关于冶金起重机疲劳寿命的可靠性评估研究

2021-01-14熊禄江西省特种设备检验检测研究院新余分院

环球市场 2020年33期

熊禄江西省特种设备检验检测研究院新余分院

在长时间使用后，很多冶金起重机的安全技术指标会受到严重影响，这种影响在可靠性方面也有着直观体现，可能影响整机工作安全性。为尽可能保证其安全稳定运行，正是本文围绕冶金起重机疲劳寿命的可靠性评估开展具体研究的原因所在。

一、冶金起重机疲劳寿命可靠性评估需求及价值分析

（一）需求分析

围绕疲劳损伤进行分析可以发现，金属结构薄弱部分受到的影响较为深远，这种影响的发展会在整机工作安全性层面体现。如冶金起重机频繁超载，显现往往较早的疲劳损伤安全风险更大，但这类冶金起重机的多数机构件、结构件的工作潜力仍较大。为及时发现冶金起重机的安全隐患，对可能出现的后果进行评估，即可提供改造方案或改进措施，满足设备长期安全使用需要[1]。

（二）价值分析

具体的可靠性评估需围绕疲劳寿命估算、疲劳强度分析、风险预测展开，疲劳寿命可靠性评估工程价值可能受到的各方面因素影响也需要得到重视。结合相关实践可以发现，具体评估主要围绕六方面开展，具体如图1所示。

图1 可靠性评估内容

基于图1进行分析可以发现，无损探伤、机构验算、静强度分析、性能指标检测均属于评估重点，这类重点涉及技术标准和强制约束等内容，相关内容在疲劳强度评价、疲劳寿命估算等方面较少提及，但不应忽视二者重要性，由于在终端市场的需求较高，虽然该评价体系仍处于规范和标准边缘，但具备极高的市场价值，且在安全综合评估中占据重要地位。因此，市场外在需求动力对冶金起重机疲劳寿命的可靠性评估发展带来的影响极为深远，技术进步也因此获得了充足动力[2]。

二、冶金起重机疲劳寿命可靠性评估技术及应用路径

为深化研究内容，本节将围绕可靠性评估技术进行简单介绍，并结合实例深入探讨该技术的具体应用，希望研究内容能够为冶金起重机的科学应用提供一定支持。

（一）技术分析

具体评估需要强化对疲劳寿命估算的重视，考虑到焊接结构这一常见结构特点，因此一般采用的疲劳寿命分析法以应力变程为基础，随机疲劳载荷谱、Miner积累损伤理论、结构S-N曲线属于这种分析方法的基础，由于三者的工程试验背景较强，因此这种评估技术在工程实用化方面的价值较高。基于结构S-N曲线的评估公式为：

结构S-N曲线常数在式中表示为C、K，f、r、S、N、D、n、t分别为各级变程出现频率、应力变程的级数（载荷谱中）、各级应力变程数、t的总变程数、结构破坏时的损伤、谱时间、结构破坏时载荷谱重复次数。现场试验可获得相关数据及工作载荷谱，进一步研究可得到疲劳寿命估算公式，即：

冶金起重机主梁的寿命分析可采用式（2）进行计算，结合同类研究可以了解到，上式中的C值为1011.714486，K值为3.3，本文研究取D值为0.8。结合偏轨箱型主梁所具备的具体特点，开展针对性的现场测试，工作循环历史即可完整获取，通过统计多个历程的计数，相应谱时间内的各级应力变程出现频次可由此获得，寿命估算可直接采用这类数据，简洁明了的分析可由此实现。通过组合、叠加不同情况下的计数结果，即可得到包含未来变化和历史信息的载荷谱。因此，冶金起重机疲劳寿命可靠性评估技术同时包含未来风险评价和载荷历史追溯内容，以及疲劳寿命估算技术。对于图纸设计阶段的工程项目，需强化对已有载荷谱的参考，这一过程需重点关注结构和工作载荷环境带来的影响，载荷变化信息也需要得到重点关注，相应函数由此可结合理论研究与相关实践得出。

（二）具体应用

以1台440t的冶金起重机作为研究对象，该冶金起重机制造于1985年，日常搬运空钢水罐，具体的规格为140t，同时该冶金起重机具备的额定载荷围殴440t，主梁工作寿命结合相关资料查询可以确定。为600000个工作循环。2010年，在搬迁生产车间前，用户希望能够对主梁的实际情况进行深入了解，具体对象为累计损伤，同时希望能够预测该冶金起重机的未来工作寿命空间，以此确定该设备是否能够用于新的生产线。因此，针对性开展应变传感器的布置，选择存在最大应力截面的对应部位，即强度校核部位（主梁跨中），同样需要严格现场跟踪记录完整的额定载荷工作循环历程，空钢水罐属于跟踪记录的主要对象（见表1）。

表1 应力变程频次表

结合应力变程和频次数据并引入寿命估算公式，可确定冶金起重机主梁额定荷载下的工作寿命为483151个工作循环，结合生产厂商给出的600000个工作循环可以发现，二者的差距源于D值和损伤选取，因此可确定生产厂商采用的冶金起重机主梁结构疲劳估算算法与本文类似，且D值和损伤取1。考虑到额定荷载不完全决定实际的疲劳损伤，还需要计算空钢水罐工作量与满载工作量1：1时、空钢水罐工作量与满载工作量1：2时的主梁工作寿命，分别为431711个工作循环、455981个工作循环。结合生产实际可以了解到，截至2010年，冶金起重机存在约87500工作循环数，空钢水罐工作量与满载工作量大致相同，因此可确定冶金起重机主梁还存在79.7%的寿命存量。