鐵路門式起重機剩余壽命預測問題的探討

（北京鐵路局 貨運處，北京 100860）

鐵路門式起重機價值較高，購置時投資較大，由于經營資金問題，目前許多超期服役的門式起重機仍然繼續使用。為了確保門式起重機的作業安全，需要委托專業檢測部門對超期服役的門式起重機進行狀態檢測。通過狀態檢測，預防門式起重機金屬結構存在的安全隱患，及時采取整修措施，控制安全風險。然而，門式起重機運行條件復雜、環境惡劣，在長期運行過程中會逐漸老化，剩余壽命會逐漸下降，容易導致惡性事故發生，而且盲目地對門式起重機維修、報廢則會帶來巨大的浪費。因此，正確預測門式起重機的剩余壽命，對于保證設備的運行安全、提高經濟效益具有重要意義。

1 港口和鐵路裝卸設備疲勞壽命研究現狀

1.1 港口裝卸設備疲勞壽命研究現狀

20世紀 70年代初，我國開始進行機械結構疲勞問題研究，并在 1978年召開了首次全國性的機械結構疲勞問題討論會。港口機械開展結構疲勞壽命研究始于20世紀 90年代。隨著港口的快速發展，大量港口裝卸設備投入使用。港口繁忙的工作狀態、惡劣的工作環境、循環往復裝卸船的工作性質造成港口裝卸機械結構疲勞問題日益嚴重，因而加強港機結構疲勞壽命研究應用十分關鍵。因此，基于缺陷探傷的結構疲勞壽命分析系統[1]的開發主要包括：①聲發射檢測設備。用于動態監測、檢測材料的開裂和裂紋擴展，以及缺陷的定位。②超聲波探傷設備。用于結構內部多種缺陷 (焊縫、裂紋、夾雜、氣孔等) 的檢測、定位、評估和診斷。③應力應變測量設備。用于金屬結構應力應變的動態監測和測量。④疲勞壽命分析與評估軟件。該系統以斷裂力學理論為基礎，通過檢測當前結構初始裂紋，計算結構疲勞裂紋擴展速率，可以準確地分析結構的疲勞剩余壽命。孫遠韜等[2]利用有限元法計算不同裂紋長度下的SIF 幅值，通過函數擬合的方法確定 SIF 幅值和裂紋長度計算公式，計算裂紋擴展壽命。舒斌及仉傳興等[3-4]通過對服役年限長的門座起重機、橋式起重機的主要承載結構件進行動態、靜態強度測試，使用抗疲勞設計方法，從材料S-N 曲線出發，考慮各種影響系數，得到構件 p-S-N曲線，根據實測應力譜，按照線性累積損傷理論、Miner 理論及其派生的安全使用期限估算式進行估算，結合起重機結構狀態，綜合估算安全使用壽命。另外，上海國際港務集團與高校合作開發了裝卸結構實時監控系統，對岸橋壽命進行管理，成功應用于上海洋山港。

1.2 鐵路門式起重機疲勞壽命研究現狀

20世紀 80年代末期，由于較多的裝卸機械處于服役后期，鐵路裝卸機械結構疲勞問題日益嚴重。為此，鐵路相關高校、科研院所開展了鐵路裝卸機械結構疲勞壽命研究、試驗與檢測，根據門式起重機壽命和報廢標準的研究，配備了相關檢測工具，并對全路門式起重機的預期壽命進行了較大規模的檢測。張質文等[5]通過對門式起重機的壽命、報廢標準的研究，建立了裝卸機械最佳壽命優化模型，以投入產出效益最大為目標函數，以金屬結構損傷、斷裂和腐蝕作為約束條件，為合理制訂機械報廢年限提供了理論基礎。

目前，鐵路門式起重機金屬結構的疲勞壽命預測及安全壽命評估技術的研究尚未廣泛深入地開展，而結構疲勞壽命預測的基礎是結構檢測、監測，由于全路裝卸機械剩余壽命檢測的技術和能力不足，尚未形成適合鐵路裝卸機械特點的系統的安全性檢測、疲勞壽命分析與評估方法。

2 門式起重機疲勞壽命預測方法

門式起重機具有較大的結構自重，其結構壽命決定整機的使用期限。門式起重機壽命可以分為設計壽命、經濟壽命、技術壽命、折舊壽命、自然壽命和可靠壽命等，其中自然壽命是指門式起重機實際可用壽命，也是在役起重機確保安全和壽命的主要理論依據。壽命預測可以分為早期預測、中期預測和晚期預測：早期預測是確定設備的設計壽命，主要采用理論和試驗的方法進行；中期預測是對處于設計壽命之內的設備進行狀態監測實現壽命預測，避免出現意外事故；晚期預測是對累計運行時間已經超過設計壽命的設備進行剩余壽命預測，以得到對設備的充分運用，避免浪費。門式起重機壽命預測方法主要有名義應力法、局部應力應變法、損傷容限法、疲勞可靠性法等。

（1）名義應力法。該方法是最早提出的用于壽命預測的方法，目前仍然最為常用。名義應力法是以名義應力為基本參數，以 S-N 曲線為主要計算依據。根據設計壽命的不同，分為無限壽命設計法和有限壽命設計法；根據名義應力參數的不同，又分為應力比法和應力幅法。

（2）局部應力應變法。該方法是在低周疲勞基礎上發展起來的疲勞壽命估算方法，其基本設計參數為應力集中處的局部應變和局部應力。局部應力應變法目前主要應用于單個零件的疲勞分析，對于大型復雜結構，尚難以進行精確的應力應變分析。

（3）損傷容限法。該方法是以斷裂力學為基礎，其基本原則是承認材料內有初始缺陷 (裂紋)，根據材料在外載荷下的裂紋擴展性質，估算其剩余壽命的方法。

（4）疲勞可靠性法。在考慮了載荷、材料疲勞性能和其他影響疲勞壽命數據分散性的基礎上，提出疲勞破壞的概率，保證在一定范圍內不破壞。

由于應用名義應力法計算疲勞壽命理論簡單，易于進行應力分析與現場檢測，目前的鐵路門式起重機的剩余壽命預測主要采用名義應力法。

3 鐵路門式起重機疲勞壽命預測存在的主要問題

（1）門式起重機結構剩余壽命預測未考慮裂紋擴展。鐵路門式起重機的剩余壽命預測主要采用名義應力法，該方法是以金屬結構內沒有缺陷和裂紋為前提，而且要在總壽命中排除設備過去工作的應力循環數。在門式起重機實際工作中，金屬結構內部往往經常存在著宏觀或微觀裂紋，因而其疲勞壽命計算壽命與實際差異較大。例如，在曾經發生的門式起重機主梁折斷事故中，由于主梁長期疲勞損傷產生裂紋，在超載條件下，引起斷裂。

（2）統計數據不準確影響疲勞壽命計算準確性。在計算疲勞壽命時，需要統計作業循環數和作業量。在統計作業循環數時需要有起重機的運轉小時數，運轉小時數和作業量數據從履歷簿中獲取。但是，由于人為因素影響，履歷簿中的運轉小時數和門式起重機的作業量的統計準確性欠佳，在實際運用中還存在很多的意外因素，如超載撞擊，起重時鋼絲繩擺脫擠壓、拖拉等造成偶發性應力突增，檢修工藝不良形成應力的不正常集中等，而且目前這些數據在預測疲勞壽命時無法獲取。另外，在設備運用時間和作業量的統計上還存在人為因素，因而利用該數據計算門式起重機的疲勞壽命準確性不高。

（3）門式起重機金屬結構的應力應變數據不能在線獲取。目前，主要采用雨流計數法統計出結構疲勞分析位置在典型工作時間歷程中的應力循環情況來確定結構的載荷譜和應力譜，其中數據獲取有2種方法：一是選擇典型工作狀態計算分析；二是現場檢測結構應變。這種方法載荷譜和應力譜不全，并且不能及時掌握金屬結構受力狀況及其應力應變變化趨勢，屬于疲勞壽命定期預測方法。

4 提高鐵路門式起重機疲勞壽命預測質量的建議

4.1 加強對超期服役的門式起重機狀態檢測

對于超期服役的門式起重機，除了例常檢測外，更應當關注結構裂紋的擴展和變形的增大，尤其是裂紋與變形擴展的速率，因此必須加強狀態檢測，跟蹤記錄，并且及時報修，避免惡性事故發生。當用于剩余壽命預測的數據量不完整時，剩余壽命的結論用于管理監測，只能作為參考，不宜作為報廢門式起重機的依據。而且，在門式起重機超期服役期內，應采用安全巡檢的方式，對設備疲勞危險點進行監控，以保證結構安全使用。

4.2 計算疲勞壽命綜合影響因素

按照現代斷裂力學理論，有裂紋的物體不一定不能用，使用時不一定不安全，這主要取決于裂紋是否擴展。金屬結構出現裂紋，只要檢查檢測及時發現處理就可以避免事故發生。通過對金屬結構加強檢查，強化起重量限制器的使用，減少產生應力沖擊的各種因素，可以延長超期服役的起重機的使用時間。

4.3 門式起重機金屬結構在線健康監測系統

應用健康監測系統，有利于加強對門式起重機的在線監測，實時掌握門式起重機金屬機構受力狀況及其應力應變變化趨勢，便于早期發現或預見結構上存在的安全隱患，提前采取補救措施，減少技術人員上機巡檢和維修次數，增強運用管理的科學性，因此應盡快研究門式起重機金屬結構在線健康監測系統。

4.4 門式起重機報廢條件

門式起重機技術經濟壽命完結時可以報廢，如當門式起重機的主要結構損壞嚴重無法修復，或者修復費用過大不經濟時；當技術性能低，設計制造質量差，不能進行改造利用時；通過技術經濟論證后，已無經濟壽命時。因此，為確保門式起重機作業安全，應研究制定門式起重機報廢條件。

5 結束語

門式起重機疲勞壽命預測，需要通過現場檢測、結構在線監測等技術手段，以金屬結構損傷、疲勞裂紋擴展和腐蝕作為預測條件，考慮綜合影響因素，合理確定門式起重機結構疲勞壽命，保證門式起重機作業安全，更好地為運輸生產服務。同時，加強門式起重機的技術經濟壽命研究，對技術經濟壽命完結的起重機提出報廢條件，以利于設備管理。

[1] 劉晉川，張玉波，丁 敏.港口機械結構疲勞壽命預測技術研究與應用[J].起重運輸機械，2008(3)：1-4.

[2] 孫遠韜，王少梅.基于SIF幅值擬合的機械結構裂紋擴展壽命分析方法研究[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2008，32(5)：910-912，928.

[3] 舒 斌，徐承軍.門座起重機金屬結構的測試及壽命估算[J].湖北工學院學報，2002，17(2)：123-125.

[4] 仉傳興，肖漢斌.橋式起重機金屬結構剩余安全使用期限估算[J].港口技術，2008，182(4)：18-20.

[5] 張質文，程文明，張仲鵬.鐵路裝卸機械使用壽命的優化[J].鐵道貨運，1994，12(1)：45-47.