一種門座起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算方法

王保衛(wèi)

深圳市質(zhì)量安全檢驗(yàn)檢測(cè)研究院

1 引言

門座起重機(jī)作業(yè)工況復(fù)雜，載荷情況多變，疲勞破壞是其金屬結(jié)構(gòu)失效的主要形式。對(duì)于已服役時(shí)間較長，或者已經(jīng)超期服役的老舊門座起重機(jī)，其金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部可能已經(jīng)出現(xiàn)不同程度的損傷，這些損傷隱藏在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，難以辨別，一旦失效危害巨大，有必要對(duì)這類起重機(jī)進(jìn)行金屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算。

由金屬材料組合而成的結(jié)構(gòu)件，其疲勞壽命除了取決于所用材料的壽命外，還與結(jié)構(gòu)的形狀、制造質(zhì)量、使用狀況和環(huán)境條件等因素有關(guān)，而且這些因素都是不確定的。目前廣泛采用名義應(yīng)力法來估算起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

應(yīng)用名義應(yīng)力法進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算的依據(jù),是應(yīng)力譜和材料的抗力指標(biāo)S-N曲線。其基本估算思路是,從材料的S-N曲線出發(fā),并考慮各種影響因素,得到構(gòu)件的P-S-N曲線。其方法為:在主要承載結(jié)構(gòu)件的主要受力部位設(shè)多個(gè)應(yīng)力測(cè)試點(diǎn),根據(jù)門座起重機(jī)主要承載結(jié)構(gòu)件在裝卸作業(yè)情況下的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,得到主要承載結(jié)構(gòu)件測(cè)點(diǎn)的動(dòng)載應(yīng)力時(shí)間歷程曲線,并應(yīng)用雨流計(jì)數(shù)法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,再按照線性累積損傷理論,并結(jié)合起重機(jī)械的使用記錄(年限、裝卸量等)和主要結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況,進(jìn)行金屬結(jié)構(gòu)的疲勞壽命與剩余安全使用期限的預(yù)測(cè)估算[1]。

2 門座起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算方法

2.1 線性累積損傷理論

目前已有多種疲勞損傷理論，其中，工程中使用最廣泛的是Miner線性累積損傷理論。Miner損傷理論認(rèn)為，變幅疲勞中各個(gè)應(yīng)力幅所造成的損傷可以定量表示，并且可以線性疊加[3]。根據(jù)Miner損傷理論，載荷循環(huán)造成的損傷可以表示為：

(1)

式中,D為載荷作用下總的損傷度；l為不同的應(yīng)力水平；ni為各應(yīng)力水平下的循環(huán)次數(shù)；Ni為各應(yīng)力水平下的循環(huán)次數(shù)；a為常數(shù)，本次評(píng)估中取1。

2.2 采樣工況及應(yīng)力譜的確定

起重機(jī)械在其使用過程中，金屬結(jié)構(gòu)受力情況隨著工作載荷和作業(yè)情況而變化，在變應(yīng)力的作用下，金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞損傷。因此，為了提高疲勞壽命估算的準(zhǔn)確率，數(shù)據(jù)的采集應(yīng)當(dāng)盡可能選擇起重設(shè)備實(shí)際工作最頻繁的作業(yè)情況作為采樣工況。

采集起重機(jī)工作循環(huán)應(yīng)力數(shù)據(jù)，得到測(cè)點(diǎn)在服役過程中的應(yīng)力時(shí)間歷程數(shù)據(jù)，對(duì)這種應(yīng)力時(shí)間歷程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)出能夠反映測(cè)點(diǎn)在整個(gè)服役過程中工作狀況的疲勞應(yīng)力譜。疲勞應(yīng)力譜是對(duì)危險(xiǎn)部位疲勞可靠性分析的基礎(chǔ)，其具有統(tǒng)計(jì)特性，能本質(zhì)地反映該結(jié)構(gòu)不同服役過程的應(yīng)力循環(huán)的變化情況。通過雨流計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)處理，把實(shí)際的服役過程中各測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的應(yīng)力時(shí)程數(shù)據(jù)，處理成為不同應(yīng)力幅值和對(duì)應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，即為測(cè)點(diǎn)的疲勞應(yīng)力譜[2]。

2.3 材料S-N曲線的確定

S-N曲線表示外加應(yīng)力幅和材料疲勞壽命之間的關(guān)系，該曲線可以全面地反映材料在交變應(yīng)力的作用對(duì)疲勞的抗力關(guān)系。常規(guī)的曲線表示的是材料疲勞抗力的均值，即可靠度為50%時(shí)材料的疲勞抗力，但是對(duì)于大型特種設(shè)備而言，該可靠度不足以滿足其安全性要求，因此在結(jié)構(gòu)的疲勞壽命可靠性分析中，必須將疲勞抗力按隨機(jī)變量來處理，表示出有一定可靠度的一簇曲線，即為P-S-N曲線[3]。

金屬材料的P-S-N曲線，可使用單對(duì)數(shù)坐標(biāo)，即僅將疲勞壽命取對(duì)數(shù)，或可使用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)，即將應(yīng)力幅與疲勞壽命分別取對(duì)數(shù)。當(dāng)使用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)時(shí)，曲線的左段一般是一條直線，其表達(dá)式為：

lgN=C+mlgΔσ

(2)

式中，N為p%存活率下的疲勞壽命；Δσ為應(yīng)力范圍，MPa；C、m為不同材料及不同可靠度情況下方程常數(shù)，根據(jù)所檢測(cè)起重機(jī)主要焊接結(jié)構(gòu)件的材料及接頭形式確定，例如對(duì)于Q235材料，在95%存活率下，C、m分別為-3.371與13.45。

2.4 疲勞壽命估算

根據(jù)處理后得到的應(yīng)力譜結(jié)果，代入到可靠度為95%的P-S-N曲線中，得到各應(yīng)力幅下的循環(huán)次數(shù),再根據(jù)Miner損傷理論計(jì)算采樣工作循環(huán)下的損傷度D′。

假設(shè)起重機(jī)工作狀況與采樣時(shí)工作狀況一致，如果采樣工作循環(huán)下的有效采樣時(shí)間長度為t，則由采樣工作循環(huán)下的損傷度，可以推導(dǎo)出起重機(jī)服役期間的總壽命，其理論疲勞壽命計(jì)算公式為：

(3)

式中，總損傷度D取1。

2.5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的選擇以及測(cè)點(diǎn)布置現(xiàn)場(chǎng)見圖1。

圖1 門座起重機(jī)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置示意圖

由于待檢測(cè)的門座起重設(shè)備載荷情況多為輕載大幅度工況，為了提高疲勞壽命估算的安全系數(shù)，采用半載作為試驗(yàn)載荷，在相應(yīng)的最大幅度下進(jìn)行測(cè)點(diǎn)的疲勞應(yīng)力時(shí)間歷程測(cè)試。具體為：①吊具鋼絲繩完全松弛時(shí)設(shè)備置零，開始記錄數(shù)據(jù)；②起吊測(cè)試載荷至常用高度，根據(jù)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)狀況以及實(shí)際工作情況回轉(zhuǎn)180°；③回到初始位置使吊具鋼絲繩完全松弛。完成以上動(dòng)作后以上視為1個(gè)工作循環(huán)結(jié)束，測(cè)試時(shí)重復(fù)以上工作循環(huán)5次，進(jìn)行連續(xù)作業(yè)采樣。

工作循環(huán)下的應(yīng)力時(shí)間歷程數(shù)據(jù)是對(duì)起重機(jī)實(shí)際工作過程中金屬結(jié)構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力變化情況的量化反映，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)計(jì)算中，假定檢測(cè)風(fēng)力適宜，司機(jī)操作正常，并且忽略突發(fā)意外情況以及人為破壞因素等對(duì)壽命的影響。門座起重機(jī)各測(cè)點(diǎn)工作循環(huán)應(yīng)力測(cè)試時(shí)間歷程曲線見圖2～圖5。

圖2 門座起重機(jī)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力時(shí)間歷程1

圖3 門座起重機(jī)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力時(shí)間歷程2

圖4 門座起重機(jī)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力時(shí)間歷程3

圖5 門座起重機(jī)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力時(shí)間歷程4

2.6 雨流計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)

門座起重機(jī)各測(cè)點(diǎn)的時(shí)間歷程數(shù)據(jù)，經(jīng)雨流計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)處理后，應(yīng)力幅值明顯較大的測(cè)點(diǎn)作為計(jì)算點(diǎn)，計(jì)算其理論安全使用期限。選取的計(jì)算測(cè)點(diǎn)為AI1-01、AI1-02、AI1-03、AI1-04，其工作循環(huán)測(cè)試下的時(shí)間歷程數(shù)據(jù)經(jīng)雨流計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)處理后的幅值分布見圖6～圖9。

圖6 AI1-01測(cè)點(diǎn)應(yīng)力幅值分布圖

圖7 AI1-02測(cè)點(diǎn)應(yīng)力幅值分布圖

圖8 AI1-03測(cè)點(diǎn)應(yīng)力幅值分布圖

圖9 AI1-04測(cè)點(diǎn)應(yīng)力幅值分布圖

2.7 疲勞壽命估算

起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算的基礎(chǔ)是金屬疲勞理論以及概率統(tǒng)計(jì)分析理論，計(jì)算時(shí)，用采樣工作循環(huán)內(nèi)金屬構(gòu)件的應(yīng)力變化情況進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而推導(dǎo)設(shè)備在整個(gè)服役期間金屬構(gòu)件受應(yīng)力作用的疲勞情況。因此，壽命預(yù)測(cè)的結(jié)果與計(jì)算時(shí)起重機(jī)械的作業(yè)強(qiáng)度息息相關(guān)。

計(jì)算時(shí)，使用工況假定為：一天工作8 h，一年工作250天；實(shí)際安全使用期限則根據(jù)使用方提供的2020年12月份實(shí)際作業(yè)次數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

門座起重機(jī)各測(cè)點(diǎn)的疲勞壽命，以及根據(jù)實(shí)際作業(yè)次數(shù)計(jì)算的實(shí)際安全使用期限計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 門座起重機(jī)疲勞壽命與安全使用期統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)語

由剩余安全使用期限的計(jì)算結(jié)果可知，門座起重機(jī)疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)主要在支腿處，其中支腿測(cè)點(diǎn)AI1-01疲勞壽命最短。若作業(yè)情況與檢測(cè)時(shí)采樣工況一致，并且始終按照采樣工況保持下去，設(shè)備的工作強(qiáng)度按照疲勞壽命設(shè)定條件一致，門座起重機(jī)支腿各測(cè)點(diǎn)已超過疲勞壽命極限；若工作強(qiáng)度按照設(shè)備在12月份的實(shí)際工作次數(shù)持續(xù)工作的前提下，設(shè)備支腿測(cè)點(diǎn)AI1-01的剩余安全使用期限僅為1.2年，也已接近實(shí)際安全使用期限。因此，門座起重機(jī)的疲勞壽命以及根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況計(jì)算出的實(shí)際安全使用期限，均已接近極限值，若無法進(jìn)行有效修復(fù)，則建議對(duì)該設(shè)備進(jìn)行報(bào)廢處理。