冶金起重机主梁疲劳及剩余寿命分析*

朱东科

太原重工股份有限公司技术中心 太原 030024

冶金起重机是冶炼生产线上承担繁重物料搬运工作的特种设备，具有满载率高、使用频繁、工作环境温度高、粉尘多等特点，事故发生率较高。随着使用年限增加，结构件在长期使用过程中会遇到作业环境改变、负荷变化、异常载荷冲击等状况，在结构不连续区域、应力集中区域、高应力低疲劳强度区域易产生疲劳裂纹，导致设备安全性、重要技术指标呈现逐步下降趋势。

本文以某钢厂在用冶金起重机为研究对象，通过对桥架主梁关键部位的现状检测、强度试验、应力谱测试、有限元计算，对设备运行现状安全性作出评价，在实测应力谱基础上对主梁疲劳强度和剩余寿命进行分析计算，可有效保证起重机工作的安全性和可靠性，同时也为设备的计划性维修和更新换代提供技术依据。

1.1 主要技术参数

该研究对象为四梁四轨双小车结构的240 t-21.5 m铸造起重机，主要承担炼钢厂钢水包搬运工作。该机的主梁结构为偏轨箱形截面，主要受力结构材质为Q355B，正常工作起吊载荷为200～210 t，每天约90个工作循环；
该机主起升额定起重量为240 t，主起升速度为1.0～10.0 m/min，大车运行速度为8.0～80 m/min，主小车运行速度为4.0～40 m/min，起重机工作级别为A7，主小车自重（含吊具）为128.6 t，主梁自重为38 t。

1.2 技术路线

1）依据GB/T 5905—2011《起重机试验规范和程序》、GB/T 14405—2011《通用桥式起重机》、JB/T 7688.1—2008《冶金起重机技术条件 第一部分：通用要求》、GB/T 36697—2018《铸造起重机报废条件》等标准规定，完成设备的质量检测，评价设备质量现状和完成产品设计功能的能力；
对主要结构件的可见焊缝及母材，由目测进行详细的裂纹检查，对重要焊缝内部进行超声波抽检无损探伤；

2）在工作载荷（约210 t）状态下完成结构最大受力部位的强度试验，评价结构最大受力部位的强度安全性；

3）在满载状态下完成桥架有限元应力计算，评价结构强度的安全性；

4）依据实际生产工况的实测应力谱，完成桥架主梁疲劳寿命评估；

5）综合现状检测、强度试验、有限元计算、疲劳寿命试验评估等几项内容，完成设备剩余寿命分析。

2.1 现状检测

现状检测是对设备现状的描述，也是设备维护、检修效果的综合检验，通常检测结果将提示设备当前的一些损伤及需要整改的事项。该设备自投入使用至今已安全工作8.5 a，保证了炼钢生产线按照设计工艺要求正常运行。

为了掌握设备现状，及时发现各种影响设备正常运行的隐患，首先对主梁的主要技术指标进行检测（包括主梁跨中上拱度、主梁旁弯、主梁腹板的局部平面度、主梁上翼缘板的水平偏斜、主梁腹板的垂直偏斜、小车轨距偏差、同截面小车轨道高度差、小车轨道中心线对腹板中心线的偏差以及主梁刚度等），按照GB/T 14405—2011《通用桥式起重机》标准的相关细则对桥架的相关内容进行考核，检验其是否满足使用要求，主梁基本参数检测数据如表1所示。对主要结构件的可见焊缝（如盖板腹板自身的对接焊缝以及T形钢与上盖板和主腹板的连接焊缝，上下盖板与主副腹板的连接焊缝以及腹板与各自加厚板的连接焊缝等）及母材，采用目测进行详细的裂纹检查。对关键焊缝内部按照JB/T 4730.3—2005《超声检测承压设备无损检测》和GB/T 11345—2013《焊缝无损检测超声检测技术、检测等级和评定进行检验》进行超声波抽检无损探伤，确认技术指标在标准要求范围之内以及关键受力部位无裂纹及影响使用性能的缺陷存在。

表 2 母材试件单轴疲劳试验结果 mm

在实际工作载荷状态下，机构运转平稳正常，控制系统和制动器工作正常，机械部分和电动机未见不正常的振动和噪声，各部件能安全准确完成其功能。目测检查未发现机构或结构部件有影响正常工作的损坏，运行试验检测如表2所示。

表2 运行试验检测内容

对主梁重要焊缝进行目测检查，未发现关键部位焊缝开裂；
对重要焊缝的无损探伤检测结果均满足国家标准的相关要求；
其他零件进行目测检查，未发现明显损伤。

将表1、表2所示数据进行比对，由现行国家标准和焊缝探伤检验记录可得出目前设备健康状况良好。

2.2 强度试验

应力测试分试验准备、试验开始和带载试验3步骤。其中，试验准备是指选择测试部位，安装应变计及信号线；
试验开始是指小车空载位于主梁跨端，应力测试系统初始状态调零；
在试验载荷作用下的结构应力试验即为在实际工作载荷状态下实时记录各测试部位应变或应力变化过程。

为保证生产的正常运行，真实反映生产过程中实际应力谱和工作循环状况，强度试验在实际正常生产状态下进行。选取跨中正应力最大截面和跨端剪应力最大截面作为危险截面，布置应变计测点1～9，测试这些部位的动态应变信号，检测点布置如图1所示。

图1 主梁跨中截面和跨端截面检测点布置图

测点1位于跨中截面下盖板与主腹板连接焊缝边缘，该部位是主梁跨中截面最大拉应力点；
测点2位于跨中截面T形钢与上盖板对接焊缝边缘，该部位是主梁跨中截面最大压应力点；
测点3位于跨中截面上盖板与副腹板连接焊缝边缘，该部位也是主梁跨中截面压应力校核点；
在主梁端部主腹板变截面1/2高度布置应变计测点4～6（其中测点4平行于主梁方向，测点5高度与测点4逆时针45°方向，测点6高度垂直于主梁方向，这3个测点组成一个应变花），弯板圆弧处布置应变计测点7、8、9（其中测点7平行于主梁方向，测点8与测点7逆时针45°方向，测点9垂直于主梁方向，这3个测点组成一个应变花），这2个部位是主梁端部剪应力最大点。

图2记录了连续4次起吊实际工作载荷（约210 t）时测点1～9的应力（或应变）数据变化，横坐标单位是时间s，纵坐标单位是应变με。这时的试验数据没有叠加主梁的自重影响和仪器调零时主小车自重的影响。由最大应变值转化的最大应力如表3所示。

表3 主梁实际测试部位最大应力值 N/mm2

图2 测点的应变数据

3.1 计算模型

该机桥架结构复杂，若要建立详细的结构模型，不仅会增大建模工作量，而且计算机求解效率变低。因此，在确保所建立的有限元模型能真实反映结构实际受力的情况下，对结构进行必要且合理的简化处理。对桥架结构的主梁、副主梁和端梁采用Beam 188单元进行建模，该单元机构对于线性、大角度转动问题的处理求解非常适用，栏杆与梁外的走台结构通过增大重力加速度的方式施加在桥架结构上，司机室、电气设备等通过在相对应分节点施加质量单元模拟真实载荷作用下的情况。对于小车质量与起重量在Ansys中通过Mass质量单元施加到车轮与钢轨接触的支点处。

按照GB/T 3811—2008《起重机设计规范》计算载荷及其组合选取3种工况进行计算，且主梁简化为简支梁约束进行计算。

1）工况1 主小车空载位于主梁端部时（测点对侧，校对测试零位）；

2）工况2 主小车起吊240 t载荷位于主梁跨中；

3）工况3 主小车起吊240 t载荷位于主梁端部。

考虑到除上述试验测点1～9之外，又增加了计算点11和计算点12，如图3所示。计算点11在跨中截面T形钢直角处，此处有最大弯曲正应力和小车轮压产生的局部挤压应力；
计算点12在跨中截面副腹板与下盖板连接处，此处有最大弯曲正应力。

图3 主梁跨中、跨端截面测试点和计算点示意图

3.2 应力计算结果

按上述模型和受力采用Ansys软件对桥架进行应力分析计算，对应3种工况下桥架主梁应力云图如图4～图6所示，主梁关键点应力计算值如表4所示。

表4 3种工况下主梁计算点应力值 N/mm2

图4 工况1主梁跨中和跨端截面等效应力图

图5 工况2主梁跨中截面等效应力图

图6 工况3主梁端部剪应力图

由表4可知，在工况1空载小车位于检测点对侧时各测点的应力值均较小，在工况2满载小车位于跨中和工况3满载小车位于跨端极限位置时各检测点应力值有显著增加，但相对于材料的许用值也有较大的差距。表4中的一字线部分表示数值较小可忽略不计。

4.1 主梁静强度分析

主梁跨中、跨端截面各点实测最大应力和计算最大应力以及主梁跨中最大下挠的比较和评价如表5所示。其中测试应力值是试验数据叠加了主梁自重影响后的合成应力，许用应力按照Q355材料、屈服强度为355 N/mm2、极限强度为470 N/mm2、安全系数为1.48、高危系数为1.1进行确定[4]，表格中的一字线部分未进行应力检测。

表5 主梁实测应力与计算应力对照表 N/mm2

4.2 主梁疲劳强度分析

主梁的疲劳强度按照实际工作情况起吊210 t载荷的测试应力和起吊240 t额定载荷有限元计算应力2种方法进行计算。210 t测试最大应力由不含自重的实测应力与自重产生的计算应力相叠加，疲劳强度许用值根据GB/T 3811—2008《起重机设计规范》规定的焊缝按照K2应力集中情况等级、母材按照W0应力集中情况等级、E7工作级别计算所得，如表6所示。表6中一字线部分未进行应力检测。

表6 主梁实测应力和计算应力疲劳强度比较表 N/mm2

4.3 主梁剩余寿命预测

该240 t-21.5 m铸造起重机自投入使用至今历时8.5 a，日常工作载荷为200～210 t，按正常工作频率估算，每天在日常负荷状态下工作90个循环，每年工作350 d，每年满负荷工作31 500个循环，已完成267 750个满负荷工作循环。选取主梁跨中截面测点1作为寿命计算的关键点，在主梁中该点具有最大拉应力，可由该点的实测应力谱预测主梁剩余寿命。

1）应力幅-频次统计表

实测应力记录了主梁跨中截面下盖板最大拉应力的统计曲线（见图2a），实测4个工作循环，并经过雨流计数法得到表7所示基于测点1的应力幅与频次统计结果。

表7 应力幅-频次统计表

2）疲劳剩余寿命估算[5，6]

主梁疲劳寿命可按照下式进行计算

式中：C、K为结构S-N曲线的常数；
D为结构破坏时的损伤和，选用的常数为D＝0.8，K＝3.2，C＝1 011.714 486；
r为载荷谱中应力幅的级数；
fi为各级应力幅出现的频率；
Si为各级应力幅；
N为谱时间t中的总频次数，谱时间t是指一个载荷谱所代表的实际工作循环数（工作时间）；
n为结构破坏时载荷谱的重复次数。

将表5中的应力幅-频次表数据代入公式，可得n≈137 485.6（个谱时间）。

由于一个谱时间表示4个日常负荷工作循环，故可折合成n＝549 942（个工作循环） 或n＝6 110（个工作日）。结果表明：240 t-21.5 m铸造起重机投入使用以来，若实际生产工况一直近似于当前测试工况，则该设备主梁的疲劳寿命可达549 942个满负荷工作循环，6 110个工作日。

该起重机自投入使用，以1 a工作350 d估算，已完成了2 975个工作日，由此推算已完成的工作量占主梁疲劳寿命的百分比为2 975/6 110＝48.7%。由此，主梁疲劳寿命为6 110个工作日，约17.5 a；
主梁剩余寿命为3 135个工作日，约9 a。

1）根据现状检测，桥架主梁各项指标满足相关标准要求，关键受力部位焊缝和母材未发现裂纹和影响使用性能的缺陷；

2）根据日常工作负荷时的强度试验检测结果和额定负荷时的有限元分析计算结果，表明以跨中截面最大正应力、端部截面最大剪应力为代表的结构的静强度和疲劳强度指标均在标准要求范围内，处于安全状态；

3）根据日常工作负荷时的强度试验检测结果计算出主梁疲劳寿命为549 942个满负荷工作循环数。以每天工作量90个满负荷作业、每年工作350个工作日估算，主梁的疲劳寿命达到6 110个工作日，折合17.5 a；
主梁剩余寿命为3 135个工作日，折合9 a。

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