岸边集装箱起重机箱型构件疲劳裂纹扩展分析

经验　起重机主梁疲劳强度的探讨　黄耀民　（江门市耙冲机械厂，　广东江门　５２９０００）　析结果进行疲劳分析的基本理论、思路及方法．运用ＡＮＳＹＳ程序对假定无缺陷和含横向裂纹起重机主梁进行　到交变应力最大部位，预测了起重机主梁疲劳裂纹萌生寿命和裂纹扩展阶段的疲劳寿命　劳分析；ＡＮＳＹＳ；起重机主梁　中图分类号：ＴＰ３９１．９　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—９４９２　ｆ２０１０）０７—０１６７—０３　起重机主梁是起重机的关键承载部件．起重机的主要　工作构件小车、轨道、阻进器等均安装在其上：它同时也　是起重机的骨架主要部件。在桥式起重机安全检验中，主　梁强度和刚度最重要．主梁强度不足容易引起材料局部的　屈服和疲劳破坏，产生裂纹等缺陷，缩短使用寿命，引发　事故；主梁冈４度不足会造成主梁承载后，下挠度过大，从　而影响起重机小车的使用性能．增大其运行阻力，使重载　小车向跨端运行时爬坡和向跨中运行时溜车，引起制动定　位不准确．容易造成事故，所以桥式起重机的强度和刚度　检验需进行满负荷试验，确保主梁能正常工作，如果主梁　的材料超出了弹性极限，会引起内部出现微裂纹，并逐步　扩展，随着起重机的频繁起吊工作。裂纹会不断扩展增　大，使主梁产生较大的永久塑性变形。导致下挠度超出规　定指标；如果继续使用，会引致主梁断裂的严重破坏。为　保证起重机的安全．所以要检测主梁在起吊额定载荷时跨　中的挠度．主梁两端的焊缝，以及水平旁弯及其它变形。　经总结有如下几项常规检查工作：　（１）检查金属结构件有　无裂痕、腐蚀、异常变形、整体扭曲、局部失稳；　（２）检　查连接部分有无松动、脱落；　（３）检查金属表面防护油　漆。另外，主梁变形的原因也会是内应力的影响，维修和　使用不合理，存放不合理，运输和安装不当，工作环境温　度的影响．以及制造时下料和焊接不当等。　主梁的设计应保证能承受工作过程中的外载荷而不发　生残余变形和过量的弹性变形．同时保证一定的使用寿　命。但在起重机的年审过程中，常有主梁焊缝出现裂纹，　一方面由于焊接过程中不可避免的存在内部应力集中缺　陷：另一方面受到工作时交变载荷作用下形成表面裂纹，　收稿日期：２０ｌ０—０ｌ—ＩＯ　通常为横向裂纹；其失效形式为疲劳断裂，引起上拱度出　现负值．造成起重机的报废。为此本文尝试应用有限元　法，借助有限元软件ＡＮＳＹＳ。对无缺陷和横向裂纹起重机　主梁进行有限元数值模拟．分别探讨基于有限元法的疲劳　裂纹形成和扩展阶段寿命的估算方法。　１疲劳分析的基本思路及理论　起重机制造的工程实际中常将结构疲劳划分为疲劳裂　纹形成阶段和疲劳裂纹扩展阶段。疲劳分析的最终目的是　确定结构件主梁的疲劳寿命。要计算疲劳寿命必须有精确　的载荷图、材料特性或构件的Ｓ—Ｎ曲线：合适的累积损伤　理论和裂纹扩展理论。疲劳裂纹形成到扩展寿命估算的主　要步骤：　（１）根据载荷和几何结构计算应力应变的动态　响应；　（２）建立合理的损伤模型；　（３）利用该应力应变　响应结合材料性能参数和损伤模型计算疲劳寿命。　疲劳裂纹扩展阶段的疲劳寿命采用断裂力学的理论。　其主要步骤为：　（１）用无损探伤和无损检测方法确定构　件的初始裂纹尺寸　ｏ；　（２）确定应力强度因子Ｋ及应力　强度因子幅值ＡＫ；　（３）确定特定载荷下裂纹的临界裂纹　尺寸ｏ【ｃ；　（４）利用Ｐａｒｉｓ公式确定裂纹扩展率，即：　ｄ￣／ｄＮ＝Ｃ（ＡＫ）　（１）　其中应力强度因子幅值ＡＫ＝Ａｋｍ一△　；ｃ和ｍ为实　验常数。对大多数金属而言，ｍ＝２～４。再计算临界裂纹尺　寸０【ｃ，其表达式为：　ｄａｃ＝△Ｋ　ＣＱ／（￣８　）　（２）　这样．从初始裂纹尺寸　ｏ扩展到临界裂纹尺寸，　ｃ　所需的循环次数即疲劳寿命Ⅳｆ，可通过对裂纹扩展率积分　求出。即：　厂■＿　＿＿厂＿］　一＿Ｉ—　一

基于桥式起重机主梁裂纹缺陷原因及修复方案研究

摘 要：文章根据某桥式起重机缺陷状况，结合现场情况通过分析缺陷产生原因，提出了修复方案，消除了事故隐患，也为类似裂纹结构修复提供了参考。

关键词：桥式起重机；裂纹；检测；修复方案

引言

随着社会的发展，起重机械的应用范围越来越广也越来越普遍，为社会工业的发展起到了重要的支撑作用。起重机械安全生产事故在我国发生的特种设备安全事故中占据的比例较高，人员的伤亡数量比例较大，且每年都有大幅的上升。而桥门式起重机是我国数量最多应用范围最广的起重设备，在桥门式起重机安全生产事故中由于其金属结构原因引起的安全生产事故往往最普遍也最严重, 造成了生产机器设备的严重损毁和生产工人的重大伤亡以及重大的经济损失,需要生产主体单位以及国家安全管理部门重点进行安全管理。所以, 对桥门式起重机金属结构原因引起的安全生产事故进行降低甚至消除就显得十分重要。由于起重设备的特殊性，国家质检部门对起重机械实行强制监管, 即起重机械的制造安装需要国家质检部门按照特种设备安全技术规范的要求进行监督检验。下文通过某大型钢厂桥式起重机近期在使用过程中，发现主梁端部靠近大车行走机构附近的下翼缘板有开裂现象，为了防止裂纹进一步扩展，经现场勘察检测，根据缺陷状况，结合现场情况通过分析缺陷产生原因，制定了修复方案。

1 现场检测情况分析

截至到今天，很多人提出了很多不同的疲劳损伤理论。通常我们认为零件疲劳发生的过程是由零件裂纹萌生、扩展以及最终断裂等组成的。从工程应用的角度出发，把开始产生 0.1mm

长度疲劳裂纹的应力循环周次，作为裂纹萌生的孕育期。下图就是常见的裂纹疲劳断裂的断口。粗糙表面是最终的撕裂带，而光滑的贝壳纹是疲劳扩展区。感谢电子显微镜的出现，人们可以清楚地洞察金属细微结构，不计其数的电子显微镜的观察指出，常见的裂纹起始存在三种主要类型的疲劳裂纹成核区域。分别是驻留滑移带、晶粒间界和表面夹杂物。还有一个不容忽视的现象，现在的金属材料很多都不同程度地存在各种非金属夹杂物，而且为了强化金属材料，工程师们往往使材料中形成第二相—强化相（如弥散状或大颗粒状的强化相）。这些夹杂物和强化相与基体相交的界面也能成为疲劳裂纹优先萌生的部位。从非金属夹杂物处萌生疲劳裂纹大致可分为两种情况：夹杂物本身开裂，夹杂物与金属本体之间界面的脱开。无论哪种情况，它都类似于异物的存在，容易造成应力集中。

第１３卷第３２期２０１３年１１月　１６７１—１８１５（２０１３）３２—９５０８—０６　科学技术与工程　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖ０ｌ＿１３　Ｎｏ．３２　Ｎｏｖ．２０１３　⑥２０１３　Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｒｇ．　

仪表技术　

岸边集装箱起重机大车最佳起　

制动加速度研究　

梅潇王新源　

（上海海事大学物流工程学院，上海２０１３０６）　

摘要保证起制动时间和平稳运行速度不变，采用矩形、三角形、抛物线形以及正弦形加速度曲线利用ＡＮＳＹＳ软件对岸桥　整机的起制动过程进行瞬态动力响应分析比较。分析表明，正弦形加速度曲线能够有效的控制岸桥整机沿大车方向上的晃　动量，同时减小冲击载荷。给出了门框立柱的晃动量和前大梁端部晃动量之间的关系，使设计工程师在设计初期就能够充分　

地了解起重机的动力学特性，减小前大梁的晃动量，改善岸桥的操作性能。　关键词集装箱起重机　可控起制动　加速度曲线　中图法分类号ＴＨ２１５；　文献标志码Ａ　

岸边集装箱起重机（后简称岸桥）是港口码头　前沿的关键设备。它作为海洋运输的重要环节，承　

担着连接水陆运输的重任。海上航运事业的发展，　

推动着起重机正向大型化、高参数、高效化、低能耗　

方向发展。不仅要求起重机的自重轻、刚度特性良　

好、作业范围广，而且为了提高码头、堆场的作业效　

率，在提高各机构速度的同时，对岸桥的动态特性　

要求也越来越高。随着大车运行机构起制动加速　

度的增大，大车运行机构起、制动时，前后大梁、门　

框系统将产生绕铅垂轴的扭曲变形，导致结构出现　

较大的应力和变形。变形和晃动不仅增加了吊具　

准确定位的难度，直接影响生产率的提高；而且变　

形过大，还容易引起结构件或焊缝位置开裂，诱发　

疲劳裂纹扩展，增加了非正常地停机检测维修次　

数，降低了整机的使用寿命，也影响了司机操作的　

舒适性。　

岸桥的晃动，有小车方向的晃动和大车方向的　

晃动。对小车方向的晃动，一些学者投入了大量的　

桥式起重机主梁上翼缘板裂纹分析

摘要：分析某管桩制造企业桥式起重机主梁上翼缘板裂纹产生的原因为跨中起重作业频繁、应力集中，同时轨道接头部位也处于跨中，在轮压作用下，上翼缘板受交变剪切应力作用，材料疲劳开裂。

同时提出切实可行的修复要点，为管桩制造企业起重机安全作业具有重要的意义。

关键词：桥式起重机；上翼缘板；疲劳裂纹；交变剪切应力

概论

近期笔者在某管桩制造企业离心机车间起重机定检是发现该起重机上翼缘板出现裂纹，笔者当即通知该企业停止使用，并根据该企业作业特性及起重机上翼缘板受力、轨道布置等情况对裂纹的成因进行分析，提出了修复要点及注意事项，对管桩制造企业起重机安全作业具有重要的意义。

1.起重机情况和裂纹描述

1.1 现场起重机情况

该台型号为QD7.5+7.5-21.5A6的偏轨箱形梁桥式起重机自2005年06月起用于该管桩企业离心机车间吊运管桩，其工作级别为A6级，实际作业特点是作业频繁，满载率高，繁忙时连续24小时作业，实际使用等级达到A7级，而且小车轨道接口正处于跨中，此处正是第三道管道模离心机的位置。

1.2 主梁上翼缘板裂纹描述

现场发现在两根主梁小车运行轨道接头部位上翼缘板均有开裂（如图1），南侧主梁上翼缘板横向裂纹2个，裂纹长度为45mm和35mm、纵向裂纹2个，裂纹长度为50mm和60mm；北侧主梁上翼缘板横向裂纹2个，裂纹长度为70mm和30mm；南侧主 梁上翼缘板裂纹向外侧延伸至主梁外侧腹板，裂纹长度为200mm左右。主梁上供度符合要求，主梁下翼缘板情况良好。

图1

2.主梁上翼缘板裂纹成因分析和修复要点

2.1上翼缘板开裂点受力分析

该起重机主梁受自重载荷、额定载荷、起升动载荷（动载系数取1.2）、惯性载荷、偏斜运行侧向力、半偏轨引起的主梁扭转载荷等载荷作用，其最大弯矩在

跨中，根据其主梁内力在跨中对主梁点①、②、③（如图2）形成的复合应力折算数据如下：①点：箱形梁上翼缘板受轮压引起的双向弯曲作用时，验算点的折算应力为95.8Mpa；②点：箱形梁下翼缘板边缘折算应力为104.5 Mpa；③点：箱形梁下翼缘板纵向焊缝折算应力为118.3 Mpa；