起重機(jī)主梁可靠性因素分析

岳霞麗

針對(duì)傳統(tǒng)的斷裂力學(xué)和疲勞強(qiáng)度分析起重機(jī)主梁安全性評(píng)估中存在的不安全因素來(lái)說(shuō)，起重機(jī)主梁的可靠性主要來(lái)源于其金屬的脆斷、疲勞和應(yīng)力腐蝕。

1 起重機(jī)主梁的受力分析

作用在起重機(jī)結(jié)構(gòu)上的載荷分為三類，即基本載荷、附加載荷和特殊載荷。基本載荷是始終和經(jīng)常作用在起重機(jī)結(jié)構(gòu)上的載荷；附加載荷是起重機(jī)在正常工作狀態(tài)下結(jié)構(gòu)所受到的非經(jīng)常性作用的載荷；特殊載荷則是起重機(jī)處于非工作狀態(tài)時(shí)結(jié)構(gòu)可能受到的最大載荷，或者在工作狀態(tài)下結(jié)構(gòu)偶然受到的不利載荷。

起重機(jī)械在運(yùn)行過(guò)程中，要承受各種載荷（如靜載、動(dòng)載、交變載、沖擊載、振動(dòng)載等），各承載零件和結(jié)構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力和變形，如果超過(guò)一定的限度，就會(huì)喪失功能甚至破壞，從而造成危險(xiǎn)。起重機(jī)在作業(yè)過(guò)程中，承受載荷的復(fù)雜性不僅反映在載荷種類的多樣性上，而且隨著起重機(jī)作業(yè)的工作狀況的不同而表現(xiàn)出多變的特征。載荷是起重機(jī)及其組成零部件正常工作受力分析的原始依據(jù)，也是零部件報(bào)廢或事故原因的判斷分析的依據(jù)，載荷確定的準(zhǔn)確與否將直接影響計(jì)算結(jié)果的安全性和事故結(jié)論正確性。

當(dāng)起重機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)或穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，起重機(jī)只受到自重載荷和起升載荷的靜載荷作用。起重機(jī)在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)載效應(yīng)，他是強(qiáng)度計(jì)算的重要依據(jù)對(duì)疲勞也有影響。起重機(jī)不工作或吊載靜止在空中時(shí)，其自重載荷和起升載荷處于靜止?fàn)顟B(tài)。在起重機(jī)工作時(shí)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變，動(dòng)載荷效應(yīng)使原有靜力載荷值增加，其增大的部分就是動(dòng)載荷。動(dòng)載荷包括在變速運(yùn)動(dòng)中結(jié)構(gòu)自重和起升載荷產(chǎn)生的慣性載荷；由于車輪經(jīng)過(guò)不平整軌道接頭運(yùn)動(dòng)部分對(duì)緩沖器的撞擊產(chǎn)生的沖擊載荷；慣性載荷和沖擊載荷使金屬結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)的彈性系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)的振動(dòng)載荷。

眾所周知起重機(jī)在工作時(shí)期，它的跨度越大主梁所受的載荷量也越大。除了接觸起重物體的部件還有鋼絲繩、葫蘆、小車輪外就是主梁了，主梁在起重機(jī)里承受著全部的重量，并且在工作時(shí)期小車在主梁上做著周期性運(yùn)動(dòng)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，兩端支撐的梁，中間加載重物，主梁勢(shì)必會(huì)發(fā)生彈性變形，導(dǎo)致中部下沉，此時(shí)，若需向兩端移動(dòng)重物，小車勢(shì)必要進(jìn)行一個(gè)“上坡”的運(yùn)動(dòng)，這樣對(duì)小車的負(fù)載加大。為了緩解這種情況的發(fā)生，就要求主梁做出一個(gè)預(yù)變性，使主梁加載重物后，小車運(yùn)動(dòng)由原來(lái)的“上坡”變成“平路”，減輕小車負(fù)載 。主要原因就是保證起重機(jī)起吊強(qiáng)度不至于長(zhǎng)期起吊重物而造成變形。

起重機(jī)主梁的穩(wěn)定性分整體與布局兩種，軋制工字鋼（無(wú)側(cè)向支撐著）需計(jì)算整體穩(wěn)定性而不必考慮局部穩(wěn)定性（組合工字梁除外）箱型梁要考慮這兩種穩(wěn)定性，但以局部穩(wěn)定性為主。

翼緣板的穩(wěn)定：當(dāng)主梁寬度與受壓翼緣板厚度之比大于或等于60（Q235鋼）或50（16Mn鋼0時(shí)，應(yīng)考慮受壓翼緣板的局部特性，設(shè)置一道或多道縱向加助肋；腹板局部穩(wěn)定：偏軌箱型梁軌道在主腹板上，故不需設(shè)置短橫向加勁板。因主、副腹板的厚度不同和受力不同，應(yīng)分別考慮。主腹板要考慮集中輪壓作用，腹板按無(wú)集中載荷考慮。腹板的臨界應(yīng)力與板的應(yīng)力狀態(tài)、區(qū)格尺寸和板邊的固定程度有關(guān)系。

2 主梁的疲勞和脆斷特性

起重機(jī)主梁的疲勞和脆斷，都表現(xiàn)為在某一處的開裂。而且，其裂源點(diǎn)總是在缺口處。缺口，就是指結(jié)構(gòu)截面在傳力途中的各種不連續(xù)。它們是可以由機(jī)械加工所形成的內(nèi)部孔洞、邊緣切口、截面寬度或厚度在傳力途中的突變，也可以是由焊接所形成的幾何缺陷，還可以是由冶金或軋制工藝所形成的質(zhì)量不高，有了缺口就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中和應(yīng)變集中，就會(huì)使其處沒(méi)有裂紋到出現(xiàn)裂紋。這一過(guò)程叫啟裂。接著裂紋會(huì)擴(kuò)大，會(huì)在主梁中進(jìn)行，這過(guò)程可以叫行裂或裂縫擴(kuò)展。

疲勞和脆斷的不同，在于行裂的快慢。疲勞裂紋或裂紋的擴(kuò)展是穩(wěn)定的，需讓作用力重復(fù)很多次，裂縫才有所開展；及時(shí)采取措施來(lái)補(bǔ)強(qiáng)，就可以解除危險(xiǎn)。斷裂裂縫是擴(kuò)展非常迅速，有時(shí)只要一次加力，就使災(zāi)難性破壞形成。將斷口拿來(lái)比較一下，在典型的疲勞斷口內(nèi)，環(huán)繞裂源點(diǎn)總有一較光滑的扇形區(qū)域，其外側(cè)晶粒結(jié)構(gòu)較粗，在外就是因所余下的凈面積不多而被靜力所拉斷的灰暗色纖維區(qū)域。扇形區(qū)所以光滑，就是因?yàn)樵倭鸭y相當(dāng)小時(shí)，它在每一次載力循環(huán)中都要開合，這就使裂紋兩面發(fā)生撞擊和摩擦，直至形成光滑面。后來(lái)由于裂口深了，擴(kuò)展速度逐漸加快，裂口來(lái)不及變成光滑，使所呈現(xiàn)的晶粒較粗。至于脆斷的裂口，只是在邊緣有一窄條灰暗色塑性唇，斷口的絕大部分都是閃光的晶粒結(jié)構(gòu)。

3 主梁裂痕及脆性斷裂

起重機(jī)作為大型的起重設(shè)備，購(gòu)買起重機(jī)的成本也不是一個(gè)小的數(shù)目。為了延長(zhǎng)起重的壽命，使其更加堅(jiān)固耐用，我們就必須了解起重機(jī)機(jī)身在使用過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的普遍情況，像起重機(jī)機(jī)身出現(xiàn)了裂痕，起重機(jī)主梁在受力時(shí)，微觀上表現(xiàn)為原子相對(duì)位置發(fā)生改變；其宏觀表現(xiàn)為變形，當(dāng)局部的變形量超過(guò)一定限度時(shí)，原子間結(jié)合力受到破壞，出現(xiàn)裂紋裂紋經(jīng)過(guò)擴(kuò)展直至斷開為兩部分。主梁材料發(fā)生斷裂的因素分為兩種一種是內(nèi)在因素（如缺陷），另一種是外界條件（如受力狀態(tài)等）這時(shí)候?yàn)榱似鹬貦C(jī)能達(dá)到長(zhǎng)久使用的目標(biāo)，我們應(yīng)該怎么樣應(yīng)對(duì)？

風(fēng)力影響。起重機(jī)有可能會(huì)在露天的情況下運(yùn)作，整體日曬雨淋的，加上風(fēng)力的作用使得起重機(jī)在其中過(guò)程中受到一定的風(fēng)力阻擋。一旦風(fēng)力太大，起重機(jī)一邊運(yùn)作一邊還要抵擋風(fēng)力的作用，承受的載荷就會(huì)加重，超出機(jī)械的承載力，再堅(jiān)固的機(jī)械也會(huì)有搖晃的一刻，一旦超載機(jī)械的機(jī)身就有可能會(huì)出現(xiàn)裂紋和裂縫。

出現(xiàn)裂紋有可能是在制造的時(shí)候因?yàn)樵O(shè)計(jì)前瞻性不足，沒(méi)有考慮到機(jī)械的堅(jiān)固耐用也是需要預(yù)防的。起重機(jī)的體型加固了就能減少橋式起重機(jī)的主梁受損害程度。

橋式起重機(jī)安裝不當(dāng)也會(huì)造成長(zhǎng)時(shí)間的腐蝕和損害。所以在安裝的時(shí)候和平時(shí)的檢查的時(shí)候也應(yīng)該得到重視，機(jī)械保養(yǎng)的關(guān)注不能缺少。因?yàn)闃蚴狡鹬貦C(jī)的長(zhǎng)時(shí)間的使用下，會(huì)受到不同程度的腐蝕，如果在加上一定的撞擊力，裂紋就會(huì)出現(xiàn)。所以在檢查的時(shí)候要注意加上潤(rùn)滑油，減少摩擦力，延緩起重機(jī)的使用壽命。

鋼結(jié)構(gòu)會(huì)有一些破壞結(jié)構(gòu)，從宏觀上講，脆性破壞的主要特征表現(xiàn)為斷裂時(shí)伸長(zhǎng)量極其微小。如果鋼結(jié)構(gòu)的最終破壞是由于其構(gòu)件的脆性斷裂導(dǎo)致的，那么我們稱結(jié)構(gòu)發(fā)生了脆性破壞。對(duì)于脆性破壞的結(jié)構(gòu)，幾乎觀察不到構(gòu)件的塑性發(fā)展過(guò)程，往往沒(méi)有破壞的預(yù)兆，因而脆性破壞的后果經(jīng)常是災(zāi)難性的.工程設(shè)計(jì)的任何領(lǐng)域，一例外地都要力求避免結(jié)構(gòu)的脆性破壞。

脆性斷裂破壞大致可分為以下幾類。

①過(guò)載斷裂：由于過(guò)載，鋼材強(qiáng)度不足而導(dǎo)致的斷裂。這種斷裂破壞發(fā)生的速度通常極高（可高達(dá)2 100 m/s），后果極其嚴(yán)重.在鋼結(jié)構(gòu)中，過(guò)載斷裂只出現(xiàn)在高強(qiáng)鋼絲束、鋼絞線和鋼絲繩等脆性材料做成的構(gòu)件。

②非過(guò)載斷裂：塑性很好的鋼構(gòu)件在缺陷、低溫等因素影響下突然呈脆性斷裂。

③應(yīng)力腐蝕斷裂：在腐蝕性環(huán)境中承受靜力或準(zhǔn)靜力荷載作用的結(jié)構(gòu)，在遠(yuǎn)低于屈服極限的應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生的斷裂破壞稱為應(yīng)力腐蝕斷裂。它是腐蝕和非過(guò)載斷裂的綜合結(jié)果。一般認(rèn)為，強(qiáng)度越高則對(duì)應(yīng)力腐蝕斷裂越敏感。而對(duì)于常見碳鋼和低合金鋼而言，屈服強(qiáng)度大于700 MPa時(shí)，才表現(xiàn)出對(duì)應(yīng)力腐蝕斷裂的敏感性。

④疲勞斷裂與腐蝕疲勞斷裂：在交變荷載作用下，裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展導(dǎo)致的斷裂破壞稱為疲勞斷裂；腐蝕性介質(zhì)的作用，會(huì)對(duì)構(gòu)件的疲勞壽命產(chǎn)生更顯著的不利影響。近年來(lái)，由于海洋工程結(jié)構(gòu)的發(fā)展，腐蝕疲勞已經(jīng)成為疲勞研究的一個(gè)重要課題。疲勞斷裂有高周和低周之分。循環(huán)周數(shù)在10以上者稱為高周疲勞，屬于鋼結(jié)構(gòu)中常見的情況。低周疲勞斷裂前的周數(shù)只有幾百或幾十次，每次都有較大的非彈性應(yīng)變.典型的低周疲勞破壞往往產(chǎn)生于強(qiáng)烈地震作用下。

⑤氫脆斷裂：氫可以在冶煉和焊接過(guò)程中侵人金屬，造成材料韌度降低導(dǎo)致斷裂。焊條在使用前需要烘干，就是為了防止氫脆斷裂。