基于有限元分析和实测的起重机裂纹原因研究

基于有限元分析和实测的起重机裂纹原因研究
发布时间：2021-11-15T03:08:31.521Z 来源：《中国科技人才》2021年第22期作者：孟海涛[导读] 结构件中的裂纹问题是影响其安全工作的一个重要隐患，因此，一直以来，起重机结构部件的裂纹问题都受到应用行业的关注，结构部件出现裂纹对起重机使用的安全性和效率都会产生不利的影响，所以，对起重机结构部件的裂纹原因需要进行全面的掌握，依照相关的裂纹情况制定出解决方案。

本文主要基于有限元分析和实测方法进行研究，以供参考。

浙江省特种设备科学研究院浙江杭州 310020
摘要：结构件中的裂纹问题是影响其安全工作的一个重要隐患，因此，一直以来，起重机结构部件的裂纹问题都受到应用行业的关注，结构部件出现裂纹对起重机使用的安全性和效率都会产生不利的影响，所以，对起重机结构部件的裂纹原因需要进行全面的掌握，依照相关的裂纹情况制定出解决方案。

本文主要基于有限元分析和实测方法进行研究，以供参考。

关键词：起重机裂纹；有限元分析；实测；原因
结构部件由于受到低于材料屈服极限的交变应力的循环作用，经过一定的时间，在应力集中部位就容易出现裂纹，而裂纹在一定条件下扩展，就会发生断裂，对结构部件工作的安全性产生影响。

起重机中的部分重要结构部件，由于受到多方面因素的影响，就容易产生裂纹问题。

如果在使用或者检验中没有及时发现，就容易引发安全事故，因此，对裂纹的原因需要充分掌握，并采取合理的措施进行修补。

1.设备概况
某起重机设备投入使用后，主要是用于吊运水泥、砂石、煤以及其他，基本上都是抓斗工况，日工作时间达到15小时，每小时循环作业次数大概达到24次，年平均装卸量为3O万吨。

经过一段时间的使用后，对起重机的支腿和支撑环连接处进行直接检查和无损检测后发现有多条裂纹存在，其中有焊缝出现穿透性裂纹，裂纹长度最大达到550mm。

通过检验数据的统一调查，发现这一起重机在服役10年后就会经常发生裂纹故障，具有普遍性。

2.基于有限元分析和实测的裂纹原因
2.1设计方面的原因
对相同型号的起重机进行有限元建模分析，如下图1所示，该区域的应力值为113MPa。

使用电测法进行应力测试，测到该处承受的交变应力，最大拉应力为96.6MPa，最大压应力为108.9MPa。

从有限元分析和实测表明，该位置处的拉应力虽然较大，但是没有超过允许的应力范围，假设结构部件只承受静态单向应力，这种情况下应该不会出现裂纹[1]。

图2是应力测试结果曲线图，从中能够看出该部位承受较大且对结构具有严重损伤的交变荷载，实测的最大应力幅值为205.5MPa。

图2 动态应力测试结果曲线图
由于受到交变应力的作用，材料会产生疲劳破坏，当结构材料承受的交变应力和静态荷载下极限强度相差较大时，就会产生破坏[2]。

依照循环应力作用的大小，包含应变疲劳和应力疲劳。

如果屈服应力大，就属于应力疲劳。

相反，材料屈服后应变变化较大，属于应变疲劳。

从该起重机有限元分析结果和实测应力值情况来看，循环应力的最大值要比屈服应力小，属于应力疲劳，因此，结构部件存在设计上的不足，导致容易出现裂纹。

2.2操作使用频次过多
该起重机的整机工作级别为A6，吊运的荷载通常属于中等额定荷载，依照相关的设计规范，起重机总的作业循环次数为1×106的，使用年限达到18年，根据起重机操作使用的工况情况进行计算，实际的作业循环次数已经超过标准值，在较大交变应力值下经过较长时间的作业，就会容易出现裂纹。

2.3焊缝质量不足
起重机的结构部件由于承受交变应力，在应力集中的部位就容易出现裂纹，而且受外力作用，裂纹会进一步扩展，通过对裂纹处去油漆发现，裂纹部位的焊缝表面存在不同的缺陷，比如夹杂、气孔等，由此可以得知，起重机结构部件出现裂纹的一个原因是焊缝质量不达标。

2.4结构受力不平衡
起重机应用的地方存在沉降问题，而且具有较大的位移，经过较长时间后，起重机轨道的高低差就会出现，通过现场实测可以得知，该起重机轨道两侧相同截面下高低差最大值为25mm，这样起重机在工作时就会受到不均衡的应力，从而使裂纹进一步扩展。

2.5材料原因
起重机在投入使用后，结构部件会承受荷载，而且随着时间的延长，在循环荷载、机械荷载、温度、腐蚀等环境条件下，结构材料会受到损伤，使其机械性能受到影响，材料强度降低，表现出较大的脆性。

而且结构部件在承载较长时间同时具有裂纹的情况下，性能下降速度更快。

另外，起重机在复杂工况下长时间使用，就会容易出现板材问题，而且门架开孔位置如果缺乏合理的选择，受集中荷载的作用，焊缝和母材容易开裂。

3.起重机结构裂纹的预防和检修
3.1预防措施
为了有效防范起重机裂纹的出现，需要结合裂纹发生的原因，制定出结构改良、分散受力的方案，以降低交变应力值，同时对起重机结构部件进行更加全面的检测和安全性能评估。

在起重机的运行过程中，要定期对重点部位进行检验，并且采取相应措施降低附加应力。

如操作过程中尽可能避免急开急刹；起重机转柱下大轴承安装要确保水平度和同轴度；对大车轨道同一截面高低差进行调整。

3.2检修方式
通过无损检测方式进行结构检验，使用磁粉检测的方法明确结构部件裂纹的长度[3]。

然后对开裂的位置进行处理，在裂纹末端开止裂孔椎，通过气刨方式将焊缝开裂部位进行清除，使用打磨机在材料上开坡口，使用氩弧焊进行打底处理，焊接区进行预热，使用双面焊，没有焊接的一侧需要预热300-400℃。

单面焊需要要焊接位置的两侧进行300-400℃的预热。

焊接区域在冷却后排除焊渣、焊瘤等影响焊缝质量因素。

对焊缝位置处进行气刨后，不需要进行再次补焊，只需要进行圆角处理，将尖角和应力集中点进行去除。

在经过检修后，再次进行无损检测，保证修补的质量达标。

如果存在缺陷，需要二次处理，直到质量达标。

需要补焊处理的，在完成补焊操作后，需要在相应部位增加筋板，并且在无损检测合格后进行防锈、防腐蚀处理，注意相关的处理措施要达到标准要求。

结束语：
综上所述，起重机发生裂纹的部位通常都是在结构承载的关键位置，对起重机工作的安全性存在较大的影响，结构出现裂纹并扩展到较严重的程度后，就容易发生安全事故，造成较大的损失。

所以，对起重机裂纹发生的原因需要进行全面掌握，通过有限元分析和实测，分析了起重机裂纹原因，并提出对其预防和补修的措施，以良好的控制起重机裂纹问题，保证设备工作的安全性。

参考文献：
[1]冯平.有限元分析在起重机箱梁裂纹修复中的应用[J].金属世界,2016,000(004):56-58.
[2]刘亚东.基于近场动力学与有限元混合模型的起重机主梁裂纹扩展研究[J].2019.
[3]文鹏.起重机结构强度有限元分析[J].黑龙江科技信息,2017(19).。