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1、大型港口机械巡检周期的确定 南通航运职业技术学院 顾海红 南通技术监督局 李淑娟摘要：根据相关资料显示，70%的起重机械事故是由于起重机械金属结构中的裂纹所引起。本文阐述通过计算起重机械金属结构中的裂纹长度达到临界裂纹长度的时间，从而找出起重机械的合理的巡检周期。关键词：起重机 巡检周期 金属结构 裂纹1 南通港设备情况介绍南通港口事业的发展当以南通港口集团为龙头，目前整个港口集团实际年吞吐量达5000万吨，拥有的大型港口机械共34台。10吨普通门机14台；16吨普通门机4台；16吨带斗门机4台；40吨门机1台；8吨装卸桥2台；集装箱岸桥4台；集装箱轮胎吊5台，具体分布情况见表1。- 9 -表
2、1单位机械名称规格型号台数规定使用年限已使用年限天生港港务公司装卸桥QZX82169门座机M10-3011618通州港务公司普通门机M10-3031616普通门机M30.5-201167普通门机M10-301163姚港港务公司普通门机M16-301163普通门机M16-332162普通门机M16-3011612带斗门机M16-32/831613带斗门机M16-3211621狼山港务公司普通门机M10-3021620普通门机MQ10-30II21611普通门机M10-3021610普通门机M10-3011612普通门机M10-302164集装箱公司集装箱岸桥HQ3521632集装箱岸桥ZP50/
3、352161集装箱轮胎吊JL35.531210集装箱轮胎吊RTG45/23.472123从表1可见，有部分设备已超过使用年限，极个别的已大大超过了使用年限，但从目前的经济状况分析，短时期内还不可能报废，这就要求使用者对设备的情况密切关注。2现有设备存在的隐患2.1铰结点磨损对金属结构的影响现有设备大多数已使用十年以上，我们知道起重机的金属结构铰结点很多，在诸多的铰结点都出现了磨损现象，导致配合间隙增大，使整机运行产生的变形大、振动现象严重，运转不平稳，抖动，整机的刚性减弱，振幅加大，振动衰减过程变长，加速了金属结构的疲劳。2.2工作级别提高对起重机的影响现有起重机大多数是以当时的生产现状来确定
4、其工作级别的，当时起重机每天以两班工作制来进行工作，而随着港口装卸总量日益增加，在现有的设备状况下，设备不得不24小时运转，起重机的工作级别是以利用等级和载荷谱来划分的。疲劳循环次数设计时为一定数，利用级别提高了年交变应力循环次数增加，使用年限就必然下降。nN年=N0 N年增大，n减小，n为年数，N年为年总循环数，N0为疲劳寿命，我们以姚港港务公司为例。表2. 姚港港务公司年吞吐量一览表年份19961997199819992000200120022003吞吐量（万吨）3985706458541111124911891519从表2可见，吞吐量从1996年的398万吨猛增到2003年的1519万吨
5、，吞吐量增加了3倍，而机台只增加了3台，原来为5台，每台起重机的繁忙程度增加一倍以上，从而使起重机的年交变应力循环次数增加了2倍，金属结构的金属疲劳年限将下降至原设计的1/2，我国金属结构的设计以25年为限，所以大部分起重机在超过临界应力点的部位都有疲劳现象。2.3疲劳对起重机金属结构的破坏部位以门座式起重机为例，其结构简图如图1。 图1序号1象鼻梁，1-1、3-3、4-4为焊缝接连接点应力集中较大受拉杆件，经常承受交变载荷的作用，易产生裂纹，截面5-5受载时相当于悬臂梁，承受弯矩产生的交变应力的作用易产生疲劳裂纹。序号2大拉杆，2-2截面焊接连接点有较大应力集中，受拉杆件承受应变力作用易产生
6、疲劳裂纹。序号3小拉杆，在带载变幅时承受较大的拉应力6-6、7-7截面，焊接连接处有较大的应力集中，易产生疲劳裂纹。序号5人字架，在与转台连接的部位，吊重时承受较大的压应力，焊缝易开裂，腹板波浪变形，局部失稳。序号6转台，截面9-9、10-10受弯矩产生交变应力作用且应力集中且产生裂纹。序号8门架支腿，受吊重和自重的影响，承受较大的压力，支腿撑开在13-13、14-14支架与台车连接的部位应力集中，易产生开裂，腹板呈波浪状。序号9变幅齿条，在齿条与变幅摇架的连接处为焊接点应力集中变幅时产生较大的拉应力，经常发现裂纹产生。序号10吊臂，变幅时受变幅齿条和小拉杆的作用及下应力的作用，在8-8截面有
7、较大的应力集中，受弯矩产生的交变应力作用，且是变截面处，在回转时空悬臂支承状态，易产生疲劳破坏及腹板波浪变形，导致局部失稳。2.4 34台机的总体情况2.4.1天生港港务公司2#装卸桥在2-2、3-3截面曾发现长裂纹，中拉杆修复，小拉杆更换，斜拉杆9-9截面处产生裂纹，修复后再用。两台装卸桥的许多铰结点都已磨损，配合间隙较大运行时抖动严重。2.4.2姚港港务公司的16t带斗门机变幅螺杆与支座连接处焊接部位多次开裂，其中一台大拉杆与象鼻梁的连接处产生疲劳裂纹，16t普通门机发生转台裂焊，人字架与转台的连接撕裂。2.4.3狼山港务公司的MQ10-30II与台车连接部分的支腿焊缝开裂，吊臂下铰点支承
8、板呈现波浪状。M10-30的4#、5#机吊臂铰点处的腹板受压变形焊缝开裂，铰结点松旷。4#机大拉杆与象鼻梁连接处产生疲劳破坏，发生断裂。从历年的调查结果显示，门座机和装卸桥使用10年左右就会出现明显故障，主要有四种：裂纹、变形、断裂和锈蚀，这四种故障所占比例分别为81.96%、11.34%、5.67%、5.4%，裂纹占的比例较大。2.5 疲劳的危害零件和构件在低于屈服极限的交变应力的反复作用下，经过一定的循环次数，在应力集中部位产生裂纹，裂纹在一定条件下扩展，最终突然断裂，这一失效过程为疲劳破坏，疲劳破坏主要表现为裂纹，破坏之前没有屈服和塑性变形现象，发生破坏是突发的，所以更具危害性。疲劳的初
9、始阶段是在构件的表面产生细小不连续的裂纹，这种裂纹肉眼是不可见的。随着循环次数的增加，裂纹不断地扩展，最终连接成线致面，导致结构的突然断裂，一旦出现这样的破坏，就是机毁人亡的事故。3 进行应力测试，确定巡检部位和巡检周期初始裂纹长度与检测手段有关，不妨对初始裂纹给出以下定义：在一定检测条件下，不能发现的最大裂纹尺寸或者能够被发现的最小裂纹尺寸。目前港口条件多数还是人工监测初始裂纹长度定为5mm比较适宜。临界裂纹对于箱形梁等截面构件以受拉一侧平板为计算依据，并且经过分析可以确定单板裂纹沿着应力垂直方向扩展最危险以此作为临界裂纹的条件。当裂纹达到极限时，临界裂纹长度ac可用下式计算ac=B1+式中
10、：B板宽； ； 裂尖的集中疲劳强度降低系数，一般取1.72.36； 材料强度极限； 裂纹两端作用的应力，通过应力应变测试的方法实 测得出。考虑到焊接时使强度降低的因素应考虑一 个降低系数，一般取0.7。从初始裂纹到临界裂纹的循环数N（寿命）可用与应力强度因子变动范围的关系表示，图2为裂纹扩展关系曲线图第一阶段是裂纹形成，第二阶段是稳定扩展，第三阶段是不稳定扩展。第二阶段即为曲线23这一范围，称为裂纹扩展的临界值。无限寿命设计必须小于，对于小于的地方不需要巡检。裂纹长度；循环次数；c、m材料的常数 一般为3；应力强度因子变动范围，；= 图2这一公式是针对Q235的。若材料为16Mn则要进行换算：
11、利用裂纹张开位移原理，有式中： 当时 3.1 确定巡检部位可能引起裂纹扩展的拉应力是其动态部分，即应力幅值，当不会引起裂纹扩展，产生疲劳裂纹部位的临界应力。通过计算找出每一可能产生疲劳裂纹部位的临界应力。然后通过应力应变测试的方法得到实际应力，考虑焊接等缺陷的影响，应适当降低，一般取修正系数为0.5。测得的部位，就是要找的巡检部位。3.2 确定巡检周期由于初始裂纹一般是难以检测到的，经常去做损伤检查将耗费大量人力和财力，而放任不理或疏于巡检又有可能带来事故，因此在实际生产中先用无损检测的方法测出结构中的裂纹长度作为裂纹初始尺寸，对于未检测出的裂纹的构件，常常假定构件某处隐藏着一工程裂纹，其长度
12、与无损检测可靠测出的最小尺寸相当。如果裂纹从初始裂纹长度5，扩展到临界裂纹长度的时间为，要想在裂纹扩展至前发现裂纹必须在时间内安排一次巡检。为了防止因漏检或误检而造成事故，通常取一定的安全系数，一般为4，以平均每天作业小时，每小时次循环计算，当总循环次数为时达到临界裂纹的天数为 （天），考虑寿命安全系数,则巡检周期为，即合理的巡检周期为，以确保在事故发生之前查出隐患，及时采取措施，确保起重机械作业安全。 4 结束语 在现代化港口装卸生产中，大型起重机械的作用和地位显得越来越重要，了解设备故障规律，制定合理的设备巡检周期，可以有针对性地做好设备寿命期内的管理和检测工作，做到既控制检测成本又可对设备状态进行有效的监控，保障港口生产安全。作者简介：顾海红，女，南通航运职业技术学院副教授，高级工程师。
