起重機械安全評估技術研究與應用

供稿/李福森 采編/高源

項目簡介

起重機械作為工業基礎設備，廣泛應用于核電站、航空航天、冶金、造船、水利水電、市政工程建設、交通運輸、石油化工等國民經濟的各個領域。隨著我國的經濟建設不斷發展，各種大型工程新建與改擴建，我國起重機械制造規模和在用數量都在持續飛速增長，截止到2021 年底，我國在用起重機械共有273.02 萬臺，制造量、保用量均居于世界第一位，其中大部分的起重機械都已服役多年，有不少都是“帶病”運行，留下了大量安全隱患，導致起重機械安全事故時有發生，造成人員傷亡與重大經濟損失。為保證和提高起重機械作業的安全性，減少事故的發生，杜絕帶病作業的起重機，對在役起重機的安全評估就顯得尤為重要。而安全評估的內容會涉及到方方面面，既與產品過往作業歷史、事故故障、當前作業狀態及可能潛在的危險等方面有關，又與產品設計、制造、使用等多重因素關聯。

此外，針對測量中的輪壓測試、結構動態剛性測試等難點問題，創新性地開發了基于動態應力檢測的輪壓測試分析方法和基于電磁感應的起重機械金屬結構動態剛性測試方案實現了對輪壓和動剛度的安全、方便、有效測量。針對剩余壽命評估國內外的各種理論較為繁雜且可操作性差的問題，采用了線性累積損傷理論進行剩余壽命估算，并且從機械零件、機構、結構件、整機分別給出了剩余壽命估算的方法及流程。

而且本項目對于我國起重機械安全評估工作的開展具有重大指導意義和巨大推動作用，對保證和提高起重機械作業的安全性，減少起重機械事故，保障人民生命財產安全具有重大意義。

主要科技創新

1.立項背景：

對于金屬結構的安全評估技術的研究,美國、德國、法國和俄羅斯等國在這一領域的工作開展己久，并有多項科研成果公布，這些成果在汽車、航空、壓力容器等工業領域有成功的應用。國內外的研究對象、方法、手段大致相當。國內一些高校和研究院所就診斷方法與控制技術開展了不少有益的研究，如對焊接裂紋預測及診斷建立了知識庫，并運用專家系統就水電站高壓岔管的裂紋進行分析；用有限元法對應力進行分析，用Miner 線性積累損傷理論及蒙特卡羅法對其疲勞壽命進行預測；利用可靠性中的“應力-強度干涉理論”，通過對應力循環的等效變換及隨機載荷歷程的數據處理,實現了疲勞強度的可靠性設計計算。

在起重機械安全評估領域，雖然其他領域的成功應用的各類安全評估理論在該領域都有應用研究，但大多停留在理論層面，可操作性差，導致在實際操作上應用不多，少量的一些應用也缺乏系統性和全面性，無法取得行業和市場的認可。

而我國起重機械在用規模巨大，截止到2021 年底，我國在用起重機械共有273.02 萬臺，居世界第一位，其中大部分的起重機械都已服役多年，有不少都是“帶病”運行，留下了大量安全隱患，導致起重機械安全事故時有發生，造成人員傷亡與重大經濟損失。為保證和提高起重機械作業的安全性，減少事故的發生，杜絕帶病作業的起重機，對在役起重機的安全評估就顯得尤為重要。而安全評估的內容會涉及到方方面面，既與產品過往作業歷史、事故故障、當前作業狀態及可能潛在的危險等方面有關，又與產品設計、制造、使用等多重因素關聯，因此，急需建立規范、通用的安全評估方法理論體系，選取能夠反映起重機械安全狀況的量，實現對其有效測量，并通過測量的結果及檢查的結論，分析起重機械的安全狀況，給出使用建議，從而保證產品的安全使用，行業的健康發展。

2.詳細技術內容：

首先確定了以相對成熟，且應用較多的線性累積損傷理論為開展安全評估的理論基礎，為了保證該理論在起重機械安全評估實踐中可操作性，建立了一套全面、系統的評估規范，將起重機械的安全評估分為現狀評估、預測評估和綜合評估三個部分，給出了如下圖所示的安全評估規范流程。

對于流程中的每一個環節都給出了具體的操作要求，包括：技術檔案審查應審核的技術文件及記錄；現場檢查需要關注到的重要結構件、關鍵零部件、安全防護裝置，制定了統一的抽查原則及檢查方法以及詳細的判定依據；無損檢測應關注的對象，磁粉、滲透、超聲波檢測的使用范圍以及結果的判定；載荷試驗應關注的要點及要求；應力測試工況與應力測試點的選擇，以及安全判定的方法，如下表所示：

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針對測試項目中開展難度最大的輪壓的測試和結構動態剛性的測試，創新性地開發了基于動態應力檢測的輪壓測試分析方法和基于電磁感應的起重機械金屬結構動態剛性測試方案。

基于動態應力檢測的輪壓測試分析方法不同于傳統的壓力傳感器直接測量法，是一種間接測量方法，通過測量每個車輪引起的軌道應力變化，得到整機在每個車輪上的輪壓分配，而測得輪壓。其原理是根據起重機車輪壓過大車軌道時，作用于軌道上的鉛垂方向的力會使軌道產生應變的特點，將應變片粘貼在被測車輪走過的軌道側面，當車輪走過時應變片隨著軌道一起變形，應變片的電阻值將發生相應的變化，動態應變儀將電阻變化轉換成應力應變值并記錄下來，讓每個大車車輪都壓過布有應變片的檢測點，從而測定每個車輪的引起的軌道應力應變，比較后，就可知整機在每個車輪上的輪壓分配。該方法不但避免了直接測量法可能安全風險及繁瑣復雜的操作，而且可以便捷的測得各種工作狀態下輪壓的分配情況，從而得到整機重心在作業全過程中的移動軌跡，對整機的安全評估意義重大。

基于電磁感應的起重機械金屬結構動態剛性測試方案，旨在測量結構在特定的動態激擾下抵抗變形的能力。由于起重機械的動剛度具有頻率低、振幅大等特點，是目前動剛度檢測領域的難點。本方法采用新型拾振器，以電磁感應理論為基礎，通過設置磁場形式和運動結構，使得振動時磁力線切割產生電流，通過電路設置和運動微分方程計算，最終得到頻率、加速度、速度、振幅等物理量，并通過拾振器布置方式，可以得到振動方向。 在測量中，將拾振器布置于將要測試的位置，整個測試系統通過屏蔽線連接，保證測試系統的抗干擾能力和穩定性。通過使用信號放大器和衰減電纜，增加測試系統的測量精度和測量范圍。在測量范圍內將不同分段通過不同運動微分方程賦予不同的參數。測試時通過選擇不同參數和不同的運動微分方程就可以得到更高精度的數據。將測得的各物理量再通過后期數據處理和分析，從而得出起重機械動態剛性狀態。

對于剩余壽命理論估算，針對國內外較為繁雜的各種理論，統一采用了線性累積損傷理論進行剩余壽命估算，并且從機械零件、機構、結構件、整機分別給出了剩余壽命估算的方法及流程，包括累積損傷度計算公式、已發生的載荷譜系數計算公式、剩余損傷度計算公式、剩余壽命計算公式，明確了針對各種作業記錄數據放大系數的選擇方法及疲勞強度抗力系數選取方法。

對于整機的綜合判定，給出了整機的安全等級劃分方式及對應的安全結論：

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3.主要技術創新點：

1）規范、系統、可操作的起重機械安全評估的方法程序

本項目針對國內外對于起重機械的安全評估技術理論研究雖然較多、但實用性與可操作性不強的狀況，提出了一套可操作性強的、系統全面的起重機械安全評估規范，以指導安全評估的實踐出發，將起重機械的安全評估做為一個系統性工作分為現狀評估、預測評估和綜合評估三個部分，給出了規范的安全評估工作程序，明確了安全評估的詳細流程，且對于流程中的每一個環節都給出了具體的操作要求，包括：技術檔案審查的內容要點，現場檢查的項目及方法要求、無損檢測要求、載荷試驗要求、應力測試要求以及剩余壽命理論估算和整機綜合判定的方法和要求等。

其中，對于剩余壽命的理論估算，針對國內外較為繁雜的各種理論，統一采用了線性累積損傷理論進行剩余壽命估算，并且從機械零件、機構、結構件、整機分別給出了剩余壽命估算的方法及流程。

本項目在國內外首次提出了一個可操作性強的、系統性的起重機械安全評估方法，為開展起重機械安全評估工作奠定了堅實的理論基礎，并且研究成果以國家標準的形式進行了發布，填補了國內外標準的空白。

2）基于動態應力檢測的輪壓測試分析方法

輪壓能反映出起重機械整體穩定性的狀況，對于港口起重機械等有傾覆危險的起重機械的安全評估有重要意義。目前主流的輪壓測試方法是采用壓力傳感器的直接測量方法，實施方案有頂升法和鋪墊法兩種，頂升法測試原理是將傳感器放在千斤頂上，然后利用千斤頂的力頂起起重機的支腿至支腿下的車輪全部脫離軌道，將壓力傳感器的數值作為該支腿所承受起重機的重量。鋪墊法則將斜鍥形狀的壓力傳感器鋪設在軌道上，使車輪壓在傳感器上來進行測量。頂升法需要將設備頂起，操作極不方便，同時具有一定的危險性，鋪墊法則由于傳感器有一定的厚度，車輪經過時會造成沖擊，可能對車輪平衡梁造成損傷。且這兩種壓力傳感器的直接測量法，測量狀態并不是真實整機工作狀態，要么整機被頂起了，要么車輪被墊高了。

本項目中，創新性的采用了間接測量方法，通過測量每個車輪引起的軌道應力變化，得到整機在每個車輪上的輪壓分配，而測得輪壓。其原理是根據起重機車輪壓過大車軌道時，作用于軌道上的鉛垂方向的力會使軌道產生應變的特點，將應變片粘貼在被測車輪走過的軌道側面，當車輪走過時應變片隨著軌道一起變形，應變片的電阻值將發生相應的變化，動態應變儀將電阻變化轉換成應力應變值并記錄下來，讓每個大車車輪都壓過布有應變片的檢測點，從而測定每個車輪的引起的軌道應力應變，比較后，就可知整機在每個車輪上的輪壓分配。

該方法不但避免了直接測量法安全風險，而且可以便捷的測得各種工作狀態下輪壓的分配情況，從而得到整機重心在作業全過程中的移動軌跡，對整機的安全評估意義更加重大。目前已采用此方法，進行了多臺門座起重機、卸船機、斗輪堆取料機的輪壓檢測，取得了理想的效果。

3）基于電磁感應的起重機械金屬結構動態剛性測試方案

動剛度是結構在特定的動態激擾下抵抗變形的能力，是起重機械使用中使用單位特別關注的指標，也是起重機械安全評估的重要指標。但起重機械的動剛度具有頻率低、振幅大等特點，是目前動剛度檢測領域的難點。傳統起重機械的動剛度檢測一般通過測量起重機械應力變化，通過應力循環計算出振動頻率，這種檢測方法只能間接得出振動頻率，對于振幅、振動方向等其他物理量無法做出有效評價。為了更好的了解起重機械的結構動態剛性，更好的對起重機械安全狀態進行評估，本項目提出了一種基于電磁感應的起重機械金屬結構動態剛性測試方法，不但可以測得振動械頻率，還能測得振動的加速度、速度、振幅等物理量。

該方法采用新型拾振器，以電磁感應理論為基礎，通過設置磁場形式和運動結構，使得振動時磁力線切割產生電流，通過電路設置和運動微分方程計算，最終得到頻率、加速度、速度、振幅等物理量，通過拾振器布置方式，可以得到振動方向。

在測量中，將拾振器布置于將要測試的位置，整個測試系統通過屏蔽線連接，保證測試系統的抗干擾能力和穩定性。通過使用信號放大器和衰減電纜，增加測試系統的測量精度和測量范圍。在測量范圍內將不同分段通過不同運動微分方程賦予不同的參數。測試時通過選擇不同參數和不同的運動微分方程就可以得到更高精度的數據。將測得的各物理量再通過后期數據處理和分析，從而得出起重機械動態剛性狀態。

該測試方法已在質檢中心的起重機械安全評估工作中廣泛應用，效果良好。

4）基于應力測試的起重機械金屬結構剩余壽命評估

起重機械金屬結構的剩余壽命的評估，是起重機械安全評估工作最重要的部分，也是使用單位最關心的部分。金屬結構的剩余壽命取決于其結構上關鍵部位的壽命，本項目正是結構的分析及靜態應力進行雙重篩選，找到影響金屬結構壽命的“短板”部位，通過實際工況作業或模擬工況作業，獲取關鍵部位典型載荷工況下的動態應力應變曲線，應用疲勞壽命估算理論，估算測試工況下的總壽命以及剩余使用壽命。

由于起重機金屬結構的應力往往處于較低的水平，所受應力小于材料的強度極限，其金屬結構的疲勞破壞特性為高周疲勞破壞，因此，在實際應用中采用名義應力法對金屬結構進行壽命預測。

疲勞壽命評估的技術路線是從材料的S-N 曲線出發，再考慮各種影響因素，結合結構危險點的實測應力譜，按照線性累積損傷理論及修正Palmgren-Miner 法則，進行金屬結構的疲勞壽命估算，再結合起重機的歷史作業量，進行綜合分析，估算出起重機的剩余安全使用壽命，如下圖所示。

疲勞壽命評估技術路線示意圖

通過動態應力測試獲得的載荷應力幅的大小直接關系到結構的損傷度計算，本方法中采用雨流計數法對測量的動態應力數據進行統計，以便得到不同大小應力幅的出現概率。然后結合各應力幅對應的損傷度和各應力幅的出現概率，得到金屬結構的總損傷度。

疲勞壽命預測的必要條件是材料的S-N 曲線，它是用來反映外加應力和金屬結構疲勞壽命曲線的一種曲線，也用來表示材料的疲勞強度特性。材料S-N 曲線的可由BS7608 鋼結構疲勞設計與評估查得。

lgNp=ap+bplgσ

式中：Np——在不同可靠度下的循環次數；

σ——在不同條件下的應力幅或者最大壓力；

ap、bp——固定參數。

Miner 線性累積損傷理論是工程上廣泛應用的疲勞壽命計算方法。該法則的假設為，從能量累積的角度上來看，認為當構件吸收的能量到達極限值時，構件發生破壞。假設用W 表示構件可以吸收的能量極限值，用N 來表示構件的總壽命，也就是總循環數。當構件吸收的能量W1 時，在某一對應盈利水平下所發省的循環數為N1，有W1/W=N1/N。

而構件所承受的應力循環不會一直是一個水平，因此在不同的循環應力σ1，σ2，???，σk下，所對應的不同應力循環數為n1，n2???，nk，得到總的疲勞損傷為

式中：ni——在第i 級循環應力水平下的循環次數；

Ni——第i 級應力水平下的疲勞壽命。

參數a 一般由疲勞試驗確定，理論上一般取1，但實際工程試驗中，平均值為0.68。所以最終壽命計算公式為

通過對關鍵部位測得疲勞應力數據進行雨流計數統計，得到總損傷度，以及當前測試條件下的循環總壽命，結合設備歷史工作量，估算剩余使用壽命。

本項目采用的剩余壽命估算方案，符合我們在標準中提出的基于線性累積損傷理論的壽命估算，已在大量門座起重機、卸船機、堆取料機等起重機械的剩余壽命評估采用，取得了良好的效果。

4、與當前國內外同類技術主要參數、效益、市場競爭力的比較：

1）相對于傳統的安全評估方案只局限在金屬結構當前的狀態的評判，且理論繁雜，可操作性差，本項目提出的起重機械安全評估規范是一套系統全面、理論基礎成熟、可操作強的起重機械安全評估的方法和程序。首次將技術檔案的審查、作業現場的檢查、載荷試驗、測試數據的采集、剩余壽命的分析、整機綜合的評判做為一個整體融入安全評估工作中，在成熟的線性累積損傷理論基礎上，提出了一套可操作性極強的方法和程序，并且以國家標準的形式發布，填補了國內外相關標準的空白，有利于起重機械安全評估工作的推廣及規范。

2）本項目采用的基于動態應力檢測的輪壓測試分析方法，為國內領先水平，與傳統的壓力傳感器直接測量法的對比如下表所示：

對比項壓力傳感器直接測量法動態應力間接測量法可操作性需頂升整機或鋪墊軌道，操作復雜軌道貼片，操作簡單安全風險整機有傾覆風險，安全風險大正常作業，無附加安全風險檢測工況支撐點是頂升或墊高狀態，是對正常作業工況的近似正常作業工況

3）本項目采用的基于電磁感應的起重機械金屬結構動態剛性測試方案，為國內領先水平，傳統的基于動態應力的測試方法只能間接得出振動頻率，對于振幅、振動方向等其他物理量無法做出有效評價，遠遠達不到對起重機械進行安全評估的要求。本測試方法不僅能夠測量起重機械振動頻率，還能夠對振動加速度、速度、振幅等物理量進行測量，并且能夠得出確定的振動方向，能對起重機械安全評估工作起到極大的技術支撐作用，技術比對如下表所示：

對比項基于動態應力的測試方法基于電磁感應的測試方法測量物理量頻率頻率加速度速度振幅方向靈敏度/頻率/加速度0.3 V.s2/m速度小速度中速度大速度23 V.s/mv2.4V.s/m 0.8V.s/m振幅小速度中速度大速度23 V.s/m2.4V.s/m0.8V.s/m

4）本項目采用的基于應力測試的起重機械金屬結構剩余壽命評估方法，是基于已經較為成熟的線性累積損傷理論，經過中心的大量試驗驗證，達到了國內先進水平。

知識產權情況

本項目已發布國家標準1 項：《起重機械安全評估規范 通用要求》（GB/T41510-2022），正在申請的實用新型專利1 項：《基于動態應力測試的輪壓分析方法》，已發表論文1 篇：《基于應力測試的港口門座起重機金屬機構剩余壽命估算分析》（起重運輸機械,2020(05):45-48），待刊發論文2 篇：《橋式起重機主梁跨中同截面應力測試解析》、《架橋機安全評估與安全提升》。

推廣應用情況

本項目所提出的起重機械安全評估規范已作為國家標準于2022 年7 月發布，評估中采用的輪壓測試方法、動態剛性測試方法、剩余壽命評估方法已在大量評估項目中進行了實踐應用，效果顯著，且越來越得到市場認可。

經濟效益和社會效益

本項目為起重機械安全評估提供了一種系統全面、可操作性強的方法，并以國家標準形式發布。對于我國起重機械安全評估工作的開展具有重大指導意義和巨大推動作用，也必將大大緩解大量長期服役起重機械帶病作業的情況，為保證和提高起重機械作業的安全性，減少起重機械事故，保障人民生命財產安全發揮重大作用。