起重机自重应力对安全评估中 应力测试实验结果的影响

何 山 江爱华
广州特种机电设备检测研究院 广州 510663

摘 要：应力测试是起重机安全评估中必须进行的一项检测。目前在安全评估工作中常采用应变电测法来采集起重机工作过程中的应力时程数据，由于该方法只能采集到结构由于载荷变化产生的应力，而无法采集到结构因自重产生的应力，导致应力测试无法获取结构的完整应力。利用起重机金属结构自重应力在总应力中占有的权重，分析其对应力测试实验结果的影响大小，试验结果表明在危险截面自重应力大小占总应力大小可达60%，此时不考虑自重应力进行结构安全性的判定是不全面的。可考虑利用仿真技术获取自重应力[1，2]，从而使得安全评估应力测试实验结论更加准确。

关键词：起重机； 自重应力； 应力测试

中图分类号：TH213.5 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）05-0080-03

随着起重机保有量迅速增加，大量起重机服役时间超过30 a，这些起重机由于长期服役，其金属结构性能出现不同程度退化。为这类起重机进行安全评估工作，是目前特种设备行业普遍做法。安全评估尚未有国家标准，但部分地区安全评估标准中明确要求安全评估必须进行应力测试实验。应力测试实验采集起重机金属结构在动态载荷作用下的应力时间历程，以此判定结构的安全性，显然这是不够的。起重机械金属结构由于自重较大，产生较大的自重应力，在安全评估过程中是不可忽略的。本文以一台900 t 门式起重机为例，说明自重应力对应力测试实验结果的影响。

1 应力测试
应力测试的一般步骤[3]：1）设计测试工况，测试工况应能代表起重机实际工作过程中能遇到的最危险极端工况；2）选取测量点，测量点应选择结构在设计中所确定的最大应力处；3）贴片，连接采集仪器；4）数据采集；5）数据分析；6）撰写测试报告。门式起重机工作时的危险工况如图1、图2 所示[4]。

图1 小车位于跨中时的弯矩图

图2 小车位于悬臂端时的弯矩图

2 自重应力测试
起重机安装完成之后要测量其自重应力非常困难，故本次测试在起重机安装过程中进行。提升钢丝绳悬挂点位于门腿支撑处，故可以较好的模拟起重机安装完成后的自重应力。

2.1 选点及工况
自重应力测试是在起重机主梁安装之前开始，采用应变电测法。主梁放置于胎架之上时，认为此时结构自重应力为0。选取跨中位置，主梁下盖板边缘20 mm 处作为测量点，左右各布置2 个测量点。测试过程中主梁由钢丝绳提升，提升力逐步增加至主梁离地。测点布置如图3 所示。

a) 测试主梁示意图

b) 测点位置与编号
图3 测试主梁及其位置示意图

2.2 测试结果与分析
根据所测应变大小转换成应力，得到整个提升过程中2 个测量点的应力变化时程曲线，如图4 所示。

图4 主梁提升过程产生的自重应力

由图4 可见，提升过程历时约1 800 s，提升过程中应力振动较大，主要是因为主梁自重较大，提升起重机结构及提升钢丝绳因而产生一定弹性变性，导致测量点处应力出现较明显的振动。二处测量点最大应力分别为52.9 MPa 和56.12 MPa。

3 安全评估应力测试
安全评估应力测试的目的是测量结构在载荷作用下的应力时间历程，结合材料疲劳程度对结构安全性进行评价。应力测试理论上应采集到结构上的实际应力，而实际测试中只能采集到结构在动态载荷作用下的应力。一般在起重机工作过程中，采集起重机结构在无风静载荷和有风动载荷工况下的应力时间历程。

3.1 测试工况
根据GB/T 3811—2008《起重机设计规范》，设置工况如表1 所示。

3.2 测试结果

图5 工况1 测量点1、2 应力时间历程

图6 工况2 测量点1、2 应力时间历程

4 影响分析
通过自重应力测试与安全评估应力测试的对比发现，自重作用力的最大应力为56.12 MPa，而安全评估应力测试实验中最大应力为99.6 MPa。自重应力占总应力达36.03%，占比较大。在进行结构强度分析的时候，自重应力必不可少。

安全评估应力测试另一目的是评估结构的剩余疲劳寿命。目前较通用的评估理论是疲劳累积损伤理论，根据该理论结构的疲劳寿命与结构承受的应力循环有关，而此应力循环只与应力的变化大小有关。因此，利用安全评估应力测试所获取的应力数据来进行结构的剩余疲劳寿命理论上是正确的。

由以上分析可知，在进行安全评估过程中，对起重机结构进行强度分析，必须考虑结构的自重应力。而对起重机结构剩余疲劳寿命评估，则可以不考虑自重应力。

5 结论
通过对典型案例的分析发现：结构上自重应力分布大小与结构型式有关；在危险截面自重应力大小占总应力大小可达60%，此时不考虑自重应力进行结构安全性的判定是不全面的；自重应力仿真分析与实际测量值非常接近，实际评估过程中由于不具备测试自重应力的条件，可考虑使用仿真计算结果作为数据来源。

参考文献
[1] 陈敏, 黄国健, 吴粤平, 等. 基于有限元的门座起重机结构强度分析及应力测试[J]. 自动化与信息工程,2013,34(4):31-34.
[2] 胡静波, 倪大进, 李泉. 桅杆起重机结构强度仿真分析与应力测试[J]. 起重运输械,2015(10):85-90.
[3] 黄国健, 刘柏清, 王新华, 等. 在役门座式起重机应力测试技术探讨[J]. 自动化与信息工程,2011,32(6):29-31.
[4] 洪正, 王松雷. 门式起重机金属结构应力测试及分析[J].机械研究与应用,2012(6):81-83.