熊祿 江西省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院新余分院

在長時間使用后，很多冶金起重機(jī)的安全技術(shù)指標(biāo)會受到嚴(yán)重影響，這種影響在可靠性方面也有著直觀體現(xiàn)，可能影響整機(jī)工作安全性。為盡可能保證其安全穩(wěn)定運(yùn)行，正是本文圍繞冶金起重機(jī)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(jī)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(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，金屬結(jié)構(gòu)薄弱部分受到的影響較為深遠(yuǎn)，這種影響的發(fā)展會在整機(jī)工作安全性層面體現(xiàn)。如冶金起重機(jī)頻繁超載，顯現(xiàn)往往較早的疲勞損傷安全風(fēng)險更大，但這類冶金起重機(jī)的多數(shù)機(jī)構(gòu)件、結(jié)構(gòu)件的工作潛力仍較大。為及時發(fā)現(xiàn)冶金起重機(jī)的安全隱患，對可能出現(xiàn)的后果進(jìn)行評估，即可提供改造方案或改進(jìn)措施，滿足設(shè)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(qiáng)度分析、風(fēng)險預(yù)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(jié)合相關(guān)實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn)，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(nèi)容

基于圖1進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，無損探傷、機(jī)構(gòu)驗(yàn)算、靜強(qiáng)度分析、性能指標(biāo)檢測均屬于評估重點(diǎn)，這類重點(diǎn)涉及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和強(qiáng)制約束等內(nèi)容，相關(guān)內(nèi)容在疲勞強(qiáng)度評價、疲勞壽命估算等方面較少提及，但不應(yīng)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(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)邊緣，但具備極高的市場價值，且在安全綜合評估中占據(jù)重要地位。因此，市場外在需求動力對冶金起重機(jī)疲勞壽命的可靠性評估發(fā)展帶來的影響極為深遠(yuǎn)，技術(shù)進(jìn)步也因此獲得了充足動力[2]。

二、冶金起重機(jī)疲勞壽命可靠性評估技術(shù)及應(yīng)用路徑

為深化研究內(nèi)容，本節(jié)將圍繞可靠性評估技術(shù)進(jìn)行簡單介紹，并結(jié)合實(shí)例深入探討該技術(shù)的具體應(yīng)用，希望研究內(nèi)容能夠?yàn)橐苯鹌鹬貦C(jī)的科學(xué)應(yīng)用提供一定支持。

（一）技術(shù)分析

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

結(jié)構(gòu)S-N曲線常數(shù)在式中表示為C、K，f、r、S、N、D、n、t分別為各級變程出現(xiàn)頻率、應(yīng)力變程的級數(shù)（載荷譜中）、各級應(yīng)力變程數(shù)、t的總變程數(shù)、結(jié)構(gòu)破壞時的損傷、譜時間、結(jié)構(gòu)破壞時載荷譜重復(fù)次數(shù)?，F(xiàn)場試驗(yàn)可獲得相關(guān)數(shù)據(jù)及工作載荷譜，進(jìn)一步研究可得到疲勞壽命估算公式，即：

冶金起重機(jī)主梁的壽命分析可采用式（2）進(jìn)行計算，結(jié)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(jié)合偏軌箱型主梁所具備的具體特點(diǎn)，開展針對性的現(xiàn)場測試，工作循環(huán)歷史即可完整獲取，通過統(tǒng)計多個歷程的計數(shù)，相應(yīng)譜時間內(nèi)的各級應(yīng)力變程出現(xiàn)頻次可由此獲得，壽命估算可直接采用這類數(shù)據(jù)，簡潔明了的分析可由此實(shí)現(xiàn)。通過組合、疊加不同情況下的計數(shù)結(jié)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(jī)疲勞壽命可靠性評估技術(shù)同時包含未來風(fēng)險評價和載荷歷史追溯內(nèi)容，以及疲勞壽命估算技術(shù)。對于圖紙?jiān)O(shè)計階段的工程項(xiàng)目，需強(qiáng)化對已有載荷譜的參考，這一過程需重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)和工作載荷環(huán)境帶來的影響，載荷變化信息也需要得到重點(diǎn)關(guān)注，相應(yīng)函數(shù)由此可結(jié)合理論研究與相關(guān)實(shí)踐得出。

（二）具體應(yīng)用

以1臺440t的冶金起重機(jī)作為研究對象，該冶金起重機(jī)制造于1985年，日常搬運(yùn)空鋼水罐，具體的規(guī)格為140t，同時該冶金起重機(jī)具備的額定載荷圍毆440t，主梁工作壽命結(jié)合相關(guān)資料查詢可以確定。為600000個工作循環(huán)。2010年，在搬遷生產(chǎn)車間前，用戶希望能夠?qū)χ髁旱膶?shí)際情況進(jìn)行深入了解，具體對象為累計損傷，同時希望能夠預(yù)測該冶金起重機(jī)的未來工作壽命空間，以此確定該設(shè)備是否能夠用于新的生產(chǎn)線。因此，針對性開展應(yīng)變傳感器的布置，選擇存在最大應(yīng)力截面的對應(yīng)部位，即強(qiáng)度校核部位（主梁跨中），同樣需要嚴(yán)格現(xiàn)場跟蹤記錄完整的額定載荷工作循環(huán)歷程，空鋼水罐屬于跟蹤記錄的主要對象（見表1）。

表1 應(yīng)力變程頻次表

結(jié)合應(yīng)力變程和頻次數(shù)據(jù)并引入壽命估算公式，可確定冶金起重機(jī)主梁額定荷載下的工作壽命為483151個工作循環(huán)，結(jié)合生產(chǎn)廠商給出的600000個工作循環(huán)可以發(fā)現(xiàn)，二者的差距源于D值和損傷選取，因此可確定生產(chǎn)廠商采用的冶金起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)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(shí)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(huán)、455981個工作循環(huán)。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際可以了解到，截至2010年，冶金起重機(jī)存在約87500工作循環(huán)數(shù)，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(jī)主梁還存在79.7%的壽命存量。

三、結(jié)論

綜上所述，可靠性評估能夠較好用于冶金起重機(jī)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(jī)仿真技術(shù)的引入和應(yīng)用也需要得到重視。