關于冶金起重機疲勞壽命的可靠性評估研究

熊祿 江西省特種設備檢驗檢測研究院新余分院

在長時間使用后，很多冶金起重機的安全技術指標會受到嚴重影響，這種影響在可靠性方面也有著直觀體現，可能影響整機工作安全性。為盡可能保證其安全穩定運行，正是本文圍繞冶金起重機疲勞壽命的可靠性評估開展具體研究的原因所在。

一、冶金起重機疲勞壽命可靠性評估需求及價值分析

（一）需求分析

圍繞疲勞損傷進行分析可以發現，金屬結構薄弱部分受到的影響較為深遠，這種影響的發展會在整機工作安全性層面體現。如冶金起重機頻繁超載，顯現往往較早的疲勞損傷安全風險更大，但這類冶金起重機的多數機構件、結構件的工作潛力仍較大。為及時發現冶金起重機的安全隱患，對可能出現的后果進行評估，即可提供改造方案或改進措施，滿足設備長期安全使用需要[1]。

（二）價值分析

具體的可靠性評估需圍繞疲勞壽命估算、疲勞強度分析、風險預測展開，疲勞壽命可靠性評估工程價值可能受到的各方面因素影響也需要得到重視。結合相關實踐可以發現，具體評估主要圍繞六方面開展，具體如圖1所示。

圖1 可靠性評估內容

基于圖1進行分析可以發現，無損探傷、機構驗算、靜強度分析、性能指標檢測均屬于評估重點，這類重點涉及技術標準和強制約束等內容，相關內容在疲勞強度評價、疲勞壽命估算等方面較少提及，但不應忽視二者重要性，由于在終端市場的需求較高，雖然該評價體系仍處于規范和標準邊緣，但具備極高的市場價值，且在安全綜合評估中占據重要地位。因此，市場外在需求動力對冶金起重機疲勞壽命的可靠性評估發展帶來的影響極為深遠，技術進步也因此獲得了充足動力[2]。

二、冶金起重機疲勞壽命可靠性評估技術及應用路徑

為深化研究內容，本節將圍繞可靠性評估技術進行簡單介紹，并結合實例深入探討該技術的具體應用，希望研究內容能夠為冶金起重機的科學應用提供一定支持。

（一）技術分析

具體評估需要強化對疲勞壽命估算的重視，考慮到焊接結構這一常見結構特點，因此一般采用的疲勞壽命分析法以應力變程為基礎，隨機疲勞載荷譜、Miner積累損傷理論、結構S-N曲線屬于這種分析方法的基礎，由于三者的工程試驗背景較強，因此這種評估技術在工程實用化方面的價值較高。基于結構S-N曲線的評估公式為：

結構S-N曲線常數在式中表示為C、K，f、r、S、N、D、n、t分別為各級變程出現頻率、應力變程的級數（載荷譜中）、各級應力變程數、t的總變程數、結構破壞時的損傷、譜時間、結構破壞時載荷譜重復次數。現場試驗可獲得相關數據及工作載荷譜，進一步研究可得到疲勞壽命估算公式，即：

冶金起重機主梁的壽命分析可采用式（2）進行計算，結合同類研究可以了解到，上式中的C值為1011.714486，K值為3.3，本文研究取D值為0.8。結合偏軌箱型主梁所具備的具體特點，開展針對性的現場測試，工作循環歷史即可完整獲取，通過統計多個歷程的計數，相應譜時間內的各級應力變程出現頻次可由此獲得，壽命估算可直接采用這類數據，簡潔明了的分析可由此實現。通過組合、疊加不同情況下的計數結果，即可得到包含未來變化和歷史信息的載荷譜。因此，冶金起重機疲勞壽命可靠性評估技術同時包含未來風險評價和載荷歷史追溯內容，以及疲勞壽命估算技術。對于圖紙設計階段的工程項目，需強化對已有載荷譜的參考，這一過程需重點關注結構和工作載荷環境帶來的影響，載荷變化信息也需要得到重點關注，相應函數由此可結合理論研究與相關實踐得出。

（二）具體應用

以1臺440t的冶金起重機作為研究對象，該冶金起重機制造于1985年，日常搬運空鋼水罐，具體的規格為140t，同時該冶金起重機具備的額定載荷圍毆440t，主梁工作壽命結合相關資料查詢可以確定。為600000個工作循環。2010年，在搬遷生產車間前，用戶希望能夠對主梁的實際情況進行深入了解，具體對象為累計損傷，同時希望能夠預測該冶金起重機的未來工作壽命空間，以此確定該設備是否能夠用于新的生產線。因此，針對性開展應變傳感器的布置，選擇存在最大應力截面的對應部位，即強度校核部位（主梁跨中），同樣需要嚴格現場跟蹤記錄完整的額定載荷工作循環歷程，空鋼水罐屬于跟蹤記錄的主要對象（見表1）。

表1 應力變程頻次表

結合應力變程和頻次數據并引入壽命估算公式，可確定冶金起重機主梁額定荷載下的工作壽命為483151個工作循環，結合生產廠商給出的600000個工作循環可以發現，二者的差距源于D值和損傷選取，因此可確定生產廠商采用的冶金起重機主梁結構疲勞估算算法與本文類似，且D值和損傷取1。考慮到額定荷載不完全決定實際的疲勞損傷，還需要計算空鋼水罐工作量與滿載工作量1：1時、空鋼水罐工作量與滿載工作量1：2時的主梁工作壽命，分別為431711個工作循環、455981個工作循環。結合生產實際可以了解到，截至2010年，冶金起重機存在約87500工作循環數，空鋼水罐工作量與滿載工作量大致相同，因此可確定冶金起重機主梁還存在79.7%的壽命存量。

三、結論

綜上所述，可靠性評估能夠較好用于冶金起重機疲勞壽命研究。為更好開展疲勞壽命的可靠性評估，各類計算機仿真技術的引入和應用也需要得到重視。