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门式起重机的剩余寿命预测和维护决策研究

CHEN Yan, SUN Yuantao

1武汉理工大学物流工程学院，武汉，中国人民出版社，430063

2同济大学机械工程学院，上海，中国，200439

E-mail:chenyan@whut.edu.cn, sun1979@sina.com

Fax： 86-027-86551180

关键词：门式起重机；条件维护；裂纹；剩余寿命；检查周期

摘要：门式起重机作为港口生产的主要设备，通常按停机状态进行修理，以减少港口的损失，保障港口企业的安全和正常生产。本文基于金属结构故障检测技术，研究了其缺陷类别，了解了门式起重机的实际状况，并以此作为制定维护决策的基础。通过监测断层应力值，用统计分析和巴黎模型的方法进行结构安全评价。裂纹敏感面积和应力值用有限元分析法和试验法确定，预测门式起重机开裂结构件的剩余寿命，并确认合理的维护时间和检查周期。本文还展示了工程实践的案例研究，证明它能为港口企业在理论和实践中提供有效和长期的技术保证，能够安全使用结构件，减少特别是因停产而造成的经济损失。

1.简介

在企业生产中，机械维修是必须的一环。一般来说，机械维护包括故障维修，定期维护和条件维护。而且，条件维护意味着以监控器和故障诊断技术为工具，根据实际技术状态来控制维护时间。特殊检查也可以根据具体要求，采用现代监视设备以及手动或特殊仪器和工具的各种数据。条件维护可以在机器运行或停止时使用，它可以连续或间隔应用，以及时监测设备的操作，了解异常项目和退化规律，预测和判断故障位置，安排合理的维护，以保证设备的正常运行，避免突然的机械故障造成的任何损失。

门式起重机是进行货物处理工作的主要设备之一，其工作环境恶劣，且具有工作周期短，重复和循环等特点。金属结构支撑起重机，当起重臂被损坏时，结构具有的一些故障电位，能及时停止起重机的运转，避免对企业和人员造成巨大的伤害。到目前为止，港口起重机的使用寿命已过期或即将过期，组件在一定程度上损坏，而且一些臂架或支撑缸具有破裂的风险，对生产安全造成了威胁。因此，有必要对起重机的金属结构制定故障管理方案。这个论文对起重机缺陷分布，主要原因和规则等进行统计和分析，协助确认维修时间和周期。

2.门式起重机故障分布分析

目前，中国港口大部分的门式起重机已经历了不短的使用期，其中有些使用时间则相当长久。调查表明，如果门式起重机工作了大约10年，将会有显著的缺陷，如裂纹，变形，断裂和锈蚀等，以裂纹为最常见的缺陷，占80％的金属结构缺陷。武汉港口机械质量监督检验检测中心在2003〜2006年检查了77台门式起重机，得出的试验报告（见表1）表明，15-20年起重机的开裂概率为66.53％，而使用超过20年的是88.89％。裂纹概率在所有缺陷中列为第1。同时随着时间的增加，概率也会随之增加。

表1门式起重机的主要缺陷概率

对于庞大的门式起重机，很难找到小裂缝。因此，技术人员必须通过经验来判断裂纹的敏感区域（其中裂纹容易存在）。

根据裂纹位置和次数的统计数据能得出裂纹发生概率，如表2所示，表明在腿，回转平台，回转支柱，吊臂，A-支架，平衡梁等主要部件上有裂纹，且主要集中在截面和尖锐结构变化的位置。例如上部回转支撑环和支腿的连接部分，以及回转平台的法兰盘等。实际测试表明，这些部分的应力值较大，需要进行更多的监测。

表2 10T门式起重机的裂缝位置和发生概率

3.起重机的剩余寿命预测和维护决策

3.1裂纹传播模型

一般来说，裂缝不影响起重机的功能，但有潜在的危险。断裂力学认为临界极限的裂纹具有破坏可能性。当前裂纹扩展模型由巴黎和埃尔多安设立。基本形式如下：

（1）

其中：

• 是疲劳裂纹扩展比；
• C和m是用标准疲劳试样得到的材料常数。例如，通过测试得到Q235的C和m，门式起重机结构的16Mn；
• 。 是 负载循环中的最大和最小应力因子。
• 这个模型通常被认为是巴黎规则，这是一个基于线性弹性断裂力学的经验关系，被许多研究者认可。图1给出了试验的结果，表明了应力强度因子值和疲劳裂纹扩展比之间的关系。图1中有三个部分：
• 在第一部分中存在阈值当应力强度因子值大于该值时，裂纹进一步扩展。在这一部分，微材料结构、疲劳载荷的平均应力和环境因素会对裂纹扩展速度有较大影响。
• 第二部分是一个稳定的疲劳膨胀阶段。裂纹扩展显示出了巴黎规则。在这一部分，微材料结构，疲劳载荷的平均应力和环境因素不影响裂纹扩展速度。
• 第三部分是裂缝扩展快速断裂的阶段。当最大应力强度因子值为断裂韧性KIC时，疲劳裂纹使结构构件断裂。

图1 应力强度因子值和疲劳裂纹传播比之间的一般关系

3.2剩余寿命预测和检查周期的确认

对于巴黎模型，如果初步裂纹长度被检查为，则应力变化时间是当膨胀到临界长度时的裂纹扩展寿命N。 理论公式[3]为：

（2）

其中：

• c ，m是试验得到的材料常数；
• （3）

是材料的疲劳断裂韧性；

是校正系数，isin;[1,1.12]；

是裂缝处最大的主应力值；

对于门式起重机金属结构来说，可以使 。

公式（2）表明应力越大，裂纹扩展速度越快，这证明了表2的结果。通过监测关键部位的应力，工作人员加大了对危险区域的检查力度，提高了检查效率，降低了检查成本。

目前，有两种结构应力分析方法，有限元分析法和试验法。

1）：有限元法（有限元法是将连续介质作为有限元的集合进行力学分析的计算方法，假设在与节点连接的每个元素处都有一些理想化的位移和应力分布，应力值可以用平衡条件和线性方程获得）。结构构件的有限元分析是通过使用ANSYS软件进行的，然后可以得到应力图谱。裂纹敏感区域和应力值可以用应力图谱确认。图2所示为M02 起重机的A型支架结构，其中A、B为敏感区域。

2）：试验法。使用动态和静态应力测试仪（硬件系统）确认检测区域的实际应力值。

利用裂纹部分的应力值，可以通过公式（2）得到裂纹扩展寿命N，其中公式（2）是裂纹扩展到临界值和断裂的间隔时间。将裂纹扩展寿命N除以安全系数n，得到检查周期T（见公式（4））。因此，可以利用该循环设置检查以提高效率。

（4）

图2应力图的应力确认

4.案例研究

检查系统已被应用于十多个港口，包括广州港、上海港等，都取得了理想效果。在上海港有一台M1633门式起重机使用了大约20年，在A型托架两侧有一个15mm的裂缝（见图3），且裂缝对称，这引起了公司的高度关注。在使用动态和静态应力测试仪测试后，得出应力值为70.66Mpa，但实际应力值应为66.8Mpa。由有限元法计算，它每天的平均提升时间是400次。通过试验法和有限元分析法确认的应力值可以用软件单独处理。两种结果表明，裂纹的剩余寿命至少为3年，检查周期应为2-3个月（见图4）。这表明两种方法的结果是相同的。

图3 A支架处的应变片破裂

图4 裂纹诊断的系统接口

对于预计的长期安全使用期，公司通过硬件系统监控应力，通过停止起重机工作等手段，做到了没有任何裂缝生产损失，从而为公司创造经济效益。

5.结论

金属结构的状态可以通过安全评估很好地进行检查，在监控器的技术支持下保证机器的安全，减少经济损失，提高经济效益。随着科学技术的发展，如下一些问题需要进一步研究：

1）:随着断裂力学的发展，适用的工程公式必须进一步校正，以预测门式起重机金属结构的裂纹扩展寿命，使其更准确。

2):用有限元方法为门式起重机金属结构所做的应力记录是在最危险的条件下得到的，不如实际条件那样精确。因此，测试者所得到的应力值检测结果更能客观地反映实际的工作状态。如果可以使用测试器所得出的值，则故障诊断系统的功能将变得更好，使得使用该系统的企业可以更好地控制起重机在操作中的应力。

当然，除了理论研究外，企业还应该为其技术人员使用诊断系统进行更多的理论培训课程，同时提高系统检查能力，更好地推广和应用诊断系统的技术。

致谢

开放研究项目得到了湖北省武汉科技大学机械传动与制造工程重点实验室（2007A22）项目资金的支持，感谢其帮助。

参考文献

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2011年第三届国际测量技术与机电自动化会议

无线传感器门式起重机机械状态监测技术研究

Liu Zhiping, Jia Tengfei, Hu Qing, Wan Dang

武汉理工大学物流工程学院，武汉，430063

lzphust@yahoo.com.cn

摘要：监控门式起重机机械状态对设备的安全管理非常重要。根据门式起重机的特点，在文中设计出了监控机械状态的无线监测系统，可以监控金属结构，回转支承和减速机的机械状态。该系统解决了金属结构测试的温度漂移，零点设置等问题，同时使用GPRS DTU作为传感器的核心部件，将数据传输到互联网。该监控系统具有结构简单，精度高，价格低，扩展性大等优点，在港口公司设备安全管理上具有巨大的应用潜力。

关键词：无线监控；TDC； GPRS DTU

1引言

门式起重机是港口装卸作业的关键设备。在长期冲击载荷的作用下，门式起重机的机械状态将出现许多问题，例如回转轴承的运行故障，金属结构的破裂和变形等，这些都将对设备和操作员的安全造成严重威胁。通过监测门式起重机，可以

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