铁路门式起重机剩余寿命预测问题的探讨

（北京铁路局 货运处，北京 100860）

铁路门式起重机价值较高，购置时投资较大，由于经营资金问题，目前许多超期服役的门式起重机仍然继续使用。为了确保门式起重机的作业安全，需要委托专业检测部门对超期服役的门式起重机进行状态检测。通过状态检测，预防门式起重机金属结构存在的安全隐患，及时采取整修措施，控制安全风险。然而，门式起重机运行条件复杂、环境恶劣，在长期运行过程中会逐渐老化，剩余寿命会逐渐下降，容易导致恶性事故发生，而且盲目地对门式起重机维修、报废则会带来巨大的浪费。因此，正确预测门式起重机的剩余寿命，对于保证设备的运行安全、提高经济效益具有重要意义。

1 港口和铁路装卸设备疲劳寿命研究现状

1.1 港口装卸设备疲劳寿命研究现状

20世纪 70年代初，我国开始进行机械结构疲劳问题研究，并在 1978年召开了首次全国性的机械结构疲劳问题讨论会。港口机械开展结构疲劳寿命研究始于20世纪 90年代。随着港口的快速发展，大量港口装卸设备投入使用。港口繁忙的工作状态、恶劣的工作环境、循环往复装卸船的工作性质造成港口装卸机械结构疲劳问题日益严重，因而加强港机结构疲劳寿命研究应用十分关键。因此，基于缺陷探伤的结构疲劳寿命分析系统[1]的开发主要包括：①声发射检测设备。用于动态监测、检测材料的开裂和裂纹扩展，以及缺陷的定位。②超声波探伤设备。用于结构内部多种缺陷 (焊缝、裂纹、夹杂、气孔等) 的检测、定位、评估和诊断。③应力应变测量设备。用于金属结构应力应变的动态监测和测量。④疲劳寿命分析与评估软件。该系统以断裂力学理论为基础，通过检测当前结构初始裂纹，计算结构疲劳裂纹扩展速率，可以准确地分析结构的疲劳剩余寿命。孙远韬等[2]利用有限元法计算不同裂纹长度下的SIF 幅值，通过函数拟合的方法确定 SIF 幅值和裂纹长度计算公式，计算裂纹扩展寿命。舒斌及仉传兴等[3-4]通过对服役年限长的门座起重机、桥式起重机的主要承载结构件进行动态、静态强度测试，使用抗疲劳设计方法，从材料S-N 曲线出发，考虑各种影响系数，得到构件 p-S-N曲线，根据实测应力谱，按照线性累积损伤理论、Miner 理论及其派生的安全使用期限估算式进行估算，结合起重机结构状态，综合估算安全使用寿命。另外，上海国际港务集团与高校合作开发了装卸结构实时监控系统，对岸桥寿命进行管理，成功应用于上海洋山港。

1.2 铁路门式起重机疲劳寿命研究现状

20世纪 80年代末期，由于较多的装卸机械处于服役后期，铁路装卸机械结构疲劳问题日益严重。为此，铁路相关高校、科研院所开展了铁路装卸机械结构疲劳寿命研究、试验与检测，根据门式起重机寿命和报废标准的研究，配备了相关检测工具，并对全路门式起重机的预期寿命进行了较大规模的检测。张质文等[5]通过对门式起重机的寿命、报废标准的研究，建立了装卸机械最佳寿命优化模型，以投入产出效益最大为目标函数，以金属结构损伤、断裂和腐蚀作为约束条件，为合理制订机械报废年限提供了理论基础。

目前，铁路门式起重机金属结构的疲劳寿命预测及安全寿命评估技术的研究尚未广泛深入地开展，而结构疲劳寿命预测的基础是结构检测、监测，由于全路装卸机械剩余寿命检测的技术和能力不足，尚未形成适合铁路装卸机械特点的系统的安全性检测、疲劳寿命分析与评估方法。

2 门式起重机疲劳寿命预测方法

门式起重机具有较大的结构自重，其结构寿命决定整机的使用期限。门式起重机寿命可以分为设计寿命、经济寿命、技术寿命、折旧寿命、自然寿命和可靠寿命等，其中自然寿命是指门式起重机实际可用寿命，也是在役起重机确保安全和寿命的主要理论依据。寿命预测可以分为早期预测、中期预测和晚期预测：早期预测是确定设备的设计寿命，主要采用理论和试验的方法进行；中期预测是对处于设计寿命之内的设备进行状态监测实现寿命预测，避免出现意外事故；晚期预测是对累计运行时间已经超过设计寿命的设备进行剩余寿命预测，以得到对设备的充分运用，避免浪费。门式起重机寿命预测方法主要有名义应力法、局部应力应变法、损伤容限法、疲劳可靠性法等。

（1）名义应力法。该方法是最早提出的用于寿命预测的方法，目前仍然最为常用。名义应力法是以名义应力为基本参数，以 S-N 曲线为主要计算依据。根据设计寿命的不同，分为无限寿命设计法和有限寿命设计法；根据名义应力参数的不同，又分为应力比法和应力幅法。

（2）局部应力应变法。该方法是在低周疲劳基础上发展起来的疲劳寿命估算方法，其基本设计参数为应力集中处的局部应变和局部应力。局部应力应变法目前主要应用于单个零件的疲劳分析，对于大型复杂结构，尚难以进行精确的应力应变分析。

（3）损伤容限法。该方法是以断裂力学为基础，其基本原则是承认材料内有初始缺陷 (裂纹)，根据材料在外载荷下的裂纹扩展性质，估算其剩余寿命的方法。

（4）疲劳可靠性法。在考虑了载荷、材料疲劳性能和其他影响疲劳寿命数据分散性的基础上，提出疲劳破坏的概率，保证在一定范围内不破坏。

由于应用名义应力法计算疲劳寿命理论简单，易于进行应力分析与现场检测，目前的铁路门式起重机的剩余寿命预测主要采用名义应力法。

3 铁路门式起重机疲劳寿命预测存在的主要问题

（1）门式起重机结构剩余寿命预测未考虑裂纹扩展。铁路门式起重机的剩余寿命预测主要采用名义应力法，该方法是以金属结构内没有缺陷和裂纹为前提，而且要在总寿命中排除设备过去工作的应力循环数。在门式起重机实际工作中，金属结构内部往往经常存在着宏观或微观裂纹，因而其疲劳寿命计算寿命与实际差异较大。例如，在曾经发生的门式起重机主梁折断事故中，由于主梁长期疲劳损伤产生裂纹，在超载条件下，引起断裂。

（2）统计数据不准确影响疲劳寿命计算准确性。在计算疲劳寿命时，需要统计作业循环数和作业量。在统计作业循环数时需要有起重机的运转小时数，运转小时数和作业量数据从履历簿中获取。但是，由于人为因素影响，履历簿中的运转小时数和门式起重机的作业量的统计准确性欠佳，在实际运用中还存在很多的意外因素，如超载撞击，起重时钢丝绳摆脱挤压、拖拉等造成偶发性应力突增，检修工艺不良形成应力的不正常集中等，而且目前这些数据在预测疲劳寿命时无法获取。另外，在设备运用时间和作业量的统计上还存在人为因素，因而利用该数据计算门式起重机的疲劳寿命准确性不高。

（3）门式起重机金属结构的应力应变数据不能在线获取。目前，主要采用雨流计数法统计出结构疲劳分析位置在典型工作时间历程中的应力循环情况来确定结构的载荷谱和应力谱，其中数据获取有2种方法：一是选择典型工作状态计算分析；二是现场检测结构应变。这种方法载荷谱和应力谱不全，并且不能及时掌握金属结构受力状况及其应力应变变化趋势，属于疲劳寿命定期预测方法。

4 提高铁路门式起重机疲劳寿命预测质量的建议

4.1 加强对超期服役的门式起重机状态检测

对于超期服役的门式起重机，除了例常检测外，更应当关注结构裂纹的扩展和变形的增大，尤其是裂纹与变形扩展的速率，因此必须加强状态检测，跟踪记录，并且及时报修，避免恶性事故发生。当用于剩余寿命预测的数据量不完整时，剩余寿命的结论用于管理监测，只能作为参考，不宜作为报废门式起重机的依据。而且，在门式起重机超期服役期内，应采用安全巡检的方式，对设备疲劳危险点进行监控，以保证结构安全使用。

4.2 计算疲劳寿命综合影响因素

按照现代断裂力学理论，有裂纹的物体不一定不能用，使用时不一定不安全，这主要取决于裂纹是否扩展。金属结构出现裂纹，只要检查检测及时发现处理就可以避免事故发生。通过对金属结构加强检查，强化起重量限制器的使用，减少产生应力冲击的各种因素，可以延长超期服役的起重机的使用时间。

4.3 门式起重机金属结构在线健康监测系统

应用健康监测系统，有利于加强对门式起重机的在线监测，实时掌握门式起重机金属机构受力状况及其应力应变变化趋势，便于早期发现或预见结构上存在的安全隐患，提前采取补救措施，减少技术人员上机巡检和维修次数，增强运用管理的科学性，因此应尽快研究门式起重机金属结构在线健康监测系统。

4.4 门式起重机报废条件

门式起重机技术经济寿命完结时可以报废，如当门式起重机的主要结构损坏严重无法修复，或者修复费用过大不经济时；当技术性能低，设计制造质量差，不能进行改造利用时；通过技术经济论证后，已无经济寿命时。因此，为确保门式起重机作业安全，应研究制定门式起重机报废条件。

5 结束语

门式起重机疲劳寿命预测，需要通过现场检测、结构在线监测等技术手段，以金属结构损伤、疲劳裂纹扩展和腐蚀作为预测条件，考虑综合影响因素，合理确定门式起重机结构疲劳寿命，保证门式起重机作业安全，更好地为运输生产服务。同时，加强门式起重机的技术经济寿命研究，对技术经济寿命完结的起重机提出报废条件，以利于设备管理。

[1] 刘晋川，张玉波，丁 敏.港口机械结构疲劳寿命预测技术研究与应用[J].起重运输机械，2008(3)：1-4.

[2] 孙远韬，王少梅.基于SIF幅值拟合的机械结构裂纹扩展寿命分析方法研究[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2008，32(5)：910-912，928.

[3] 舒 斌，徐承军.门座起重机金属结构的测试及寿命估算[J].湖北工学院学报，2002，17(2)：123-125.

[4] 仉传兴，肖汉斌.桥式起重机金属结构剩余安全使用期限估算[J].港口技术，2008，182(4)：18-20.

[5] 张质文，程文明，张仲鹏.铁路装卸机械使用寿命的优化[J].铁道货运，1994，12(1)：45-47.