基于应力测试的港口门座起重机 金属机构剩余寿命估算分析

李福森 贾华龙 王晓敏 王旭虹 刘 东
国家起重运输机械质量监督检验中心 北京 100007

摘 要：以某港口门座起重机为研究对象，采用疲劳寿命估算方法，从材料的S － N 曲线出发，考虑各种影响因素，结合实测应力谱，按照线性累积损伤理论及修正Miner 法则，进行金属结构的疲劳寿命估算，再结合起重机的结构件劣化状态，无损检测等技术手段进行综合分析，估算出起重机的安全使用寿命，为门座起重机疲劳剩余寿命评估提供有效可行的方法, 对准确估算门座起重机金属结构疲劳剩余寿命提供科学的数据。

关键词：应力测试；门座起重机；金属结构；剩余寿命

中图分类号：TH213.4 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）05-0045-04

0 引言
疲劳损伤是港口门座起重机金属结构失效的主要形式，金属结构作为一个承载结构，它的失效不仅使起重机失去功能，而且会给生产和人身安全带来巨大危害。对于已进入服役后期或超期服役阶段的起重机，其机械零件、金属结构已不同程度地出现各种损伤，对安全生产构成了潜在的威胁。起重机的疲劳寿命取决于关键位置金属结构的寿命，实测结构关键部位的典型载荷工况下的应力，然后根据经典的S-N 法计算这些测点及其附近应力集中位置的疲劳寿命。对此门座起重机主结构进行基于实测应变的疲劳寿命分析，初步了解这些结构件在不考虑裂纹或缺陷情况下的疲劳寿命。

1 设计寿命计算方法
门座起重机的一个工作循环是指从地面起吊一个物品起，到开始起吊下一个物品时止，包括起升机构升降、起重机运行、变幅机构运行及正常的停歇在内的一个完整的工作过程。对于港口上专用一台特定门座起重机，在每个工艺流程内的工作循环数、每天完成的工艺流程数、每年工作天数均为固定的情况下，可计算出每天工作循环数Nd、载荷谱系数Kp 为

式中：mQ1 为满载质量，mQ2 为空载质量，NQ1 为每天起吊满载的次数，NQ2 为每天起吊空载的次数，mQ 为额定起重量。
当主体结构的设计应力与按GB/T 3811-2008《起重机设计规范》中表33 规定的拉伸和压缩疲劳许用应力的基本值计算得到的疲劳许用应力一致时，按GB/T3811-2008《起重机设计规范》中表1、表3 的规定选取相应工作级别的起重机工作循环总次数CT。当载荷谱系数Kp、每天工作循环次数Nd、每年工作天数td 确定的情况下，可由工作循环总次数折算成工作年数T，即

根据现场用户提供的数据，该起重机额定起重量为40 t，抓斗自重为14.5 t，满载的质量为40 t，每次装卸的货物质量为25.5 t。每年装卸的货物总质量为100 万t，一年按照350 d 计算，折算出每天起吊满载和空载的次数均为112 次，每天工作循环数Nd 为224 次，载荷谱系数Kp 为0.52。按GB/T 3811-2008《起重机设计规范》中表1、表3 的规定选取该起重机的整机工作级别为A8，载荷状态为Q4，使用等级为U6，由此查表可知起重机工作循环总次数CT 为1.0×106 次，由工作循环总次数折算成工作年数T ＝ 25 a。

2 现场测试工况
根据起重机实际工作的载荷，本文疲劳应力测试的试验载荷为40 t。参考静态应力测试的结果，测试主要选择10 个较大受力构件作为结构疲劳测试点，图1 为疲劳测试的测点分布示意图，图中符号▽、□表示静应力测点位置。

图1 疲劳测试的测点分布示意图

根据疲劳应力测试的要求，测试工况如下：
1）系统调零 臂架最小幅度抓斗落地，钢丝绳完全松开，仪器调零。
2）单个工作循环过程 在正常工作状态下，臂架在最小幅度处满载起升、制动、变幅行走至最大幅度位置，回转90°，原路返回并卸载。
3）采样测试 连续做4 个工作循环，记录各采样点在测试期间的动响应值，即得到其应力－时间历程曲线，具体测试结果如图2 所示。
4）动态采样数据的滤波处理 受现场条件和仪器的影响，采集到的应力- 时间历程会包含一些信号的干扰在内，对采样数据进行处理。

图2 各测点应力- 时间历程曲线

3 疲劳寿命估算
3.1 疲劳寿命估算技术路线
采用疲劳寿命估算方法，从材料的S － N 曲线出发，再考虑各种影响因素，结合实测应力谱，按照线性累积损伤理论及修正Miner 法则，进行金属结构的疲劳寿命估算，再结合起重机的结构件劣化状态，进行综合分析，估算出起重机的安全使用寿命，如图3 所示。

图3 疲劳寿命估算技术路线示意图

3.2 统计分析与数据处理
数据统计分析处理的基本假设是认为测点的应力随机过程为各态历经的平稳过程，即认为数据按照时间平均统计结果与按子样平均统计结果相符。在此前提下，进行数据的统计分析处理。

数据统计只需应力时间历程的波峰和波谷的数值，故数据预处理程序首先检查存在计算机内的应力数据文件中的每一个数字，看其是否处于应力波的峰谷位置。删除所有非峰谷点数字得到应力的所有峰谷值，与此同时求出应力的最大幅值。

雨流计数法是疲劳研究和应用中广泛采用的统计计数方法。应用雨流计数法对测点的应力时间历程进行统计计数时，首先要对应力波进行对接改造，再将对接改造后的应力波进行统计处理，得到测点应力值统计表。

实测的工作应力时间历程因客观条件的影响往往遗漏偶然出现的严重过载而引起的应力变化，而这些次数虽少，但数值极大的应力波幅值对结构所造成的疲劳损伤不可忽视，因此应根据实测的各测点应力波幅值的密度函数的拟合曲线对之进行相应的扩展。

3.3 疲劳寿命S － N 曲线
S － N 曲线是进行疲劳寿命计算的重要参数，是指为了确定材料或构件的疲劳性能，记录下试件在给定的循环应力作用下反复试验直至破坏时的应力循环次数N，进而得到的一条应力与寿命的关系曲线。该曲线反映了疲劳寿命与施加应力水平之间的关系，如图4 所示。

图4 疲劳寿命S － N 曲线

3.4 疲劳寿命估算理论
采用线性累积损伤理论及修正Miner 法则，进行金属结构的疲劳寿命估算，其表达式为

式中：D 为载荷作用下总的损伤度；l 为不同的应力水平；n0i 为每次运行中某种循环的次数；Ni 为该循环的应力值；a 为常数（0.7 ～ 1.0），文中a 取值0.7。

4 结论
门座起重机结构疲劳寿命估算是建立在数理统计基础上的科学方法，疲劳累积损伤理Miner 法具有一定的置信水平前提，疲劳寿命估算所使用的统计资料：一是根据2018 年6 月某日对模拟装卸40 t 抓斗作业所记录的各测点应力时间历程信号；二是根据用户提供的被检设备使用记录：该设备2005 年6 月至2018 年5 月累计装卸货约1 300 万t，按投产至今正常使用13 a 计算，该设备自2005 年投产至今平均每年装卸货100 万t。

疲劳寿命估算结论是建立在如下假设：该门座起重机的作业情况与2018 年6 月某日模拟装卸40 t 抓斗情况基本一致，实际使用中的工作状态发生变化，会影响到寿命估算的准确性，特别是出现意外情况。所以疲劳寿命估算仅作为参考。

综上所述，本次疲劳寿命估算的结论是：
1）门座起重机的主要结构构件在正常装卸工况下，至少可安全装卸4.21×105 次，本次估算的门座起重机安全寿命以最危险疲劳点的安全寿命为基础。如今后按平均每年装卸39 216 次（即100 万t）计算，最危险疲劳点还可以安全工作10 a（90% 概率）。

2）针对门座起重机主臂架、象鼻梁、大拉杆、小拉杆、配重钢结构、人字架、回转大齿圈、门架房、端梁与门腿、圆筒体、卷筒支座、制动器支座、台车等13 个主要结构件的共计304 处重要位置进行抽查检测。经过磁粉无损探伤检测，共发现4 处裂纹，即圆筒体对接焊缝处发现裂纹长度15 mm、臂架根部处发现裂纹长度6 mm、臂架上部处发现裂纹长度20 mm、象鼻梁处发现裂纹长度10 mm。

根据疲劳裂纹扩展理论，裂纹对结构寿命有很大影响，综合考虑疲劳损伤和裂纹扩展，必须要采取必要的加固措施，把已经产生的裂纹打磨去除后补焊，保证金属结构的安全使用。自此次检测算起该起重机使用一段时候后，应对各测点及整机运行情况进行跟踪监控，是否有异常现象发生，若出现异常情况，应采取维护措施及时进行修复，在达到预估的剩余安全使用期限时，应对门座起重机的技术状况进行复检，以保证设备的安全运行。

参考文献
[1] GB/T 3811-2008 起重机设计规范[S].
[2] GB/T 17495-2009 港口门座起重机[S].
[3] 黄铁利. 基于应力分析的门座起重机寿命评估方法研究[D]. 广州：华南理工大学，2011.