橋式卸船機(jī)監(jiān)測(cè)應(yīng)力的正確理解和應(yīng)用

楊友志　汪瑞

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各地“動(dòng)脈樞紐”專業(yè)化碼頭的作用越發(fā)明顯。在港口的現(xiàn)場(chǎng)工作中，由于設(shè)備故障造成的停機(jī)維修、換機(jī)等長(zhǎng)時(shí)間的停工對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)影響巨大，直接導(dǎo)致工作效率降低。作為散貨碼頭的重要卸船設(shè)備，卸船機(jī)是否能與輸送系統(tǒng)正確的匹配乃至主機(jī)的安全運(yùn)行影響較大。橋式卸船機(jī)對(duì)散貨種類與船舶種類的變化適應(yīng)性強(qiáng)，運(yùn)營(yíng)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在散裝物料的搬運(yùn)中得到廣泛應(yīng)用，因而成為散貨港口碼頭的主要卸船設(shè)備。

關(guān)鍵詞：卸船機(jī);應(yīng)力

1 前言

目前，橋式卸船機(jī)作為港口傳統(tǒng)大型設(shè)備，與其他大型設(shè)備一樣，在設(shè)備檢查方面也存在如下幾個(gè)方面的問題：

（1）投產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)、使用頻率高，設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)的安全隱患較大（如拉桿受力不均、結(jié)構(gòu)板材和焊縫出現(xiàn)疲勞裂紋等情況），設(shè)備的可靠性得不到保障。

（2）對(duì)了解設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)和設(shè)備性能及相對(duì)薄弱環(huán)節(jié)或部位的跟蹤存在滯后的情況，不能適時(shí)的對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)。

（3）對(duì)機(jī)械出現(xiàn)異常的情況，無法及時(shí)了解到設(shè)備的狀況從而進(jìn)行確切的維修方案。

（4）對(duì)于沖擊大的港口大型設(shè)備，無法定量的收集、處理、分析高強(qiáng)度沖擊下的狀態(tài)特征，進(jìn)行設(shè)備評(píng)估。

（5）很掌握一份詳細(xì)設(shè)備歷史健康狀態(tài)記錄，當(dāng)設(shè)備進(jìn)入后期使用后，不易做出設(shè)備的延用、改造和報(bào)廢決策，即不能更好的進(jìn)行后期決策。

所以隨著碼頭現(xiàn)代化飛速的發(fā)展，需要更加科學(xué)的方法和適時(shí)地了解裝卸設(shè)備的性能，對(duì)設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)維護(hù)和使用，關(guān)系到港口的正常運(yùn)行和發(fā)展。

2 橋式卸船機(jī)鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)簡(jiǎn)介

2.1 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試情況

2.1.1結(jié)構(gòu)動(dòng)靜態(tài)應(yīng)力測(cè)試

根據(jù)該卸船機(jī)的結(jié)構(gòu)型式，本次結(jié)構(gòu)靜態(tài)應(yīng)力檢測(cè)共布置單向應(yīng)變計(jì)34片。應(yīng)變計(jì)主要布置在前橋架、后橋架、前拉桿、后拉桿、小門架、前門架、后門架、大斜撐、臺(tái)車平衡梁等部位。本次靜態(tài)應(yīng)力檢測(cè)共分5個(gè)檢測(cè)工況，工況1：小車位于前橋架最外端，抓斗滿載;工況2：小車位于前拉桿鉸點(diǎn)位置，抓斗滿載;工況3：小車位于前橋架中部，抓斗滿載;工況4：小車位于前門架上方，抓斗滿載;工況5：小車位于前后門架中間，抓斗滿載。

在結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力測(cè)試的基礎(chǔ)上，選取主要受力構(gòu)件上應(yīng)力較大測(cè)點(diǎn)共3個(gè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試，并且記錄卸煤機(jī)作業(yè)全周期各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力波形，經(jīng)分析得到各測(cè)點(diǎn)在整個(gè)作業(yè)周期的最大動(dòng)態(tài)應(yīng)力區(qū)間。

2.1.2動(dòng)靜態(tài)應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果

1）本次靜態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試，吊載應(yīng)力測(cè)試時(shí)，最大拉應(yīng)力發(fā)生在前橋架前支座外側(cè)頂板測(cè)點(diǎn)2處，在工況1時(shí)，其應(yīng)力值為56.1MPa;最大壓應(yīng)力發(fā)生在前橋架前支座內(nèi)側(cè)頂板測(cè)點(diǎn)10處，在工況2時(shí)，其應(yīng)力值為45.1MPa.

2）本次結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試，最大拉應(yīng)力發(fā)生在前橋架支座翼板測(cè)點(diǎn)7處，卸船機(jī)正常取煤工況下，其應(yīng)力值為56.6MPa;最大壓應(yīng)力發(fā)生在測(cè)點(diǎn)10處，卸船機(jī)正常取煤工況下，其應(yīng)力值為74.0MPa。

2.2 裂紋情況

本次磁粉探傷檢驗(yàn)，橋架結(jié)構(gòu)探傷20處，發(fā)現(xiàn)焊縫及母材開裂5處;煤斗平臺(tái)及大斜撐根部探傷16處，發(fā)現(xiàn)焊縫開裂2處;臺(tái)車平衡梁探傷48處，發(fā)現(xiàn)裂紋1處;小車架探傷6處，未發(fā)現(xiàn)缺陷;小門架支座探傷4處，未發(fā)現(xiàn)缺陷。整機(jī)共計(jì)探傷94處，發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷8處。

3 鋼結(jié)構(gòu)疲勞與裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展

3.1 交變載荷與結(jié)構(gòu)疲勞

機(jī)械零件與工程結(jié)構(gòu)主要的破壞原因與形式是磨損、腐蝕和斷裂，機(jī)械零件磨損與腐蝕造成的損壞是巨大的，但由于過程較慢，實(shí)踐中可通過定期更換或修理等手段來解決。很多大型結(jié)構(gòu)設(shè)備突然發(fā)生斷裂坍塌現(xiàn)象，常常帶來災(zāi)難性的事故和人員傷亡或巨大的經(jīng)濟(jì)損失，這就是疲勞斷裂破壞更為工程界重視的主要原因。

經(jīng)大量研究，斷裂事故發(fā)生的可能因素很多，如循環(huán)疲勞、過載、低溫脆性和應(yīng)力腐蝕等，據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械及結(jié)構(gòu)的斷裂事故中，80%～90%是由金屬疲勞引起的。能夠使得鋼材疲勞的載荷是動(dòng)態(tài)的或循環(huán)性的活載荷，對(duì)抓斗卸船機(jī)而言，由于要頻繁搬運(yùn)貨物，其主要結(jié)構(gòu)部位需要承受較大應(yīng)力，導(dǎo)致抓斗卸船機(jī)鋼結(jié)構(gòu)件最終斷裂。

根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞前所經(jīng)歷工作循環(huán)次數(shù)（壽命），疲勞可分為高周疲勞和低周疲勞。高周疲勞的壽命主要是由裂紋萌生壽命組成;低周疲勞是指結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力較高，通常接近或者超過屈服極限，斷裂前的循環(huán)次數(shù)較少，一般少于1了一1護(hù)次，在每次循環(huán)過程中都發(fā)生了塑性變形，低周破壞就是塑J險(xiǎn)累積的結(jié)果。抓斗卸船機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，出于安全考慮，一般其設(shè)計(jì)名義應(yīng)力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服極限，其使用壽命也較長(zhǎng)，其結(jié)構(gòu)件的疲勞屬于高周疲勞。

3.2 裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展

金屬材料如果含有缺陷、夾雜物、切口，此處就存在初始裂紋，這些位置通常在焊縫處。如果構(gòu)件有缺口或截面發(fā)生變化，特別是急劇變化處，會(huì)存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，此點(diǎn)處的應(yīng)力能達(dá)到周圍應(yīng)力幾十倍以上，當(dāng)構(gòu)件受力時(shí)，該部位就處于屈服狀態(tài)。應(yīng)力集中對(duì)結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度影響不大，但對(duì)交變載荷而言，屬低周疲勞破壞，分子晶體的塑性移動(dòng)達(dá)一定程度時(shí)此點(diǎn)應(yīng)力會(huì)達(dá)到斷裂強(qiáng)度，造成晶界的斷裂，形成初始裂紋。

如果金屬表面沒有上述應(yīng)力集中源，則初始裂紋往往在構(gòu)件表面形成。金屬分子晶體在循環(huán)載荷的作用下，最初的滑移線變成滑移帶，在大量的滑移帶中，由于原滑移所引起的對(duì)表面的侵入和擠出，從而在表面留下空洞，形成了初始裂紋。

從上面的描述可知，在工程結(jié)構(gòu)中含有初始裂紋是難免的，關(guān)鍵是要知道這些裂紋在交變載荷下擴(kuò)展的速度，裂紋使構(gòu)件失效的臨界長(zhǎng)度，在構(gòu)件損傷缺陷達(dá)到臨界長(zhǎng)度之前進(jìn)行更換和修理。

4 小結(jié)

通過橋式卸船機(jī)檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，裂紋多發(fā)生在承受交變應(yīng)力變化幅度大的部位，特別是存在拉應(yīng)力的部位，另外裂紋也多發(fā)生在變截面的應(yīng)力集中處。應(yīng)用斷裂力學(xué)理論可以得到如下結(jié)論：

1）雖然橋式卸船機(jī)的靜載荷及動(dòng)載荷均很小，遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，但由于鋼結(jié)構(gòu)承受

交變載荷作用，所以其破壞方法應(yīng)按斷裂力學(xué)理論進(jìn)行考慮，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)上的初始裂紋在交變載荷的作用下發(fā)展到一定程度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)斷裂破壞。不能因?yàn)闄z測(cè)應(yīng)力小而得出材料強(qiáng)度不超標(biāo)的結(jié)論，此處進(jìn)行強(qiáng)度分析應(yīng)采用斷裂力學(xué)理論。

2）破壞裂紋一定是在初始裂紋的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，焊縫中易產(chǎn)生大量的初始裂紋，所以在設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮到焊接工藝，并在制造階段提高焊接工藝水平，這是減少初始裂紋的數(shù)量及大小的關(guān)鍵因素;焊縫是疲勞破壞的主要部位，在設(shè)備使用中應(yīng)重點(diǎn)檢查。

3）初始裂紋另一個(gè)主要產(chǎn)生部位是應(yīng)力集中部位，所以在設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮到應(yīng)力集中的影響，在變截面處及連接處應(yīng)有良好的過渡;同時(shí)在后續(xù)的使用檢修中盡量避免在鋼結(jié)構(gòu)上鉆孔、施焊等工作。本次檢測(cè)查出的裂紋很多出現(xiàn)在變截面處及兩件連接處也說明了這一點(diǎn)，在處理時(shí)除將原裂紋修復(fù)外，還需增加圓弧過渡，以消除應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4）使用者也需了解鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，對(duì)應(yīng)力較大的部位，特別是應(yīng)力循環(huán)變化頻繁，且存在拉應(yīng)力的部位，應(yīng)重點(diǎn)檢查，如果在這些部位存在應(yīng)力集中或焊縫，則更容易產(chǎn)生裂紋，如測(cè)點(diǎn)7處。

5）對(duì)鋼結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的裂紋應(yīng)分析是制造質(zhì)量原因還是使用中過載，或者是疲勞。不同的原因需有不同的處理措施，且后續(xù)的使用、檢查也有不同的要求。如是制造質(zhì)量問題，裂紋處理后不影響使用（如存在應(yīng)力集中還須消除應(yīng)力集中現(xiàn)象）;如是過載問題，通常裂紋周邊結(jié)構(gòu)伴隨著塑險(xiǎn)變形，周邊的應(yīng)力分布也發(fā)生了變化，此時(shí)應(yīng)防止原應(yīng)力較小的部位由于應(yīng)力的重新分布而變大（產(chǎn)生疲勞裂紋的概率增大），同時(shí)要防止再次過載，塑性變形太大會(huì)使結(jié)構(gòu)喪失承載能力而失效;如是疲勞問題，則說明結(jié)構(gòu)不同的部位己開始逐漸達(dá)到其疲勞壽命，應(yīng)對(duì)焊縫加強(qiáng)檢查，必要時(shí)進(jìn)行一次較全面的焊縫檢測(cè)。

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