基于疲劳强度分析的门座起重机安全评估技术

张勇 邓贤远 江爱华 呙中樑

（广州特种机电设备检测研究院）

基于疲劳强度分析的门座起重机安全评估技术

张勇 邓贤远 江爱华 呙中樑

（广州特种机电设备检测研究院）

疲劳强度是门座起重机安全评估中的一项重要评价指标，通过疲劳校核可以发现疲劳损伤。首先，对门座起重机进行分析，应用ANSYS软件对整机进行有限元建模；然后，根据整机应力云图布置应力测点，得到应力响应信号，计算出疲劳许用应力，分析臂架位置的疲劳校核不合格；最后，在同一位置检测出一条疲劳裂纹，说明疲劳强度有助于发现门座起重机的疲劳损伤。

门座起重机；疲劳强度；疲劳损伤；安全评估；应力

0 引言

门座起重机是港口装卸作业的主要起重设备，是一种间歇动作机械，具有短暂、重复、周期性循环、起制动频繁、冲击载荷大等工作特点[5]，导致其金属结构件由于疲劳可能出现开裂故障，给安全生产埋下事故隐患。

1 疲劳校核

疲劳计算常用方法有应力比法和应力幅法[6]，其中应力比法的应用更为广泛。应力比为极值应力之间的比值。用和表示极值应力的代数值，拉应力取正号，压应力取负号，令最小应力与最大应力之比为应力循环特性[7]，则应力循环特性值r表示为

门座起重机的构件连接和接头对疲劳强度有很大影响，疲劳许用应力要综合考虑应力循环特性值、结构连接形式、循环次数和材料等因素的影响。

拉伸的疲劳许用应力为

压缩的疲劳许用应力为

选取油棕幼嫩的叶片经液氨研磨后采用CTAB法提取基因组DNA。根据本课题组前期克隆得到的油棕DGAT2基因序列，在NCBI(https: //www.ncbi.nlm.nih.gov/)网站上比对油棕基因组序列后得到启动子序列，采用Primer 6.0软件设计引物并添加酶切位点与保护碱基(表1)，PCR扩增程序如下：94℃预变性2 min；94℃变性30 s，60℃退火30 s，72℃延伸2 min，共30个循环扩增；最后72℃延伸10 min。扩增产物经回收后连接到pMD19-T载体，转化大肠杆菌得到含promoter-DGAT2-pMD19-T质粒的阳性菌送测序。

压缩的疲劳许用应力为

则认为未引起疲劳破坏。

对门座起重机进行疲劳校核时，起重机绝对值最大应力是在最不利工况下得到的，并按式(7)～式(10)进行核算。

2 测试

对1台MC型35000 kg港口门座起重机进行安全评估。该设备于2011年投入使用，幅度在12m～ 35m时，吊具下额定起重量为30000 kg；幅度在12m～30m时吊具下额定起重量为35000 kg；起升高度为25m，下降深度为15m，整机工作级别为A8，臂架采用桁架形式。

按照最不利工况条件运用ANSYS软件对整机进行有限元建模分析，得到整机等效应力云图，如图1所示。

图1 整机等效应力云图

从图1可以看出，臂架位置应力较大，故本次测试将臂架作为重点对象分析其疲劳强度。

在臂架上拎点左、右侧上弦杆，下拎点左、右侧上弦杆4个位置布置应变传感器，分别为测点1、2、3、4。信号采集采用TMR-211数据采集系统。

在2个工况下各测点应力响应数值如表1所示。

工况1：臂架位于南90°，最小幅度，吊具落地，空载，臂架开始变幅至最大处；臂架开始向西转45°，向北转135°，向东转45°，臂架开始变幅至最小处；开始向北转225°，结束。

工况2：除了起升30000 kg载荷，其他重复工况1的条件。

表1 试验工况下各测点应力响应结果 （单位：MPa）

表1中，只考虑部分测点主要受力方向，其余方向对结构产生的应力响应值较小，用“—”表示。

根据式(7)～式(10)，可得

臂架左侧受压区上弦杆测点应力测试压应力最大值大于疲劳许用应力值，设备结构材料超出疲劳强度安全使用要求，不符合疲劳校核要求。

疲劳校核不符合要求，说明该位置易成为结构的疲劳裂纹起始区，这是疲劳裂纹产生的初始区域，该区一般位于结构表面。疲劳裂纹往往是由局部应力集中诱发的，结构出现下列几种情况会增大疲劳裂纹出现可能：结构表面组织缺陷；形状突变，如拐角、缺口或直径的剧烈变化；工艺缺陷。在上述情况下，当材料的近表面有严重的冶金缺陷时，根据裂纹形成及扩展的强度原则，疲劳裂纹也可能在结构的近表面出现。

为此对测点2位置进行无损检测，发现存在一条长度为28mm的裂纹，证实了该位置出现疲劳损伤。测点2无损检测结果如图2所示。

图2 测点2无损检测结果

疲劳裂纹产生后，构件并不会立即断裂，此后裂纹会继续扩展，这一过程是缓慢的。随着应力循环次数增加，裂纹不断成长，当裂纹长度达到临界尺寸时，由于裂纹顶端的应力场强度因子达到材料的断裂韧性，或裂纹顶端由于应力集中达到材料的断裂强度时，则裂纹会发生快速扩展导致构件瞬时断裂。

一般情况下，疲劳破坏之前构件并未发生大的塑性变形，所以疲劳裂纹不易被发现，具有极大的危害。

3 结语

通过采集1台服役仅6年的门座起重机臂架的应力应变响应信号，并对其进行疲劳校核，发现实际应力大于疲劳许用应力值，设备结构材料超出疲劳强度安全使用要求，不符合疲劳校核要求。遂进一步进行无损检测，证实了疲劳校核不合格的部位已产生疲劳裂纹的状况。通过门座起重机的应力响应信号，进行疲劳强度分析，有助于疲劳损伤的发现及预防。

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PortalCrane Safety Assessment Technology Based on the Fatigue Strength Analysis

Zhang Yong Deng Xianyuan Jiang Aihua Guo Zhongliang
(R&D Center,Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection&Testing)

Fatigue strength is an important evaluation index in the safety evaluation of portal crane.Fatigue damage can be found by fatigue check.To assess a portal crane,ANSYS software is used to model the wholemachine.According to the whole stress,stressmeasurementsignal isobtained by the stressmap,the fatigue allowable stress is calculated,the fatigue check of the arm stand position is calculated.Finally,a fatigue crack is detected at the same position,which indicates that the fatigue strength helps to find the portal craneof fatigue damage.

PortalCrane;Fatigue Strength;Fatigue Damage;Safety Assessment;Stress

张勇，男，1983年生，工程师，主要研究方向：特种设备检验检测等。E-mail:cueert@163.com