CN108760371A - 一种在役起重机械结构剩余寿命计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在役起重机械结构剩余寿命计算方法。由于目前起重机械结构健康状况监测存在盲区，无法监测并估算起重机械的剩余寿命，导致起重机械运行风险高的问题，本发明提出了一种在役起重机械结构剩余寿命计算方法，所述方法是根据起重机的历史吊载工况和被测阶段应力谱的计算结果，评估出起重机械当前荷载状况及累计损伤程度，评估得到起重机目前的剩余使用寿命，从而降低起重机械运行风险。
Description
技术领域
本发明涉及一种起重机械结构剩余寿命计算方法，属于结构健康监测技术领域。
背景技术
近些年，基础设施建设随着科学技术和经济的快速发展而呈现出井喷的发展态势，起重机械作为物料搬运和装卸者起到了举足轻重的作用。目前市场上起重机械品类多而杂乱，应用场所条件复杂恶劣，由此带来了一系列安全隐患。工作量较大的起重机在服役若干年后，通常会在较大应力集中处、焊接热影响区域或焊接缺陷处发生金属结构损伤的情况。
目前我国针对起重机的安全保障方法主要仍然以安全检验为主，安全检验大体上可分为企业自检、强制性检验(包括型式试验和监督检验)以及委托检验三个层次。然而这些安全保障技术仅对非工作状态下和标准荷载下的某些几何量和物理量进行了检测，缺乏针对起重机械运行状态的相关安全因素监测。上述的这些检验手段都能够在一定程度上维持或保障起重机械的安全运行，然而起重机械发生的安全事故往往具有突发性，有一些安全隐患问题并不能通过这些定期的检验来发现，比如钢结构的疲劳脆性断裂。当钢结构的损伤积累到一定程度的时候，此时的起重机械犹如一颗“定时炸弹”。故起重机械检验合格后，在正常运行工况下企业并不知道该设备已经处于疲劳状态中，而偶尔较大的工作强度又会对其金属结构造成比定期检验结果更为严重的内在损伤。在这种情况下，设备很容易会发生突然的破坏，造成人员财产损失。而处于运行状态下的设备一旦发生事故，所造成的经济损失十分惨重、社会影响也较为恶劣。而且现有起重机械结构剩余寿命估算方法仍存在许多缺点，评估不准确，不具备实时估算的功能等，因此，开发一种能够精确评估起重机械结构剩余寿命的计算方法是相当重要的。
发明内容
针对目前起重机械结构健康状况监测存在盲区，无法准确计算并评估出起重机的剩余寿命，导致起重机械运行风险高的问题，本发明提出了一种在役起重机械结构剩余寿命计算方法。所述方法主要通过对起重机关键点零部件进行应力谱分析，获得零部件的疲劳损伤值，同时对起重机历史工况所产生的损伤值进行估算，获得起重机械现阶段累计损伤值，通过这个累计损伤值对起重机械的剩余使用寿命进行评估，得到起重机械剩余结构使用寿命。
本发明提供的算法基于《起重机设计规范》(GB3811-83)中提供的起重机械设计相关参考表格，并结合线性损伤理论，将起重机的结构损伤分为两类，起重机的历史阶段损伤程度和被测阶段的累计损伤程度。通过计算统计相应荷载下的统计循环次数与该荷载下的允许总循环次数的比例值，线性累计得到总的比例值作为损伤程度，再将该损伤程度线性比例为起重机已运行时间和总估算运行时间的比值，计算得出起重机的剩余评估寿命。
本发明具有以下有益效果：本发明可以在起重机正常使用过程中分析数据和计算结果，不需要起重机停机测试，不影响企业生产。本发明还可以实时提供起重机械机械一段时期以来的工作状态报告和疲劳寿命分析，使得即使不具有专业知识的工作人员也可以对机械结构的安全寿命状态有所掌握，有利于从根本上改变我国现行的“定期维修”和“事后维修”体制，以逐步实现结构的全寿命实时分析寿命评估。
附图说明
图1为本发明的剩余寿命被测阶段的损伤累计算法。
图2为本发明的历史时期的损伤累计算法和剩余寿命评估计算方法。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1与图2，本发明的寿命评估算法主要分为2个部分：图1为被测阶段的损伤累计算法，图2为历史时期的损伤累计算法和剩余寿命评估计算方法。
结合图1与图2，针对一台在役起重机械，分析其结构剩余寿命的步骤和算法如下：
(1)结合图1，在被测阶段，根据在起重机的一个工作循环期间所采集到的所测危险点的应力谱曲线，确定应力谱系数Ks，其公式为：
其中：Ks—该结构件或零件的应力谱系数；σi—该结构件或零件在起重机使用期间发生的不同应力；σmax—为所有应力中的最大应力；ni—该结构件或零件在起重机使用期间发生的不同应力对应的循环次数；nT—该结构件或零件所有应力总的应力循环数，其值为所有ni的和。
式中，取每个应力循环中σmax和σmin的绝对值得最大值作为结构件或零件在使用期间的应力值σi。
(2)通过应力谱系数Ks查阅起重机结构件或零件的应力谱系数及应力状态等级表(表1，该表来自《起重机设计规范》(GB3811-83)中，可作计算用)得到被测点的应力级别状态(S1～S4)。
表1起重机结构件或零件的应力谱系数及应力状态等级
(3)与此同时，通过被测点的应力谱曲线，还可以得到应力幅Sa和平均应力Sm。将其代入Goodman直线：Sa/S-1+Sm/Su＝1。其中：Su为金属破坏强度。可以得到疲劳极限S-1。
(4)得到疲劳极限S-1后，参考《起重机设计规范》(GB3811-83)中考虑三个相关因素后的疲劳许用应力值表格(表2)，对照可以得出该应变计所安装位置的结构件的工作级别(E1～E8)。
表2考虑三个相关因素后的疲劳许用应力值
(5)通过步骤4中得到的被测结构件的工作级别(E1～E8)结合步骤2中得到的被测点的应力级别状态(S1～S4)，再参考《起重机设计规范》(GB3811-83) 中起重机结构件或零件的工作级别表格(表3)，即可得到被测结构件的使用等级(B0～B10)。而结构件的总应力循环次数与结构件的应力循环等级(B0～B10) 之间存在一定的关系，这个关系在《起重机设计规范》(GB3811-83)中体现为下表4的使用等级表。查阅该表即可得知该结构件在本次应力循环下可以承受的总循环次数Ni。
表3起重机结构件或零件的工作级别
表4起重机结构件或零件的使用等级
(6)再对该测点的应力谱曲线进行雨流记数法(一种分析非对称应力-时间图像的常用方法)分析，得到该测点的应力循环次数ni。至此可以计算得到本次应力循环所造成的损伤为：Di＝ni/Ni，同样地，起重机的每一次工作循环都可以得到相应的测点应力谱，得到相应工作循环下的损伤值Di。则被测阶段的累计损伤值为：
(7)至此起重机结构监测阶段的累计损伤值Dmot已经得到，为了计算出目前起重机械剩余使用寿命，还需要对起重机的历史损伤程度进行评估。结合图2，首先通过查阅起重机维护资料，统计得到被测起重机的历史工况，统计其在不同的荷载下总计工作循环次数，通过公式获得载荷谱系数KP。
其中：KP为载荷谱系数；ni为载荷Pi的作用次数；N为总的工作循环次数，N＝∑ni；Pi为第i个起升载荷，P＝P1，P2，......Pn，单位N；Pmax为最大起升载荷，单位N；m为指数，此处取m＝3。
(8)将步骤7中计算得到的载荷谱系数KP参考《起重机设计规范》 (GB3811-83)中提供的起重机的载荷状态及其名义载荷谱系数对照表(表5)，获得起重机的荷载状态等级(Q1～Q4)。同时查阅被测起重机出厂资料，获得该机的工作级别(A1～A8)。
表5起重机的载荷状态及其名义载荷谱系数Kp
(9)通过步骤8中得到的起重机的荷载状态等级(Q1～Q4)结合该机的工作级别(A1～A8)，再参考《起重机设计规范》(GB3811-83)中起重机整机工作级别划分表格(表6)，即可得到被测起重机的使用等级(U0～U9)。而起重机整机的总荷载循环次数与起重机的使用等级(U0～U9)之间存在一定的关系，这个关系在《起重机设计规范》(GB3811-83)中体现为下表7的起重机利用等级表。查阅该表即可得知该起重机整机在此荷载循环下可以承受的总荷载循环次数Ni。由于起重机在不同的荷载下总计工作循环次数ni已经在步骤7中统计得到，那么参照步骤6中的累计算法，起重机在历史上所产生的累计损伤值Dhis为：
表6起重机工作级别的划分
表7起重机的利用等级
(10)通过步骤9可以得到被测起重机在历史上吊运的荷载对起重机整体产生的累计损伤值Dhis，再结合步骤6中所得到的起重机被测阶段的累计损伤 Dmot，两者相加则可以得到起重机整体疲劳损伤值D＝Dhis+Dmot，则被测起重机剩余寿命评估值计算公式如下：
通过此式可以得到起重机械当前工况下的剩余使用寿命评估值。
Claims (4)
1.一种在役起重机械结构剩余寿命计算方法，其特征在于：本算法根据起重机的历史吊载工况和被测阶段应力谱进行计算，实时评估出起重机械当前累计损伤程度，评估到起重机目前的剩余使用寿命。
2.基于权利要求1所述的一种在役起重机械结构剩余寿命计算方法，其特征在于：所述算法对于起重机的历史工况采用起重机历史情况统计，对其荷载谱进行分析得到历史累计损伤程度。
3.基于权利要求1所述的一种在役起重机械结构剩余寿命计算方法，其特征在于：所述算法对于被测阶段采用结构件测点应力谱进行分析，计算得到起重机被测阶段疲劳损伤值。
4.基于权利要求1所述的一种在役起重机械结构剩余寿命计算方法，其特征在于：所述算法，通过计算得到的累计损伤程度，按照本机已使用的时间进行线性比例之后评估得到被测起重机预估的剩余使用寿命。
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