起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)焊縫的綜合檢測(cè)與壽命估算

陳 瑩

（新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，新疆烏魯木齊 830021）

0 引言

近些年，起重機(jī)械在電力、物流、機(jī)械制造及建筑行業(yè)等均有廣泛應(yīng)用，其運(yùn)作過程安全性關(guān)系著生命財(cái)產(chǎn)安全。金屬結(jié)構(gòu)是大型起重機(jī)的主要結(jié)構(gòu)，其樣式復(fù)雜多樣，T形或薄壁箱形焊接結(jié)構(gòu)是主要的承載構(gòu)件。制造起重機(jī)械過程中，若設(shè)計(jì)不合理、鋼材內(nèi)存有冶金缺陷及焊接結(jié)構(gòu)時(shí)存有夾雜、咬邊等缺陷，均會(huì)成為形成裂痕問題的疲勞來源[1]。起重機(jī)作業(yè)環(huán)境偏差，在多種載荷作用下，很可能造成疲勞源出現(xiàn)裂痕隨即擴(kuò)散，對(duì)整個(gè)機(jī)械的運(yùn)行安全構(gòu)成威脅。

1 起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)焊縫的檢測(cè)方法

1.1 聲發(fā)射檢測(cè)

是近些年發(fā)展起來的一種局部損傷監(jiān)測(cè)技術(shù)。若起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)存有裂紋并在荷載作用下發(fā)生擴(kuò)展時(shí)，將會(huì)形成應(yīng)力波，通過采集和分析應(yīng)力波，能較科學(xué)地判斷出焊縫所處方位及準(zhǔn)確辨識(shí)裂紋參數(shù)。

國(guó)外Curly J.M于50 t橋門式起重機(jī)上率先進(jìn)行了聲發(fā)射測(cè)試；Jordon R.D等利用聲發(fā)射技術(shù)檢測(cè)電動(dòng)橋式起重機(jī)主梁的載荷加載過程，也利用該項(xiàng)技術(shù)檢測(cè)退役起重機(jī)管狀吊桿的破壞性過程，全面分析了聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度與聲發(fā)射源[2]。

聲發(fā)射技術(shù)引進(jìn)國(guó)內(nèi)的時(shí)間相對(duì)偏晚，但發(fā)展較快速。有人員對(duì)起重機(jī)梁加載開展疲勞試驗(yàn)，配合使用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測(cè)加載過程，分析監(jiān)測(cè)聲發(fā)射信號(hào)，探究焊縫危險(xiǎn)等級(jí)的測(cè)評(píng)方法。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)有時(shí)效性好、檢測(cè)范圍較寬廣等優(yōu)點(diǎn)，在起重機(jī)結(jié)構(gòu)焊縫檢測(cè)領(lǐng)域中有較大的應(yīng)用空間。

1.2 PVDF檢測(cè)技術(shù)

PVDF為近些年開發(fā)出的一種新型高分子壓電功能材料。1969年探查到其壓電性處于較高水平，后期對(duì)PVDF進(jìn)行研究。PVDF檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用壓電材料的壓電效應(yīng)檢測(cè)被測(cè)對(duì)象[3]。粘貼于結(jié)構(gòu)表層的壓電薄膜順沿某方向在外力的作用下發(fā)生變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)逐漸出現(xiàn)極化表象，兩個(gè)在方位上形成相對(duì)關(guān)系的表面形成的電荷極性相反，消除外力后，其便能夠順利的復(fù)原到不帶電狀態(tài)。PVDF壓電薄膜的電荷輸出與結(jié)構(gòu)應(yīng)變成兩者存在正比關(guān)系，通過檢測(cè)壓電薄膜的輸出電荷能換算出結(jié)構(gòu)應(yīng)力，通過分析應(yīng)力數(shù)據(jù)去測(cè)評(píng)結(jié)構(gòu)焊縫嚴(yán)重程度。

1.3 紅外熱成像檢測(cè)

紅外熱成像檢測(cè)原理是采用外部紅外熱源對(duì)被檢結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱激勵(lì)，記錄被檢結(jié)構(gòu)表層時(shí)，因局部存有焊縫裂紋而導(dǎo)致溫度改變，通過分析結(jié)構(gòu)表面溫度場(chǎng)，去辨識(shí)及判斷焊縫。

既往有人員利用有限元分析方法探究在施加局部表面熱流工況下焊縫外表層溫度場(chǎng)的改變，解讀不同熱流密度對(duì)加熱熱流效果形成的影響，掌握了溫度場(chǎng)改變和鋼板焊縫缺陷規(guī)格、深度之間的相關(guān)性[4]。金屬結(jié)構(gòu)焊縫檢測(cè)屬于主動(dòng)式紅外檢測(cè)的范疇，熱源激勵(lì)形式對(duì)檢測(cè)結(jié)果形成有較大影響。電磁激勵(lì)是一種新型紅外熱源激勵(lì)方法，電磁感應(yīng)定律和渦流效應(yīng)是其基本原理，有靈活性大，能夠選擇不同波形、頻率及激勵(lì)裝置的功率可以調(diào)控等諸多特點(diǎn)。可以參照檢測(cè)目標(biāo)對(duì)象的差異，設(shè)定不同參數(shù)，進(jìn)而取得最佳的焊縫檢測(cè)效果。

2 壽命估算

2.1 測(cè)試工況

應(yīng)以應(yīng)力數(shù)據(jù)采集為基礎(chǔ)估算機(jī)械的安全使用壽命，故而現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)記錄、采樣數(shù)據(jù)能呈現(xiàn)出被檢起重機(jī)機(jī)門的現(xiàn)實(shí)工作狀況。采樣長(zhǎng)度要適宜，不可遺漏數(shù)據(jù)，也不能引進(jìn)噪聲信號(hào)。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，將模擬機(jī)門正常運(yùn)作作為采樣工況。

2.2 機(jī)理分析

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外均有文獻(xiàn)記載，雖然造成港口起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)失效的原因較多，但疲勞性破壞是主要原因。名義應(yīng)力法是當(dāng)下估算疲勞壽命長(zhǎng)短的主要方法。該方法的應(yīng)用思路如下：

將分析材料的S—N曲線特征、走勢(shì)等作為著手點(diǎn)，考慮各類影響系數(shù)，獲得和構(gòu)件相配套的S—N曲線，參照現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到的應(yīng)力譜，基于Miner理論及其延伸出的壽命估算公式進(jìn)行預(yù)測(cè)，具體是綜合分析起重機(jī)械的結(jié)構(gòu)樣態(tài)，對(duì)其安全應(yīng)用年限作出合理預(yù)測(cè)，執(zhí)行的基本過程如下[5]：

（1）借用雨流計(jì)數(shù)法完成計(jì)數(shù)，記錄應(yīng)力—時(shí)間階段應(yīng)力循環(huán)的總次數(shù)，摸索出其遵循的規(guī)律。

（2）針對(duì)實(shí)際測(cè)得到的應(yīng)力譜，采用古德曼等規(guī)劃設(shè)計(jì)出壽命曲線進(jìn)行局部完善，使其演變成平均值是0的等效式載荷譜。

（3）將所有應(yīng)力循環(huán)細(xì)化成8級(jí)，按序依次記錄各級(jí)應(yīng)力循環(huán)的次數(shù)，采用其組成當(dāng)量載荷譜。

（4）將冪函數(shù)的S—N關(guān)系整合至其內(nèi)，據(jù)此得到各級(jí)單向應(yīng)力相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。對(duì)Miner理論進(jìn)行適度修整，獲得當(dāng)量載荷譜作用下的循環(huán)總次數(shù)[6]：

式中 N1——第一級(jí)應(yīng)力作用下的循環(huán)頻次

Ti——第一級(jí)應(yīng)力作用下的循環(huán)數(shù)與總循環(huán)數(shù)的比值

ei、e1——分別是第i級(jí)、第1級(jí)應(yīng)力

k——應(yīng)力譜的級(jí)數(shù)

（5）估算壽命

式中 N——當(dāng)量載荷譜作用下的總循環(huán)次數(shù)

n——采樣數(shù)據(jù)應(yīng)力—時(shí)間歷程中的循環(huán)次數(shù)

t——時(shí)間

h——起重機(jī)械的壽命

壽命估算采樣活動(dòng)中，在門機(jī)上選取4個(gè)測(cè)點(diǎn)（A2、D6、E1、F1），因?yàn)橹饕勒諔?yīng)力估算起重機(jī)械的疲勞壽命，對(duì)選定的4個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析，最后擬定選取應(yīng)力幅值最大的A2點(diǎn)去估算疲勞壽命。

檢測(cè)階段對(duì)門機(jī)持續(xù)模擬了數(shù)個(gè)作業(yè)循環(huán)，歷經(jīng)比較與篩選過程后，擬定選取其內(nèi)兩個(gè)連貫性較好的作業(yè)循環(huán)作為壽命估算的初始數(shù)據(jù)。觀察分析A2的應(yīng)力—時(shí)間歷程圖，發(fā)現(xiàn)A2測(cè)點(diǎn)應(yīng)力的波動(dòng)幅度偏大，以拉應(yīng)力為主、測(cè)點(diǎn)位置應(yīng)力數(shù)值有一定變化，作業(yè)載荷是導(dǎo)致應(yīng)力值變動(dòng)的主要原因，主要發(fā)生在載荷升與降的起始、制動(dòng)時(shí)及回轉(zhuǎn)啟動(dòng)時(shí)。整體分析，應(yīng)力值變動(dòng)不顯著，預(yù)示當(dāng)下門機(jī)強(qiáng)度符合作業(yè)要求。

參照現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，材料參數(shù)設(shè)定情況如下[4]：

eb=448 MPa，e-1k=132 MPa，缺口系數(shù)Ks=1.3，利用雨流計(jì)數(shù)法完成A2測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力—時(shí)間歷程的計(jì)數(shù)，提取全部的應(yīng)力循環(huán)并開展統(tǒng)計(jì)分析，獲得當(dāng)量載荷譜。其中e1、N1分別是64 MPa、16 MPa，代入式（1）算出總循環(huán)次數(shù)N，歷經(jīng)前期設(shè)定的換算流程后，便能計(jì)算出剩余疲勞壽命為8.6年。

3 結(jié)束語

起重機(jī)門機(jī)疲勞壽命的預(yù)測(cè)、計(jì)算是在相對(duì)正常的工況下執(zhí)行，其對(duì)Miner理論表現(xiàn)出較高的依賴性，但該項(xiàng)工作推進(jìn)階段時(shí)而會(huì)出現(xiàn)超載、突然啟制動(dòng)等異常情況，外加機(jī)械作業(yè)工況條件偏差，以上因素若長(zhǎng)期不被解除，將不利于起重機(jī)械的安全使用。考慮到門機(jī)的作業(yè)時(shí)間與發(fā)生銹跡、裂痕等狀況，本文獲得的測(cè)量結(jié)果較保守。