起重機自重應力對安全評估中 應力測試實驗結果的影響
何 山 江愛華廣州特種機電設備檢測研究院 廣州 510663
摘 要：應力測試是起重機安全評估中必須進行的一項檢測。目前在安全評估工作中常採用應變電測法來採集起重機工作過程中的應力時程數據，由於該方法只能採集到結構由於載荷變化產生的應力，而無法採集到結構因自重產生的應力，導致應力測試無法獲取結構的完整應力。利用起重機金屬結構自重應力在總應力中佔有的權重，分析其對應力測試實驗結果的影響大小，試驗結果表明在危險截面自重應力大小佔總應力大小可達60%，此時不考慮自重應力進行結構安全性的判定是不全面的。可考慮利用仿真技術獲取自重應力[1，2]，從而使得安全評估應力測試實驗結論更加準確。
關鍵詞：起重機； 自重應力； 應力測試
中圖分類號：TH213.5 文獻標識碼：A 文章編號：1001-0785（2020）05-0080-03
隨着起重機保有量迅速增加，大量起重機服役時間超過30 a，這些起重機由於長期服役，其金屬結構性能出現不同程度退化。爲這類起重機進行安全評估工作，是目前特種設備行業普遍做法。安全評估尚未有國家標準，但部分地區安全評估標準中明確要求安全評估必須進行應力測試實驗。應力測試實驗採集起重機金屬結構在動態載荷作用下的應力時間歷程，以此判定結構的安全性，顯然這是不夠的。起重機械金屬結構由於自重較大，產生較大的自重應力，在安全評估過程中是不可忽略的。本文以一臺900 t 門式起重機爲例，說明自重應力對應力測試實驗結果的影響。
1 應力測試應力測試的一般步驟[3]：1）設計測試工況，測試工況應能代表起重機實際工作過程中能遇到的最危險極端工況；2）選取測量點，測量點應選擇結構在設計中所確定的最大應力處；3）貼片，連接採集儀器；4）數據採集；5）數據分析；6）撰寫測試報告。門式起重機工作時的危險工況如圖1、圖2 所示[4]。
圖1 小車位於跨中時的彎矩圖
圖2 小車位於懸臂端時的彎矩圖
2 自重應力測試起重機安裝完成之後要測量其自重應力非常困難，故本次測試在起重機安裝過程中進行。提升鋼絲繩懸掛點位於門腿支撐處，故可以較好的模擬起重機安裝完成後的自重應力。
2.1 選點及工況自重應力測試是在起重機主樑安裝之前開始，採用應變電測法。主樑放置於胎架之上時，認爲此時結構自重應力爲0。選取跨中位置，主樑下蓋板邊緣20 mm 處作爲測量點，左右各佈置2 個測量點。測試過程中主樑由鋼絲繩提升，提升力逐步增加至主樑離地。測點佈置如圖3 所示。
a) 測試主樑示意圖
b) 測點位置與編號圖3 測試主樑及其位置示意圖
2.2 測試結果與分析根據所測應變大小轉換成應力，得到整個提升過程中2 個測量點的應力變化時程曲線，如圖4 所示。
圖4 主樑提升過程產生的自重應力
由圖4 可見，提升過程歷時約1 800 s，提升過程中應力振動較大，主要是因爲主樑自重較大，提升起重機結構及提升鋼絲繩因而產生一定彈性變性，導致測量點處應力出現較明顯的振動。二處測量點最大應力分別爲52.9 MPa 和56.12 MPa。
3 安全評估應力測試安全評估應力測試的目的是測量結構在載荷作用下的應力時間歷程，結合材料疲勞程度對結構安全性進行評價。應力測試理論上應採集到結構上的實際應力，而實際測試中只能採集到結構在動態載荷作用下的應力。一般在起重機工作過程中，採集起重機結構在無風靜載荷和有風動載荷工況下的應力時間歷程。
3.1 測試工況根據GB/T 3811—2008《起重機設計規範》，設置工況如表1 所示。
3.2 測試結果
圖5 工況1 測量點1、2 應力時間歷程
圖6 工況2 測量點1、2 應力時間歷程
4 影響分析通過自重應力測試與安全評估應力測試的對比發現，自重作用力的最大應力爲56.12 MPa，而安全評估應力測試實驗中最大應力爲99.6 MPa。自重應力佔總應力達36.03%，佔比較大。在進行結構強度分析的時候，自重應力必不可少。
安全評估應力測試另一目的是評估結構的剩餘疲勞壽命。目前較通用的評估理論是疲勞累積損傷理論，根據該理論結構的疲勞壽命與結構承受的應力循環有關，而此應力循環只與應力的變化大小有關。因此，利用安全評估應力測試所獲取的應力數據來進行結構的剩餘疲勞壽命理論上是正確的。
由以上分析可知，在進行安全評估過程中，對起重機結構進行強度分析，必須考慮結構的自重應力。而對起重機結構剩餘疲勞壽命評估，則可以不考慮自重應力。
5 結論通過對典型案例的分析發現：結構上自重應力分佈大小與結構型式有關；在危險截面自重應力大小佔總應力大小可達60%，此時不考慮自重應力進行結構安全性的判定是不全面的；自重應力仿真分析與實際測量值非常接近，實際評估過程中由於不具備測試自重應力的條件，可考慮使用仿真計算結果作爲數據來源。
參考文獻[1] 陳敏, 黃國健, 吳粵平, 等. 基於有限元的門座起重機結構強度分析及應力測試[J]. 自動化與信息工程,2013,34(4):31-34.[2] 胡靜波, 倪大進, 李泉. 桅杆起重機結構強度仿真分析與應力測試[J]. 起重運輸械,2015(10):85-90.[3] 黃國健, 劉柏清, 王新華, 等. 在役門座式起重機應力測試技術探討[J]. 自動化與信息工程,2011,32(6):29-31.[4] 洪正, 王鬆雷. 門式起重機金屬結構應力測試及分析[J].機械研究與應用,2012(6):81-83.