桥式卸船机监测应力的正确理解和应用

杨友志　汪瑞

摘 要：随着经济的飞速发展，各地“动脉枢纽”专业化码头的作用越发明显。在港口的现场工作中，由于设备故障造成的停机维修、换机等长时间的停工对现场生产影响巨大，直接导致工作效率降低。作为散货码头的重要卸船设备，卸船机是否能与输送系统正确的匹配乃至主机的安全运行影响较大。桥式卸船机对散货种类与船舶种类的变化适应性强，运营成本低等优点，在散装物料的搬运中得到广泛应用，因而成为散货港口码头的主要卸船设备。

关键词：卸船机;应力

1 前言

目前，桥式卸船机作为港口传统大型设备，与其他大型设备一样，在设备检查方面也存在如下几个方面的问题：

（1）投产时间长、使用频率高，设备金属结构的安全隐患较大（如拉杆受力不均、结构板材和焊缝出现疲劳裂纹等情况），设备的可靠性得不到保障。

（2）对了解设备的技术状态和设备性能及相对薄弱环节或部位的跟踪存在滞后的情况，不能适时的对设备进行维护和保养。

（3）对机械出现异常的情况，无法及时了解到设备的状况从而进行确切的维修方案。

（4）对于冲击大的港口大型设备，无法定量的收集、处理、分析高强度冲击下的状态特征，进行设备评估。

（5）很掌握一份详细设备历史健康状态记录，当设备进入后期使用后，不易做出设备的延用、改造和报废决策，即不能更好的进行后期决策。

所以随着码头现代化飞速的发展，需要更加科学的方法和适时地了解装卸设备的性能，对设备进行保养维护和使用，关系到港口的正常运行和发展。

2 桥式卸船机钢结构检测简介

2.1 钢结构应力测试情况

2.1.1结构动静态应力测试

根据该卸船机的结构型式，本次结构静态应力检测共布置單向应变计34片。应变计主要布置在前桥架、后桥架、前拉杆、后拉杆、小门架、前门架、后门架、大斜撑、台车平衡梁等部位。本次静态应力检测共分5个检测工况，工况1：小车位于前桥架最外端，抓斗满载;工况2：小车位于前拉杆铰点位置，抓斗满载;工况3：小车位于前桥架中部，抓斗满载;工况4：小车位于前门架上方，抓斗满载;工况5：小车位于前后门架中间，抓斗满载。

在结构静应力测试的基础上，选取主要受力构件上应力较大测点共3个进行动态应力测试，并且记录卸煤机作业全周期各测点的动应力波形，经分析得到各测点在整个作业周期的最大动态应力区间。

2.1.2动静态应力检测结果

1）本次静态结构应力测试，吊载应力测试时，最大拉应力发生在前桥架前支座外侧顶板测点2处，在工况1时，其应力值为56.1MPa;最大压应力发生在前桥架前支座内侧顶板测点10处，在工况2时，其应力值为45.1MPa.

2）本次结构动态应力测试，最大拉应力发生在前桥架支座翼板测点7处，卸船机正常取煤工况下，其应力值为56.6MPa;最大压应力发生在测点10处，卸船机正常取煤工况下，其应力值为74.0MPa。

2.2 裂纹情况

本次磁粉探伤检验，桥架结构探伤20处，发现焊缝及母材开裂5处;煤斗平台及大斜撑根部探伤16处，发现焊缝开裂2处;台车平衡梁探伤48处，发现裂纹1处;小车架探伤6处，未发现缺陷;小门架支座探伤4处，未发现缺陷。整机共计探伤94处，发现裂纹缺陷8处。

3 钢结构疲劳与裂纹的产生与扩展

3.1 交变载荷与结构疲劳

机械零件与工程结构主要的破坏原因与形式是磨损、腐蚀和断裂，机械零件磨损与腐蚀造成的损坏是巨大的，但由于过程较慢，实践中可通过定期更换或修理等手段来解决。很多大型结构设备突然发生断裂坍塌现象，常常带来灾难性的事故和人员伤亡或巨大的经济损失，这就是疲劳断裂破坏更为工程界重视的主要原因。

经大量研究，断裂事故发生的可能因素很多，如循环疲劳、过载、低温脆性和应力腐蚀等，据统计，机械及结构的断裂事故中，80%～90%是由金属疲劳引起的。能够使得钢材疲劳的载荷是动态的或循环性的活载荷，对抓斗卸船机而言，由于要频繁搬运货物，其主要结构部位需要承受较大应力，导致抓斗卸船机钢结构件最终断裂。

根据结构破坏前所经历工作循环次数（寿命），疲劳可分为高周疲劳和低周疲劳。高周疲劳的寿命主要是由裂纹萌生寿命组成;低周疲劳是指结构所受应力较高，通常接近或者超过屈服极限，断裂前的循环次数较少，一般少于1了一1护次，在每次循环过程中都发生了塑性变形，低周破坏就是塑J险累积的结果。抓斗卸船机在设计时，出于安全考虑，一般其设计名义应力都远远低于材料的屈服极限，其使用寿命也较长，其结构件的疲劳属于高周疲劳。

3.2 裂纹的产生与扩展

金属材料如果含有缺陷、夹杂物、切口，此处就存在初始裂纹，这些位置通常在焊缝处。如果构件有缺口或截面发生变化，特别是急剧变化处，会存在应力集中现象，此点处的应力能达到周围应力几十倍以上，当构件受力时，该部位就处于屈服状态。应力集中对结构的静强度影响不大，但对交变载荷而言，属低周疲劳破坏，分子晶体的塑性移动达一定程度时此点应力会达到断裂强度，造成晶界的断裂，形成初始裂纹。

如果金属表面没有上述应力集中源，则初始裂纹往往在构件表面形成。金属分子晶体在循环载荷的作用下，最初的滑移线变成滑移带，在大量的滑移带中，由于原滑移所引起的对表面的侵入和挤出，从而在表面留下空洞，形成了初始裂纹。

从上面的描述可知，在工程结构中含有初始裂纹是难免的，关键是要知道这些裂纹在交变载荷下扩展的速度，裂纹使构件失效的临界长度，在构件损伤缺陷达到临界长度之前进行更换和修理。

4 小结

通过桥式卸船机检测结果发现，裂纹多发生在承受交变应力变化幅度大的部位，特别是存在拉应力的部位，另外裂纹也多发生在变截面的应力集中处。应用断裂力学理论可以得到如下结论：

1）虽然桥式卸船机的静载荷及动载荷均很小，远低于材料的屈服强度，但由于钢结构承受

交变载荷作用，所以其破坏方法应按断裂力学理论进行考虑，当钢结构上的初始裂纹在交变载荷的作用下发展到一定程度时，就会出现断裂破坏。不能因为检测应力小而得出材料强度不超标的结论，此处进行强度分析应采用断裂力学理论。

2）破坏裂纹一定是在初始裂纹的基础上发展而来的，焊缝中易产生大量的初始裂纹，所以在设计时就要考虑到焊接工艺，并在制造阶段提高焊接工艺水平，这是减少初始裂纹的数量及大小的关键因素;焊缝是疲劳破坏的主要部位，在设备使用中应重点检查。

3）初始裂纹另一个主要产生部位是应力集中部位，所以在设计时就要考虑到应力集中的影响，在变截面处及连接处应有良好的过渡;同时在后续的使用检修中尽量避免在钢结构上钻孔、施焊等工作。本次检测查出的裂纹很多出现在变截面处及两件连接处也说明了这一点，在处理时除将原裂纹修复外，还需增加圆弧过渡，以消除应力集中现象。

4）使用者也需了解钢结构的应力分布情况，对应力较大的部位，特别是应力循环变化频繁，且存在拉应力的部位，应重点检查，如果在这些部位存在应力集中或焊缝，则更容易产生裂纹，如测点7处。

5）对钢结构中出现的裂纹应分析是制造质量原因还是使用中过载，或者是疲劳。不同的原因需有不同的处理措施，且后续的使用、检查也有不同的要求。如是制造质量问题，裂纹处理后不影响使用（如存在应力集中还须消除应力集中现象）;如是过载问题，通常裂纹周边结构伴随着塑险变形，周边的应力分布也发生了变化，此时应防止原应力较小的部位由于应力的重新分布而变大（产生疲劳裂纹的概率增大），同时要防止再次过载，塑性变形太大会使结构丧失承载能力而失效;如是疲劳问题，则说明结构不同的部位己开始逐渐达到其疲劳寿命，应对焊缝加强检查，必要时进行一次较全面的焊缝检测。

参考文献

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[2]周玉忠，张逸国.卸船机俯仰梁裂纹产生原因分析[J].港口装卸.2008（02）