淺析大型起重機(jī)械安全評(píng)估與壽命預(yù)測(cè)

陳燦 狄義華

摘 要：在基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)以及工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，大型起重機(jī)械設(shè)備起到了非常大的作用，而對(duì)于大型起重機(jī)械的安全評(píng)估以及壽命預(yù)測(cè)也非常的必要。本文結(jié)合了起重機(jī)械的工作特點(diǎn)以及實(shí)例來(lái)對(duì)大型起重機(jī)械安全評(píng)估與壽命預(yù)測(cè)進(jìn)行了詳細(xì)的分析與說(shuō)明。

關(guān)鍵詞： 起重機(jī)械 安全評(píng)估 壽命預(yù)測(cè)

一、引言

在經(jīng)濟(jì)社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，主要的物料運(yùn)輸工具就是大型起重機(jī)械，對(duì)大型起重機(jī)械的應(yīng)用非常的廣泛，而大型起重機(jī)械的重要性也變得越來(lái)越大。尤其是在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及工業(yè)生產(chǎn)中，更是離不開對(duì)大型起重機(jī)械的使用，成為了必要設(shè)備。

在這個(gè)背景之下，大型起重機(jī)械的安全性也變得越來(lái)越重要。由于長(zhǎng)期對(duì)大型起重機(jī)械設(shè)備進(jìn)行頻繁的使用會(huì)損耗一部分機(jī)械本身的性能，而在實(shí)際的運(yùn)行當(dāng)中，一旦出現(xiàn)了問題就會(huì)造成嚴(yán)重的后果。因此對(duì)大型起重機(jī)械進(jìn)行安全評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)的分析是非常必要的。

二、起重機(jī)安全評(píng)估與壽命預(yù)測(cè)的主要考量指標(biāo)

（1）金屬結(jié)構(gòu)評(píng)估

在對(duì)起重機(jī)進(jìn)行多年的使用之后，起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)難免會(huì)出現(xiàn)一定的故障，如變形、裂紋以及腐蝕等等，隨著金屬結(jié)構(gòu)的損害程度加大，起重機(jī)的安全性也會(huì)逐漸的降低。起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)通常具有全局性，對(duì)整機(jī)的作業(yè)能力有著重要的影響，因此對(duì)于起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估非常的重要。評(píng)估金屬結(jié)構(gòu)的時(shí)候主要包括整體評(píng)估和連接處的評(píng)估，需要注意是否有明顯的裂紋，大面積課件的腐蝕以及金屬結(jié)構(gòu)的主梁是否出現(xiàn)下?lián)系鹊龋@樣才能夠知道起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)是否達(dá)到了安全標(biāo)準(zhǔn)。

（2）起升機(jī)構(gòu)評(píng)估

鋼絲繩、吊鉤以及滑輪和起升結(jié)構(gòu)的其它零部件是起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的重要組成部分，因此在對(duì)起升機(jī)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)估的時(shí)候，應(yīng)該重點(diǎn)檢查以上部分。對(duì)于吊鉤，應(yīng)該檢查是否有裂紋和磨損等等，是否出現(xiàn)了疲勞變形等情況。對(duì)于壓板和繩卡等裝置也要仔細(xì)的檢查。滑輪裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)是否靈活和鋼絲繩有沒有扭結(jié)和斷絲的檢查也非常重要。對(duì)于其它零部件的檢查應(yīng)該把重點(diǎn)放在制動(dòng)裝置是否能夠正常運(yùn)行以及繩器是否完好等等。

（3）運(yùn)行機(jī)構(gòu)評(píng)估

運(yùn)行機(jī)構(gòu)評(píng)估主要是評(píng)估起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的零件和工作的情況。如零部件的表面是否出現(xiàn)磨損，制動(dòng)器是否出現(xiàn)裂紋，傳動(dòng)軸是否扭轉(zhuǎn)變形，減速器在工作過(guò)程中是否出現(xiàn)異常的振動(dòng)和響動(dòng)，車輪踏面和輪緣是否過(guò)度磨損以及聯(lián)軸器的連接處是否松動(dòng)等等。

（4）電氣系統(tǒng)評(píng)估

起重機(jī)上較為復(fù)雜的部分就是電氣系統(tǒng)，在振動(dòng)和沖擊情況下發(fā)生故障的概率比較高，安全評(píng)估重點(diǎn)放在控制裝置和電氣保護(hù)兩方面。

控制裝置。應(yīng)該檢查電器元件是否正確的安裝，供電電纜是否裸露和老化，電刷和螺栓觸頭等部位的連接是否可靠，電氣線路的絕緣是否達(dá)標(biāo)等等。

電氣保護(hù)。應(yīng)該對(duì)起重機(jī)是否存在緊急斷電開關(guān)進(jìn)行檢查，起重機(jī)的電源和其它機(jī)構(gòu)的安全保護(hù)設(shè)施是否可靠以及對(duì)電器電路卡祖現(xiàn)象的檢查也非常重要。

（5）安全裝置評(píng)估

力矩限制器、防風(fēng)裝置、超載保護(hù)裝置、極限位置限制器、緩沖器、防后傾翻裝置、滑線防護(hù)板、通道口連鎖保護(hù)以及防護(hù)罩是構(gòu)成起重機(jī)安全裝置的九大組成部分，因此在評(píng)估安全裝置的時(shí)候一定要對(duì)每一部分都進(jìn)行詳細(xì)的檢查。

（6）軌道評(píng)估

對(duì)于軌道的安全評(píng)估主要看運(yùn)行有沒有異常的振動(dòng)以及啃軌現(xiàn)象，螺栓和壓板是否齊全以及是否正確的安裝。

（7）試驗(yàn)評(píng)估

應(yīng)該對(duì)起重機(jī)進(jìn)行空載、額載、靜載以及動(dòng)載試驗(yàn)來(lái)檢查是否有異常情況發(fā)生。

（8）作業(yè)環(huán)境及外觀

起重機(jī)的明顯部分是否有額度起重量標(biāo)志，以及是否有安全警示標(biāo)示等等。

三、大型起重機(jī)械的安全評(píng)估與壽命預(yù)測(cè)實(shí)例

下面以一臺(tái)已經(jīng)運(yùn)行了十五年的大型門式起重機(jī)作為例子，來(lái)對(duì)大型起重機(jī)械的安全評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)進(jìn)行詳細(xì)的分析，具體評(píng)估流程圖如下：

（1）外觀檢查與無(wú)損檢測(cè)

在對(duì)該大型起重設(shè)備進(jìn)行檢查的時(shí)候，首先要進(jìn)行的就是詳細(xì)檢查外觀。經(jīng)過(guò)專業(yè)的檢查工作人員檢查之后發(fā)現(xiàn)該機(jī)械的受力部位存在著一定程度的銹蝕，而在一些地方還存在著漏水孔堵塞導(dǎo)致積水的現(xiàn)象。進(jìn)行外觀檢查的主要目的就是對(duì)起重機(jī)整機(jī)的危險(xiǎn)源進(jìn)行排查。

無(wú)損檢測(cè)。在觀察大型起重機(jī)械設(shè)備的時(shí)候，無(wú)損檢測(cè)也是必須要做的。無(wú)損檢測(cè)主要有一下幾點(diǎn)：一是要測(cè)量整個(gè)塔吊的主金屬結(jié)構(gòu)的實(shí)際厚度；二是要檢查主要的零部件，重點(diǎn)就是對(duì)主要的零部件是否存在裂紋危險(xiǎn)進(jìn)行明確；三是對(duì)吊鉤記憶主要軸類件進(jìn)行磁粉探傷。通過(guò)詳細(xì)的檢測(cè)之后，可以知道該大型起重機(jī)械的門架所有的觀測(cè)數(shù)目是73，但不及格率達(dá)到了20%，吊臂基本及格，塔身的不及格率是23%，平衡臂的不及格率是10%，總的不及格率為23.6%。在無(wú)損檢測(cè)完成之后，該機(jī)械設(shè)備存在的一系列問題就會(huì)被工程人員發(fā)現(xiàn)，而在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，也必須非常重視上面所提到的問題。

（2）應(yīng)力測(cè)試

應(yīng)力測(cè)試主要就是對(duì)該設(shè)備的關(guān)鍵部位進(jìn)行測(cè)試。在應(yīng)力測(cè)試的進(jìn)行測(cè)試。在應(yīng)力測(cè)試的進(jìn)行過(guò)程當(dāng)中首先就是要根據(jù)整機(jī)的變截面為止以及關(guān)鍵位置來(lái)對(duì)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行確定。本次應(yīng)力測(cè)試的測(cè)試點(diǎn)有26處。在對(duì)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行確定之后還需要用電阻式傳感器來(lái)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。最后就是通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件來(lái)處理和分析原始數(shù)據(jù)。大型起重設(shè)備的荷載方式共有大載荷、中間載荷以及空載三種。

在對(duì)26個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行專業(yè)分析之后，發(fā)現(xiàn)塔身成對(duì)布設(shè)的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出特定的規(guī)律。吊臂一側(cè)是壓應(yīng)力，平衡臂一側(cè)是拉應(yīng)力。經(jīng)過(guò)調(diào)查之后發(fā)現(xiàn)塔身和平衡臂的連接處的應(yīng)力值最大。經(jīng)過(guò)分析之后得出的結(jié)論是該設(shè)備在之后的使用過(guò)程當(dāng)中在吊運(yùn)大噸位貨物的時(shí)候必須要用兩機(jī)聯(lián)吊的方法來(lái)進(jìn)行，對(duì)于大荷載起吊也要盡量的減少。

（3）有限元計(jì)算

要讓大型起重設(shè)備的安全評(píng)估和科學(xué)預(yù)測(cè)得到保證，有限元數(shù)值模擬是重要的方法。在評(píng)估大型起重機(jī)械設(shè)備的時(shí)候由于受到種種條件的限制，在現(xiàn)場(chǎng)只能預(yù)測(cè)特定的工況。而要想全面評(píng)價(jià)和鑒別大型起重機(jī)械設(shè)備就需要用到有限元數(shù)值模擬的方法，主要有結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)計(jì)算和結(jié)構(gòu)靜力學(xué)計(jì)算兩種形式。

結(jié)構(gòu)靜力學(xué)計(jì)算。結(jié)構(gòu)靜力學(xué)計(jì)算就是在最大的幅度下科學(xué)預(yù)測(cè)出整機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變，這個(gè)工作主要是通過(guò)建模計(jì)算來(lái)進(jìn)行。本文對(duì)現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估狀態(tài)以及設(shè)計(jì)狀態(tài)分別進(jìn)行了有限元數(shù)值分析，計(jì)算的塔吊在最大幅度下的應(yīng)力應(yīng)變，這樣就可以得出最大幅度時(shí)該設(shè)備的符合制造材料的許用應(yīng)力要求，下圖為評(píng)估狀態(tài)下的應(yīng)力云圖。

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)計(jì)算。大型起重機(jī)械設(shè)備的性能會(huì)受到結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能的影響。起重機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞破壞的重要原因就是機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)還可能產(chǎn)生噪音和共振。在對(duì)起重機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能進(jìn)行考察的時(shí)候需要對(duì)起重機(jī)結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率進(jìn)行重點(diǎn)的關(guān)注。工作人員在觀測(cè)起重機(jī)動(dòng)態(tài)性能的時(shí)候也是根據(jù)模態(tài)頻率來(lái)進(jìn)行。

在對(duì)塔吊進(jìn)行了模態(tài)分析之后，發(fā)現(xiàn)塔吊主結(jié)構(gòu)的前十階模態(tài)振動(dòng)頻率都在1到2之間，高階模態(tài)也出現(xiàn)了局部模態(tài)，因此該設(shè)備在實(shí)際使用的時(shí)候應(yīng)該盡量避免頻繁的啟動(dòng)，對(duì)于已變形的桿件也要修復(fù)和加強(qiáng)，讓塔吊的結(jié)構(gòu)局部避免出現(xiàn)失穩(wěn)破壞的情況。下圖是塔吊設(shè)計(jì)狀態(tài)和現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估狀態(tài)下結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力圖。

（4）壽命預(yù)測(cè)

科學(xué)預(yù)測(cè)起重機(jī)的壽命對(duì)于讓起重機(jī)的設(shè)備性能提升以及讓基礎(chǔ)設(shè)施和工業(yè)生產(chǎn)能夠正常運(yùn)行相當(dāng)重要。目前港口起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題的主要原因就是疲勞破壞。長(zhǎng)期的疲勞破壞會(huì)讓金屬結(jié)構(gòu)以及機(jī)械零件出現(xiàn)損傷。對(duì)大型起重機(jī)械設(shè)備的壽命預(yù)測(cè)的計(jì)算方法主要是通過(guò)對(duì)損傷原理的累計(jì)來(lái)進(jìn)行。結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算之后，最終得出當(dāng)前的大型起重機(jī)械設(shè)備的剩余壽命只有四年。

四、結(jié)言

在基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)以及工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，大型起重機(jī)械設(shè)備起到的作用非常的大，而對(duì)大型起重機(jī)械設(shè)備的安全評(píng)估以及壽命預(yù)測(cè)也非常的重要，上面以某大型起重機(jī)械設(shè)備為例對(duì)安全評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)的各個(gè)環(huán)節(jié)和步驟進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，在今后對(duì)這方面工作的研究也必須要加強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張光翔.壓力容器失效分析與安全評(píng)定技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].中國(guó)公共安全（學(xué)術(shù)版）.2008（Z1）

[2]李鶴林張廣利. 失效的預(yù)測(cè)預(yù)防[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè).2006（3）

[3]鐘群鵬.失效分析與安全[J].理化檢驗(yàn).物理分冊(cè).2005（05）

[4]郭寒竹.建筑起重機(jī)械典型責(zé)任事故分析[J].建筑機(jī)械化.2011（01）

作者簡(jiǎn)介：

1.陳 燦（1998---），男，武漢人，武漢市第二十中學(xué)；

2.狄義華（1950---），男，武漢人，武漢紡織大學(xué)教師；