淺析大型起重機械安全評估與壽命預測

陳燦 狄義華

摘 要：在基礎設施的建設以及工業生產當中，大型起重機械設備起到了非常大的作用，而對于大型起重機械的安全評估以及壽命預測也非常的必要。本文結合了起重機械的工作特點以及實例來對大型起重機械安全評估與壽命預測進行了詳細的分析與說明。

關鍵詞： 起重機械 安全評估 壽命預測

一、引言

在經濟社會的各個領域當中，主要的物料運輸工具就是大型起重機械，對大型起重機械的應用非常的廣泛，而大型起重機械的重要性也變得越來越大。尤其是在基礎設施建設以及工業生產中，更是離不開對大型起重機械的使用，成為了必要設備。

在這個背景之下，大型起重機械的安全性也變得越來越重要。由于長期對大型起重機械設備進行頻繁的使用會損耗一部分機械本身的性能，而在實際的運行當中，一旦出現了問題就會造成嚴重的后果。因此對大型起重機械進行安全評估和壽命預測的分析是非常必要的。

二、起重機安全評估與壽命預測的主要考量指標

（1）金屬結構評估

在對起重機進行多年的使用之后，起重機的金屬結構難免會出現一定的故障，如變形、裂紋以及腐蝕等等，隨著金屬結構的損害程度加大，起重機的安全性也會逐漸的降低。起重機的金屬結構通常具有全局性，對整機的作業能力有著重要的影響，因此對于起重機金屬結構的安全評估非常的重要。評估金屬結構的時候主要包括整體評估和連接處的評估，需要注意是否有明顯的裂紋，大面積課件的腐蝕以及金屬結構的主梁是否出現下撓等等，這樣才能夠知道起重機的金屬結構是否達到了安全標準。

（2）起升機構評估

鋼絲繩、吊鉤以及滑輪和起升結構的其它零部件是起重機起升機構的重要組成部分，因此在對起升機構進行安全評估的時候，應該重點檢查以上部分。對于吊鉤，應該檢查是否有裂紋和磨損等等，是否出現了疲勞變形等情況。對于壓板和繩卡等裝置也要仔細的檢查。滑輪裝置的轉動是否靈活和鋼絲繩有沒有扭結和斷絲的檢查也非常重要。對于其它零部件的檢查應該把重點放在制動裝置是否能夠正常運行以及繩器是否完好等等。

（3）運行機構評估

運行機構評估主要是評估起重機運行機構的零件和工作的情況。如零部件的表面是否出現磨損，制動器是否出現裂紋，傳動軸是否扭轉變形，減速器在工作過程中是否出現異常的振動和響動，車輪踏面和輪緣是否過度磨損以及聯軸器的連接處是否松動等等。

（4）電氣系統評估

起重機上較為復雜的部分就是電氣系統，在振動和沖擊情況下發生故障的概率比較高，安全評估重點放在控制裝置和電氣保護兩方面。

控制裝置。應該檢查電器元件是否正確的安裝，供電電纜是否裸露和老化，電刷和螺栓觸頭等部位的連接是否可靠，電氣線路的絕緣是否達標等等。

電氣保護。應該對起重機是否存在緊急斷電開關進行檢查，起重機的電源和其它機構的安全保護設施是否可靠以及對電器電路卡祖現象的檢查也非常重要。

（5）安全裝置評估

力矩限制器、防風裝置、超載保護裝置、極限位置限制器、緩沖器、防后傾翻裝置、滑線防護板、通道口連鎖保護以及防護罩是構成起重機安全裝置的九大組成部分，因此在評估安全裝置的時候一定要對每一部分都進行詳細的檢查。

（6）軌道評估

對于軌道的安全評估主要看運行有沒有異常的振動以及啃軌現象，螺栓和壓板是否齊全以及是否正確的安裝。

（7）試驗評估

應該對起重機進行空載、額載、靜載以及動載試驗來檢查是否有異常情況發生。

（8）作業環境及外觀

起重機的明顯部分是否有額度起重量標志，以及是否有安全警示標示等等。

三、大型起重機械的安全評估與壽命預測實例

下面以一臺已經運行了十五年的大型門式起重機作為例子，來對大型起重機械的安全評估和壽命預測進行詳細的分析，具體評估流程圖如下：

（1）外觀檢查與無損檢測

在對該大型起重設備進行檢查的時候，首先要進行的就是詳細檢查外觀。經過專業的檢查工作人員檢查之后發現該機械的受力部位存在著一定程度的銹蝕，而在一些地方還存在著漏水孔堵塞導致積水的現象。進行外觀檢查的主要目的就是對起重機整機的危險源進行排查。

無損檢測。在觀察大型起重機械設備的時候，無損檢測也是必須要做的。無損檢測主要有一下幾點：一是要測量整個塔吊的主金屬結構的實際厚度；二是要檢查主要的零部件，重點就是對主要的零部件是否存在裂紋危險進行明確；三是對吊鉤記憶主要軸類件進行磁粉探傷。通過詳細的檢測之后，可以知道該大型起重機械的門架所有的觀測數目是73，但不及格率達到了20%，吊臂基本及格，塔身的不及格率是23%，平衡臂的不及格率是10%，總的不及格率為23.6%。在無損檢測完成之后，該機械設備存在的一系列問題就會被工程人員發現，而在實際的生產過程當中，也必須非常重視上面所提到的問題。

（2）應力測試

應力測試主要就是對該設備的關鍵部位進行測試。在應力測試的進行測試。在應力測試的進行過程當中首先就是要根據整機的變截面為止以及關鍵位置來對觀測點進行確定。本次應力測試的測試點有26處。在對觀測點進行確定之后還需要用電阻式傳感器來實時采集數據。最后就是通過計算機軟件來處理和分析原始數據。大型起重設備的荷載方式共有大載荷、中間載荷以及空載三種。

在對26個觀測點進行專業分析之后，發現塔身成對布設的測點數據呈現出特定的規律。吊臂一側是壓應力，平衡臂一側是拉應力。經過調查之后發現塔身和平衡臂的連接處的應力值最大。經過分析之后得出的結論是該設備在之后的使用過程當中在吊運大噸位貨物的時候必須要用兩機聯吊的方法來進行，對于大荷載起吊也要盡量的減少。

（3）有限元計算

要讓大型起重設備的安全評估和科學預測得到保證，有限元數值模擬是重要的方法。在評估大型起重機械設備的時候由于受到種種條件的限制，在現場只能預測特定的工況。而要想全面評價和鑒別大型起重機械設備就需要用到有限元數值模擬的方法，主要有結構動力學計算和結構靜力學計算兩種形式。

結構靜力學計算。結構靜力學計算就是在最大的幅度下科學預測出整機結構的應力應變，這個工作主要是通過建模計算來進行。本文對現場評估狀態以及設計狀態分別進行了有限元數值分析，計算的塔吊在最大幅度下的應力應變，這樣就可以得出最大幅度時該設備的符合制造材料的許用應力要求，下圖為評估狀態下的應力云圖。

結構動力學計算。大型起重機械設備的性能會受到結構動態性能的影響。起重機結構產生疲勞破壞的重要原因就是機械振動，同時還可能產生噪音和共振。在對起重機結構動力性能進行考察的時候需要對起重機結構的模態頻率進行重點的關注。工作人員在觀測起重機動態性能的時候也是根據模態頻率來進行。

在對塔吊進行了模態分析之后，發現塔吊主結構的前十階模態振動頻率都在1到2之間，高階模態也出現了局部模態，因此該設備在實際使用的時候應該盡量避免頻繁的啟動，對于已變形的桿件也要修復和加強，讓塔吊的結構局部避免出現失穩破壞的情況。下圖是塔吊設計狀態和現場評估狀態下結構最大應力圖。

（4）壽命預測

科學預測起重機的壽命對于讓起重機的設備性能提升以及讓基礎設施和工業生產能夠正常運行相當重要。目前港口起重機金屬結構出現問題的主要原因就是疲勞破壞。長期的疲勞破壞會讓金屬結構以及機械零件出現損傷。對大型起重機械設備的壽命預測的計算方法主要是通過對損傷原理的累計來進行。結合實際情況進行計算之后，最終得出當前的大型起重機械設備的剩余壽命只有四年。

四、結言

在基礎設施的建設以及工業生產當中，大型起重機械設備起到的作用非常的大，而對大型起重機械設備的安全評估以及壽命預測也非常的重要，上面以某大型起重機械設備為例對安全評估和壽命預測的各個環節和步驟進行了詳細的說明，在今后對這方面工作的研究也必須要加強。

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作者簡介：

1.陳 燦（1998---），男，武漢人，武漢市第二十中學；

2.狄義華（1950---），男，武漢人，武漢紡織大學教師；