冶金起重机箱形主梁结构健康状态评价体系研究

侯锦涛 王全先

摘  要：冶金起重机用于高温、多尘的恶劣环境中，安全要求严格。针对其箱型主梁的主要失效形式和工作性能要求，提出了基于安全性，适用性，耐久性的结构健康状态评价体系，选择了评价指标和对应的检测方法，据此可得知主梁工作状态的健康与否。

关键词：冶金起重机;箱型主梁;健康状态;评价体系

中图分类号：TG231        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）05-0021-03

前言

冶金起重机是起重机的一种，是冶金业中最重要的设备，同时也是炼钢过程中最重要的起重运输机械，参加着炼钢、轧钢、锻造、热处理等生产过程，具有自重大、载荷状态重、冲击负荷大等特点。因为现在工厂节奏的加快和对产品数量的需求，冶金起重机作业会更加频繁，再加上工作环境极其恶劣（高温、粉尘大等），经常起动和制动，使得起重机中主梁的结构强度不断衰退。如果不加强管理，一旦发生事故，将造成巨大的损失。因此，冶金起重机工作的可靠性，安全性受到人们的高度重视。本文主要进行对冶金起重机主梁的检测、评价与分析工作。

1 研究对象及恶劣工况

本文的研究对象为薄板箱型梁。箱型梁一般由盖板、腹板、底板以及隔板组成。起重机上桥架结构的强度和刚性均由箱形主梁来保证。箱型梁的材质为钢。

冶金起重机在工作时的环境十分恶劣，包括：（1）高粉尘、高温（最高时可达到300℃）、高负荷（重型或特重型）。（2）冲击负荷大、特殊载荷多（如钳子炉底的钢渣等）。在频繁作业时，主要机构以及零部件之间的相互作用会对整个起重机的安全性能造成影响。同时，主要构件在受到载荷不断地强烈冲击后，其强度、稳定性都会逐渐降低，寿命也会随着使用年限的增加而减少。在确定冶金起重机主梁结构健康状态指标时，要充分考虑各检测方法在这种恶劣工况下的可行性，以便于更为全面、准确的完成对主梁的评价。

2 失效形式及工作性能要求

2.1 起重机主梁金属结构失效形式

由于各种原因，主梁金属结构在使用时会出现不同形式的损伤。常见的失效形式如下：

（1）变形失效

变形失效是在工作过程中由于变形过大而导致的失效形式，包括弹性变形失效和塑性变形失效。弹性塑性变形失效发生在零件的可恢复弹性变形大到足以妨碍装备正常功能时，产生的原因通常是构件和零件刚性不足从而产生过量的弹性变形或弹性失稳。当外加应力超过零件材料屈服极限时，会发生明显的塑性变形，起重机金属结构（如主梁等）的塑性变形达到一定程度时，将发生失稳现

象，导致整个结构承载力下降，进而影响其他部件，使起重机无法正常工作。

（2）断裂失效

起重机中的零件在某些因素作用下发生局部开裂或分裂为几部分的现象叫做断裂失效。断裂失效是起重机械失效的基本模式之一，在起重机的作业中比较常见。断裂失效是一种复杂的失效形式，不同的断裂形式由不同的原因造成，例如韧性断裂是指零件在受到超过自身强度极限的应力时所发生的断裂;在高温持久应力的作用下就会发生蠕变断裂。断裂失效按照断裂性质可分为疲劳断裂、脆性断裂等。疲劳断裂在实际工作中出现的概率高，造成的危害大，并且是零件受到循环交变应力而引起的断裂，所以一直被作为重要的断裂形式进行分析和研究。

（3）表面损伤失效

表面损伤失效是起重机械中较为常见的一种失效形式，主要包括腐蚀失效、磨损失效等。由于冶金起重机的工作环境较为恶劣，不仅有很多的化学物质，还需要在高温下作业，所以金属很容易与环境中的成分发生化学反应，引起表面破坏，这种失效形式就叫腐蚀失效。同时起重机一般要实现多个运动，其中各个机构所用到的部件（齿轮、轴承、梁体轨道等）大多为易损件，故磨损失效占据了起重机故障中的很大比重。

从以上可以看出，研究各种失效的原因，减少或者消除失效所带来的影响，提高设备和零件的安全寿命是很有必要的。

2.2 工作性能要求

起重机械在作业时的工作性能要满足使用要求，具体表现为以下三个方面[1]：

（1）安全性：即结构在工作过程中对全部载荷的承载能力。

（2）适用性：即结构在工作过程中的变形和动态响应要符合静刚度、动刚度条件。

（3）耐久性：即结构在实际情况下的使用寿命要符合其设计寿命。

3 检测内容与检测方法

检测工作是进行起重机健康状态分析与评价的基础，直接关系到机械生产使用能力。根据起重机主梁金属结构的实际使用情况，并结合全面、可信、可操作的原则，考虑到检测结果的准确性、合理性，确定检测内容与检测方法如表1所示。

4 评价指标体系的建立

对主梁金属结构检测指标结果进行分析后，在此基础上，需要对结构的当前工作状态、安全性等提出结论性意见，并建立评价体系，最终完成对结构健康的综合评价。

4.4 综合评价方法

评价采用一票否决制和线性加权法。

（1）一票否决制

冶金起重机作为特种设备之一，主梁又是其关键的一个结构，安全性要求高，确保设备可继续使用至关重要，所以，评价的标准也应极其严格。上述6个评价指标中，按照其中最差的一个指标来评定整个结构的技术状态。即无论其他的指标是优秀还是良好，只要有一个指标不能保证可以安全使用，结构上有问题但无法进行修理或者没有维修价值时，就应当报废处理。如果可以维修，则将其定为待修状态，在修复后需要进行检测，若检测合格方可继续使用。

5 结束语

本文对冶金起重机及其恶劣工况，其主梁金属结构的检测指标和相对应的检测方法，以及评价体系的建立作了介绍，并确定了各个指标的权重，明确了评价方法，将结构健康等级分为优秀、良好、可用、维修、报警五个评价等级。

还需要说明的是，本文所研究的内容（比如应变状态评价标准），需要进一步构建检测评价系统，并应用于现场，在反复的测试后进行修正和优化。

参考文献：

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