采用應(yīng)力測(cè)試評(píng)估老舊起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的實(shí)例分析

張志斌，田佳梅

（1.廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，廣西 南寧530219；2.樂(lè)山市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，四川 樂(lè)山614000）

采用應(yīng)力測(cè)試評(píng)估老舊起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的實(shí)例分析

張志斌1，田佳梅2

（1.廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，廣西 南寧530219；2.樂(lè)山市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，四川 樂(lè)山614000）

闡述了應(yīng)力測(cè)試技術(shù)在老舊起重機(jī)安全評(píng)估中的必要性和重要性。結(jié)合一臺(tái)在役門(mén)座式起重機(jī)的應(yīng)力測(cè)試實(shí)例，分析了該技術(shù)在起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)評(píng)估中起到的關(guān)鍵性作用為客觀了解起重機(jī)的應(yīng)力水平和強(qiáng)度儲(chǔ)備提供技術(shù)保障，為設(shè)備的維護(hù)和安全使用提供參考依據(jù)。

老舊起重機(jī)；金屬結(jié)構(gòu)；應(yīng)力測(cè)試

目前我國(guó)許多企業(yè)都或多或少的存在著一些使用時(shí)間十幾年甚至幾十年以上的老舊起重機(jī)，這些起重機(jī)通常都具有服役時(shí)間長(zhǎng)，使用環(huán)境惡劣，金屬結(jié)構(gòu)均存在不同程度的銹蝕、磨損、變形等特點(diǎn)，一旦發(fā)生事故危害性極大。為了評(píng)估這些老舊起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的承載力是否符合繼續(xù)使用的條件，評(píng)估人員會(huì)通過(guò)應(yīng)力測(cè)試的方式來(lái)獲得起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)本身在不同載荷狀和工況條件下應(yīng)力變化情況，分析構(gòu)件強(qiáng)度和剛度，研究其動(dòng)、靜態(tài)應(yīng)力數(shù)據(jù)，為安全評(píng)估提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1 測(cè)試原理

進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試的是一臺(tái)生產(chǎn)于1995年的門(mén)座起重機(jī)，規(guī)格型號(hào)為M10-30，額定起重量10 t.該門(mén)座起重機(jī)工作環(huán)境是海邊，環(huán)境潮濕且空氣鹽度高，且使用超過(guò)20年，其金屬結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)磨損、變形、腐蝕、銹蝕等現(xiàn)象。本次測(cè)試采用電阻應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變的方法。起重機(jī)所用材料為Q235，材料的名義屈服強(qiáng)度 σs=235 MPa、抗拉強(qiáng)度 σb=375 MPa、楊氏模量E=210 000 MPa、泊松比μ=0.3.

電阻應(yīng)變片通過(guò)自身電阻的變化反應(yīng)其所在部位應(yīng)變的變化。根據(jù)電測(cè)法原理，對(duì)于主應(yīng)力方向未知的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，需要三個(gè)應(yīng)變才能確定主應(yīng)力大小及方向。對(duì)于 ε0、ε45、ε90的三向應(yīng)變化，在彈性范圍內(nèi)該點(diǎn)主應(yīng)力（只考慮平面的應(yīng)力）計(jì)算公式為：

2 布片方案

采用應(yīng)變片規(guī)格為5 mm×3 mm單向應(yīng)變片，貼片方案如圖1所示，圖1中各應(yīng)變片粘貼位置及編號(hào)說(shuō)明如表1所列。

表1 應(yīng)變片粘貼位置及編號(hào)

本次靜態(tài)應(yīng)力測(cè)試使用的儀器為“TDS-530”數(shù)據(jù)采集器（日本東京測(cè)器研究所），如圖2所示，該儀器是一種全自動(dòng)多通道數(shù)據(jù)采集儀，新的A/D轉(zhuǎn)換器技術(shù)確保在高速采樣下保持精度和穩(wěn)定度，分辨率0.1 με，自動(dòng)采集存儲(chǔ)應(yīng)變數(shù)值。動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試使用的儀器為“TMR-200”小型多通道動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀（日本東京測(cè)器研究所，見(jiàn)圖2、圖3）。該儀器具有全數(shù)字式電腦控制采集、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，采樣頻率范圍寬、并可根據(jù)要求選擇，適合現(xiàn)場(chǎng)使用等特點(diǎn)。

圖2 TDS-530數(shù)據(jù)采集器

圖3 TMR-200數(shù)據(jù)采集儀

3 測(cè)試工況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，本次載荷試驗(yàn)重物重量為10 t.起吊10 t重物，在起重機(jī)大臂全幅工況下，起重臂分別與軌道成 0°、45°、90°，記錄各應(yīng)變片靜態(tài)應(yīng)變值；而后起吊10 t重物，起重機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)及變幅操作，在起重臂分別與軌道成 0°、45°、90°方向進(jìn)行起升及下降，采用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀記錄運(yùn)行過(guò)程各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變動(dòng)態(tài)變化值。

4 靜態(tài)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

0°角最小幅空載時(shí)清零，加載后起重臂分別與軌道成0°、45°、90°，穩(wěn)定后各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值如表2所列。

表2 不同位置各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值（單位：MPa）

5 動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

起重10 t在全幅下進(jìn)行動(dòng)態(tài)載荷試驗(yàn)，記錄下起重機(jī)操作過(guò)程的動(dòng)態(tài)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果（見(jiàn)圖4），以檢驗(yàn)起重機(jī)在動(dòng)態(tài)載荷作用下金屬結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力水平。附件1的操作過(guò)程為：起重臂與軌道成90°角最小幅度時(shí)清零→90°角最小幅度起吊重物→在90°角方向變幅至最大幅度，在該位置處起升與下降→旋轉(zhuǎn)至45°角方向，在45°角方向最大幅度處起升與下降→旋轉(zhuǎn)至0°角方向，在0°角方向最大幅度處起升與下降→在0°角方向變幅至最小幅度，在該幅度處起升與下降→在0°角方向卸載。

圖4 動(dòng)態(tài)測(cè)量歷程（單位：με）

6 測(cè)試結(jié)果分析

（1）在靜態(tài)應(yīng)力測(cè)試工況下起重10 t，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值均小于材料的許用應(yīng)力175.37 MPa，起重臂在全幅狀態(tài)下與軌道成0°角時(shí)，-45°角支腿與圓盤(pán)焊接處，正對(duì)腹板，距焊縫10mm處出現(xiàn)最大應(yīng)力，其主應(yīng)力最大值為91.31 MPa，此臺(tái)門(mén)座起重機(jī)結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度能滿足起吊10 t的工作需求。

（2）通過(guò)分析動(dòng)態(tài)應(yīng)力監(jiān)測(cè)歷程，動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試工況下1號(hào)測(cè)點(diǎn)（圖5）在0°角方向最大幅度處起升與下降過(guò)程中出現(xiàn)最大拉應(yīng)力100.80 MPa，全程最大應(yīng)力幅128.10 MPa.動(dòng)態(tài)結(jié)果顯示金屬結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力水平可滿足起升10 t載荷的工作需求。但0°角方向最大幅度處起升與下降過(guò)程中出現(xiàn)最大應(yīng)力幅，說(shuō)明該處為危險(xiǎn)區(qū)域，易產(chǎn)生疲勞損傷，應(yīng)引起重視。

圖5 1號(hào)測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)測(cè)量歷程（單位：με）

7 結(jié)束語(yǔ)

不難看出，應(yīng)力測(cè)試是驗(yàn)證起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)承載能力的最直接、最有效的手段。只需通過(guò)比對(duì)采集到的起重機(jī)工作時(shí)各個(gè)危險(xiǎn)截面的應(yīng)力大小，起重設(shè)備材料許用應(yīng)力值，就能直觀地得出起重設(shè)備金屬結(jié)果承載力安全性的評(píng)估結(jié)果，為客觀了解起重機(jī)的應(yīng)力水平和強(qiáng)度儲(chǔ)備提供技術(shù)保障，為設(shè)備的維護(hù)和安全使用提供參考依據(jù)。

[1]GB/T 3811-2008，起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，2008.

[2]胡靜波，倪大進(jìn)，李 泉.桅桿起重機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析與應(yīng)力測(cè)試[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2015（10）：85-90.

[3]黃國(guó)健，劉柏清，王新華，等.在役門(mén)座式起重機(jī)應(yīng)力測(cè)試技術(shù)探討[J].自動(dòng)化與信息工程，2011（06）：29-31.

[4]張勤超，諸克貴.門(mén)座起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試及疲勞壽命估算[J]．建筑機(jī)械，2010（1）：61-63．

[5]王松雷.應(yīng)力測(cè)試技術(shù)在起重機(jī)全評(píng)中的應(yīng)用[J].中國(guó)特種設(shè)備安全，2015（11）：22-25．

Case Study on Evaluating of Old Crane Metal Structures by Stress Test

ZHANG Zhi-bin1，TIAN Jia-mei2
（1.Guangxi Special Equipment Inspection and Research Institute，Nanning Guangxi 530219，China；2.Leshan Special Equipment Supervision and Inspection Institute，Leshan Sichuan 614000，China）

This paper describes the necessity and importance of stress testing in the safety assessment of old cranes.The author illustrate stress testing of a portal crane in-service，and analyze the key role of stress testing in the evaluation this crane metal structure.

old cranes；metal structure；stress testing

TH218

A

1672-545X（2017）10-0178-03

2017-07-05

張志斌（1983-），男，廣西賓陽(yáng)人，工程師，本科，現(xiàn)主要從事特種設(shè)備的安全性能檢驗(yàn)；田佳梅（1982-），女，四川綿陽(yáng)人，工程師，本科，現(xiàn)主要從事特種設(shè)備的安全性能檢驗(yàn)。