顧亞輝 上海鐵路局科研所

起重機(jī)的狀態(tài)檢測(cè)實(shí)例分析

顧亞輝 上海鐵路局科研所

起重機(jī)的狀態(tài)檢測(cè)是對(duì)其主要受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行拱度、翹度、撓度、靜剛度和動(dòng)態(tài)應(yīng)力等方面的檢測(cè)，同時(shí)校核其疲勞強(qiáng)度、預(yù)測(cè)繼續(xù)使用年限等，從而確保其安全使用。

拱度；翹度；撓度；動(dòng)剛度；靜剛度；檢測(cè)；驗(yàn)算

起重機(jī)屬于特種設(shè)備，很容易發(fā)生事故，如果發(fā)生事故，會(huì)造成機(jī)械人員較大的經(jīng)濟(jì)損失。起重機(jī)的主要受力結(jié)構(gòu)（譬如主梁），它決定著起重機(jī)的承載能力。主要受力結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞會(huì)導(dǎo)致起重機(jī)倒塌，造成事故，絕大多數(shù)發(fā)生的事故在在用起重機(jī)事故中占較大的比例，所以起重機(jī)的壽命檢測(cè)是對(duì)主要受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜剛度檢測(cè)與動(dòng)態(tài)應(yīng)力檢測(cè)，測(cè)量并校核其疲勞強(qiáng)度，預(yù)測(cè)繼續(xù)使用年限，保證其安全正常使用。

1 靜態(tài)檢測(cè)

測(cè)得I側(cè)主梁：a1＝85（左懸臂）a2＝99（左支腿中心）a3＝63（跨中）a4＝81（右支腿中心）a5＝46（右懸臂）

R1（左懸臂有效長(zhǎng)度）＝7.5m

R2（左懸臂有效長(zhǎng)度）＝7.5m

L（跨度）＝30m

解：b1＝a2－a1＝99－85＝14

b2＝0左支腿中心點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，取零。

b3＝a2－a3＝99－63＝36

b4＝a2－a4＝99－81＝18

b5＝a2－a5＝99－46＝53

左邊主梁的上翹度：

c1＝b1+R1/L|b4|=14+7.5/30×18=18.5(mm)。

右邊主梁的上翹度：

c5=b5－（1+R2/L）|b4|=53－（1+7.5/30）×18=30.5(mm)

I側(cè)主梁（見(jiàn)圖1）的上拱度c3=b3－0.5×|b4|=36－0.5×18=27 (mm)。

實(shí)測(cè)值填寫(xiě)在上面：(測(cè)量值取整數(shù))

測(cè)得II側(cè)主梁（見(jiàn)圖1）：a1＝86（左懸臂）a2＝95（左支腿中心）a3＝70（跨中）a4＝80（右支腿中心）a5＝48（右懸臂）

圖1 I側(cè)及II側(cè)主梁

R1（左懸臂有效長(zhǎng)度）＝7.5m；R2（左懸臂有效長(zhǎng)度）＝7.5 m；L（跨度）＝30m

解：b1＝a2－a1＝95－86=9；b2＝0

左支腿中心點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，取零。

b3＝a2－a3＝95－70＝25；b4＝a2－a4＝95－80＝15；b5＝a2－a5＝95－48＝47。

左邊主梁的上翹度c1＝b1+R1/L|b4|=14+7.5/30×15=12.75 (mm)。

右邊主梁的上翹度：

c5=b5－（1+R2/L）|b4|=47－（1+7.5/30）×115=28.25(mm)。

II側(cè)主梁的上拱度c3=b3－0.5×|b4|=25－0.5×15=17.5(mm)。實(shí)測(cè)值填寫(xiě)在下面：(測(cè)量值取整數(shù))

全部測(cè)量完后對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)：載荷試驗(yàn)后橋、門(mén)式起重機(jī)拱度應(yīng)不小于0.7S/1000、上翹度應(yīng)不小于0.7L1350進(jìn)行評(píng)判（支腿垂直度檢測(cè)記錄見(jiàn)表1，靜剛度檢測(cè)記錄見(jiàn)表2，）。

表1 支腿垂直度記錄

表2 靜剛度檢測(cè)記錄

表3 I側(cè)主梁動(dòng)態(tài)應(yīng)力檢測(cè)記錄

表4 I側(cè)主梁動(dòng)剛度檢測(cè)記錄

表5 II側(cè)主梁動(dòng)態(tài)應(yīng)力檢測(cè)記錄

表6 II側(cè)主梁動(dòng)剛度檢測(cè)記錄

2 動(dòng)態(tài)應(yīng)力檢測(cè)

動(dòng)態(tài)應(yīng)力檢測(cè)是起重機(jī)在工作狀態(tài)下，對(duì)其主要受力結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀況進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)的結(jié)果與與標(biāo)準(zhǔn)值相比較，校核疲勞強(qiáng)度，給出評(píng)價(jià)。當(dāng)危險(xiǎn)截面的最大應(yīng)力σmax小于等于許用應(yīng)力[σ]、危險(xiǎn)截面的最大應(yīng)力幅△σmax小于等于容許的應(yīng)力幅[△σ]時(shí)，動(dòng)態(tài)應(yīng)力認(rèn)為合格。往往發(fā)生疲勞裂紋部位的最大應(yīng)力σmax小于許用應(yīng)力[σ]，而最大應(yīng)力幅△σmax大于容許的應(yīng)力幅[△σ]，因此校核應(yīng)力幅是非常重要的。應(yīng)力幅是交變應(yīng)力的變化量，即最大應(yīng)力減去最小應(yīng)力，或最大拉應(yīng)力加上最大壓應(yīng)力。容許的應(yīng)力幅[△σ]的計(jì)算公式如下：

n為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，根據(jù)起重機(jī)利用等級(jí)取值，如表7。

表7 起重機(jī)利用等級(jí)取值情況

C、β根據(jù)起重機(jī)構(gòu)件和連接類(lèi)別取值如表8。

表8 起重機(jī)構(gòu)件和連接類(lèi)別取值情況

構(gòu)件和連接類(lèi)別可根據(jù)GB50017-2003（鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范）查找。

根據(jù)GB3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T14406-93《通用門(mén)式起重機(jī)》、GB/ T1357-92《鐵路貨場(chǎng)門(mén)式起重機(jī)技術(shù)條件》我們對(duì)起重機(jī)主要受力結(jié)構(gòu)做如下四種評(píng)價(jià)：

3 繼續(xù)使用年限

起重機(jī)的繼續(xù)使用年限是通過(guò)起重機(jī)的使用狀況，及在此工況下檢測(cè)到的最大應(yīng)力幅，預(yù)測(cè)出使用年限，即壽命，從作業(yè)記錄中查出已使用的年限，兩者之差是繼續(xù)使用年限。計(jì)算如下：

起重機(jī)起吊額定載荷，進(jìn)行一次次工作循環(huán)，根據(jù)檢測(cè)到的最大應(yīng)力幅△σmax，可以預(yù)測(cè)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)[n]

C、β根據(jù)起重機(jī)構(gòu)件和連接類(lèi)別取值。

K：欠載系數(shù)，考慮到起重機(jī)每次作業(yè)，起吊的不全是額定載荷，產(chǎn)生的應(yīng)力幅也不都是額定載荷時(shí)的最大應(yīng)力幅△σmax，一般取k=0.8。

根據(jù)起重機(jī)作業(yè)記錄，可查出已經(jīng)完成的作業(yè)量T，我們可以認(rèn)為一次工作循環(huán)平均起吊0.8倍額定,已經(jīng)完成的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n為∶

Q為額定起重量

每年平均應(yīng)力循環(huán)次數(shù)ny為：ny=n/m

m為已使用的年限

繼續(xù)使用年限y為∶

k'為安全系數(shù)，由于疲勞計(jì)算離散性較大，我們應(yīng)考慮安全系數(shù)，一般取k'=2。

在用起重機(jī)的應(yīng)力幅是變化的，隨著使用年限的增加，應(yīng)力幅將增大，完成的作業(yè)量在增加，因此我們對(duì)檢測(cè)周期做如下要求：

4 檢測(cè)實(shí)例

我們對(duì)鎮(zhèn)江鐵路貨場(chǎng)一臺(tái)20t雙梁門(mén)式起重進(jìn)行檢測(cè),該起重機(jī)是已使用20年，工作級(jí)別為A6，利用等級(jí)為U7，跨度為22.5m。小車(chē)在跨中,起吊20t載荷,檢測(cè)跨中下?lián)现禐?34mm,在額定載荷下，主梁跨中下?lián)现颠_(dá)到水平線以下L/

700 （L為跨度）時(shí)，如不能修復(fù)，應(yīng)以報(bào)廢。

22500/700 =32 (mm)

因此該起重機(jī)跨中下?lián)现挡坏眯∮?32mm,,而-34＜-32，顯然額定載荷下的跨中下?lián)现挡环弦?，主梁已發(fā)生嚴(yán)重疲勞現(xiàn)象。我們通過(guò)動(dòng)態(tài)應(yīng)力檢測(cè)儀對(duì)主梁上五個(gè)危險(xiǎn)截面粘貼應(yīng)變片進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)力檢測(cè)。具體位置是：①左臂根，在主梁左側(cè)懸臂根部的上蓋上，距離小車(chē)軌道10mm,粘貼應(yīng)變片，方向中與主梁方向一致。②左1/4跨，在主梁左側(cè)1/4跨度的主腹板上，距離上蓋板20mm,粘貼應(yīng)變花，應(yīng)變花的一片應(yīng)變片方向與主梁方向一致，其余兩片分別與主梁方向成450和900。③跨中，在跨度中部的下蓋板上，距離中心線1/4小軸距內(nèi)，正對(duì)主腹板與下蓋板焊縫，粘貼應(yīng)變片，方向與主梁方向一致。④右1/4跨，在主梁另一側(cè)1/4跨度的主腹板上，距離上蓋板20mm,粘貼應(yīng)變花，應(yīng)變花的一片應(yīng)變片方向與主梁方向一致，其余兩片分別與主梁方向成450和900。⑤右臂根，在主梁另一側(cè)懸臂根部的上蓋上，距離小車(chē)軌道10mm,粘貼應(yīng)變片，方向中與主梁方向一致。檢測(cè)時(shí)起吊20t載荷,同時(shí)運(yùn)行大、小車(chē)，小車(chē)在主梁上全程往返行。檢測(cè)結(jié)果如表3和表4。

該起重機(jī)主梁的材料是Q235，取安全系數(shù)為1.33，

許用應(yīng)力[σ]=235/1.33=176.69（MPa）。

根據(jù)構(gòu)件和連接類(lèi)別取C=1.47×1012，β=3,

根據(jù)利用等級(jí)取n=2×106，

從應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果可以看出最大應(yīng)σmax=80.2（MPa）＜[σ]，最大應(yīng)力幅△σmax=91.80（MPa）＞[△σ]。

該起重機(jī)在額定載荷下,下?lián)现狄巡环弦?這說(shuō)明主梁發(fā)生嚴(yán)重疲勞現(xiàn)現(xiàn)象,造成這種現(xiàn)象的主要因素是應(yīng)力幅超標(biāo)。

取欠載系數(shù)k=0.8代入下式：

根據(jù)該起重機(jī)作業(yè)記錄，查出已經(jīng)完成的作業(yè)量為61Mt，

T=61×106。

已經(jīng)完成的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：

n=T/0.8Q=61×106/0.8×20=3.8125×106

每年平均應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為ny=3.8125×106/20=0.19×106。

可繼續(xù)使用年限y為∶

該起重機(jī)可繼續(xù)使用年限1.2年。

由于該起重機(jī)[△σ]＜△σmax＜1.05[△σ]，0.5≤y＜2，我們要求使用單位,對(duì)該起重機(jī)的主梁進(jìn)行加固，修復(fù)后使用，并在半年后再次進(jìn)行壽命檢測(cè)。

責(zé)任編輯：宋飛 于建明
來(lái)稿時(shí)間：2013-11-28