履帶式起重機使用期內主要部件的安全評價及壽命評估技術

摘 要：履帶式起重機在使用期間的安全性評價技術，主要是研究服役期內設備主要部件的安全性和壽命分析技術。包括主要部件的現狀檢測、安全隱患排查、臂架主要焊縫的無損探傷檢測、臂架結構的強度試驗分析和壽命評估、卷揚機使用壽命的分析等內容，具有很強的工程實際意義和應用價值。提出了這項技術的實際操作方法，并給出了工程應用實例。

關鍵詞：履帶起重機；安全評價；疲勞壽命

中圖分類號：TH213.7 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）06-0048-03

Abstract： The safety evaluation technology of crawler crane during use is mainly to study the safety and life analysis technology of the main components of the equipment during the service period， including the status of the main components detection， safety hidden trouble detection， the main welding seam of the arm non-destructive inspection， strength test analysis and life evaluation of the arm structure， the analysis of the service life of the hoist， and so on. It has very strong engineering practical significance and application value. The practical operation method of this technique is put forward， and an example of engineering application is given.

Keywords： crawler crane； safety evaluation； fatigue life

1 概述

履帶式起重機在工程機械中的配置率和市場占有率很高，由于使用工作環境變化較大，臂架組合形式較多，受力部件工作應力范圍和變形狀態多樣，設備在使用期間的安全性可靠性受到高度關注，特別是隨著使用年限超過10年后，或完成工程項目量10個以上時，不可避免地會提出結構件的安全評價和機構件的可靠性評價問題。討論履帶式起重機在使用期間的安全性評價技術，主要是研究服役期內設備主要部件的安全性和壽命分析技術。

我國工程機械產品大規模發展的歷史不長，履帶式起重機推向市場后的后續技術跟進工作還處在起步階段，用戶關心并提出的技術項目對于國內工程機械研制單位都是需要逐步介入的課題。這方面與世界工程機械巨頭有著較大差距。而且安全性評價技術維系著商家與用戶的密切關系，具有對外封閉的技術特征。德國利勃海爾大型履帶式起重機的使用說明書中透露出他們在這方面的技術特點和高度。太原重工在20多年前與德國企業合作制造了CC1000履帶式起重機，使我們有機會比國內廠家早一步獲取關鍵試驗驗證數據。

2 履帶式起重機質量檢測和結構安全評估的作用和意義

履帶式起重機質量檢測是對設備現狀的一種描述，也是設備維護、檢修效果的綜合檢驗，通常，檢測結果將提示設備當前的一些損傷以及需要整改的事項。

主要部件結構安全評估是對結構承載能力的分析評價，是對結構件長期使用后出現強度損傷累計后的風險評價以及使用壽命的估算，分析結果將提示用戶了解設備的安全使用年限以及在復雜載荷環境下的抗風險能力。

當檢測事項中出現一些超標缺陷時，應當提出整改建議和方法，當結構件出現強度與變形方面的安全隱患時，應當提出修復改造建議和方案。

3 設備現狀檢測

3.1 設備現狀檢查

3.2 臂架現狀檢查

3.3 易磨損部位檢測

3.4 臂架無損探傷

對主臂架和副臂架的每一節臂，各弦管兩端的對接焊縫是重點關注部位，超聲波探傷檢測應符合JB/T10559-2006規定的1級標準。

4 臂架強度試驗

服役期內的履帶式起重機臂架強度試驗區別于型式試驗和出廠試驗，主要目的是分析臂架工作多年后可能出現的強度缺陷，這一點非常重要。

5 卷揚機使用壽命估算及實例

5.1 卷揚機使用壽命估算的要點

（1）起重機使用十年后，無論如何卷揚機必須修理或大修后才能繼續使用。（2）卷揚修理或大修后，制造商或授權的機構將確定一個新的理論工作壽命D。（3）確認每年或每個工程的載荷等級（輕載Q1、中載Q2、重載Q3、特重載Q4）及載荷譜系數（0.125、0.25、0.5、1）。（4）確定卷揚操作時間，可根據起重機上車操作時間總數的比例推算，各載荷等級下卷揚機工作時間占上車計數時間的比例分別約為20%、30%、40%、80%。（5）剩余使用壽命等于理論工作壽命D減去計算工作時間。

5.2 工程實例

（1）已知條件。某臺200t履帶式起重機卷揚機理論壽命3200小時，上車小時讀數25000小時。歷年來安裝載荷級別約為中等級別Q2，載荷譜系數K=0.25。

（2）卷揚機使用壽命估算。歷年來的使用狀態是主卷揚與副卷揚使用時間約6：4，或主臂工作時間與副臂工作時間約6：4，則：

主卷揚機工作時間為25000×60%×30%=4500小時

副卷揚機工作時間為25000×40%×30%=3000小時endprint

這種情況下，主卷揚機工作時間已經超過理論壽命，需要大修檢查，作出專業評估。

6 臂架循環工作應力譜統計及疲勞壽命估算及實例

6.1 技術應用現狀

在工程實踐中，履帶式桁架臂起重機的安全風險大多數來自運行過程中臂架結構的整體失穩或局部失穩，通常的原因是變幅失控、力矩超限、基礎傾斜、載荷偏斜、超風速吊裝等原因。只要安全裝置齊全有效，焊接接頭按期檢測，受力部件按期檢修更換，那么由于臂架疲勞損傷造成的破壞實例很少。因此，制造商和用戶都特別關注受力部件的檢驗、檢修、更換、維護以及施工規章制度的嚴格執行。而對于臂架疲勞壽命的分析極少專門提及。這一點與冶金行業橋式起重機安全評估明顯不同，后者的破壞往往是由結構疲勞損傷造成的。

履帶式起重機桁架臂的疲勞壽命估算文獻大多來自高等院校的學位論文或實驗室科研探討，這種計算壽命往往很長，不容易在實際產品使用中驗證。本文認為，對于長期在重載、超重載環境工作且使用年限較長的履帶式桁架臂起重機，進行臂架疲勞壽命估算有一定的針對性和參考意義。在具體工程實例中，對理論估算時的參數選取，作者提出了建議。

6.2 疲勞壽命估算方法

根據鋼結構設計規范GB50017-2003，構件疲勞壽命與應力幅的關系為：n=C/（△σ）β，當應力幅為多個變幅——頻次組合時，文獻[2]給出了一個變形的表達式，并考慮了損傷率D。

其中C、β為結構S-N曲線常數，r為應力譜中應力幅的級數，fi為各應力幅出現的頻率，△σi為各級應力幅，D為結構破壞時的損傷和，N為譜時間t中的總幅值數，譜時間t是指一個應力譜所代表的實際工作循環數（工作時間），n為結構破壞時應力譜的重復次數。

6.3 工程實例

（1）臂架循環工作應力譜統計。對某臺200t履帶式起重機實際施工過程，跟蹤實測額定載荷工況，以主臂第二節下弦管應力變化作為臂架疲勞壽命評估選用的應力幅與頻次數據。分別記錄兩個工作日的主臂工作過程和兩個工作日的副臂工作過程。主臂工況14個工作循環應力譜疊加副臂工況16個工作循環應力譜后，合成的應力幅與頻次數據見表5。

（2）臂架疲勞壽命估算。選擇合適的結構S-N曲線常數有一定困難，原因是國內桁架臂桿疲勞試驗數據缺乏，有些文獻選取材料的試驗常數，有些文獻選取鋼結構焊接接頭的試驗常數，兩種選擇都會帶來一定程度的近似。如依據鋼結構設計規范，取構件第8種連接類別的材料數據，β=3，C=0.41×1012?？偸堑玫揭粋€近似于無限壽命設計的疲勞壽命估算值。這與工程實踐中的經驗以及制造商初步給出的預期使用年限存在較大差異。根據作者的工作實踐，建議對臂架接頭疲勞數據稍作修正，取β=3.5，C=0.41×1012。損傷和D參考文獻[2]，取0.8。

將表5各數據帶入公式，可得：

因為一個譜時間表示4個工作日的額定負荷工作循環，所以

n=1874×4=7496（個工作日）

這一結果表示該設備投入使用以來，若實際生產工況一直近似于試驗工況，則臂架的疲勞壽命應達到7496個額定負荷作業工作日。

由歷年實際工作量統計，該設備完成了13個工程量，按每個工程240個作業工作日計算，該設備已經工作了3120個工作日，由此可以推算臂架剩余使用壽命4376個工作日，臂架可以再承擔的工程量約18個。

7 結束語

（1）履帶式起重機使用期內主要部件的安全評價及壽命評估技術包括主要部件的現狀檢測、安全隱患排查、臂架主要焊縫的無損探傷檢測、臂架結構的強度試驗分析和壽命評估、卷揚機使用壽命的分析等內容，具有很強的工程實際意義和應用價值。

（2）履帶式起重機使用期內的載荷變化較大，工作環境復雜，安全要求很高。特別是使用一定年限后，都經歷過若干大修、整改、損傷修復。因此，定期的安全評估工作非常重要。

參考文獻：

[1]GB50017-2003.鋼結構設計規范[S].

[2]平克楠.夾鉗起重機載荷譜統計及疲勞壽命估算技術[J].科技創新與應用，2016（36）.

[3]GB/T14560-2016履帶起重機[S].

[4]GB/T3811-2008起重機設計規范[S].

[5]徐云 .伸縮臂式履帶起重機抗傾覆穩定性研究[J].科技創新與應用，2015（13）：21-22.

[6]鮑曉杰.關于履帶式起重機啃齒現象的對比分析與解決方法[J].科技創新與應用，2016（15）：116.endprint