冶金桥式起重机械疲劳寿命估算

1、冶金桥式起重机械冶金桥式起重机械疲劳寿命疲劳寿命估算估算汇报人：汇报人：陈力陈力2015 年年 10 月月 16日日第一届全国起重机械安全健康管理技术研讨会中国特种设备检测研究院一、概述二、疲劳热点区损伤评价与寿命预测方法三、监测数据处理四、应用案例五、结语在起重机械与装备中，疲劳破坏疲劳破坏事故占机械结构断裂失效断裂失效的绝大多数。疲劳断裂疲劳断裂有很大的危险性，在交变载荷交变载荷的作用下，机械结构在接近达到疲劳寿命时，结构上的裂纹会进一步的扩展，造成整个机械的失效。在近代的各个工业领域中，疲劳破坏疲劳破坏占整个结构失效破坏的80%以上，特别是近些年来，随着起重机械朝着大型化与高速化的发展，

2、起重机械结构所承受的载荷越来越大，而且它们的工作环境也很恶劣，疲劳破坏也变的更加频繁了。引起疲劳破坏疲劳破坏的最主要原因就是疲劳裂纹疲劳裂纹。由于机械结构在加工制造过程中，不可避免的存在着加渣加渣、焊接不均匀焊接不均匀以及应力集中应力集中等小缺陷问题；再在不断变化的载荷不断变化的载荷的作用下，这些小缺陷汇聚形成裂纹，裂纹进一步的扩展，最终导致机械结构的疲劳破坏。由于起重机结构所承受载荷的频次程度频次程度、工作环境工作环境、以及保养状保养状况况的各不相同；而且截止到现在，国家尚未尚未出台统一的起重机械报废起重机械报废标准标准。所以，寻找一种能够相对实用、简便、且科学的预估方法，来估算桥式起重机的

3、剩余寿命剩余寿命就显得相当重要。疲劳剩余寿命评估步骤名义应力有限寿命设计法是一种使用较早的有限寿命设计方法，常称为安全寿命设计，它是无限寿命设计法的直接发展。其设计思想也大体相似，都是从从材材料的料的S-N曲线出发，再考虑各种影曲线出发，再考虑各种影响因素，得到零件的响因素，得到零件的S-N曲线，并曲线，并根据零件的根据零件的S-N曲线进行抗疲劳设曲线进行抗疲劳设计计。所不同的只是无限寿命设计方法使用的是S-N曲线的水平部分，即疲劳极限；而有限寿命设计使用的是斜线部分。1、名义应力法、名义应力法在程序加载下，若试样的加载历史由 ，共l个不同的应力水平构成，各应力水平下的疲劳寿命依次为 ，各应力

4、水平下的循环数依次为以 ，材料内部每个应力水平下的疲劳损伤为当总损伤D满足下列条件时，就可以预计发生失效 2、Miner线性累积损伤理论线性累积损伤理论,iii fnDN11,1.0lliiiii fnDDN在起重机械的使用寿命期间，零件受到的载荷一般是是随时间变化的随机载荷。对于常幅载荷，无论是否采用平均补偿加载，一个循环的振幅和零件所经历的循环次数都是可以直接确定的。首先将应力测试采集的应力时间历程，处理成便于提取循环数的数据，这个过程包括等值数压缩、峰谷值检测和无效幅值的去除。 等值数压缩。将采样应力时间历程中，连续相等的数据只保留一个。 峰谷值检测。将数据中的峰谷值提取出来，为下一步无

5、效幅值去除做准备。 去除无效幅值。将应力幅值很小的对疲劳影响不显著的数据元素去除。1、数据预处理、数据预处理 将谱历程曲线旋转90放置，如和图 2 (a)所示。将载荷历程看作多层屋顶，假想有雨流滴沿最大峰或谷处开始往下流。若无屋顶阻拦，则雨滴反向，继续流至端点。 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。 当雨流遇到来自上面屋顶流下的雨时就停止流动，并构成了一个循环。 根据雨滴流动的起点和终点，画出各个循环，将所有循环逐一取出来，并记录其峰谷值。 每一雨流的水平长度可以作为该循环的幅值。 如图所示，得到计数循环块，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个计数循环块。图 2 (a)表示原始数据点，图 2 (b)是一次雨流计数过程，图 2 (c)-(e)是二次雨流计数过程。一次雨流计数后形成图 2 (c)所示的发散收敛波，在最大峰值处(数据点6)截断，然后左段与右段对接，形成如图 2 (d)所示，经二次雨流计数过程完成对接的波形继续提取循环直到剩下三个点(图 2 (e)，循环计数最终完成。2、雨流计数法、雨流计数法1、雨流计数法、雨流计数法雨流法计数示意图应力时间历程经循环计数处理之后得到的输出数据文件是整个历程中各次应力循环的均值和幅值，不仅数据量大，而且是随机变量

7、，不能用于疲劳分析处理，因此有必要将这些均值和幅值加以整理均值和幅值加以整理，形成可以用于试验加载的块状程序谱块状程序谱，以便于寿命估算和疲劳试验时应用。采用国内外广泛应用的“波动中心”法，将应力谱简化为一元随机变量(即仅考虑应力循环的幅值而不考虑应力循环的均值)问题，并以波动中心作为应力循环的静应力分量，幅值作为应力循环的动应力分量，将幅值叠加于波动中心之上。3、载荷谱、载荷谱数据统计数据统计结合现场的施工环境和施工时间，经与甲方协调最终确定以下点为热点区域测试点。测试频率：测试频率：25cfHz测试时间：测试时间：2014年11月5日11月10日热点区域的原始监测数据 级数级数应力幅应力幅

8、(MPa)频次频次(/年年)累积频次累积频次超值累积频率超值累积频率损伤值损伤值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危险点A1应力谱及损伤 危险点A2应力谱及损伤级数级数应力幅应力幅(MPa)频次频次(/年年)累积频次累积频次超值累积频率超值累积频率损伤值损伤值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 危险点B1应力谱及损伤级数级数应力幅应力幅(MPa)频次频次(/年年)累积频次累积频次超值累积频率超值累积频率损伤值损伤值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 危险点B2应力谱及损伤级数级数应力幅应力幅(MPa)频次频次(/年年)累积频次累积频次超值累积频率超值累积频率损伤值损伤值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危险点的损伤估算疲劳寿命年= 0.00911=111 0.0091危险点的损伤估算疲劳寿命年=6.0622E-41=16506.0622E-4危险点的损伤估算疲劳寿命年=0.00311=3210.0031危险点的损伤估算疲劳寿命年危险点危险点A1：危险点危险点A2：危险点危险点B1：危险点危险点B2： 根据