起重机械安全评估技术研究与应用

供稿/李福森 采编/高源

项目简介

起重机械作为工业基础设备，广泛应用于核电站、航空航天、冶金、造船、水利水电、市政工程建设、交通运输、石油化工等国民经济的各个领域。随着我国的经济建设不断发展，各种大型工程新建与改扩建，我国起重机械制造规模和在用数量都在持续飞速增长，截止到2021 年底，我国在用起重机械共有273.02 万台，制造量、保用量均居于世界第一位，其中大部分的起重机械都已服役多年，有不少都是“带病”运行，留下了大量安全隐患，导致起重机械安全事故时有发生，造成人员伤亡与重大经济损失。为保证和提高起重机械作业的安全性，减少事故的发生，杜绝带病作业的起重机，对在役起重机的安全评估就显得尤为重要。而安全评估的内容会涉及到方方面面，既与产品过往作业历史、事故故障、当前作业状态及可能潜在的危险等方面有关，又与产品设计、制造、使用等多重因素关联。

此外，针对测量中的轮压测试、结构动态刚性测试等难点问题，创新性地开发了基于动态应力检测的轮压测试分析方法和基于电磁感应的起重机械金属结构动态刚性测试方案实现了对轮压和动刚度的安全、方便、有效测量。针对剩余寿命评估国内外的各种理论较为繁杂且可操作性差的问题，采用了线性累积损伤理论进行剩余寿命估算，并且从机械零件、机构、结构件、整机分别给出了剩余寿命估算的方法及流程。

而且本项目对于我国起重机械安全评估工作的开展具有重大指导意义和巨大推动作用，对保证和提高起重机械作业的安全性，减少起重机械事故，保障人民生命财产安全具有重大意义。

主要科技创新

1.立项背景：

对于金属结构的安全评估技术的研究,美国、德国、法国和俄罗斯等国在这一领域的工作开展己久，并有多项科研成果公布，这些成果在汽车、航空、压力容器等工业领域有成功的应用。国内外的研究对象、方法、手段大致相当。国内一些高校和研究院所就诊断方法与控制技术开展了不少有益的研究，如对焊接裂纹预测及诊断建立了知识库，并运用专家系统就水电站高压岔管的裂纹进行分析；用有限元法对应力进行分析，用Miner 线性积累损伤理论及蒙特卡罗法对其疲劳寿命进行预测；利用可靠性中的“应力-强度干涉理论”，通过对应力循环的等效变换及随机载荷历程的数据处理,实现了疲劳强度的可靠性设计计算。

在起重机械安全评估领域，虽然其他领域的成功应用的各类安全评估理论在该领域都有应用研究，但大多停留在理论层面，可操作性差，导致在实际操作上应用不多，少量的一些应用也缺乏系统性和全面性，无法取得行业和市场的认可。

而我国起重机械在用规模巨大，截止到2021 年底，我国在用起重机械共有273.02 万台，居世界第一位，其中大部分的起重机械都已服役多年，有不少都是“带病”运行，留下了大量安全隐患，导致起重机械安全事故时有发生，造成人员伤亡与重大经济损失。为保证和提高起重机械作业的安全性，减少事故的发生，杜绝带病作业的起重机，对在役起重机的安全评估就显得尤为重要。而安全评估的内容会涉及到方方面面，既与产品过往作业历史、事故故障、当前作业状态及可能潜在的危险等方面有关，又与产品设计、制造、使用等多重因素关联，因此，急需建立规范、通用的安全评估方法理论体系，选取能够反映起重机械安全状况的量，实现对其有效测量，并通过测量的结果及检查的结论，分析起重机械的安全状况，给出使用建议，从而保证产品的安全使用，行业的健康发展。

2.详细技术内容：

首先确定了以相对成熟，且应用较多的线性累积损伤理论为开展安全评估的理论基础，为了保证该理论在起重机械安全评估实践中可操作性，建立了一套全面、系统的评估规范，将起重机械的安全评估分为现状评估、预测评估和综合评估三个部分，给出了如下图所示的安全评估规范流程。

对于流程中的每一个环节都给出了具体的操作要求，包括：技术档案审查应审核的技术文件及记录；现场检查需要关注到的重要结构件、关键零部件、安全防护装置，制定了统一的抽查原则及检查方法以及详细的判定依据；无损检测应关注的对象，磁粉、渗透、超声波检测的使用范围以及结果的判定；载荷试验应关注的要点及要求；应力测试工况与应力测试点的选择，以及安全判定的方法，如下表所示：

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针对测试项目中开展难度最大的轮压的测试和结构动态刚性的测试，创新性地开发了基于动态应力检测的轮压测试分析方法和基于电磁感应的起重机械金属结构动态刚性测试方案。

基于动态应力检测的轮压测试分析方法不同于传统的压力传感器直接测量法，是一种间接测量方法，通过测量每个车轮引起的轨道应力变化，得到整机在每个车轮上的轮压分配，而测得轮压。其原理是根据起重机车轮压过大车轨道时，作用于轨道上的铅垂方向的力会使轨道产生应变的特点，将应变片粘贴在被测车轮走过的轨道侧面，当车轮走过时应变片随着轨道一起变形，应变片的电阻值将发生相应的变化，动态应变仪将电阻变化转换成应力应变值并记录下来，让每个大车车轮都压过布有应变片的检测点，从而测定每个车轮的引起的轨道应力应变，比较后，就可知整机在每个车轮上的轮压分配。该方法不但避免了直接测量法可能安全风险及繁琐复杂的操作，而且可以便捷的测得各种工作状态下轮压的分配情况，从而得到整机重心在作业全过程中的移动轨迹，对整机的安全评估意义重大。

基于电磁感应的起重机械金属结构动态刚性测试方案，旨在测量结构在特定的动态激扰下抵抗变形的能力。由于起重机械的动刚度具有频率低、振幅大等特点，是目前动刚度检测领域的难点。本方法采用新型拾振器，以电磁感应理论为基础，通过设置磁场形式和运动结构，使得振动时磁力线切割产生电流，通过电路设置和运动微分方程计算，最终得到频率、加速度、速度、振幅等物理量，并通过拾振器布置方式，可以得到振动方向。 在测量中，将拾振器布置于将要测试的位置，整个测试系统通过屏蔽线连接，保证测试系统的抗干扰能力和稳定性。通过使用信号放大器和衰减电缆，增加测试系统的测量精度和测量范围。在测量范围内将不同分段通过不同运动微分方程赋予不同的参数。测试时通过选择不同参数和不同的运动微分方程就可以得到更高精度的数据。将测得的各物理量再通过后期数据处理和分析，从而得出起重机械动态刚性状态。

对于剩余寿命理论估算，针对国内外较为繁杂的各种理论，统一采用了线性累积损伤理论进行剩余寿命估算，并且从机械零件、机构、结构件、整机分别给出了剩余寿命估算的方法及流程，包括累积损伤度计算公式、已发生的载荷谱系数计算公式、剩余损伤度计算公式、剩余寿命计算公式，明确了针对各种作业记录数据放大系数的选择方法及疲劳强度抗力系数选取方法。

对于整机的综合判定，给出了整机的安全等级划分方式及对应的安全结论：

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3.主要技术创新点：

1）规范、系统、可操作的起重机械安全评估的方法程序

本项目针对国内外对于起重机械的安全评估技术理论研究虽然较多、但实用性与可操作性不强的状况，提出了一套可操作性强的、系统全面的起重机械安全评估规范，以指导安全评估的实践出发，将起重机械的安全评估做为一个系统性工作分为现状评估、预测评估和综合评估三个部分，给出了规范的安全评估工作程序，明确了安全评估的详细流程，且对于流程中的每一个环节都给出了具体的操作要求，包括：技术档案审查的内容要点，现场检查的项目及方法要求、无损检测要求、载荷试验要求、应力测试要求以及剩余寿命理论估算和整机综合判定的方法和要求等。

其中，对于剩余寿命的理论估算，针对国内外较为繁杂的各种理论，统一采用了线性累积损伤理论进行剩余寿命估算，并且从机械零件、机构、结构件、整机分别给出了剩余寿命估算的方法及流程。

本项目在国内外首次提出了一个可操作性强的、系统性的起重机械安全评估方法，为开展起重机械安全评估工作奠定了坚实的理论基础，并且研究成果以国家标准的形式进行了发布，填补了国内外标准的空白。

2）基于动态应力检测的轮压测试分析方法

轮压能反映出起重机械整体稳定性的状况，对于港口起重机械等有倾覆危险的起重机械的安全评估有重要意义。目前主流的轮压测试方法是采用压力传感器的直接测量方法，实施方案有顶升法和铺垫法两种，顶升法测试原理是将传感器放在千斤顶上，然后利用千斤顶的力顶起起重机的支腿至支腿下的车轮全部脱离轨道，将压力传感器的数值作为该支腿所承受起重机的重量。铺垫法则将斜锲形状的压力传感器铺设在轨道上，使车轮压在传感器上来进行测量。顶升法需要将设备顶起，操作极不方便，同时具有一定的危险性，铺垫法则由于传感器有一定的厚度，车轮经过时会造成冲击，可能对车轮平衡梁造成损伤。且这两种压力传感器的直接测量法，测量状态并不是真实整机工作状态，要么整机被顶起了，要么车轮被垫高了。

本项目中，创新性的采用了间接测量方法，通过测量每个车轮引起的轨道应力变化，得到整机在每个车轮上的轮压分配，而测得轮压。其原理是根据起重机车轮压过大车轨道时，作用于轨道上的铅垂方向的力会使轨道产生应变的特点，将应变片粘贴在被测车轮走过的轨道侧面，当车轮走过时应变片随着轨道一起变形，应变片的电阻值将发生相应的变化，动态应变仪将电阻变化转换成应力应变值并记录下来，让每个大车车轮都压过布有应变片的检测点，从而测定每个车轮的引起的轨道应力应变，比较后，就可知整机在每个车轮上的轮压分配。

该方法不但避免了直接测量法安全风险，而且可以便捷的测得各种工作状态下轮压的分配情况，从而得到整机重心在作业全过程中的移动轨迹，对整机的安全评估意义更加重大。目前已采用此方法，进行了多台门座起重机、卸船机、斗轮堆取料机的轮压检测，取得了理想的效果。

3）基于电磁感应的起重机械金属结构动态刚性测试方案

动刚度是结构在特定的动态激扰下抵抗变形的能力，是起重机械使用中使用单位特别关注的指标，也是起重机械安全评估的重要指标。但起重机械的动刚度具有频率低、振幅大等特点，是目前动刚度检测领域的难点。传统起重机械的动刚度检测一般通过测量起重机械应力变化，通过应力循环计算出振动频率，这种检测方法只能间接得出振动频率，对于振幅、振动方向等其他物理量无法做出有效评价。为了更好的了解起重机械的结构动态刚性，更好的对起重机械安全状态进行评估，本项目提出了一种基于电磁感应的起重机械金属结构动态刚性测试方法，不但可以测得振动械频率，还能测得振动的加速度、速度、振幅等物理量。

该方法采用新型拾振器，以电磁感应理论为基础，通过设置磁场形式和运动结构，使得振动时磁力线切割产生电流，通过电路设置和运动微分方程计算，最终得到频率、加速度、速度、振幅等物理量，通过拾振器布置方式，可以得到振动方向。

在测量中，将拾振器布置于将要测试的位置，整个测试系统通过屏蔽线连接，保证测试系统的抗干扰能力和稳定性。通过使用信号放大器和衰减电缆，增加测试系统的测量精度和测量范围。在测量范围内将不同分段通过不同运动微分方程赋予不同的参数。测试时通过选择不同参数和不同的运动微分方程就可以得到更高精度的数据。将测得的各物理量再通过后期数据处理和分析，从而得出起重机械动态刚性状态。

该测试方法已在质检中心的起重机械安全评估工作中广泛应用，效果良好。

4）基于应力测试的起重机械金属结构剩余寿命评估

起重机械金属结构的剩余寿命的评估，是起重机械安全评估工作最重要的部分，也是使用单位最关心的部分。金属结构的剩余寿命取决于其结构上关键部位的寿命，本项目正是结构的分析及静态应力进行双重筛选，找到影响金属结构寿命的“短板”部位，通过实际工况作业或模拟工况作业，获取关键部位典型载荷工况下的动态应力应变曲线，应用疲劳寿命估算理论，估算测试工况下的总寿命以及剩余使用寿命。

由于起重机金属结构的应力往往处于较低的水平，所受应力小于材料的强度极限，其金属结构的疲劳破坏特性为高周疲劳破坏，因此，在实际应用中采用名义应力法对金属结构进行寿命预测。

疲劳寿命评估的技术路线是从材料的S-N 曲线出发，再考虑各种影响因素，结合结构危险点的实测应力谱，按照线性累积损伤理论及修正Palmgren-Miner 法则，进行金属结构的疲劳寿命估算，再结合起重机的历史作业量，进行综合分析，估算出起重机的剩余安全使用寿命，如下图所示。

疲劳寿命评估技术路线示意图

通过动态应力测试获得的载荷应力幅的大小直接关系到结构的损伤度计算，本方法中采用雨流计数法对测量的动态应力数据进行统计，以便得到不同大小应力幅的出现概率。然后结合各应力幅对应的损伤度和各应力幅的出现概率，得到金属结构的总损伤度。

疲劳寿命预测的必要条件是材料的S-N 曲线，它是用来反映外加应力和金属结构疲劳寿命曲线的一种曲线，也用来表示材料的疲劳强度特性。材料S-N 曲线的可由BS7608 钢结构疲劳设计与评估查得。

lgNp=ap+bplgσ

式中：Np——在不同可靠度下的循环次数；

σ——在不同条件下的应力幅或者最大压力；

ap、bp——固定参数。

Miner 线性累积损伤理论是工程上广泛应用的疲劳寿命计算方法。该法则的假设为，从能量累积的角度上来看，认为当构件吸收的能量到达极限值时，构件发生破坏。假设用W 表示构件可以吸收的能量极限值，用N 来表示构件的总寿命，也就是总循环数。当构件吸收的能量W1 时，在某一对应盈利水平下所发省的循环数为N1，有W1/W=N1/N。

而构件所承受的应力循环不会一直是一个水平，因此在不同的循环应力σ1，σ2，•••，σk下，所对应的不同应力循环数为n1，n2•••，nk，得到总的疲劳损伤为

式中：ni——在第i 级循环应力水平下的循环次数；

Ni——第i 级应力水平下的疲劳寿命。

参数a 一般由疲劳试验确定，理论上一般取1，但实际工程试验中，平均值为0.68。所以最终寿命计算公式为

通过对关键部位测得疲劳应力数据进行雨流计数统计，得到总损伤度，以及当前测试条件下的循环总寿命，结合设备历史工作量，估算剩余使用寿命。

本项目采用的剩余寿命估算方案，符合我们在标准中提出的基于线性累积损伤理论的寿命估算，已在大量门座起重机、卸船机、堆取料机等起重机械的剩余寿命评估采用，取得了良好的效果。

4、与当前国内外同类技术主要参数、效益、市场竞争力的比较：

1）相对于传统的安全评估方案只局限在金属结构当前的状态的评判，且理论繁杂，可操作性差，本项目提出的起重机械安全评估规范是一套系统全面、理论基础成熟、可操作强的起重机械安全评估的方法和程序。首次将技术档案的审查、作业现场的检查、载荷试验、测试数据的采集、剩余寿命的分析、整机综合的评判做为一个整体融入安全评估工作中，在成熟的线性累积损伤理论基础上，提出了一套可操作性极强的方法和程序，并且以国家标准的形式发布，填补了国内外相关标准的空白，有利于起重机械安全评估工作的推广及规范。

2）本项目采用的基于动态应力检测的轮压测试分析方法，为国内领先水平，与传统的压力传感器直接测量法的对比如下表所示：

对比项压力传感器直接测量法动态应力间接测量法可操作性需顶升整机或铺垫轨道，操作复杂轨道贴片，操作简单安全风险整机有倾覆风险，安全风险大正常作业，无附加安全风险检测工况支撑点是顶升或垫高状态，是对正常作业工况的近似正常作业工况

3）本项目采用的基于电磁感应的起重机械金属结构动态刚性测试方案，为国内领先水平，传统的基于动态应力的测试方法只能间接得出振动频率，对于振幅、振动方向等其他物理量无法做出有效评价，远远达不到对起重机械进行安全评估的要求。本测试方法不仅能够测量起重机械振动频率，还能够对振动加速度、速度、振幅等物理量进行测量，并且能够得出确定的振动方向，能对起重机械安全评估工作起到极大的技术支撑作用，技术比对如下表所示：

对比项基于动态应力的测试方法基于电磁感应的测试方法测量物理量频率频率加速度速度振幅方向灵敏度/频率/加速度0.3 V.s2/m速度小速度中速度大速度23 V.s/mv2.4V.s/m 0.8V.s/m振幅小速度中速度大速度23 V.s/m2.4V.s/m0.8V.s/m

4）本项目采用的基于应力测试的起重机械金属结构剩余寿命评估方法，是基于已经较为成熟的线性累积损伤理论，经过中心的大量试验验证，达到了国内先进水平。

知识产权情况

本项目已发布国家标准1 项：《起重机械安全评估规范 通用要求》（GB/T41510-2022），正在申请的实用新型专利1 项：《基于动态应力测试的轮压分析方法》，已发表论文1 篇：《基于应力测试的港口门座起重机金属机构剩余寿命估算分析》（起重运输机械,2020(05):45-48），待刊发论文2 篇：《桥式起重机主梁跨中同截面应力测试解析》、《架桥机安全评估与安全提升》。

推广应用情况

本项目所提出的起重机械安全评估规范已作为国家标准于2022 年7 月发布，评估中采用的轮压测试方法、动态刚性测试方法、剩余寿命评估方法已在大量评估项目中进行了实践应用，效果显著，且越来越得到市场认可。

经济效益和社会效益

本项目为起重机械安全评估提供了一种系统全面、可操作性强的方法，并以国家标准形式发布。对于我国起重机械安全评估工作的开展具有重大指导意义和巨大推动作用，也必将大大缓解大量长期服役起重机械带病作业的情况，为保证和提高起重机械作业的安全性，减少起重机械事故，保障人民生命财产安全发挥重大作用。