岸边集装箱起重机静力及疲劳分析重型机械及特种机械

付晓东

[摘 要]港口桥式集装箱起重器承担着重体积货物装卸工作，要是起重机长期处于超负荷运行就会让其结构发生变化，起重机内部构件就会有松脱或者变形的情况，还很容易疲劳运行，让其整体结构出现裂纹，并有裂纹扩展的问题，从而导致起重机不能正常使用。工作人员要是没有对其进行及时的检测和维修，结构也就会被损坏，对其进行检测和修复是必须重视的。本文分析了港口起重机疲劳破坏的主要原因，并提出修复措施，以供借鉴。

[关键词]港口 起重机 原因 疲劳破坏 修复

中图分类号：TE377 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）05-0373-02

通常情况下，港口桥式集装箱起重机都是用在重型载荷情况下，并且一直都是处在循环载荷中，也就是长期都是疲劳载荷，这也就使起重机很容易有疲劳裂纹出现，尤其结构的焊缝位置很容易有脆性断裂现象出现，这样也就很容易出现安全事故。要想让起重机设备一直都能够安全运行，相关人员要对起重机疲劳状况进行及时分析，发现有安全隐患就要及时清除，并对其进行定期保养，使起重机的安全性能有所保证。

一、起重机金属结构件出现疲劳破坏的原因

1、疲劳破坏易发区部位和应力集中带来的影响。在桥式集装箱起重机结构中，门框撑管，大车平衡梁、轨道等位置是很容易在疲劳破坏情况下受到影响，然后焊缝的地方出现开裂的现象，这几个部位都处在起重机的高应力区，经常会受到交变应力带来的作用，让这些部位承受较大的应力，然后截面就会出现变化，让应力都集中到这一个位置上，过大的应力会让纵筋和横隔板的作用都实效。对于设计层来说，在这种较大的应力作用下，不能流畅地传递力流，结构组成不合理也是一个原因，加上结构中的焊缝比较密，焊点比较多，交汇点也多，焊接工艺做的不好，导致焊缝质量不合格，还有就使工件母材也和设计要求有所偏差，这些都是导致起重机结构出现裂缝的主要原因。通常情况下，起重机结构都是采用对接焊缝，还有角焊缝这两种形式进行焊接，应力的集中源主要是在焊缝突出的位置上，在结构焊接完成之后，要是没进行进一步的机械加工，起重机的抗疲劳强度也就会大大下降，要是将焊接风凸出的位置切除掉，那么起重机的疲劳极限就会有所改善，使用寿命也更长。凸出部位和试样轴线交角处θ，还有凸出位置高度h，是横向对接焊缝受到应力影响的主要部位，图1、图2为焊接凸出部位的交角和高度影响到疲劳强度示意图。

对于角焊缝，由于焊缝向母材基体金属过渡处的截面有明显变化，其应力集中系数高于对接焊缝，因此抗疲劳强度低于对接焊缝.当角焊缝的计算厚度hf≥ 1.5 t（t为焊件厚度）时，可按规定的焊件厚度选择角焊缝最小厚度.表1是GB J17-88标准与前苏联标准的对照数据，如表1所示。

2、疲劳破坏受到金属结构母件影响。

（1）钢材抗疲劳性能下降，如果钢材在长时间或者反复荷载的情况下，它能够承受的极限强度就会小于压力作用，钢材也就会被破坏掉，突发性脆性破坏就是钢材最直接的表现。如果钢材材料是在弹塑阶段，要是在反复荷载的作用下，钢材的塑性变形情况就会增大，钢材也就会变硬且更加脆弱，然后就会有微裂现象出现，应力都会集中在这个位置，同时微裂文会慢慢扩展并增多，这时候应力集中问题就会更加明显，钢材有断裂破坏的现象出现也就不足为奇了。

（2）钢材焊接性能下降。如果钢材出现冷裂倾向，或者有焊缝脆化倾向，以及热烈倾向都会对钢材焊接性能有较大的影响。对于碳素钢来说，猪油锰不会受到影响，剩下6种元素都会在受到影响，含量发生变化，让钢材的热脆性和热倾向都会增加；同时，钢材的焊缝、冷脆性以及受到热影响的冷裂倾向都会有多增加，为了避免钢材性能受到影响，就要对材料中的元素含量进行控制。

（3）沸腾钢性能下降。对于沸腾钢来说，它的偏析程度是很严重的，发生偏析的主要特点就时其表面有一个纯铁薄层，并含有少量的碳元素，在其中间层还有很多硫元素、磷元素和碳元素。沸腾刚有较多有害气体在其中，加上区域偏析很严重，所以沸腾刚就没有很好的可焊性。此外，沸腾钢中还有很多氮元素，其存在形式为固溶氮，这就让钢材的失效敏感性有所上升，并且冷脆性也会上升，在沸腾刚中偏析现象最严重的就是磷区域，这会让钢材冲击韧性大大降低，相反钢材冷脆性有所提高。

二、金属结构件焊接分析

1、焊接残余应力分析

在桥式集装箱起重机结构的焊接作业完成之后的冷却过程中，其纵向收缩和冷却条件的不同而产生的应力会有较大差别，这会让一部分残余的应力在焊缝中留存。从多项实验中得出，留存在焊缝中的应力就是拉应力，而腹板受到的纵向残余应力则是压应力。对于横向焊缝中留存的应力来说，主要就是在焊缝冷却的时候发生了横向收缩，从而导致了横向的残余应力，还有一个原因就是焊缝在纵向收缩的时候导致了横向的残余应力，所以得出在结构焊接完成后，不能让其马上进入运行状态，最好让其冷却彻底再使用，这样能将焊接留存的残余应力给释放干净。

2、焊接应力的形成

在焊接时要是有温度不均匀的现象就会引发焊接应力，这和温度变化有较大的关系。在室温条件有所差别的时候，或者在焊接额时候焊缝温度在金属熔点上，通常情况下，焊缝中心的温度都超过1000℃，当焊接完成之后，焊缝就会处在水平室温中，这两者的温差是很大的。焊缝的冷却速度和马氏体相比是快很多的，而且冲击韧性的比较差和大，要超过其硬度和脆性范围，这个问题是要注意的。同时，焊缝的冷却速度要是太慢则会有奥氏体形成，导致焊缝的硬度和强度都会很低，而塑性则会很高，从而有粗晶形成，这也是要尽量避免的。焊缝冷却的最佳温度是在200℃到500℃之间，在这个时间内焊缝的塑性和冲击韧性都会很好，能达到标准要求。

三、金属结构件的修复工艺

对于金属结构件来说，出现焊接开裂现象是很常见的一种疲劳问题，对焊缝开裂处进行补焊前，要用砂轮将开裂位置处的旧焊缝给打磨平，具体的打磨时间依据开裂缝的大小来定，在这个过程中，可以借助放大镜对焊缝进行观测，避免有残余裂纹存在，要是有残余裂纹存在看，就要继续打磨，一直到残余裂纹都处理好为止。对于起重机结构中的重要构件来说，要借助探测仪去对其进行检测，这样能更清楚的找出裂纹位置。补焊的时候避免使用受潮的焊条，在焊前应当预热补焊的位置，焊后则使用热保温措施，焊缝温度下降到室温的之后，使用铁锤敲击补焊位置以及附近位置 20min。补焊之后结构件应当停放一段时间，最好停工的时间超过一个星期。开始吊货的时候，避免满负荷装卸，应当先起吊额定荷载的 30%左右，运转 2h之后再起吊额定荷载的 50%左右。

四、结束语

港口的桥式集装箱起重机对于整个港口的工作都起到了重要的作用，起重机结构出现疲劳破坏是比较常见，但是相关人员要对这种问题特别注意，要及时去修复焊接部位的裂纹，并对焊缝裂纹进行定期的检查，将所有的安全隐患都扼杀在摇篮，避免起重机结构受到严重的影响。在监测结构的时候可以借助共外线探伤等技术，并将预防工作做好，对存在的问题及时处理，防止起重机疲劳破换过于严重。

参考文献：

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