基于疲勞強度校核的起重機結構安全檢測

江 凡, 丁露露

(1 武漢市特種設備監督檢驗所, 湖北 武漢 430040； 2 南京港江北集裝箱碼頭有限公司，江蘇 南京 210000)

基于疲勞強度校核的起重機結構安全檢測

江 凡1, 丁露露2

(1 武漢市特種設備監督檢驗所, 湖北 武漢 430040； 2 南京港江北集裝箱碼頭有限公司，江蘇 南京 210000)

通過對起重機工作過程中的應力一時間歷程進行研究，分析其應力循環特性，來計算結構的疲勞強度，判斷結構的安全狀況。研究表明，這種基于疲勞強度校核的起重機結構安全檢測方法簡單有效，可以直觀地反應結構的安全狀態，保證了其能安全有效的運行。

疲勞強度； 應力循環特性； 結構安全檢測

目前國內起重機結構的安全檢測，是通過定期檢測其重要部位，根據檢測結果憑經驗判斷其工作狀態。起重設備在工作中工況復雜，結構的疲勞破壞具有突發性和危險性，這種檢測方式對主梁結構、中間連接件等安全狀態不能直觀定量地描述。

本文通過對起重機結構在實際工況下的應力-時間歷程進行研究，計算結構的疲勞強度，并進行疲勞強度校核，判斷結構的安全狀況。研究表明，這種基于疲勞強度校核對起重機結構進行安全檢測的方法具有一定的實踐應用意義。

1 疲勞強度校核的安全檢測理論

1.1 疲勞強度校核理論概述

影響結構疲勞強度的因素有鋼材的種類、接頭應力集中形式、結構工作級別(應力譜和應力循環次數)、結構件的最大應力和應力循環特性(r=σmin/σmax)等。結構在工作過程中，所受的應力愈大，發生疲勞破壞所需應力循環次數愈少，該應力循環次數即為有限壽命。在結構有限壽命范圍內，根據GB3811-2008《起重機設計規范》要求，整機A5級或E4級(含)以上的結構件或連接接頭應校核疲勞強度[1]。

1.2 基于疲勞強度校核的安全檢測分析流程

結構基于疲勞強度校核安全檢測分析流程見圖1。由圖1，首先分析結構的具體結構形式及其載荷狀況，確定能反應結構安全狀況的檢測節點；然后測量這些節點的應力值，做出其應力—時間歷程曲線，確定應力循環特性，計算和校核結構疲勞強度，確定結構安全狀況。

圖 1 基于疲勞強度校核安全檢測分析流程

2 基于疲勞強度校核的安全檢測

起重機在其整個壽命期間，必須對其結構進行安全檢測。下面以某廠的一臺300t通用門式起重機主梁為例，研究基于疲勞強度校核的起重機主梁安全檢測分析過程，并制定合理的檢測計劃。

2.1 確定起重機主梁安全檢測點

通過對實際工作載荷下的主梁結構進行計算，結合起重機作業和檢測的歷史記錄，以及同類型起重機結構的破壞情況，來確定主梁的危險區域，選取起重機主梁結構安全檢測點，具體分析方法包括：

1)利用有限元方法分析起重機主梁上高應力區域以及應力集中區域；

2)對于使用多年的起重機，若其結構有過改造和維修，需要選取維修區域以及在施工過程中易損傷區域作為檢測點；

3)根據同類型起重機結構的工作破壞情況進行類比，選取一些易發生損傷的區域的適當點作為檢測點。

該廠設備為一臺雙梁不帶懸臂的通用門式起重機，根據分析結果及起重機的運行工況，選用主梁跨中和支腿支承處截面(圖2的1-5點)作為檢測點。

圖 2 主梁危險截面疲勞強度檢測點

2.2 確定應力循環特性

在起重機正常工作情況下，選取圖2各檢測節點進行檢測，得出各檢測節點的應力一時間歷程關系(圖3)，計算各測點應力循環特性值。

當結構件正應力σx、σy和剪應力τxy作用時，應力循環特性值rx、ry、rxy分別按式(1)計算

(1)

式中:rx、ry、rxy：應力循環特性值；σxmax、σymax、τxymax：構件(或連接)在疲勞檢測點上的絕對值最大正應力和絕對值最大剪應力，單位為N/mm2，σxmin、σymin、τxymin是應力循環中與σxmax、σymax、τxymax相對應的同一疲勞計算點上的一組應力值(各帶正負號)，其差值的絕對值為最大。

圖 3 結構測點4處的應力與時間歷程

2.3 確定疲勞許用應力

構件的疲勞許用應力按表1計算[2-3]，式中選取的安全系數為：n=1.34，考慮構件工作級別及構件連接件的應力集中情況、構件材質等因素后，得到疲勞許用應力值(表2)；連接件的疲勞許用應力按表3的公式計算。

表1 構件的疲勞許用應力

表2 拉伸和壓縮疲勞許用應力的基本值[rt]值[2-3]N·mm-2

構件工作級別非焊接件構件連接的應力集中情況等級W0W1W2Q235Q345Q235Q345Q235Q345焊接件構件連接的應力集中情況等級K0K1K2K3K4Q235或Q345E1249.1298.0211.7253.3174.4208.6(361.9)(323.1)271.4193.9116E2224.4261.7190.7222.4157.1183.2(293.8)262.3220.3157.494.4E3202.2229.8171.8195.3141.5160.8238.4212.9178.8127.776.6E4182.1201.8154.8171.5127.5141.2193.5172.3145.1103.762.2E5164.1177.2139.5150.6114.2124.0157.1140.3117.884.250.5E6147.8155.6125.7132.3103.5108.9127.6113.695.668.341.0E7133.2136.6113.2116.293.295.7103.59277.655.433.3E8120.0120.0102.0102.084.084.084.075.063.045.027.0

括號內的數值為大于Q235的0.75σb(抗拉強度)的理論計算值，僅用于求取公式(5)所用到的[σxr]、[σyr]和[τxyr]的值

表3 連接件的疲勞許用應力[2-3]

2.4 結構疲勞強度校核

(2)

(3)

(4)

(5)

3 結論

通過對某在用通用門式起重機主梁結構的安全檢測過程進行分析，分析起重機定期(年檢)的安全檢測方式，研究表明基于疲勞強度校核的安全檢測對于主梁及連接件安全評價進行量化判斷，使結果更具有可靠性和說服力，能更好地確保起重機關鍵結構的安全性。

[1]GB3811-2008.起重機設計規范[S]. 北京：中國標準出版社，2008:53-56.

[2] 徐格寧.機械裝備金屬結構設計[M].北京：機械工業出版社,2009:74-84.

[3] 徐格寧.起重運輸機金屬結構設計[M].北京：機械工業出版社，1997:25-28.

[責任編校： 張巖芳]

Safety Inspection of Crane Structure Based on Fatigue Strength Checking

JIANG Fan1, DING Lulu2

(1WuhanSpecialEquipmentSupervisionandInspectionInstitution,HubeiWuhan430040,China；2NanjingJiangbeiPortContainerTerminalCo.Ltd.,Nanjing210000,China)

This paper calculates the fatigue strength of the structure through analysing crane stress—history course and confirm stress cycle feature，judges the security of the crane .This crane structure health monitoring method, based on fatigue strength checking can simply, effectively and visually reflect the safety of structure and also insure the safety of crane operation．

fatigue strength；stress cycle feature；structure health monitoring

2015-04-20

江 凡(1985-)，男，湖北武穴人，武漢市特種設備監督檢驗所工程師，研究方向為特種設備開發及實驗

1003-4684(2015)04-0076-03

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