采用应力测试评估老旧起重机金属结构的实例分析

张志斌，田佳梅

（1.广西壮族自治区特种设备检验研究院，广西 南宁530219；2.乐山市特种设备监督检验所，四川 乐山614000）

采用应力测试评估老旧起重机金属结构的实例分析

张志斌1，田佳梅2

（1.广西壮族自治区特种设备检验研究院，广西 南宁530219；2.乐山市特种设备监督检验所，四川 乐山614000）

阐述了应力测试技术在老旧起重机安全评估中的必要性和重要性。结合一台在役门座式起重机的应力测试实例，分析了该技术在起重机金属结构评估中起到的关键性作用为客观了解起重机的应力水平和强度储备提供技术保障，为设备的维护和安全使用提供参考依据。

老旧起重机；金属结构；应力测试

目前我国许多企业都或多或少的存在着一些使用时间十几年甚至几十年以上的老旧起重机，这些起重机通常都具有服役时间长，使用环境恶劣，金属结构均存在不同程度的锈蚀、磨损、变形等特点，一旦发生事故危害性极大。为了评估这些老旧起重机金属结构的承载力是否符合继续使用的条件，评估人员会通过应力测试的方式来获得起重机金属结构本身在不同载荷状和工况条件下应力变化情况，分析构件强度和刚度，研究其动、静态应力数据，为安全评估提供可靠的数据支撑。

1 测试原理

进行应力测试的是一台生产于1995年的门座起重机，规格型号为M10-30，额定起重量10 t.该门座起重机工作环境是海边，环境潮湿且空气盐度高，且使用超过20年，其金属结构易出现磨损、变形、腐蚀、锈蚀等现象。本次测试采用电阻应变片测量应变的方法。起重机所用材料为Q235，材料的名义屈服强度 σs=235 MPa、抗拉强度 σb=375 MPa、杨氏模量E=210 000 MPa、泊松比μ=0.3.

电阻应变片通过自身电阻的变化反应其所在部位应变的变化。根据电测法原理，对于主应力方向未知的复杂应力状态，需要三个应变才能确定主应力大小及方向。对于 ε0、ε45、ε90的三向应变化，在弹性范围内该点主应力（只考虑平面的应力）计算公式为：

2 布片方案

采用应变片规格为5 mm×3 mm单向应变片，贴片方案如图1所示，图1中各应变片粘贴位置及编号说明如表1所列。

表1 应变片粘贴位置及编号

本次静态应力测试使用的仪器为“TDS-530”数据采集器（日本东京测器研究所），如图2所示，该仪器是一种全自动多通道数据采集仪，新的A/D转换器技术确保在高速采样下保持精度和稳定度，分辨率0.1 με，自动采集存储应变数值。动态应力测试使用的仪器为“TMR-200”小型多通道动态数据采集仪（日本东京测器研究所，见图2、图3）。该仪器具有全数字式电脑控制采集、存储数据，采样频率范围宽、并可根据要求选择，适合现场使用等特点。

图2 TDS-530数据采集器

图3 TMR-200数据采集仪

3 测试工况

根据现场条件，本次载荷试验重物重量为10 t.起吊10 t重物，在起重机大臂全幅工况下，起重臂分别与轨道成 0°、45°、90°，记录各应变片静态应变值；而后起吊10 t重物，起重机进行旋转及变幅操作，在起重臂分别与轨道成 0°、45°、90°方向进行起升及下降，采用动态数据采集仪记录运行过程各测点应力应变动态变化值。

4 静态应力测试结果

0°角最小幅空载时清零，加载后起重臂分别与轨道成0°、45°、90°，稳定后各测点的应力值如表2所列。

表2 不同位置各测点应力值（单位：MPa）

5 动态应力测试结果

起重10 t在全幅下进行动态载荷试验，记录下起重机操作过程的动态应力监测结果（见图4），以检验起重机在动态载荷作用下金属结构的动应力水平。附件1的操作过程为：起重臂与轨道成90°角最小幅度时清零→90°角最小幅度起吊重物→在90°角方向变幅至最大幅度，在该位置处起升与下降→旋转至45°角方向，在45°角方向最大幅度处起升与下降→旋转至0°角方向，在0°角方向最大幅度处起升与下降→在0°角方向变幅至最小幅度，在该幅度处起升与下降→在0°角方向卸载。

图4 动态测量历程（单位：με）

6 测试结果分析

（1）在静态应力测试工况下起重10 t，各测点的应力值均小于材料的许用应力175.37 MPa，起重臂在全幅状态下与轨道成0°角时，-45°角支腿与圆盘焊接处，正对腹板，距焊缝10mm处出现最大应力，其主应力最大值为91.31 MPa，此台门座起重机结构静强度能满足起吊10 t的工作需求。

（2）通过分析动态应力监测历程，动态应力测试工况下1号测点（图5）在0°角方向最大幅度处起升与下降过程中出现最大拉应力100.80 MPa，全程最大应力幅128.10 MPa.动态结果显示金属结构的动应力水平可满足起升10 t载荷的工作需求。但0°角方向最大幅度处起升与下降过程中出现最大应力幅，说明该处为危险区域，易产生疲劳损伤，应引起重视。

图5 1号测点动态测量历程（单位：με）

7 结束语

不难看出，应力测试是验证起重机金属结构承载能力的最直接、最有效的手段。只需通过比对采集到的起重机工作时各个危险截面的应力大小，起重设备材料许用应力值，就能直观地得出起重设备金属结果承载力安全性的评估结果，为客观了解起重机的应力水平和强度储备提供技术保障，为设备的维护和安全使用提供参考依据。

[1]GB/T 3811-2008，起重机设计规范[S].北京：中国国家标准化管理委员会，2008.

[2]胡静波，倪大进，李 泉.桅杆起重机结构强度仿真分析与应力测试[J].起重运输机械，2015（10）：85-90.

[3]黄国健，刘柏清，王新华，等.在役门座式起重机应力测试技术探讨[J].自动化与信息工程，2011（06）：29-31.

[4]张勤超，诸克贵.门座起重机金属结构应力测试及疲劳寿命估算[J]．建筑机械，2010（1）：61-63．

[5]王松雷.应力测试技术在起重机全评中的应用[J].中国特种设备安全，2015（11）：22-25．

Case Study on Evaluating of Old Crane Metal Structures by Stress Test

ZHANG Zhi-bin1，TIAN Jia-mei2
（1.Guangxi Special Equipment Inspection and Research Institute，Nanning Guangxi 530219，China；2.Leshan Special Equipment Supervision and Inspection Institute，Leshan Sichuan 614000，China）

This paper describes the necessity and importance of stress testing in the safety assessment of old cranes.The author illustrate stress testing of a portal crane in-service，and analyze the key role of stress testing in the evaluation this crane metal structure.

old cranes；metal structure；stress testing

TH218

A

1672-545X（2017）10-0178-03

2017-07-05

张志斌（1983-），男，广西宾阳人，工程师，本科，现主要从事特种设备的安全性能检验；田佳梅（1982-），女，四川绵阳人，工程师，本科，现主要从事特种设备的安全性能检验。