更普遍、更嚴重。特別是活性的腐蝕作用對周期疲勞有加強的作用，反過來周期的疲勞損失對腐蝕起到加劇的效果，所以在實際分析研究中，把腐蝕疲勞視作一種組合的失效。

5.2 基于Ansys的起重機械有限元分析

起重機械的有效工作年限主要取決于其金屬結(jié)構(gòu)不發(fā)生疲勞破壞[5，6]，疲勞是金屬結(jié)構(gòu)失效的重要影響因素之一[7，8]，疲勞破壞作用于結(jié)構(gòu)上，其表征先是在結(jié)構(gòu)某一部位產(chǎn)生裂紋，往往是出現(xiàn)在淺表面，在內(nèi)部有缺陷的地方也易出現(xiàn)裂紋，把容易產(chǎn)生裂紋的地方稱為結(jié)構(gòu)的危險區(qū)域[9]。在實際研究中，經(jīng)常通過有限元分析計算對結(jié)構(gòu)高危部位進行分析，其流程如圖3所示。

圖3 水工門式啟閉機金屬結(jié)構(gòu)有限元分析流程圖

水工門式啟閉機由上部小車機構(gòu)和下部門架鋼結(jié)構(gòu)組成，為了使靜力學(xué)分析得到更好的精度和更快的求解速度，將水工門式啟閉機靜力學(xué)分析分解為上部小車結(jié)構(gòu)和下部門架鋼結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析2部分進行。其中上部小車結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析的三維模型僅包括上部小車結(jié)構(gòu)的三維實體模型，下部門架鋼結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析考慮到載荷施加的方便性和精準性，其三維模型包括了上部小車結(jié)構(gòu)的4對輪組（見圖4）和下部門架鋼結(jié)構(gòu)（見圖5）的三維實體模型，依次建立2個有限元分析項目。

圖4 小車結(jié)構(gòu)有限元分析網(wǎng)絡(luò)圖

圖5 門架有限元分析網(wǎng)絡(luò)圖

水工門式啟閉機在正常工作下，經(jīng)常會在不同的工況下工作，根據(jù)工作實際結(jié)合圖紙，在啟閉機小車項目和門架項目上分別施加不同工況下的載荷，如圖6、圖7所示。

圖6 小車項目的載荷

圖7 門架項目的載荷

靜力學(xué)分析的最后一步是在有限元項目中通過求解器進行求解分析，并利用后處理工具對求解結(jié)果進行分析，確定在每一種工況下水工門式啟閉機的最危險區(qū)域及最大等效應(yīng)力值。小車項目和門架項目中Von Mises等效應(yīng)力云圖如圖8、圖9所示。

圖8 小車項目中Von Mises等效應(yīng)力云圖

圖9 門架項目中Von Mises等效應(yīng)力云圖

5.3 應(yīng)力測試與載荷譜獲取

水工門式啟閉機的應(yīng)力測試[9]是對其應(yīng)力集中部位和受力不利部位選取測試點，在多種工況下對選取的測試點所受應(yīng)力進行動態(tài)響應(yīng)采集，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進行計算分析。

有限元分析的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果顯示，啟閉機上部小車結(jié)構(gòu)比下部門架鋼結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力、應(yīng)變值高出很多，危險點一般出現(xiàn)在上部小車結(jié)構(gòu)中，故測試的測試點均分布在上部小車結(jié)構(gòu)中。根據(jù)啟閉機結(jié)構(gòu)及工作特點，實驗的測試點均安排在小車結(jié)構(gòu)對稱軸的一側(cè)，具體測點布置如圖10所示。

圖10 應(yīng)變片布置情況概覽

要對水工門式啟閉機進行安全評估，獲取其危險部位應(yīng)力譜是不可或缺的重要信息。通過對水工門式啟閉機的實際應(yīng)力測量，可獲得置信度高的應(yīng)力譜，其疲勞載荷譜的采集流程如圖11所示。

圖11 載荷譜采集流程

根據(jù)水工門式啟閉機實際工況，載荷譜的編輯采用雨流計數(shù)法，根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)通過編輯后可得到不同受力點處的載荷譜，使得最終獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果符合工程實際。

5.4 啟閉機金屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命計算

水工門式啟閉機在不同工況下，其主要受力結(jié)構(gòu)件所受的應(yīng)力各不相同，不論是國外還是國內(nèi)都有很多學(xué)者對起重機金屬結(jié)構(gòu)的剩余疲勞壽命進行研究，本文主要采用名義應(yīng)力應(yīng)變法和局部應(yīng)力應(yīng)變法對門式啟閉機的壽命進行評估，其主要流程如圖12所示。

圖12 啟閉機金屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測流程圖

5.5 水工門式啟閉機評估單元的劃分

根據(jù)評估系統(tǒng)構(gòu)建的框架，結(jié)合水工門式啟閉機在使用過程中的具體情況，將整個門式啟閉機劃分為設(shè)備管理、金屬結(jié)構(gòu)、主要零部件、電氣系統(tǒng)、安全保護裝置5個評估單元，并對每個評估單元進行詳細劃分。

1）設(shè)備管理子系統(tǒng)的評估單元 檔案、記錄等資料管理情況、零配件的更換及供應(yīng)情況、使用頻繁程度、載荷情況、故障及維修情況；

2）金屬結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的評估單元 結(jié)構(gòu)強度、結(jié)構(gòu)裂紋、結(jié)構(gòu)變形、腐蝕、連接、靜剛度等；

3）主要零部件評估單元 專用吊梁、起升機構(gòu)的卷筒、大小車車輪、滑輪組、減速器、起升鋼絲繩、電動機、聯(lián)軸器、制動器等；

4）電氣控制統(tǒng)的評估單元 工作電壓、控制電路、動力電路、電動機保護裝置等；

5）重要安全防護評估單元 設(shè)備的起升高度限位裝置、大車的行程限位開關(guān)、整機的超載保護裝置、各機構(gòu)的聯(lián)鎖保護裝置、行程止擋裝置、緩沖器、電纜卷筒放纜終點開關(guān)等。

6 結(jié)語

對水工門式啟閉機進行系統(tǒng)安全評估，不僅要對相應(yīng)的零部件和重要結(jié)構(gòu)進行分析，還要對整機進行宏觀的分析評估。對零部件和重要結(jié)構(gòu)檢測評估是對整機進行評估的基礎(chǔ)，也是整機評估的一部分，通過對零部件和重要結(jié)構(gòu)的危險程度的分析判定，對各部件進行權(quán)重分配，最終實現(xiàn)對整機的安全情況的判定。在評估過程中不僅要求評估者具備相關(guān)知識和經(jīng)驗，還要求獲取大量的安全數(shù)據(jù)。一套完善的評估系統(tǒng)及流程的確定對于評估工作有重要的參考作用。