第３７卷第１期 ２０１６年１月 甲国水 Ｚｈ０ｎｇＧｕｏＳｈｕｉＹｕｎ ＤＯＩ编码：１０．１３６４６／ｊ．ｅｎｋｉ．４２－１３９５／ｕ．２０１６．０１．０１７ 桥式抓斗卸船机裂纹机理分析及相应设备管理建议 祖洪戴 （南京明州码头有限公司，江苏南京２１００００ 摘要：本文结合国内某港口桥式抓斗卸船机出现的问题，详细描述疲劳裂纹的类型、产生原因及扩展 机理，并从裂纹尖端的应力强度因子Ｋ的角度分析了裂纹扩展的条件，带裂纹构件的寿命估计计算，这 可用于生产实际的机械金属结构裂纹分析及设备的管理过程，同时也针对性的提出设备管理建议。 关键词：港口；桥式抓斗卸船机；裂纹 中图分类号：Ｕ６５７．３ 文献标识码：Ａ 大量的港口起重机事故是由于金属结构失效引起 的。对于桥式起重机械的钢结构来讲，裂纹、断裂、变 形与锈蚀是起重机钢结构安全运行的四大危害因素。其 中锈蚀和变形过程时间比较长，特征明显，容易被提前 发现，采取有效措施进行控制和修复。但是裂纹的发生 却具有时间和空间的不确定性，因此金属结构的裂纹更 加为人所重视。不仅如此，金属结构产生裂纹也是这四 种缺陷中最主要的。国内某港口的６台桥式抓斗卸船机 使用至今７年，其卸船机运行台车金属结构出现了８０余 条宏观裂纹，严重威胁了作业安全。 １ 桥式抓斗卸船机运行台车的结构类型及工作 特点 １．１结构类型 运行台车即运行机构的均衡装置，一般为箱型结 构。运行台车与车轮通过轮轴和轴孔连接，各级均衡梁 之间通过销轴连接。销轴连接处轴套与台车架腹板是对 接焊缝。 １．２工作特点 抓斗卸船机的整机载荷，包括自重、起升载荷、风 载荷等，最终由金属结构传到运行台车及车轮，几组运 行台车平均承受整机载荷。 在起重机非工作时，运行台车承受载荷大致不变； 在卸船机起升载荷时，海测运行台车所受压应力增加， 陆侧运行台车所受压应力减小，且都恒为负应力；而卸 载时，海测运行台车所受压应力减小，陆侧运行台车所 受压应力增加。 如此完成一个工作循环，可认为，运行台车工作时 反复承受交变压应力的影响，将成为疲劳裂纹扩展的动 力。而且根据力矩平衡，陆侧运行台车的力臂较海侧 长，固卸船机在加载荷卸载时陆侧压应力变幅更大，也 更容易出现疲劳裂纹。 ２疲劳裂纹 文章编号：１００６－－７９７３（２０１６）Ｏ１—００５９—０３ 疲劳裂纹起源于结构缺陷和应力较高、应力集中的 区域。结构缺陷包括材料本身的缺陷和焊接缺陷。承受 交变应力作用是结构疲劳破坏的首要条件。经摩擦后的 裂纹表面会变得光滑，且愈近裂纹源愈光滑，这就是俗 称的“贝壳线”现象。疲劳裂纹扩展至临界尺寸时，随 着剩余工作截面的减小，应力逐渐增加，裂纹进入加速 扩展阶段。当有效工作截面小到不能承载时，构件在载 荷的冲击下便会发生脆性断裂。在应力集中的区域，例 如承载界面突变处，力流设计不合理，会导致在短时间 内也会出现明显裂纹。 ２．１裂纹尖端应力强度因子 ２．１．１带裂纹构件受力后。裂纹尖端区域产生局部应力 集中现象 裂纹尖端区域应力集中程度与曲率半径有关，裂纹 越尖锐，应力集中的程度就越高。断裂力学表明：当固 体有非常尖锐的裂纹存在时，固体材料的实际断裂强度 较理论断裂强度低得多。 ２．１．２根据线弹性断裂力学，引入应力强度因子Ｋ Ｋ是构件几何、裂纹尺寸与外载荷的函数，表征了裂纹 尖端载荷和变形的强度，是裂纹扩展趋势或者裂纹扩展 推动力的度量。Ｉ型裂纹（张开型裂纹）的裂纹尖端应 力强度因子用 表示： Ｋ Ｉ Ｙ （１） ｏ一名义应力；ａ一裂纹尺寸；Ｙ一为形状系数。 以上参数可通过设计说明或机械设计手册获得。对 于常见的或较简单的应力强度因子，已有应力强度因子 手册作详细介绍。 材料抵抗裂纹扩展的抗力Ｋ 称为材料的断裂韧度 （应力强度因子的临界值），可通过试验测定。 定义脆性断裂的Ｋ准则： Ｋｉ≥（Ｋｃ）ｉ （ｉ＝Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩ） （２） Ｃ≮Ｔ中国：￣２０１６・０１ ５９ 中国水运 ２０１６年第１期 当一个工程结构中存在着初始裂纹时，虽然开始使 在卸船机的一个工作循环内，海测和陆侧的运行台 用时在工作载荷下并不会产生断裂，但是由于绝大多数 工程结构在服役期间都要承受循环式的载荷，在这种载 荷作用下，结构中的初始裂纹将会缓慢增长。一旦外加 载荷与裂纹长度的组合使得应力强度因子达到其临界值 Ｋ。，结构就会失效。 ２．２疲劳裂纹扩展 车承受交变压应力。在卸船机工时，运行台车将反复承 受交变应力，这是疲劳裂纹产生的普遍原因。初步判 定，运行台车焊缝及其附近母材的裂纹是由疲劳产生的。 ３．１ 计算验证 根据第二章，采用应力强度因子简略计算裂纹从初 较，验证裂纹产生的主要原因是否是疲劳。 例： 始长度到现在检测长度的扩展时问，与实际工作时间比 在工程实际中，构件要承载或守循环载荷（疲劳载 荷）的作用。根据裂纹扩展规律，裂纹的扩展有三个阶 段：起裂、亚临界扩展（稳定扩展）、失稳扩展。起初构 以国内某港口６台卸船机中的５号样机的最长裂纹为 表１裂纹检测结论 件中的裂纹很小，没有达到临界尺寸；在载荷作用下裂 纹发生亚临界扩展，最后达到临界裂纹尺寸而失稳扩 展，以致结构完全破坏或失效。从初始裂纹扩展到临界 裂纹长度（即与外载荷组合得到的应力强度因子达到临 界值Ｋ。时的裂纹长度）所需的载荷循环次数，称为结构 的疲劳裂纹扩展寿命。Ｐａｒｉｓ公式指出，应力强度因子是 表征裂纹尖端附近应力、应变长的主要参量，同样也应 该是控制裂纹扩展速率的主要参量，有： ：Ｃ（ＡＫ）“ 式中，ＡＫ＝ＡＫ ｌｘ—ＡＫ 。 为应力强度因子变程，ｃ 和ｎ为材料常数。 对含裂纹的无限大板，有： ＡＫ＝△ｏ、『Ⅱａ （４） ａｃ＝ （５） 式中，Ａｏ＝ 一仃 ｔ 。代入原式，有： ｔｉｌｌ＝ｃ△ａｒｎａ ，２ （６） 该公式适用于宏观裂纹扩展阶段。此时裂纹扩展方 向与拉应力垂直，且为单一裂纹扩展。一般认为 ０．１０ｒａｍ＜口＜ａｅ时为宏观裂纹扩展。 对上式积分，得到裂纹扩展寿命的估计： Ｃ ｎ一 南 了一１（△ａ、 “｝ Ｂ。 ｌｊ ，… 、 式中，ｎ≠２。当１１ ２Ｈ￣，结果为 Ｎ＝三 Ｉｎ ｃ（△蛹 ａＤ （８） ３国 假设运行台车裂纹的产生仅与其工作特点蛰荷特 、载荷特 性有关，则可初步断定裂纹是由长期的交变载荷所引起 的疲劳裂纹，这也是最常见的原因。 ６０ Ｃ Ｔ中国水运２０１６・０１ 序号 焊缝编号 检（测长度 缺陷情况（评定级 ｍｉｌ１） ｍｎ１） 别 评定结果 簖注 轴套下方焊缝裂６１５ｍｍ 不合格 检测结论：发现裂纹．不合格。 做近似处理，认为该裂纹为无限大板的裂纹， 且处于宏观裂纹的扩展阶段，其扩展方向与交变压应力 垂直，为单一裂纹扩展。 已知：卸船机运行台车材料为Ｑ２３５Ａ，根据《机械 设计手册》，Ｑ２３５钢，其材料系数为： 表２ Ｑ２３５材料参数 备注：当△Ｋ＝△ｏ 的单位为ＭＰ ．饰，Ｃ值应乘 以１０～。 根据该卸船机的特点，设计时陆侧运行台车腹板压 应力：（单位：ＭＰａ） 表３运行台车腹板应力 现检测到的裂纹长度为ａ１＝３０７．５ｒａｍ 由公式（１），（２），可计算得当前裂纹长度时的裂 纹强ＫＩ：Ｙｏ ：１×９０× ：８７．３Ｍｐａ ＜Ｋ （９） 该裂纹为一般形态的无限大板的裂纹，取Ｙ＝Ｉ。 因此可知该处裂纹仍处于亚临界扩展状态（稳定扩 展状态），即可根据公式（５），计算得Ｑ２３５材料在该结 构的名义应力作用下的临界裂纹长度： ＫＩＣ ２ａｃ＝ ＴＩＹ 口 ＝ ９０２ × ＝ｏ－…… ６３ｍ＝６３０ｍｍ（１０）ＬｌＵ ａ ‘ ｃ（】。Ｌ ｉＩ ） 由此可知该出裂纹仍在临界裂纹长度之内，且该处 裂纹适用于Ｐａｒｉｓ公式。 戴祖洪：桥式抓斗卸船机裂纹机理分析及相应设备管理建议 确定裂纹初始长度ａｏ： ａ。＝ ＝ ＿０．００２２ｍ＝２．２ｍｍ （１２） 根据公式（７）计算该裂纹从初始裂纹长度ａｏＮ现 检测长度ａｌ的扩展时间： Ｎ＝ 南［（ 一 】 ：２．１１Ｘ１０ （１３） 实际情况下，国内某港口的该卸船机５号样机已工 作７年，每天大约３５０个工作循环，利用率为６０％ ７０％，可计算得到现已消耗寿命Ｎ－： Ｎｉ＝７Ｘ ３６５×３５０Ｘ ７０％＝６．２６Ｘ１０。 （１４） 比较（１３）、（１４）： Ｎ Ｎ （１５） 由此可知，仅由疲劳导致的裂纹扩展寿命远远大于 现已消耗的寿命。 结论：疲劳裂纹扩展寿命远大于现已消耗的寿命， 理论上在现工作循环次数内不应该出现这么长的裂纹。 由此可知初步判定——运行台车焊缝及其附近母材的裂 纹是由疲劳产生的，是不正确的。该处裂纹的扩展，由 交变应力导致的疲劳并非主要原因。 ３．２设计原因分析 既然使用过程中的疲劳并非运行台车腹板裂纹扩展 的主要原因，那么在设计制造过程中是否使得该运行台 车存在缺陷呢？ ３．２．１查阅该卸船机５号样机的运行台车部分的设计图 纸，发现了重大的设计错误 三级平衡梁的腹板与销轴轴套之间采用对接焊缝连 接，且属于厚板与薄板对接。查阅《机械设计手册》及 《起重机械钢结构设计》，对对接焊缝的构造有如下要求： 当采用对接焊缝连接不同厚度或不同宽度的钢板 时，为减少应力集中，应将板的一侧或两侧加工成坡度 不大于１：４的坡度，形成平缓过渡。在改变厚度时，焊缝 的计算厚度取较薄板的厚度。 而该设计图纸表明此处的焊接位置的坡度大于１：４， 因此会引起较大的应力集中，力的传递阻碍打，力流线 不顺畅。经计算，大坪衡梁、中平衡梁、小平衡梁对接 焊位置计算坡度均大于１：４，不符合焊接标准。 ３．２．２坡度对力流的影响 当应力集中在两变截面对接处，轴套传递下来的应 力流向下传递至近母材。当坡度过大时，薄板（腹板） 将承受附加弯矩，且有较大的应力集中，应力不能顺畅 地传导至腹板，易产生开裂甚至断裂；当坡度满足对接 焊标准时，力流线会随坡度缓慢变向汇合，能顺畅地传 导汇集至焊缝及薄板（腹板），这种情况下腹板承力状态 比较良好。 结论：该运行台车的裂纹产生和亚临界扩展（稳定 扩展），在卸船机设计阶段，腹板及轴套对接结构不合 理，导致应力集中，力流线不顺畅是主要原因。 ３．３分析结果 造成运行台车的裂纹产生和亚临界扩展的原因有两 方面。 第一：设计制造阶段，腹板及轴套采用对接焊缝连 接，但结构设计不合理，导致应力集中，力流线不顺 畅，并对腹板的局部区域产生附加弯矩。 第二：运行台车工作中承受交变压应力，由此产生 的疲劳也使得裂纹扩展。 其中，设计错误是根本原因，如果设计中没有较大 的应力集中，仅由疲劳导致裂纹扩展的寿命大大提高， 不会产生宏观长裂纹。 ４设备管理建议 ４．１设备管理中的不足 从国内某港口的卸船机运行台车开裂的分析看，其 在设备管理中存在以下问题： 在对设备的设计制造过程没有做到良好的监督，对 原有的设计单位的图纸没有进行详细的审核。虽然设计 单位在运行台车对接焊缝处的设计不合理，但同时由于 港口企业对设计图纸的审查不到位，造成在使用过程中 不可避免的损失。 日常维护、每月普查中忽视整机金属结构的检查， 只注重经验辨识的危险点。 设备管理过程中没有认真执行规章制度。 ４．２设备管理改善建议 加强设备的初期管理，加强对设备设计、制造阶段 的审核。应理解设备一生的管理概念，每一个环节都是 极为重要的，特别是设备的设计、制造环节的质量好 坏，决定了设备寿命周期费用的多少，应将不必要的损 失扼杀在摇篮之中。 加强使用过程的维护和检查，做到重点检查，全面 兼顾。日常维护、点检以易发生故障或故障修复位置的 检查为主；月检、季检时应对整机进行全面检查，不放 过任何一个故障源。 引进或推进ＴｎＰＭ体系，在人机精细化管理上下功 夫。只有在管理上做到精细，才能从最微小的地方遏制 故障的发生。 ＣＷＴ中国；ｔ￣２Ｏｌ６・０１ ６１
