基于桥架类起重机全生命周期的金属结构检测系统的设计和构建

王 允



基于桥架类起重机全生命周期的金属结构检测系统的设计和构建

王 允

（河南省特种设备安全检测研究院，河南 郑州 450000）

以国家桥架类及轻小型起重机械质量监督检验中心建设为契机，根据桥架类起重机金属结构设计、制造、拼装、在役等生命阶段的形成和使用特征，构建全生命周期内的检验检测能力，包括实验室定位、实验项目、方法和设备、达到的目标和效果等。

桥架类起重机；金属结构；检测系统

桥架类起重机是制造、物流、交通等行业的重要装备，它通常由桥架、起升机构、大小车运行机构、动力装置、操纵控制及必要的辅助装置组合而成，见图1所示。组成桥架的金属结构是制造起重机的骨架，其重量占起重机总重量的60%~80%，是起重机运行的基础，在起重机安全运行方面发挥着重要作用[1~3]。因此，起重机的金属结构质量和安全检验尤为重要，它是保证起重机安全运行的前提。为此作者所在单位以筹建国家桥架类及轻小型起重机械质检中心建设为契机，筹建了金属结构检测平台，目的是搭建这方面的检验和测试系统，开展相关轻量化和优化设计技术研究，进行质量检验检测、安全评价等业务，为政府决策、企业质量提升和起重机安全使用提供检验和实验服务。

1.主梁；2.电器；3.支腿；4.操纵室；5.起升机构；6.运行机构

图1 桥架类起重机的基本组成

1 构建的目的和必要性

金属结构是桥架类起重机的骨架，承担着包括自身结构和起重量在内的全部载荷，因此保证金属结构的质量安全对起重机来说有重要意义。目前对起重机金属结构的检测手段比较分散，对于起重机的原材料，一般起重机生产制造企业不具有检测分析能力，常委托给专门实验机构进行检测。起重机生产厂家仅对金属结构的制造过程进行检验，采用的方式是生产企业构建自己的检验部门，对制造过程进行检验。针对在役起重机，使用单位一般不做检验，主要由当地的特种设备检验机构每年做一次定期检验，但也仅做有限的检验项目。因此在《中国装备制造2025》发布前，搭建全生命周期内的检验手段和能力，开展检测系统建设、人员保证要求建设、设备保证要求建设、管理保证要求建设，是非常有必要的[4~5]。

2 建设方案

从起重机金属结构的形成过程来看，分设计、制造、安装、在役等四个阶段；从保证起重机质量和安全角度出发，不同的阶段实施有不同的检测项目，设计阶段考虑在保证安全的前提下进行结构的优化，助力起重机行业提升；制造阶段对起重机的原材料和焊缝、结构的尺寸和形状公差进行检验，以保证产品达到相应的国家标准；安装和在役的起重机主要对金属结构加载后的状态进行检测，对此建设的桥架类起重机金属结构全生命周期检测系统的设计和构建应有不同的考虑，见表1所示。

表1 起重机金属结构形成阶段和基本检测项目体系

2.1 设计阶段的结构分析和评价方法

起重机的设计阶段主要是进行结构分析评价、结构优化评价。由于起重机金属结构的复杂性，其结构功能函数通常是未知的，必须借助数值方法才能进行其强度、刚度及疲劳寿命计算。随着计算机技术和数值方法的快速发展，有限元法成为目前工程界分析和设计复杂结构常用的手段。

本中心筹建了结构与分析实验室，设置了两个大型的有限元工作站，采取有限元分析技术，利用ANSYS、SAP84等软件，研究了桥架类起重机金属结构参数化建模，开展对金属结构载荷变化规律、动态特性和疲劳特性的研究，开展对金属结构可靠性的实验研究，起重机结构有限元模型分析界面见图2。

2.2 制造过程的实验项目、方法和设备

制造阶段主要分原材料、制造（主要是焊接）、预装或现场安装三个阶段。

起重机的金属结构通常采用板材或型材焊接而成。起重机工作性能好坏与金属结构的材料选用有着直接关系，因此对原材料及焊缝进行机械性能、化学成分和金相分析是非常有必要的。针对原材料及焊缝的检测，本单位构建了力学性能实验室、物理性能实验室、化学分析实验室，拥有的检测设备包括：万能材料实验机、扭转实验机、摆锤冲击实验机、洛氏/布氏硬度计等仪器及其配套设备；检测金属组织的金相显微镜及金相制样的全套设备等金属材料组织性能分析仪器；检测金属成分及含量的光谱分析仪、化学元素分析仪等仪器。这三个针对原材料检测设置的实验室可以检测原材料及焊缝的强度、冲击韧性、硬度、化学成分、各成分含量和金属显微组织结构。从微观检验到宏观检验，从成分检验到性能全面检验，帮助起重机生产企业控制原材料的质量，这也是保证起重机金属结构质量达标的前提。

起重机金属结构主要是通过焊接的方式来连接，并且钢板或型材之间焊缝中的缺陷是构件断裂的主要原因，因此对焊缝质量的检测是保证起重机安全运行的前提。焊接成形后检验主要是尺寸检验和焊缝无损检测，针对金属结构的焊后检验，本单位筹建了无损检测实验室，配备了检测表面和近表面缺陷的渗透和磁粉无损检测设备，以及用于检测焊缝内部缺陷的超声无损检测设备，从表面到内部对焊缝进行全方位检测，保证焊接结构的可靠性。

总装后应进行主梁的上拱度、上翘度、水平、垂直偏斜、旁弯，悬臂的上翘度、腹板的翘曲、垂直偏斜等检测，以及外形尺寸的检查。针对这些检测项目实验室配备的检测仪器有激光测距仪、全站仪、经纬仪、水准仪、钢直尺、塔尺等。

2.3 预装或安装后的实验项目、方法和设备

预装或安装后的主要项目是动静载荷实验、拱度测量、应力应变测试以及结构对称性检测，配备的仪器有激光测距仪、应力应变测试仪、结构压力实验台等仪器设备。

2.4 在役桥架类起重机的实验项目、方法和设备

在役起重机金属结构使用一段时间后，会发生疲劳，甚至出现裂纹[6]，为此需要对钢结构疲劳、焊缝缺陷及上拱度等进行检测。主要用到的仪器装置有声发射测试仪、渗透和磁粉无损检测装置、超声无损检测装置、全站仪或经纬仪等。

3 实验室管理模式和检测系统组成

金属结构各生命周期阶段的检验方法、手段和环境都不一样，为便于业务的开展，在管理模式方面有着自己的特点。在组织体系上，金属结构检测系统构建的主要依托机构是河南省特种设备安全检测研究院，由国家桥架类及轻小型起重机械质量监督检验中心进行管理，系统的构建主要包括以下几个检测试验室。

3.1 结构分析和评价实验室

主要开展新产品设计阶段的结构分析和评价、应力应变测试、老旧起重机的安全评价和风险分析等。针对不同类型和用途的起重机采用有限元软件进行参数化建模，通过对数据的分析，对起重机进行结构优化设计，促进起重机金属结构向轻量化和节能化的发展。通过对在役起重机的有限元结构分析，对起重机的安全性进行评价，进而判断金属结构的使用寿命。

3.2 力学性能实验室

主要开展结构用材料的拉、压、弯、扭、冲，硬度和金相实验等。金属材料力学性能实验室通过不同技术实验测定金属的各种力学性能指标。通过金属力学性能测试，可以最大限度发挥材料潜力、分析金属结构故障、确保金属结构设计合理。力学性能实验室的检验流程依次是样品接收、任务分配、样品交接、实验测试、分析数据及出具证书报告。

3.3 化学分析实验室

化学分析实验室主要对原材料进行检测。起重机金属结构的主要部件采用的材料有普通碳素钢、普通低合金钢、优质碳素结构钢和合金结构钢。通常，钢中除了铁（Fe）外还含有少量的碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、磷(P)、硫(S)、氧(0)、氮(N)、钛(Ti)、钒(V)等元素，这些元素虽含量很少，但对钢材性能的影响很大。因此化学分析实验室配备了碳硫分析仪、锰磷硅分析仪、光谱分析仪等设备，全面的对钢材的元素含量、元素种类进行检测，从原材料上监控金属结构的质量。

3.4 无损检测实验室

起重机的故障发生率调查数据显示：故障的45％来自裂纹，22％来自焊缝缺陷[7]。对焊缝的检测分为制造过程中和使用中的起重机的无损检测。根据起重机的检测特点，无损检测实验室配备了便携式无损检测设备，在实验室和起重机工作现场均可开展检验。

4 结语

本文论述了桥架类起重机金属结构全生命周期检测系统的设计，分析了构建该检验系统所需设备及检测项目。可以看出，完成金属结构检测系统的构建，可以为企业提供技术支持，为起重机安全运行发挥重要作用。

（责任编辑吕春红）

[1] 须雷.起重机现代设计方法[J].起重运输机械，1996(8):3-7.

[2] 张胜民.基于有限元软件ANSYS7.0的结构分析[M].北京：清华大学，2003.

[3] 张质文.起重机设计手册[M].北京:机械工业出版社，1998.

[4] 郭景霞.工业工程综合实验室建设的研究与实施[J].实验技术与管理,2015,32（11）:260-264.

[5] 董国强.实验室管理模式的研究与探索[J].哈尔滨工程大学，实验室研究与探索,2015,6(24)：93-99.

[6] 王正勇.起重机箱形主梁疲劳寿命研究[D].成都：西南交通大学,2010.

[7] 黄祥声.起重机金属结构故障可视化技术研究[D].武汉：武汉理工大学,2008.

2016-07-28

王允（1983―），女，河南新乡人，硕士，主要从事特种设备安全检验研究。

TH215

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1008–2093(2016)05–0021–03