冶金橋式起重機械疲勞壽命估算

1、冶金橋式起重機械冶金橋式起重機械疲勞壽命疲勞壽命估算估算匯報人：匯報人：陳力陳力2015 年年 10 月月 16日日第一屆全國起重機械安全健康管理技術研討會中國特種設備檢測研究院一、概述二、疲勞熱點區(qū)損傷評價與壽命預測方法三、監(jiān)測數(shù)據(jù)處理四、應用案例五、結(jié)語在起重機械與裝備中，疲勞破壞疲勞破壞事故占機械結(jié)構(gòu)斷裂失效斷裂失效的絕大多數(shù)。疲勞斷裂疲勞斷裂有很大的危險性，在交變載荷交變載荷的作用下，機械結(jié)構(gòu)在接近達到疲勞壽命時，結(jié)構(gòu)上的裂紋會進一步的擴展，造成整個機械的失效。在近代的各個工業(yè)領域中，疲勞破壞疲勞破壞占整個結(jié)構(gòu)失效破壞的80%以上，特別是近些年來，隨著起重機械朝著大型化與高速化的發(fā)展，

2、起重機械結(jié)構(gòu)所承受的載荷越來越大，而且它們的工作環(huán)境也很惡劣，疲勞破壞也變的更加頻繁了。引起疲勞破壞疲勞破壞的最主要原因就是疲勞裂紋疲勞裂紋。由于機械結(jié)構(gòu)在加工制造過程中，不可避免的存在著加渣加渣、焊接不均勻焊接不均勻以及應力集中應力集中等小缺陷問題；再在不斷變化的載荷不斷變化的載荷的作用下，這些小缺陷匯聚形成裂紋，裂紋進一步的擴展，最終導致機械結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。由于起重機結(jié)構(gòu)所承受載荷的頻次程度頻次程度、工作環(huán)境工作環(huán)境、以及保養(yǎng)狀保養(yǎng)狀況況的各不相同；而且截止到現(xiàn)在，國家尚未尚未出臺統(tǒng)一的起重機械報廢起重機械報廢標準標準。所以，尋找一種能夠相對實用、簡便、且科學的預估方法，來估算橋式起重機的

3、剩余壽命剩余壽命就顯得相當重要。疲勞剩余壽命評估步驟名義應力有限壽命設計法是一種使用較早的有限壽命設計方法，常稱為安全壽命設計，它是無限壽命設計法的直接發(fā)展。其設計思想也大體相似，都是從從材材料的料的S-N曲線出發(fā)，再考慮各種影曲線出發(fā)，再考慮各種影響因素，得到零件的響因素，得到零件的S-N曲線，并曲線，并根據(jù)零件的根據(jù)零件的S-N曲線進行抗疲勞設曲線進行抗疲勞設計計。所不同的只是無限壽命設計方法使用的是S-N曲線的水平部分，即疲勞極限；而有限壽命設計使用的是斜線部分。1、名義應力法、名義應力法在程序加載下，若試樣的加載歷史由 ，共l個不同的應力水平構(gòu)成，各應力水平下的疲勞壽命依次為 ，各應力

4、水平下的循環(huán)數(shù)依次為以 ，材料內(nèi)部每個應力水平下的疲勞損傷為當總損傷D滿足下列條件時，就可以預計發(fā)生失效 2、Miner線性累積損傷理論線性累積損傷理論,iii fnDN11,1.0lliiiii fnDDN在起重機械的使用壽命期間，零件受到的載荷一般是是隨時間變化的隨機載荷。對于常幅載荷，無論是否采用平均補償加載，一個循環(huán)的振幅和零件所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)都是可以直接確定的。首先將應力測試采集的應力時間歷程，處理成便于提取循環(huán)數(shù)的數(shù)據(jù)，這個過程包括等值數(shù)壓縮、峰谷值檢測和無效幅值的去除。 等值數(shù)壓縮。將采樣應力時間歷程中，連續(xù)相等的數(shù)據(jù)只保留一個。 峰谷值檢測。將數(shù)據(jù)中的峰谷值提取出來，為下一步無

5、效幅值去除做準備。 去除無效幅值。將應力幅值很小的對疲勞影響不顯著的數(shù)據(jù)元素去除。1、數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)預處理 將譜歷程曲線旋轉(zhuǎn)90放置，如和圖 2 (a)所示。將載荷歷程看作多層屋頂，假想有雨流滴沿最大峰或谷處開始往下流。若無屋頂阻攔，則雨滴反向，繼續(xù)流至端點。 起始于波谷的雨流，遇到比它更低的谷值便停止；起始于波峰的雨流，遇到比它更高的峰值便停止。 當雨流遇到來自上面屋頂流下的雨時就停止流動，并構(gòu)成了一個循環(huán)。 根據(jù)雨滴流動的起點和終點，畫出各個循環(huán)，將所有循環(huán)逐一取出來，并記錄其峰谷值。 每一雨流的水平長度可以作為該循環(huán)的幅值。 如圖所示，得到計數(shù)循環(huán)塊，3-4-3，2-5-2，7-8-7

6、，12-13-12，10-11-10，14-15(1)-14，6-9-6，共7個計數(shù)循環(huán)塊。圖 2 (a)表示原始數(shù)據(jù)點，圖 2 (b)是一次雨流計數(shù)過程，圖 2 (c)-(e)是二次雨流計數(shù)過程。一次雨流計數(shù)后形成圖 2 (c)所示的發(fā)散收斂波，在最大峰值處(數(shù)據(jù)點6)截斷，然后左段與右段對接，形成如圖 2 (d)所示，經(jīng)二次雨流計數(shù)過程完成對接的波形繼續(xù)提取循環(huán)直到剩下三個點(圖 2 (e)，循環(huán)計數(shù)最終完成。2、雨流計數(shù)法、雨流計數(shù)法1、雨流計數(shù)法、雨流計數(shù)法雨流法計數(shù)示意圖應力時間歷程經(jīng)循環(huán)計數(shù)處理之后得到的輸出數(shù)據(jù)文件是整個歷程中各次應力循環(huán)的均值和幅值，不僅數(shù)據(jù)量大，而且是隨機變量

7、，不能用于疲勞分析處理，因此有必要將這些均值和幅值加以整理均值和幅值加以整理，形成可以用于試驗加載的塊狀程序譜塊狀程序譜，以便于壽命估算和疲勞試驗時應用。采用國內(nèi)外廣泛應用的“波動中心”法，將應力譜簡化為一元隨機變量(即僅考慮應力循環(huán)的幅值而不考慮應力循環(huán)的均值)問題，并以波動中心作為應力循環(huán)的靜應力分量，幅值作為應力循環(huán)的動應力分量，將幅值疊加于波動中心之上。3、載荷譜、載荷譜數(shù)據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)合現(xiàn)場的施工環(huán)境和施工時間，經(jīng)與甲方協(xié)調(diào)最終確定以下點為熱點區(qū)域測試點。測試頻率：測試頻率：25cfHz測試時間：測試時間：2014年11月5日11月10日熱點區(qū)域的原始監(jiān)測數(shù)據(jù) 級數(shù)級數(shù)應力幅應力幅

8、(MPa)頻次頻次(/年年)累積頻次累積頻次超值累積頻率超值累積頻率損傷值損傷值111.8933215737301.000E+09.988E-6216.6916425405155.495E-13.928E-5321.495475240903.267E-16.140E-5426.306570186152.525E-12.526E-4531.106570120451.634E-17.040E-4635.91255554757.426E-26.583E-4740.71182529203.960E-21.013E-3845.51010951.485E-20.000E+0950.3236510951.4

9、85E-27.389E-41055.1207309.901E-30.000E+01159.923657309.901E-32.149E-31264.733653654.950E-33.441E-3危險點A1應力譜及損傷 危險點A2應力譜及損傷級數(shù)級數(shù)應力幅應力幅(MPa)頻次頻次(/年年)累積頻次累積頻次超值累積頻率超值累積頻率損傷值損傷值122.4429565733651.000E+04.314E-4229.4818980438005.970E-11.467E-3336.539490248203.383E-12.715E-3443.578760153302.090E-17.358E-3550

10、.61511065708.955E-21.072E-2657.65014601.990E-20.000E+0764.70109514601.990E-21.029E-2871.743653654.975E-36.450E-3 危險點B1應力譜及損傷級數(shù)級數(shù)應力幅應力幅(MPa)頻次頻次(/年年)累積頻次累積頻次超值累積頻率超值累積頻率損傷值損傷值11.62762851157051.000E+01.190E-01023.5411680394203.407E-12.134E-935.45365277402.397E-19.376E-01047.360273752.366E-10.000E+059.

11、285475273752.366E-13.629E-7611.195110219001.893E-11.065E-6713.114015167901.451E-12.195E-6815.025475127751.104E-16.884E-6916.94292073006.309E-27.640E-61018.85043803.785E-20.000E+01120.77043803.785E-20.000E+01222.68043803.785E-20.000E+0 危險點B2應力譜及損傷級數(shù)級數(shù)應力幅應力幅(MPa)頻次頻次(/年年)累積頻次累積頻次超值累積頻率超值累積頻率損傷值損傷值13.7

12、964240967251.000E+01.806E-828.7112775324853.358E-15.746E-7313.629490197102.038E-16.567E-6418.541460102201.057E-16.632E-6523.45584087609.057E-21.116E-4628.37146029203.019E-28.916E-5733.2836514601.509E-25.915E-5838.19010951.132E-20.000E+0943.11010951.132E-20.000E+01048.0273010951.132E-21.111E-31152.9403653.774E-30.000E+01257.853653653.774E-31.733E-3 = 0.03941= 260.0394危險點的損傷估算疲勞壽命年= 0.00911=111 0.0091危險點的損傷估算疲勞壽命年=6.0622E-41=16506.0622E-4危險點的損傷估算疲勞壽命年=0.00311=3210.0031危險點的損傷估算疲勞壽命年危險點危險點A1：危險點危險點A2：危險點危險點B1：危險點危險點B2： 根據(jù)