霍建中1 陶倬君2
1 广东省特种设备检测研究院佛山检测院 2 上海振华重工(集团)股份有限公司
摘 要：针对裂纹诊断的安全性评价需要，分析了Paris模型中关键应力的提取方法，利用有限元分析及实际的应力测试，确定了裂纹敏感区及其应力，从而预测港口起重机械中带裂纹的结构件的扩展寿命，制定合理的维修时机及巡检周期，并通过实际工程应用情况验证了该方法的有效性。
关键词：裂纹； 安全性评价； 有限元分析； 应力测试； 应力取值
港口起重机是港口装卸作业的主要设备，其安全运行有着重要的意义。根据1997年统计调查结果显示[1]，门座起重机(以下简称门机)服役10年左右普遍出现明显缺陷, 其中裂纹是门机最常见的缺陷。而在2003～2006年武汉港口机械质量检测监督测试中心所出具的77台门机检测结果中，使用15～20年的门机发生裂纹的概率为66.53 %，而超过20年的门机发生裂纹的概率为88.89%，发生裂纹占缺陷发生概率第一位(见表1)。
表1 门机主要缺陷发生概率/%
使用年限裂纹发生率锈蚀变形15～20a65.6340.6318.75>20a88.8966.6755.56
如今起重机作业朝着大吨位、快速化方向发展，加速了起重机金属结构的疲劳损伤，一些企业为了满足日益增长的作业量，很多起重机已经是超负荷工作，而且使用频率也不断增加。交通运输部也曾发文指出，即使起重机达到使用年限后，只要性能状态复合国家标准，还具有正常的装卸功能的，经过检测、认证仍然可以继续从事港口作业生产任务[2]。所以基于安全性评价的港机金属结构的故障管理就显得十分必要。本文从门机裂纹诊断的机理出发，研究劣化规律，选择合理的分析手段制定合理的维修时机和巡检周期。
国内外对疲劳裂纹扩展寿命预测方法的研究及公式非常多，其模型达100余种，但目前在工程中应用最为广泛的方法依然是由Paris和Erdogan提出的，基本形式为[3-4]：
=C(ΔK)m
(1)
式中，da/dN 为疲劳裂纹扩展率；C和m为材料常数，常用的金属结构材料Q235或Q345均已通过力学试验获得；ΔK=Kmax-Kmin，其中Kmax和Kmin 分别是一个载荷周期中的最大和最小应力强度因子。对于简单的构件来说，应力强度因子是可以通过应力强度因子手册予以确定的，但对于港机这类结构来说，其边界条件复杂，结构形式多样，无法快速获得解析解的表达式，所以在工程应用中，其应力强度因子只能通过有限元方法间接计算获得，通常其应力强度因子表达为单边裂纹受拉情况下裂纹长度和应力之间的函数。
故若根据Paris模型检测出初始裂纹长度a0，则从a0扩展到裂纹临界长度ac所经历的应力交变次数就是裂纹的扩展寿命N，理论计算公式为[7]
(2)
ac=
(3)
式中
由式(2)及式(3)可见，获取裂纹结构的应力值是计算的关键所在。目前获得结构应力值的常用方法有2种：一种是有限单元法，通过对结构件进行有限元分析，获得典型工况下结构应力的云图，从而确定巡检部位裂纹敏感区及应力值大小；另外一种方法就是通过动态和静态应力测试仪器来实测关键部位的实际应力值(幅值)的水平，理论上说实测法更接近实际。
根据实验结果[5]可知，裂纹长度相对于板件宽度尺寸比例不大于1/6时，可以通过有限元计算所得的构件该处应力值来估算裂纹扩展寿命，如果该比例达到1/3时，则误差有所扩大，但基本上能满足工程需要，即可以用无裂纹的有限元模型来获取实际有裂纹的待诊断的部位的应力值。对于实测方式，只需要测量距离裂纹尖端微小距离应变即可，考虑到应变片的宽度，初步可以确定测量距离为2～3 mm。
取得裂纹部位的应力值后即可利用式(2)得到该处的裂纹扩展寿命N。巡检周期T=N/n。其中，n为安全系数。
某港口1台M1025型门机，臂架结构材料为Q345，每日装卸次数约400次。由于臂架存在极为复杂、恶劣的交变应力，导致臂架头部分叉处下方有一条长约20 mm的裂纹，需要对其裂纹寿命进行分析，以保证臂架结构的整体安全性。臂架头部应力云图见图1。
图1 臂架头部应力云图
由图1有限元计算结果可以确定裂纹处的应力值为96.115 MPa，裂纹计算结果见表2。
表2 裂纹相关计算结果
母材初始裂纹长度/mm第一主应力值/MPa临界裂纹长度/mm裂纹寿命/d巡检周期/dQ345钢2096.115>100057457
为了对比计算结果，本文也对该处进行了实际应力检测，其值为103.32 MPa，实测值与计算值相差不大。由于安全使用期限较长，所以公司仅根据算得的巡检周期对该处裂纹的长度进行监控，目前裂纹未进一步扩展，生产未受任何影响。
通过对门机结构进行安全性评价，成功地对港口起重机的金属结构状态进行了诊断，，这不仅保证了结构安全，还减少了经济损失，其经济效益十分明显。通过有限元法所得到的港机金属结构应力云图是起重机在最危险工况时算得的，与实际情况有出入，通过仪器检测更能反映实际工作状态时的应力值。把这些测量值融入故障诊断系统，从而加强系统功能，方便各使用单位了解起重机实际工作时的应力状况。
参 考 文 献：
[1] 陶德馨，刘刚.港口起重机金属结构技术状态的检测、评定与分析[J]. 起重运输机械，1994(1)：25-29.
[2] 刘凤翱.门机金属结构的疲劳测试和安全运行管理[J]. 水运管理，2003(6)：37-39.
[3] 孙远韬.基于统计和有限元分析的裂纹敏感区确定方法[J]. 港口装卸，2008(4)：6-7.
[4] 赵章焰.机械承载结构裂纹诊断、控制与维修方法的研究及应用[D]. 武汉：武汉理工大学，2001.
[5] 孙远韬. Paris公式在结构裂纹诊断中的应用研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2005.
霍建中： 528000，佛山市禅城区影荫二街2号
Maintenance Timing Study of Port Gantry Crane basedon Safety Evaluation Method
Huo Jianzhong1 Tao Zhuojun2
1 Foshan Branch of Guangdong Institute of Special Equipment Inspection and Research2 Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co., Ltd.
Abstract：Aiming at the safety evaluation of crack diagnosis, this paper analyzes the key stress extraction method in Paris model. By using both the finite element analysis and the actual stress test, the crack sensitive area and its stress are determined so as to predict the propagation life of the cracked structure in the port crane. According to prediction, the reasonable maintenance time and inspection cycle are developed. Through the actual application, it verifies the effectiveness of the method.
Key words：crack; safety evaluation; finite element analysis; stress test; stress value
收稿日期：2017-03-25
DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2017.03.004
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