一种门座起重机金属结构疲劳寿命估算方法

王保卫

深圳市质量安全检验检测研究院

1 引言

门座起重机作业工况复杂，载荷情况多变，疲劳破坏是其金属结构失效的主要形式。对于已服役时间较长，或者已经超期服役的老旧门座起重机，其金属结构内部可能已经出现不同程度的损伤，这些损伤隐藏在结构内部，难以辨别，一旦失效危害巨大，有必要对这类起重机进行金属结构疲劳寿命估算。

由金属材料组合而成的结构件，其疲劳寿命除了取决于所用材料的寿命外，还与结构的形状、制造质量、使用状况和环境条件等因素有关，而且这些因素都是不确定的。目前广泛采用名义应力法来估算起重机金属结构的疲劳寿命。

应用名义应力法进行结构疲劳寿命估算的依据,是应力谱和材料的抗力指标S-N曲线。其基本估算思路是,从材料的S-N曲线出发,并考虑各种影响因素,得到构件的P-S-N曲线。其方法为:在主要承载结构件的主要受力部位设多个应力测试点,根据门座起重机主要承载结构件在装卸作业情况下的现场测试,得到主要承载结构件测点的动载应力时间历程曲线,并应用雨流计数法进行统计分析,再按照线性累积损伤理论,并结合起重机械的使用记录(年限、装卸量等)和主要结构的技术状况,进行金属结构的疲劳寿命与剩余安全使用期限的预测估算[1]。

2 门座起重机金属结构疲劳寿命估算方法

2.1 线性累积损伤理论

目前已有多种疲劳损伤理论，其中，工程中使用最广泛的是Miner线性累积损伤理论。Miner损伤理论认为，变幅疲劳中各个应力幅所造成的损伤可以定量表示，并且可以线性叠加[3]。根据Miner损伤理论，载荷循环造成的损伤可以表示为：

(1)

式中,D为载荷作用下总的损伤度；l为不同的应力水平；ni为各应力水平下的循环次数；Ni为各应力水平下的循环次数；a为常数，本次评估中取1。

2.2 采样工况及应力谱的确定

起重机械在其使用过程中，金属结构受力情况随着工作载荷和作业情况而变化，在变应力的作用下，金属结构产生疲劳损伤。因此，为了提高疲劳寿命估算的准确率，数据的采集应当尽可能选择起重设备实际工作最频繁的作业情况作为采样工况。

采集起重机工作循环应力数据，得到测点在服役过程中的应力时间历程数据，对这种应力时间历程数据进行分析，统计出能够反映测点在整个服役过程中工作状况的疲劳应力谱。疲劳应力谱是对危险部位疲劳可靠性分析的基础，其具有统计特性，能本质地反映该结构不同服役过程的应力循环的变化情况。通过雨流计数法统计处理，把实际的服役过程中各测点所测得的应力时程数据，处理成为不同应力幅值和对应的应力循环次数之间的关系，即为测点的疲劳应力谱[2]。

2.3 材料S-N曲线的确定

S-N曲线表示外加应力幅和材料疲劳寿命之间的关系，该曲线可以全面地反映材料在交变应力的作用对疲劳的抗力关系。常规的曲线表示的是材料疲劳抗力的均值，即可靠度为50%时材料的疲劳抗力，但是对于大型特种设备而言，该可靠度不足以满足其安全性要求，因此在结构的疲劳寿命可靠性分析中，必须将疲劳抗力按随机变量来处理，表示出有一定可靠度的一簇曲线，即为P-S-N曲线[3]。

金属材料的P-S-N曲线，可使用单对数坐标，即仅将疲劳寿命取对数，或可使用双对数坐标，即将应力幅与疲劳寿命分别取对数。当使用双对数坐标时，曲线的左段一般是一条直线，其表达式为：

lgN=C+mlgΔσ

(2)

式中，N为p%存活率下的疲劳寿命；Δσ为应力范围，MPa；C、m为不同材料及不同可靠度情况下方程常数，根据所检测起重机主要焊接结构件的材料及接头形式确定，例如对于Q235材料，在95%存活率下，C、m分别为-3.371与13.45。

2.4 疲劳寿命估算

根据处理后得到的应力谱结果，代入到可靠度为95%的P-S-N曲线中，得到各应力幅下的循环次数,再根据Miner损伤理论计算采样工作循环下的损伤度D′。

假设起重机工作状况与采样时工作状况一致，如果采样工作循环下的有效采样时间长度为t，则由采样工作循环下的损伤度，可以推导出起重机服役期间的总寿命，其理论疲劳寿命计算公式为：

(3)

式中，总损伤度D取1。

2.5 现场测试

应力测点的选择以及测点布置现场见图1。

图1 门座起重机应力测点布置示意图

由于待检测的门座起重设备载荷情况多为轻载大幅度工况，为了提高疲劳寿命估算的安全系数，采用半载作为试验载荷，在相应的最大幅度下进行测点的疲劳应力时间历程测试。具体为：①吊具钢丝绳完全松弛时设备置零，开始记录数据；②起吊测试载荷至常用高度，根据设备现场状况以及实际工作情况回转180°；③回到初始位置使吊具钢丝绳完全松弛。完成以上动作后以上视为1个工作循环结束，测试时重复以上工作循环5次，进行连续作业采样。

工作循环下的应力时间历程数据是对起重机实际工作过程中金属结构件内部应力变化情况的量化反映，现场检测计算中，假定检测风力适宜，司机操作正常，并且忽略突发意外情况以及人为破坏因素等对寿命的影响。门座起重机各测点工作循环应力测试时间历程曲线见图2～图5。

图2 门座起重机各测点应力时间历程1

图3 门座起重机各测点应力时间历程2

图4 门座起重机各测点应力时间历程3

图5 门座起重机各测点应力时间历程4

2.6 雨流计数统计

门座起重机各测点的时间历程数据，经雨流计数统计处理后，应力幅值明显较大的测点作为计算点，计算其理论安全使用期限。选取的计算测点为AI1-01、AI1-02、AI1-03、AI1-04，其工作循环测试下的时间历程数据经雨流计数法统计处理后的幅值分布见图6～图9。

图6 AI1-01测点应力幅值分布图

图7 AI1-02测点应力幅值分布图

图8 AI1-03测点应力幅值分布图

图9 AI1-04测点应力幅值分布图

2.7 疲劳寿命估算

起重机金属结构疲劳寿命估算的基础是金属疲劳理论以及概率统计分析理论，计算时，用采样工作循环内金属构件的应力变化情况进行概率统计，进而推导设备在整个服役期间金属构件受应力作用的疲劳情况。因此，寿命预测的结果与计算时起重机械的作业强度息息相关。

计算时，使用工况假定为：一天工作8 h，一年工作250天；实际安全使用期限则根据使用方提供的2020年12月份实际作业次数进行计算。

门座起重机各测点的疲劳寿命，以及根据实际作业次数计算的实际安全使用期限计算结果见表1。

表1 门座起重机疲劳寿命与安全使用期统计

3 结语

由剩余安全使用期限的计算结果可知，门座起重机疲劳危险点主要在支腿处，其中支腿测点AI1-01疲劳寿命最短。若作业情况与检测时采样工况一致，并且始终按照采样工况保持下去，设备的工作强度按照疲劳寿命设定条件一致，门座起重机支腿各测点已超过疲劳寿命极限；若工作强度按照设备在12月份的实际工作次数持续工作的前提下，设备支腿测点AI1-01的剩余安全使用期限仅为1.2年，也已接近实际安全使用期限。因此，门座起重机的疲劳寿命以及根据实际作业情况计算出的实际安全使用期限，均已接近极限值，若无法进行有效修复，则建议对该设备进行报废处理。