橋式抓斗卸船機裂紋機理分析及相應設備管理建議

戴祖洪(南京明州碼頭有限公司,江蘇南京210000)

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橋式抓斗卸船機裂紋機理分析及相應設備管理建議

戴祖洪
(南京明州碼頭有限公司,江蘇南京210000)

摘要：本文結合國內某港口橋式抓斗卸船機出現的問題，詳細描述疲勞裂紋的類型、產生原因及擴展機理，并從裂紋尖端的應力強度因子K的角度分析了裂紋擴展的條件，帶裂紋構件的壽命估計計算，這可用于生產實際的機械金屬結構裂紋分析及設備的管理過程，同時也針對性的提出設備管理建議。

關鍵詞：港口；橋式抓斗卸船機；裂紋

大量的港口起重機事故是由于金屬結構失效引起的。對于橋式起重機械的鋼結構來講，裂紋、斷裂、變形與銹蝕是起重機鋼結構安全運行的四大危害因素。其中銹蝕和變形過程時間比較長，特征明顯，容易被提前發現，采取有效措施進行控制和修復。但是裂紋的發生卻具有時間和空間的不確定性，因此金屬結構的裂紋更加為人所重視。不僅如此，金屬結構產生裂紋也是這四種缺陷中最主要的。國內某港口的6臺橋式抓斗卸船機使用至今7年，其卸船機運行臺車金屬結構出現了80余條宏觀裂紋，嚴重威脅了作業安全。

1橋式抓斗卸船機運行臺車的結構類型及工作特點

1.1結構類型

運行臺車即運行機構的均衡裝置，一般為箱型結構。運行臺車與車輪通過輪軸和軸孔連接，各級均衡梁之間通過銷軸連接。銷軸連接處軸套與臺車架腹板是對接焊縫。

1.2工作特點

抓斗卸船機的整機載荷，包括自重、起升載荷、風載荷等，最終由金屬結構傳到運行臺車及車輪，幾組運行臺車平均承受整機載荷。

在起重機非工作時，運行臺車承受載荷大致不變；在卸船機起升載荷時，海測運行臺車所受壓應力增加，陸側運行臺車所受壓應力減小，且都恒為負應力；而卸載時，海測運行臺車所受壓應力減小，陸側運行臺車所受壓應力增加。

如此完成一個工作循環，可認為，運行臺車工作時反復承受交變壓應力的影響，將成為疲勞裂紋擴展的動力。而且根據力矩平衡，陸側運行臺車的力臂較海側長，固卸船機在加載荷卸載時陸側壓應力變幅更大，也更容易出現疲勞裂紋。

2疲勞裂紋

疲勞裂紋起源于結構缺陷和應力較高、應力集中的區域。結構缺陷包括材料本身的缺陷和焊接缺陷。承受交變應力作用是結構疲勞破壞的首要條件。經摩擦后的裂紋表面會變得光滑，且愈近裂紋源愈光滑，這就是俗稱的“貝殼線”現象。疲勞裂紋擴展至臨界尺寸時，隨著剩余工作截面的減小，應力逐漸增加，裂紋進入加速擴展階段。當有效工作截面小到不能承載時，構件在載荷的沖擊下便會發生脆性斷裂。在應力集中的區域，例如承載界面突變處，力流設計不合理，會導致在短時間內也會出現明顯裂紋。

2.1裂紋尖端應力強度因子

2.1.1帶裂紋構件受力后，裂紋尖端區域產生局部應力集中現象

裂紋尖端區域應力集中程度與曲率半徑有關，裂紋越尖銳，應力集中的程度就越高。斷裂力學表明：當固體有非常尖銳的裂紋存在時，固體材料的實際斷裂強度較理論斷裂強度低得多。

2.1.2根據線彈性斷裂力學，引入應力強度因子K

K是構件幾何、裂紋尺寸與外載荷的函數，表征了裂紋尖端載荷和變形的強度，是裂紋擴展趨勢或者裂紋擴展推動力的度量。Ⅰ型裂紋（張開型裂紋）的裂紋尖端應力強度因子用表示：

σ—名義應力；a—裂紋尺寸；Y—為形狀系數。

以上參數可通過設計說明或機械設計手冊獲得。對于常見的或較簡單的應力強度因子，已有應力強度因子手冊作詳細介紹。

當一個工程結構中存在著初始裂紋時，雖然開始使用時在工作載荷下并不會產生斷裂，但是由于絕大多數工程結構在服役期間都要承受循環式的載荷，在這種載荷作用下，結構中的初始裂紋將會緩慢增長。一旦外加載荷與裂紋長度的組合使得應力強度因子達到其臨界值，結構就會失效。

2.2疲勞裂紋擴展

在工程實際中，構件要承載或守循環載荷（疲勞載荷）的作用。根據裂紋擴展規律，裂紋的擴展有三個階段：起裂、亞臨界擴展（穩定擴展）、失穩擴展。起初構件中的裂紋很小，沒有達到臨界尺寸；在載荷作用下裂紋發生亞臨界擴展，最后達到臨界裂紋尺寸而失穩擴展，以致結構完全破壞或失效。從初始裂紋擴展到臨界裂紋長度（即與外載荷組合得到的應力強度因子達到臨界值時的裂紋長度）所需的載荷循環次數，稱為結構的疲勞裂紋擴展壽命。Paris公式指出，應力強度因子是表征裂紋尖端附近應力、應變長的主要參量，同樣也應該是控制裂紋擴展速率的主要參量，有：

對含中央裂紋的無限大板，有：

該公式適用于宏觀裂紋擴展階段。此時裂紋擴展方向與拉應力垂直，且為單一裂紋擴展。一般認為時為宏觀裂紋擴展。

對上式積分，得到裂紋擴展壽命的估計：

3國內某港口橋式抓斗卸船機裂紋產生原因分析

假設運行臺車裂紋的產生僅與其工作特點、載荷特性有關，則可初步斷定裂紋是由長期的交變載荷所引起的疲勞裂紋，這也是最常見的原因。

在卸船機的一個工作循環內，海測和陸側的運行臺車承受交變壓應力。在卸船機工時，運行臺車將反復承受交變應力，這是疲勞裂紋產生的普遍原因。初步判定，運行臺車焊縫及其附近母材的裂紋是由疲勞產生的。

3.1計算驗證

根據第二章，采用應力強度因子簡略計算裂紋從初始長度到現在檢測長度的擴展時間，與實際工作時間比較，驗證裂紋產生的主要原因是否是疲勞。

以國內某港口6臺卸船機中的5號樣機的最長裂紋為例：

表1裂紋檢測結論

做近似處理，認為該裂紋為無限大板的中央裂紋，且處于宏觀裂紋的擴展階段，其擴展方向與交變壓應力垂直，為單一裂紋擴展。

已知：卸船機運行臺車材料為Q235A，根據《機械設計手冊》，Q235鋼，其材料系數為：

表2 Q235材料參數

根據該卸船機的特點，設計時陸側運行臺車腹板壓應力：（單位：MPa）

表3運行臺車腹板應力

該裂紋為一般形態的無限大板的中央裂紋，取Y=1。

因此可知該處裂紋仍處于亞臨界擴展狀態（穩定擴展狀態），即可根據公式（5），計算得Q235材料在該結構的名義應力作用下的臨界裂紋長度：

由此可知該出裂紋仍在臨界裂紋長度之內，且該處裂紋適用于Paris公式。

實際情況下，國內某港口的該卸船機5號樣機已工作7年，每天大約350個工作循環，利用率為60%~ 70%，可計算得到現已消耗壽命：

由此可知，僅由疲勞導致的裂紋擴展壽命遠遠大于現已消耗的壽命。

結論：疲勞裂紋擴展壽命遠大于現已消耗的壽命，理論上在現工作循環次數內不應該出現這么長的裂紋。由此可知初步判定——運行臺車焊縫及其附近母材的裂紋是由疲勞產生的，是不正確的。該處裂紋的擴展，由交變應力導致的疲勞并非主要原因。

3.2設計原因分析

既然使用過程中的疲勞并非運行臺車腹板裂紋擴展的主要原因，那么在設計制造過程中是否使得該運行臺車存在缺陷呢？

3.2.1查閱該卸船機5號樣機的運行臺車部分的設計圖紙，發現了重大的設計錯誤

三級平衡梁的腹板與銷軸軸套之間采用對接焊縫連接，且屬于厚板與薄板對接。查閱《機械設計手冊》及《起重機械鋼結構設計》，對對接焊縫的構造有如下要求：

當采用對接焊縫連接不同厚度或不同寬度的鋼板時，為減少應力集中，應將板的一側或兩側加工成坡度不大于1:4的坡度，形成平緩過渡。在改變厚度時，焊縫的計算厚度取較薄板的厚度。

而該設計圖紙表明此處的焊接位置的坡度大于1:4，因此會引起較大的應力集中，力的傳遞阻礙打，力流線不順暢。經計算，大坪衡梁、中平衡梁、小平衡梁對接焊位置計算坡度均大于1：4，不符合焊接標準。

3.2.2坡度對力流的影響

當應力集中在兩變截面對接處，軸套傳遞下來的應力流向下傳遞至近母材。當坡度過大時，薄板（腹板）將承受附加彎矩，且有較大的應力集中，應力不能順暢地傳導至腹板，易產生開裂甚至斷裂；當坡度滿足對接焊標準時，力流線會隨坡度緩慢變向匯合，能順暢地傳導匯集至焊縫及薄板（腹板），這種情況下腹板承力狀態比較良好。

結論：該運行臺車的裂紋產生和亞臨界擴展（穩定擴展），在卸船機設計階段，腹板及軸套對接結構不合理，導致應力集中，力流線不順暢是主要原因。

3.3分析結果

造成運行臺車的裂紋產生和亞臨界擴展的原因有兩方面。

第一：設計制造階段，腹板及軸套采用對接焊縫連接，但結構設計不合理，導致應力集中，力流線不順暢，并對腹板的局部區域產生附加彎矩。

第二：運行臺車工作中承受交變壓應力，由此產生的疲勞也使得裂紋擴展。

其中，設計錯誤是根本原因，如果設計中沒有較大的應力集中，僅由疲勞導致裂紋擴展的壽命大大提高，不會產生宏觀長裂紋。

4設備管理建議

4.1設備管理中的不足

從國內某港口的卸船機運行臺車開裂的分析看，其在設備管理中存在以下問題：

在對設備的設計制造過程沒有做到良好的監督，對原有的設計單位的圖紙沒有進行詳細的審核。雖然設計單位在運行臺車對接焊縫處的設計不合理，但同時由于港口企業對設計圖紙的審查不到位，造成在使用過程中不可避免的損失。

日常維護、每月普查中忽視整機金屬結構的檢查，只注重經驗辨識的危險點。

設備管理過程中沒有認真執行規章制度。

4.2設備管理改善建議

加強設備的初期管理，加強對設備設計、制造階段的審核。應理解設備一生的管理概念，每一個環節都是極為重要的，特別是設備的設計、制造環節的質量好壞，決定了設備壽命周期費用的多少，應將不必要的損失扼殺在搖籃之中。

加強使用過程的維護和檢查，做到重點檢查，全面兼顧。日常維護、點檢以易發生故障或故障修復位置的檢查為主；月檢、季檢時應對整機進行全面檢查，不放過任何一個故障源。

引進或推進TnPM體系，在人機精細化管理上下功夫。只有在管理上做到精細，才能從最微小的地方遏制故障的發生。

DOI編碼：10.13646/j.cnki.42-1395/u.2016.01.018

中圖分類號：U657.3

文獻標識碼：A

文章編號：1006－7973（2016）01－0059－03