橋式卸船機監測應力的正確理解和應用

楊友志　汪瑞

摘 要：隨著經濟的飛速發展，各地“動脈樞紐”專業化碼頭的作用越發明顯。在港口的現場工作中，由于設備故障造成的停機維修、換機等長時間的停工對現場生產影響巨大，直接導致工作效率降低。作為散貨碼頭的重要卸船設備，卸船機是否能與輸送系統正確的匹配乃至主機的安全運行影響較大。橋式卸船機對散貨種類與船舶種類的變化適應性強，運營成本低等優點，在散裝物料的搬運中得到廣泛應用，因而成為散貨港口碼頭的主要卸船設備。

關鍵詞：卸船機;應力

1 前言

目前，橋式卸船機作為港口傳統大型設備，與其他大型設備一樣，在設備檢查方面也存在如下幾個方面的問題：

（1）投產時間長、使用頻率高，設備金屬結構的安全隱患較大（如拉桿受力不均、結構板材和焊縫出現疲勞裂紋等情況），設備的可靠性得不到保障。

（2）對了解設備的技術狀態和設備性能及相對薄弱環節或部位的跟蹤存在滯后的情況，不能適時的對設備進行維護和保養。

（3）對機械出現異常的情況，無法及時了解到設備的狀況從而進行確切的維修方案。

（4）對于沖擊大的港口大型設備，無法定量的收集、處理、分析高強度沖擊下的狀態特征，進行設備評估。

（5）很掌握一份詳細設備歷史健康狀態記錄，當設備進入后期使用后，不易做出設備的延用、改造和報廢決策，即不能更好的進行后期決策。

所以隨著碼頭現代化飛速的發展，需要更加科學的方法和適時地了解裝卸設備的性能，對設備進行保養維護和使用，關系到港口的正常運行和發展。

2 橋式卸船機鋼結構檢測簡介

2.1 鋼結構應力測試情況

2.1.1結構動靜態應力測試

根據該卸船機的結構型式，本次結構靜態應力檢測共布置單向應變計34片。應變計主要布置在前橋架、后橋架、前拉桿、后拉桿、小門架、前門架、后門架、大斜撐、臺車平衡梁等部位。本次靜態應力檢測共分5個檢測工況，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。

在結構靜應力測試的基礎上，選取主要受力構件上應力較大測點共3個進行動態應力測試，并且記錄卸煤機作業全周期各測點的動應力波形，經分析得到各測點在整個作業周期的最大動態應力區間。

2.1.2動靜態應力檢測結果

1）本次靜態結構應力測試，吊載應力測試時，最大拉應力發生在前橋架前支座外側頂板測點2處，在工況1時，其應力值為56.1MPa;最大壓應力發生在前橋架前支座內側頂板測點10處，在工況2時，其應力值為45.1MPa.

2）本次結構動態應力測試，最大拉應力發生在前橋架支座翼板測點7處，卸船機正常取煤工況下，其應力值為56.6MPa;最大壓應力發生在測點10處，卸船機正常取煤工況下，其應力值為74.0MPa。

2.2 裂紋情況

本次磁粉探傷檢驗，橋架結構探傷20處，發現焊縫及母材開裂5處;煤斗平臺及大斜撐根部探傷16處，發現焊縫開裂2處;臺車平衡梁探傷48處，發現裂紋1處;小車架探傷6處，未發現缺陷;小門架支座探傷4處，未發現缺陷。整機共計探傷94處，發現裂紋缺陷8處。

3 鋼結構疲勞與裂紋的產生與擴展

3.1 交變載荷與結構疲勞

機械零件與工程結構主要的破壞原因與形式是磨損、腐蝕和斷裂，機械零件磨損與腐蝕造成的損壞是巨大的，但由于過程較慢，實踐中可通過定期更換或修理等手段來解決。很多大型結構設備突然發生斷裂坍塌現象，常常帶來災難性的事故和人員傷亡或巨大的經濟損失，這就是疲勞斷裂破壞更為工程界重視的主要原因。

經大量研究，斷裂事故發生的可能因素很多，如循環疲勞、過載、低溫脆性和應力腐蝕等，據統計，機械及結構的斷裂事故中，80%～90%是由金屬疲勞引起的。能夠使得鋼材疲勞的載荷是動態的或循環性的活載荷，對抓斗卸船機而言，由于要頻繁搬運貨物，其主要結構部位需要承受較大應力，導致抓斗卸船機鋼結構件最終斷裂。

根據結構破壞前所經歷工作循環次數（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;低周疲勞是指結構所受應力較高，通常接近或者超過屈服極限，斷裂前的循環次數較少，一般少于1了一1護次，在每次循環過程中都發生了塑性變形，低周破壞就是塑J險累積的結果。抓斗卸船機在設計時，出于安全考慮，一般其設計名義應力都遠遠低于材料的屈服極限，其使用壽命也較長，其結構件的疲勞屬于高周疲勞。

3.2 裂紋的產生與擴展

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。如果構件有缺口或截面發生變化，特別是急劇變化處，會存在應力集中現象，此點處的應力能達到周圍應力幾十倍以上，當構件受力時，該部位就處于屈服狀態。應力集中對結構的靜強度影響不大，但對交變載荷而言，屬低周疲勞破壞，分子晶體的塑性移動達一定程度時此點應力會達到斷裂強度，造成晶界的斷裂，形成初始裂紋。

如果金屬表面沒有上述應力集中源，則初始裂紋往往在構件表面形成。金屬分子晶體在循環載荷的作用下，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，在工程結構中含有初始裂紋是難免的，關鍵是要知道這些裂紋在交變載荷下擴展的速度，裂紋使構件失效的臨界長度，在構件損傷缺陷達到臨界長度之前進行更換和修理。

4 小結

通過橋式卸船機檢測結果發現，裂紋多發生在承受交變應力變化幅度大的部位，特別是存在拉應力的部位，另外裂紋也多發生在變截面的應力集中處。應用斷裂力學理論可以得到如下結論：

1）雖然橋式卸船機的靜載荷及動載荷均很小，遠低于材料的屈服強度，但由于鋼結構承受

交變載荷作用，所以其破壞方法應按斷裂力學理論進行考慮，當鋼結構上的初始裂紋在交變載荷的作用下發展到一定程度時，就會出現斷裂破壞。不能因為檢測應力小而得出材料強度不超標的結論，此處進行強度分析應采用斷裂力學理論。

2）破壞裂紋一定是在初始裂紋的基礎上發展而來的，焊縫中易產生大量的初始裂紋，所以在設計時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量及大小的關鍵因素;焊縫是疲勞破壞的主要部位，在設備使用中應重點檢查。

3）初始裂紋另一個主要產生部位是應力集中部位，所以在設計時就要考慮到應力集中的影響，在變截面處及連接處應有良好的過渡;同時在后續的使用檢修中盡量避免在鋼結構上鉆孔、施焊等工作。本次檢測查出的裂紋很多出現在變截面處及兩件連接處也說明了這一點，在處理時除將原裂紋修復外，還需增加圓弧過渡，以消除應力集中現象。

4）使用者也需了解鋼結構的應力分布情況，對應力較大的部位，特別是應力循環變化頻繁，且存在拉應力的部位，應重點檢查，如果在這些部位存在應力集中或焊縫，則更容易產生裂紋，如測點7處。

5）對鋼結構中出現的裂紋應分析是制造質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，且后續的使用、檢查也有不同的要求。如是制造質量問題，裂紋處理后不影響使用（如存在應力集中還須消除應力集中現象）;如是過載問題，通常裂紋周邊結構伴隨著塑險變形，周邊的應力分布也發生了變化，此時應防止原應力較小的部位由于應力的重新分布而變大（產生疲勞裂紋的概率增大），同時要防止再次過載，塑性變形太大會使結構喪失承載能力而失效;如是疲勞問題，則說明結構不同的部位己開始逐漸達到其疲勞壽命，應對焊縫加強檢查，必要時進行一次較全面的焊縫檢測。

參考文獻

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