起重机轨道运行毁坏原因分析外文翻译资料

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起重机轨道运行毁坏原因分析

作者：Jozef Kulka、Martin Mantic、Gabriel Fedorko、Vieroslav Molnar

斯洛伐克共和国，莱特纳，科希策技术大学，机械工程学院

摘要：本文介绍了一种专业验证起重机轨道梁，计算选定梁的剩余耐久性，并给出考虑到整个起重机轨道今后使用时可能发生的事而采取的必要措施的建议。本文对一个冶金工厂的最严重加载梁进行了分析，分析了起重机轨道运行过程中出现的问题。分析所需的数据由应变仪测量轨道载荷的实验数据和设备操作员提供的每年影响材料的采集数据中获得。基于这些数据，能够通过某种实用原理的方法确定所检测结构的剩余寿命。

关键词：起重机轨道梁、剩余耐久性、压力分析

1.介绍

桥式起重机被广泛应用于各个领域，如重工业、港口、汽车工厂、建筑设施。工厂通常采用履带链轨式起重机将物料和设备从一处移到另一处，因此起重机轨道被广泛应用于许多工厂中。

目前在许多企业中有着运行已超过20年的设备。起重机严重故障是一件潜在的非常危险的隐患，往往会造成致命的后果。起重机是承受会产生交变应力的大载荷的薄弱结构，其建造者和驾驶员往往不完全理解和重视可变载荷的影响和含义。起重机结构件的失效将不可避免地导致严重的损坏甚至完全倒塌。当起重机在中层和高层建筑项目中起核心作用时，它们与其他种类的配套设备联合运行，这些配套设备是应用于如今工业化建设场所的全部设备中必不可少的一部分。起重机驾驶员因为沉重的起重机结构响应速度慢而很难快速、准确、安全地操作起重机。这样的设备当然包括移动式起重机及其移动的轨道。从它们被设计出来开始，经过这么多年，它们的操作是否依然安全？某个这种设备的操作员实际得到两个选项。在设计了某一设备后，他开始用新的替换或测试原有设备及其机能。如果新设备符合安全和操作规则，他将继续投入运行。然而，建设和机能的预防性维护安排的次数将增加。而第二种最有可能是经常存在生存问题的经济状况不利的企业的选择。

几位作者现在正在处理这样的问题，因为花钱投资购买一种新型技术和进行现代化建设对许多转型升级的产业型公司来说永远是一个主题性问题。

我们可以从人的不安全行为、对象的不安全状态和安全管理的缺陷等方面起重机事故提出一些预防措施和控制的措施。王先生等人利用声发射技术对轨道起重机结构构件的焊接裂纹缺陷进行无损探伤。在这项研究中，对被广泛应用于制造轨道起重机结构的HG70钢试样的焊接裂纹缺做声发射无损探伤的有效性已被查证。王先生和解先生用故障树分析法，结合起重机事故类型，建立故障树模型，分解出故障树的最小节段，分析出事故的发生原因。

康和米兰达通过研究数值表示方法模拟仿真和可视化起重机的详细活动。这项研究明确地致力于开发一种数学模型来支持对就工程控制而言是最关键设备的起重机的模拟仿真和可视化。该模型由运动学模型和动力学模型这两种子模型组成。运动学模型展现出由驾驶员控制的起重机组件，而动力学模型展现出不能由驾驶员直接控制的悬挂系统（包括绳索和传动装置）的动态行为。为了验证这些方法的可行性，一种能够模拟仿真和可视化起重机详细活动的计算机程序已经被开发出来。该程序支持起重机活动的实时可视化，具有较高的现实精度，并能够详细地模拟仿真长期的建设项目。

有限元分析是一种有效的数值模拟仿真的方法，用来分析和计算复杂结构。张先生等人用有限元分析软件ANSYS10.0实现起重机的有限元分析，并给出了分析结果的合理解释。多玛杰特等人提出了疲劳损伤分析及修复程序，他们曾用该程序在250kN的门座起重机上检测出裂纹。数值分析和应变仪的测量结果显示出裂纹扩张的来源为门机细节设计不恰当的问题导致的高应力集中。有限元模型也表明，附加筋的应用可以减少应力集中。根据这一事实，起重机的关键领域有了新的设计。后来的测量和检测表明，这种修复是成功的，经过两年的加强维护没有检测到新的裂缝。朴先生等人对起重机吊重系统进行动态特性分析。

比高斯等人通过张力测量法探索了在重型冶金中使用的起重机轨道梁的专业验证。通过一次实验就可以选出一根用于紧急更换的梁，而其他梁则无需任何变化。起重机工作半径的测量装置的开发是基于奈良和高桥的单CCD相机和激光测距仪。本文中，作者想要做的是开发一个用来测量起重机工作半径的观测装置。该设备具有一个单CCD相机、一个激光测距仪和两台伺服电机。

为了设备的安全管理，监测门座起重机的机械状态是非常重要的。刘先生等人设计的机械条件无线监控系统，根据门座起重机的特征能监测包括金属结构、回转支承和减速器的状态。桥式起重机欠驱动系统的跟踪控制是基于秋先生等人对动态平衡状态理论的研究。理想设计的参考轨迹是为小车的位置和载荷的角度准备的。通过使用级联滑模和非线性参数化的模糊逻辑系统，鲁棒自适应模糊控制器被设计成跟踪规定的轨迹。模拟仿真的结果概括表明了控制器的有效性和鲁棒性。李先生等人将视觉反馈应用在起重机控制器设计中。作者提出一种简单而有效的视觉反馈方法来跟踪目标，其图像信息只需一般手持摄像机就能得到。杨先生等人用基于视觉的塔式起重机跟踪来了解建造活动。本文展示了使用监控摄像头评定塔式起重机一个工作日的活动过程。尤其是它旨在展示结合已知的场地平面图信息，起重机臂架的运动轨迹提供了足够的信息来推断出起重机的活动状态。臂角轨迹采用从二维到三维的刚性姿态跟踪算法来跟踪。场地平面图信息包括活动处理模型和场地设计信息。刘先生和肖先生提出了一种新的起重机轨道磨损检测和误差分析的方法。这种方法适用于600米长、60米跨度、20米高的起重机轨道。郑先生等人提出了一项用非完全约束跟踪控制搬运吊车的研究。

马先生等人对起重机电机驱动系统的负载跟踪控制进行了研究。实例研究结果表明，无负载闭环控制系统的启动时间比开环系统的启动时间快0.34秒，电机能稳定启动，开环系统和闭环控制系统电磁转矩峰值的差值为。另外，闭环控制系统的电机电功率消耗小于开环系统，特别是在电机启动阶段，开环系统的电机峰值功率是闭环控制系统的2.5倍。总之，在设计的闭环控制下，电机在启动阶段可以节省约50%的电能，而稳定运行阶段可以节省约30%。

起重机驾驶员没有获得足够的信息来操纵起重机，如目标的空间状态和起升的材料。这种局限会降低生产率和安全性。刘先生和郭先生研究欠驱动二维桥式起重机的跟踪控制。本文中考虑了一个欠驱动二维桥式起重机装备运输的跟踪控制问题。双滑模控制器用来执行轨迹的跟踪。昌和韦查耶研究控制桥式起重机快变动力学的实时视觉跟踪和测量。这项工作提出了一种简单而有效的图像处理方法来捕捉桥式起重机的动态移动，以便能够实时控制。

李先生等人描述了一座装有无线视频控制和射频识别技术的先进塔式起重机的原型。随着这些先进的技术，塔式起重机可以提供给起重机驾驶员工作空间的增强视图和各种其他功能以提供最新的材料状态。塔式起重机还可以提供更快的数据流，带来更高的精度和改善的驾驶效率。

图1.被分析起重机轨道视图

2.材料与方法

2.1.被测起重机轨道基本数据

起重机轨道梁很简单，全长18000mm。在长为18000mm的一些简单梁下有制动架，如图2所示。制动架安排在周期间隔的主要任务，是吸收起重机的运动过程中产生的水平力。

如图3所示为一个简单起重机轨道梁横截面，长为18000mm，无制动架。制动架在这些梁下的位置需要梁的调节。薄板设置在左右两侧，间隔较短距离，从梁的中心交叉焊接到工字梁的下翼缘。这种布置是为了给制动架传递水平制动力。长为18000毫米、带有制动架的起重机轨道梁横截面，亦如图3所示。

3.起重机轨道应力计算分析

分析的目的是计算临界应力的作用，通过一座典型的起重机20000kg起升量和相应起升量的设计负载，从而为应变仪测量值和预期计算值的比较奠定了基础。有限元法适用于该分析的目的。

几何模型设计为三维模型，其翼缘中间表面、纵向和横向加固的尺寸通过实际轨道的检查测量获得。典型尺寸如图3和4所示。如图5为网格模型，因为有限元分析的要求，轮压FW1和FW2对应的起重机额定20000kg。

如图6为起重机轨道腹板的正应力值分布，通过对起重机的现场监测，监测的起重机位置有梁长度25%处的LC1，梁长度40%处的LC2，梁长度45%处的LC3和起重机最有效位置的LC4。而LC0代表自重载荷，这是仅由梁的自身重量引起的。

图2.带制动架起重机轨道详细视图（1-简单梁，2-简单梁带制动架）

图3.无制动架和有制动架的起重机轨道梁横截面图

只能从天桥靠近起重机轨道。因为这个原因，只能在起重机轨道的上翼缘使用应变片。因此进行模拟仿真分析，确定贴应变片的位置，同时给出这些点的理论测量应力值。从有限元分析中得到应变片贴放位置的梁的应力值（如图7），即在横向上翼缘处（Z轴方向，如图6所示）。

4.结果

4.1.应变仪测量鉴定起重机轨道

根据对起重机轨道的理论分析和视觉检验提出了实验测定变形和应力状态的方法。传感器的设置点已选好，因而传感器需适用于每种类型的轨道梁，不论有无制动架，以及沿起重机轨道运行的限制，由于技术安排被包括在内。

图4.长18000mm的梁的几何模型

图5.长18000mm的梁的网格化几何模型和梁端详细视图

图6.梁上X轴方向应力分布图

为求鉴定，在10个选定的梁上加装传感器。如图8和9是一根有制动架的梁上传感器的布置，而图10为简单梁的布置。

简单梁的传感器布置如图10所示。

使用应变传感器HBM 6/120XY11进行测量。应变传感器用双组分胶粘剂HBM X60粘合。用屏蔽线连接传感器与测量装置。使用Spider 8这种由HBM公司生产的带交直流转换的测量放大器。每个测量点的正应力增量的变化率由软件CATMAN的个体测量模式测得的相对变形增量测量值计算求出。

图7. 上翼缘X轴方向应力图

图8.带制动架梁上应变片的布置

图9.应用于起重机轨道上翼缘的传感器照片

图10.简单梁应变计传感器的布置

如图11为起重机在两台柱之间的测量梁有负载和无负载运行时，测量点以时间为自变量的应力变化，而起重机小车设有传感器，停在梁的一边。在所有十个测量梁上采用平稳的加载方式。从单个传感器获得的测量应力值与有限元分析所得的应力值相符合。

图11.起重机梁带和不带负载时所有传感器的应力随时间变化图

图12.单个细节类别的双斜率（m=3和m=5）疲劳强度曲线

4.2.根据欧洲规范3第1-9部分“疲劳”对疲劳累积损伤的评估

研究结构疲劳极限状态的目的是为了保证在额定使用寿命内，结构不会损坏、材料也不会发生疲劳破坏的概率在一个可接受范围内。加载不同范围的应力对起重机轨道疲劳进行评定。用综合破坏程度的比较对结构细节做可靠性评估，用不同范围的正应力进行疲劳加载。

对于结构细节的变量载荷，正应力范围会起作用。加载幅度分为组参数、、hellip;、、hellip;、，在结构耐久性中代表的循环次数。值得注意的是，在一种给定的情况下，维勒曲线（如图12）被视为具有R=95%概率的曲线（大约为平均值减去两个标准偏差）。遗憾的是，一个特定的平均值或某个值，作为标准偏差的基础已经丧失。如果有必要，这些数据必须假定为从其他实验来源得到的数值。就像如图13所示能够确认符合正常值的维勒曲线。

额定疲劳应力强度用一系列曲线，对应典型细节类别。每种细节类别由两百万次交变应力的疲劳强度下的参考值和（单位：MPa）表示。对于恒定幅度和额定应力，疲劳强度如下所示：

（如图13）

图13.根据图12结构钢的标准化焊接细节维勒曲线

表1

额定应力恒定幅度的疲劳极限为（如图13、表1）：

应力范围超过和不到恒定幅度疲劳极限的额定应力谱的疲劳强度应根据如下公式扩展疲劳强度曲线:

次循环的额定疲劳应力极限值（如图13、表1）:

计算累积损伤的帕姆格伦—迈因纳定理（如图14和15）：

图14.应力谱

图15.失效循环次数

4.3.梁的疲劳耐久性

被检测的起重机轨道已运行了十几年。根据驾驶员的数据，在此期间，梁加载的应力循环次数为9209683外加大约2times;290000次，即9789863次，不包括某些特定的负载。运行监测表明，轨道载荷周期可分为两组：第1组起重机的平均负载重量约为11000kg并有着相同数量的循环周期，而第2组起重机没有负载重量。

选定起重机轨道梁的耐久性是根据测量结果和正应力增量的适当反应时间确定的。

根据表8.2欧洲规范3第1-9部分，一个无制动架起重机轨道简单梁（如图3）有必要考虑DC125（表2）。表8.4欧洲规范3第1-9部分的DC56，是有关有制动架简单梁的（如图3），其下翼缘部分为300times;26毫米（表3）。表1为确定DC56和DC125疲劳耐久性的必要数据。

表2和表3

表4

5.讨论

起重机驾驶员对某一时间段内起重机在起重机轨道上的个别运行进行分析，此分析对整个起重机轨道运行期间的个别梁的载荷强度进行了以下的详细论述（选定值在表4）。表4中有应力、循环周期和单个检测梁的累积损伤的汇总值。

6.结论

考虑到实际测量的应力值出现在最大载荷处或有不利缺陷处，以及考虑到已知的负载周期，可以说梁3和梁4的工艺状态（表4）确实不如其耐久性（）。两根提到的梁的疲劳裂纹的产生也证明了这一事实（如图16）。因此，立即更换位于两侧的起重机轨道梁是无法避免的。

梁7和梁8的

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