论文部分内容阅读
【摘 要】因为门座起重机结构大型且复杂，工作级别高，工况复杂，在我们实际使用作业中容易出现各种故障及破坏，以致降低或失去其预定的功能，甚至造成灾难性的事故，使生产过程不能正常运行而造成巨大的经济损失。本文主要对门座起重机结构特点、门座起重机运行状态、门座起重机故障诊断方法以及处理方法做了具体分析，以供参考。
【关键词】门座起重机;金属结构;应力测试;无损检测
一、引言
随着运输物流行业的快速发展，社会对港口门座起重机的依赖性也越高，对设备的安全可靠性要求越高。门座起重机多被用于海港和内河港口等地方工作，门座起重机的运行故障率，安全性，影响作业效率，进而影响港口的经济效益。因此有必要明确门座起重机金属结构故障发生的部位，并有针对性地进行检验和处理。
二、门座起重机金属结构特点
门座起重机的结构分为四大机构，包括起升机构、变幅机构、旋转机构、行走机构。前三个机构为工作机构，行走机构为非工作机构。工作机构中金属结构包括了平衡系统、臂架系统、人字架、回转平台、司机室及机器房等。目前港口采用较多的一种门架结构。其为刚性拉杆四连杆式组合臂架系统，利用铰轴来连接象鼻梁、刚性拉杆与臂架三部分，并与起重机机架组成四连杆机构，这样便可以在变幅过程中实现货物的水平移动，通过杠杆和活动平衡重来保证臂架系统的自重平衡。
三、门座起重机运行状态分析
门座起重机是一种间歇动作的机械，它具有短暂、重复、周期性循环、起制动频繁、冲击载荷大等工作特点，从而容易导致在使用过程中出现意想不到的开裂、变形等，对安全生产造成严重的威胁。
（1）裂缝;根据对设备事故的调查分析（1），疲劳裂纹是门座起重机金属结构最常见和最危险的缺陷，由此引起的故障约占金属结构故障80%以上。门座结构的所有重要部位均有裂纹，通过对全国各主要港口门座起重机金属结构故障的调查和归纳分析（2），裂纹所在部位分布情况分别如下表：
由上数据分析可知，裂纹是门座起重机金属结构的主要故障。门座起重机在运行过程中如果出现了裂纹，就会影响起重机的整体运行，如果裂纹的现象过于严重，还有可能引发安全事故。裂纹产生的原因有：制造时采用的原材料的质量不符合标准要求、机零部件安装不到位、焊接部位的焊接缺、陷焊接工艺等，都有可能导致门座起重机产生裂纹。起重机的作业载荷都比较复杂，在工作过程中不仅要承受的工作荷载，还要承受其他冲击荷载（如风载荷）及热胀冷缩的交变应力等，会使起重机金属结构出现疲劳损伤，进而产生裂纹。另外，因为港口地区是露天作业，在湿度高、盐碱度高等不良天气的影响下，门座起重机会发生一定的锈蚀，久而久之就会加速裂纹的发展，影响起重机的正常使用，缩短起重机的使用寿命。
（2）变形;港口门座起重机受力相对复杂，容易使受力构件产生变形，变形的部位通常位于象鼻梁、大、小拉杆、主臂等部位，变形的原因主要有制造时焊接工艺及焊接缺陷产生的变形，使用时超载引起的结构变形，受外力撞击而产生的变形等。结构变形相对裂纹在规定的载荷下使用出现的较少，但产生的危害同样严重，因此，应加强日常的检查，对相对容易产生裂纹变形的部位多加关注，确保设备的安全使用。
四、起重机金属结构检测方法与设定
起重机涉及的金属结构检测方法：（1）静态应力测试的目的是得知金屬结构关键点的受力情况，从而判断测点处的静强度是否满足要求。（2）动态应力测试的目的是判断结构动强度是否满足工作要求。（3）无损检测的目的是对结构件重要焊缝进行无损探伤抽查检测，观察有无疲劳开裂等现象，以便采取修复加固等有效措施。（4）对主梁上拱度及受载后的挠度的测量是为了判断上拱和挠度值是否符合起重机相关标准规定。
为使门座起重机的结构强度达到其日常工作的要求，在测试的过程中要尽可能的设置与实际工作状态更接近的工况。应力检测需要在起重机静载和动载两大类工况下进行，依据仪器所记录的应力曲线读取应力最大峰值和应力稳态值并计算应力对比值（应力最大峰值/应力稳态值）。
五、门机金属结构检验结果对比
1.应力测试。本次测试采用电阻应变方法，即在所需测量的位置布置相应数量的电阻应变片，利用应变片所具有的金属应变电阻效应，测取、记录测点处应变值的大小，并应用虎克定律计算得到各测点处应力值的大小。
2.结果分析
2.1应力测试结果分析。实际测得的测试数据可以得出：该起重机在满载作用下，最大应力出现在起重机门座腿上部与上支承环联接的截面，起重臂处在225°位置时，该截面的应力最大值为120.5 MPa，该门座腿采用Q235材质的钢板焊接而成，由负重载荷引起的应力未超出材料常温下的许用应力（[σ1]=156.7 MPa）。其次，臂架与行走机构平衡梁受力相对较大。由应力结果来看，最大应力值出现在门腿与上支承环连接处，由负载引起的应力最大值为-101.22 MPa。由表3可知，最大应力值出现在门腿与上支承环连接处，由负载引起的应力最大值为-44.52 MPa。
2.2无损测试结果分析。（1）门机检测中发现裂纹5处，表面气孔、夹渣、咬边等多处，裂纹大多产生于起重机金属结构受拉或剪切正应力及台车中部支承轴补强板等应力集中的焊缝处，穿透性裂纹出现在回转平台与门腿结合面焊缝处及人字架底部偏上变截面处，出现穿透性裂纹的两个部位在起重机的使用过程中不断承受交变载荷，发生疲劳破坏，撕裂了此处全厚度钢板长度分别达110 mm和70 mm，并有向内扩展的趋势。全部的5处裂纹均已及时提出整改要求，深度较浅的经打磨后加焊补，裂纹深度超过母材公称壁厚10%或超过2 mm的及穿透性裂纹均采用碳弧气刨，按要求将裂纹全部刨除，并按要求刨出坡口，并用角磨机打磨去除渗碳层后按工艺要求实施多层堆焊成形，经探伤复检后未发现新超标缺陷。在原缺陷产生位置处的焊缝表面及近表面处的缺陷得到消除，保障了本部份金属结构的安全使用。（2）门机检测中发现2处较大裂纹。位置在支腿与上支承环连接板焊接处，裂纹长度分别达430 mm和450 mm。对于这些较大的裂纹缺陷，建议使用单位要找有资质的厂家制定合理的修复工艺措施进行整改，整改后对应位置以及其它相似结构位置还应做为该门座起重机日常管理的监护重点。
结语
总之，该方法对门座起重机金属结构的静载、动载应力情况进行检测与分析，可以较客观准确地判定起重机金属结构的强度是否满足工作要求。在检验中可以准确的检测出裂纹、变形或较大的风险点，是检验结果的准确性、真实性的有效依据，确保港口作业起重机的结构安全性，对门座起重机的检验有重要意义。
参考文献：
[1]赵章焰.机械承载结构裂纹诊断控制与维修方法的研究及应用.2001.2
[2]运向勇.深圳市港口起重机安全状况及分析.起重运输机械，2000.1
[3]张海洋.浅谈门座起重机金属结构检验方法.2018.
[4]刘红英，探讨门座起重机金属结构检验方法研究.2017.
（作者单位：海南省锅炉压力容器与特种设备检验所）
【关键词】门座起重机;金属结构;应力测试;无损检测
一、引言
随着运输物流行业的快速发展，社会对港口门座起重机的依赖性也越高，对设备的安全可靠性要求越高。门座起重机多被用于海港和内河港口等地方工作，门座起重机的运行故障率，安全性，影响作业效率，进而影响港口的经济效益。因此有必要明确门座起重机金属结构故障发生的部位，并有针对性地进行检验和处理。
二、门座起重机金属结构特点
门座起重机的结构分为四大机构，包括起升机构、变幅机构、旋转机构、行走机构。前三个机构为工作机构，行走机构为非工作机构。工作机构中金属结构包括了平衡系统、臂架系统、人字架、回转平台、司机室及机器房等。目前港口采用较多的一种门架结构。其为刚性拉杆四连杆式组合臂架系统，利用铰轴来连接象鼻梁、刚性拉杆与臂架三部分，并与起重机机架组成四连杆机构，这样便可以在变幅过程中实现货物的水平移动，通过杠杆和活动平衡重来保证臂架系统的自重平衡。
三、门座起重机运行状态分析
门座起重机是一种间歇动作的机械，它具有短暂、重复、周期性循环、起制动频繁、冲击载荷大等工作特点，从而容易导致在使用过程中出现意想不到的开裂、变形等，对安全生产造成严重的威胁。
（1）裂缝;根据对设备事故的调查分析（1），疲劳裂纹是门座起重机金属结构最常见和最危险的缺陷，由此引起的故障约占金属结构故障80%以上。门座结构的所有重要部位均有裂纹，通过对全国各主要港口门座起重机金属结构故障的调查和归纳分析（2），裂纹所在部位分布情况分别如下表：
由上数据分析可知，裂纹是门座起重机金属结构的主要故障。门座起重机在运行过程中如果出现了裂纹，就会影响起重机的整体运行，如果裂纹的现象过于严重，还有可能引发安全事故。裂纹产生的原因有：制造时采用的原材料的质量不符合标准要求、机零部件安装不到位、焊接部位的焊接缺、陷焊接工艺等，都有可能导致门座起重机产生裂纹。起重机的作业载荷都比较复杂，在工作过程中不仅要承受的工作荷载，还要承受其他冲击荷载（如风载荷）及热胀冷缩的交变应力等，会使起重机金属结构出现疲劳损伤，进而产生裂纹。另外，因为港口地区是露天作业，在湿度高、盐碱度高等不良天气的影响下，门座起重机会发生一定的锈蚀，久而久之就会加速裂纹的发展，影响起重机的正常使用，缩短起重机的使用寿命。
（2）变形;港口门座起重机受力相对复杂，容易使受力构件产生变形，变形的部位通常位于象鼻梁、大、小拉杆、主臂等部位，变形的原因主要有制造时焊接工艺及焊接缺陷产生的变形，使用时超载引起的结构变形，受外力撞击而产生的变形等。结构变形相对裂纹在规定的载荷下使用出现的较少，但产生的危害同样严重，因此，应加强日常的检查，对相对容易产生裂纹变形的部位多加关注，确保设备的安全使用。
四、起重机金属结构检测方法与设定
起重机涉及的金属结构检测方法：（1）静态应力测试的目的是得知金屬结构关键点的受力情况，从而判断测点处的静强度是否满足要求。（2）动态应力测试的目的是判断结构动强度是否满足工作要求。（3）无损检测的目的是对结构件重要焊缝进行无损探伤抽查检测，观察有无疲劳开裂等现象，以便采取修复加固等有效措施。（4）对主梁上拱度及受载后的挠度的测量是为了判断上拱和挠度值是否符合起重机相关标准规定。
为使门座起重机的结构强度达到其日常工作的要求，在测试的过程中要尽可能的设置与实际工作状态更接近的工况。应力检测需要在起重机静载和动载两大类工况下进行，依据仪器所记录的应力曲线读取应力最大峰值和应力稳态值并计算应力对比值（应力最大峰值/应力稳态值）。
五、门机金属结构检验结果对比
1.应力测试。本次测试采用电阻应变方法，即在所需测量的位置布置相应数量的电阻应变片，利用应变片所具有的金属应变电阻效应，测取、记录测点处应变值的大小，并应用虎克定律计算得到各测点处应力值的大小。
2.结果分析
2.1应力测试结果分析。实际测得的测试数据可以得出：该起重机在满载作用下，最大应力出现在起重机门座腿上部与上支承环联接的截面，起重臂处在225°位置时，该截面的应力最大值为120.5 MPa，该门座腿采用Q235材质的钢板焊接而成，由负重载荷引起的应力未超出材料常温下的许用应力（[σ1]=156.7 MPa）。其次，臂架与行走机构平衡梁受力相对较大。由应力结果来看，最大应力值出现在门腿与上支承环连接处，由负载引起的应力最大值为-101.22 MPa。由表3可知，最大应力值出现在门腿与上支承环连接处，由负载引起的应力最大值为-44.52 MPa。
2.2无损测试结果分析。（1）门机检测中发现裂纹5处，表面气孔、夹渣、咬边等多处，裂纹大多产生于起重机金属结构受拉或剪切正应力及台车中部支承轴补强板等应力集中的焊缝处，穿透性裂纹出现在回转平台与门腿结合面焊缝处及人字架底部偏上变截面处，出现穿透性裂纹的两个部位在起重机的使用过程中不断承受交变载荷，发生疲劳破坏，撕裂了此处全厚度钢板长度分别达110 mm和70 mm，并有向内扩展的趋势。全部的5处裂纹均已及时提出整改要求，深度较浅的经打磨后加焊补，裂纹深度超过母材公称壁厚10%或超过2 mm的及穿透性裂纹均采用碳弧气刨，按要求将裂纹全部刨除，并按要求刨出坡口，并用角磨机打磨去除渗碳层后按工艺要求实施多层堆焊成形，经探伤复检后未发现新超标缺陷。在原缺陷产生位置处的焊缝表面及近表面处的缺陷得到消除，保障了本部份金属结构的安全使用。（2）门机检测中发现2处较大裂纹。位置在支腿与上支承环连接板焊接处，裂纹长度分别达430 mm和450 mm。对于这些较大的裂纹缺陷，建议使用单位要找有资质的厂家制定合理的修复工艺措施进行整改，整改后对应位置以及其它相似结构位置还应做为该门座起重机日常管理的监护重点。
结语
总之，该方法对门座起重机金属结构的静载、动载应力情况进行检测与分析，可以较客观准确地判定起重机金属结构的强度是否满足工作要求。在检验中可以准确的检测出裂纹、变形或较大的风险点，是检验结果的准确性、真实性的有效依据，确保港口作业起重机的结构安全性，对门座起重机的检验有重要意义。
参考文献：
[1]赵章焰.机械承载结构裂纹诊断控制与维修方法的研究及应用.2001.2
[2]运向勇.深圳市港口起重机安全状况及分析.起重运输机械，2000.1
[3]张海洋.浅谈门座起重机金属结构检验方法.2018.
[4]刘红英，探讨门座起重机金属结构检验方法研究.2017.
（作者单位：海南省锅炉压力容器与特种设备检验所）