一種門座起重機金屬結構疲勞壽命估算方法

王保衛(wèi)

深圳市質量安全檢驗檢測研究院

1 引言

門座起重機作業(yè)工況復雜，載荷情況多變，疲勞破壞是其金屬結構失效的主要形式。對于已服役時間較長，或者已經(jīng)超期服役的老舊門座起重機，其金屬結構內(nèi)部可能已經(jīng)出現(xiàn)不同程度的損傷，這些損傷隱藏在結構內(nèi)部，難以辨別，一旦失效危害巨大，有必要對這類起重機進行金屬結構疲勞壽命估算。

由金屬材料組合而成的結構件，其疲勞壽命除了取決于所用材料的壽命外，還與結構的形狀、制造質量、使用狀況和環(huán)境條件等因素有關，而且這些因素都是不確定的。目前廣泛采用名義應力法來估算起重機金屬結構的疲勞壽命。

應用名義應力法進行結構疲勞壽命估算的依據(jù),是應力譜和材料的抗力指標S-N曲線。其基本估算思路是,從材料的S-N曲線出發(fā),并考慮各種影響因素,得到構件的P-S-N曲線。其方法為:在主要承載結構件的主要受力部位設多個應力測試點,根據(jù)門座起重機主要承載結構件在裝卸作業(yè)情況下的現(xiàn)場測試,得到主要承載結構件測點的動載應力時間歷程曲線,并應用雨流計數(shù)法進行統(tǒng)計分析,再按照線性累積損傷理論,并結合起重機械的使用記錄(年限、裝卸量等)和主要結構的技術狀況,進行金屬結構的疲勞壽命與剩余安全使用期限的預測估算[1]。

2 門座起重機金屬結構疲勞壽命估算方法

2.1 線性累積損傷理論

目前已有多種疲勞損傷理論，其中，工程中使用最廣泛的是Miner線性累積損傷理論。Miner損傷理論認為，變幅疲勞中各個應力幅所造成的損傷可以定量表示，并且可以線性疊加[3]。根據(jù)Miner損傷理論，載荷循環(huán)造成的損傷可以表示為：

(1)

式中,D為載荷作用下總的損傷度；l為不同的應力水平；ni為各應力水平下的循環(huán)次數(shù)；Ni為各應力水平下的循環(huán)次數(shù)；a為常數(shù)，本次評估中取1。

2.2 采樣工況及應力譜的確定

起重機械在其使用過程中，金屬結構受力情況隨著工作載荷和作業(yè)情況而變化，在變應力的作用下，金屬結構產(chǎn)生疲勞損傷。因此，為了提高疲勞壽命估算的準確率，數(shù)據(jù)的采集應當盡可能選擇起重設備實際工作最頻繁的作業(yè)情況作為采樣工況。

采集起重機工作循環(huán)應力數(shù)據(jù)，得到測點在服役過程中的應力時間歷程數(shù)據(jù)，對這種應力時間歷程數(shù)據(jù)進行分析，統(tǒng)計出能夠反映測點在整個服役過程中工作狀況的疲勞應力譜。疲勞應力譜是對危險部位疲勞可靠性分析的基礎，其具有統(tǒng)計特性，能本質地反映該結構不同服役過程的應力循環(huán)的變化情況。通過雨流計數(shù)法統(tǒng)計處理，把實際的服役過程中各測點所測得的應力時程數(shù)據(jù)，處理成為不同應力幅值和對應的應力循環(huán)次數(shù)之間的關系，即為測點的疲勞應力譜[2]。

2.3 材料S-N曲線的確定

S-N曲線表示外加應力幅和材料疲勞壽命之間的關系，該曲線可以全面地反映材料在交變應力的作用對疲勞的抗力關系。常規(guī)的曲線表示的是材料疲勞抗力的均值，即可靠度為50%時材料的疲勞抗力，但是對于大型特種設備而言，該可靠度不足以滿足其安全性要求，因此在結構的疲勞壽命可靠性分析中，必須將疲勞抗力按隨機變量來處理，表示出有一定可靠度的一簇曲線，即為P-S-N曲線[3]。

金屬材料的P-S-N曲線，可使用單對數(shù)坐標，即僅將疲勞壽命取對數(shù)，或可使用雙對數(shù)坐標，即將應力幅與疲勞壽命分別取對數(shù)。當使用雙對數(shù)坐標時，曲線的左段一般是一條直線，其表達式為：

lgN=C+mlgΔσ

(2)

式中，N為p%存活率下的疲勞壽命；Δσ為應力范圍，MPa；C、m為不同材料及不同可靠度情況下方程常數(shù)，根據(jù)所檢測起重機主要焊接結構件的材料及接頭形式確定，例如對于Q235材料，在95%存活率下，C、m分別為-3.371與13.45。

2.4 疲勞壽命估算

根據(jù)處理后得到的應力譜結果，代入到可靠度為95%的P-S-N曲線中，得到各應力幅下的循環(huán)次數(shù),再根據(jù)Miner損傷理論計算采樣工作循環(huán)下的損傷度D′。

假設起重機工作狀況與采樣時工作狀況一致，如果采樣工作循環(huán)下的有效采樣時間長度為t，則由采樣工作循環(huán)下的損傷度，可以推導出起重機服役期間的總壽命，其理論疲勞壽命計算公式為：

(3)

式中，總損傷度D取1。

2.5 現(xiàn)場測試

應力測點的選擇以及測點布置現(xiàn)場見圖1。

圖1 門座起重機應力測點布置示意圖

由于待檢測的門座起重設備載荷情況多為輕載大幅度工況，為了提高疲勞壽命估算的安全系數(shù)，采用半載作為試驗載荷，在相應的最大幅度下進行測點的疲勞應力時間歷程測試。具體為：①吊具鋼絲繩完全松弛時設備置零，開始記錄數(shù)據(jù)；②起吊測試載荷至常用高度，根據(jù)設備現(xiàn)場狀況以及實際工作情況回轉180°；③回到初始位置使吊具鋼絲繩完全松弛。完成以上動作后以上視為1個工作循環(huán)結束，測試時重復以上工作循環(huán)5次，進行連續(xù)作業(yè)采樣。

工作循環(huán)下的應力時間歷程數(shù)據(jù)是對起重機實際工作過程中金屬結構件內(nèi)部應力變化情況的量化反映，現(xiàn)場檢測計算中，假定檢測風力適宜，司機操作正常，并且忽略突發(fā)意外情況以及人為破壞因素等對壽命的影響。門座起重機各測點工作循環(huán)應力測試時間歷程曲線見圖2～圖5。

圖2 門座起重機各測點應力時間歷程1

圖3 門座起重機各測點應力時間歷程2

圖4 門座起重機各測點應力時間歷程3

圖5 門座起重機各測點應力時間歷程4

2.6 雨流計數(shù)統(tǒng)計

門座起重機各測點的時間歷程數(shù)據(jù)，經(jīng)雨流計數(shù)統(tǒng)計處理后，應力幅值明顯較大的測點作為計算點，計算其理論安全使用期限。選取的計算測點為AI1-01、AI1-02、AI1-03、AI1-04，其工作循環(huán)測試下的時間歷程數(shù)據(jù)經(jīng)雨流計數(shù)法統(tǒng)計處理后的幅值分布見圖6～圖9。

圖6 AI1-01測點應力幅值分布圖

圖7 AI1-02測點應力幅值分布圖

圖8 AI1-03測點應力幅值分布圖

圖9 AI1-04測點應力幅值分布圖

2.7 疲勞壽命估算

起重機金屬結構疲勞壽命估算的基礎是金屬疲勞理論以及概率統(tǒng)計分析理論，計算時，用采樣工作循環(huán)內(nèi)金屬構件的應力變化情況進行概率統(tǒng)計，進而推導設備在整個服役期間金屬構件受應力作用的疲勞情況。因此，壽命預測的結果與計算時起重機械的作業(yè)強度息息相關。

計算時，使用工況假定為：一天工作8 h，一年工作250天；實際安全使用期限則根據(jù)使用方提供的2020年12月份實際作業(yè)次數(shù)進行計算。

門座起重機各測點的疲勞壽命，以及根據(jù)實際作業(yè)次數(shù)計算的實際安全使用期限計算結果見表1。

表1 門座起重機疲勞壽命與安全使用期統(tǒng)計

3 結語

由剩余安全使用期限的計算結果可知，門座起重機疲勞危險點主要在支腿處，其中支腿測點AI1-01疲勞壽命最短。若作業(yè)情況與檢測時采樣工況一致，并且始終按照采樣工況保持下去，設備的工作強度按照疲勞壽命設定條件一致，門座起重機支腿各測點已超過疲勞壽命極限；若工作強度按照設備在12月份的實際工作次數(shù)持續(xù)工作的前提下，設備支腿測點AI1-01的剩余安全使用期限僅為1.2年，也已接近實際安全使用期限。因此，門座起重機的疲勞壽命以及根據(jù)實際作業(yè)情況計算出的實際安全使用期限，均已接近極限值，若無法進行有效修復，則建議對該設備進行報廢處理。