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基于模糊层次分析法的造船门式起重机变形结构缺陷安全评估
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  • 更新时间:2017-10-22
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  • 起重机的变形按性质可分为弹性变形和塑性变形 ;按作用部位可分为金属结构变形 (主梁、端梁、支腿 、下横梁、吊臂、象鼻梁、拉杆、转柱、人字架、门架、起重臂等 )和零部件变形(钢丝绳、滑轮、联轴器、减速箱体、齿轮、传动轴、卷筒、吊钩、车轮、轨道、电动机轴、缓冲器等);按尺度可分为整体变形和局部变形,例如吊臂的下挠、支腿的弯曲等属于整体变形,而腹板的波浪度、联轴器的扭曲等属于局部变形 ;按后果性质可分为正常变形和非正常变形,例如起重机主梁预制过程中符合规范规定的上拱度、旁弯就属于正常变形,若上拱度、旁弯超标则属于非正常变形,腹板的波浪度、主梁的下挠也属于非正常变形。

    起重机的变形归根结底是其结构刚度和强度特性的综合反映,与其结构设计、制造工艺、装配安装 、使用维护等都有关联。

    1 造船门式起重机变形的种类造船门式起重机金属结构是由主梁、柔性腿、刚性腿、台车、小车架等多种构件通过螺栓连接、焊接、销轴连接或铆接等方式构成的整体,每-构件的结构形式和所处的位置不同,受载的方式也各不相同,故涉及起重机整体或局部的变形是多种多样的,主要形式有:1)主梁垂直静挠度起重机主梁垂直静挠度是指当小车 (或电动葫芦)位于桥架主梁跨中位置时,由额定起升载荷及小车 (或电动葫芦)自重在该处产生的垂直位移,其值.厂与起重机主梁跨度5的关系推荐为:国家质检公益性行业科研专项经费资助 (201010060),江苏势技厅科技支撑计划资助项 目 (BE2010749)《起重运输机械》 2012(12) ①低于定位精度要求的起重机,或具有无极调速控制特性的起重机;采用低起升速度和低加速度能达到可接受定位精度的起重机:/≤[f]S/500;②使用简单控制系统能达到中等定位精度特性的起重机:厂≤[门 S/750;③需要高定位精度特性的起重机:厂≤[f]S/i 000;s为主梁跨度,-厂为实测主梁垂直静挠度,[厂]为许用主梁垂直静挠度。

    2)主梁上拱度起重机主梁的上拱度指 自水平线向上拱起的高度。它是起重机桥架结构的主要技术参数。为使负载小车在运行中的上坡度和下坡度达到最小值,新颁布的GB/T 14405-2O1 1和 GB/T 14406-2011已经取消了对上拱度的范围要求,只规定:静载试验后 的主梁,当空载小车在极 限位置时,上拱最高点应在跨度中部SI10范围内,其值不应小于0.7 S/1 000。反之,如果不满足上述条件,该主梁是不符合标准规定的。

    3)主梁水平弯曲主梁水平弯曲是指主梁在水平方向的弯曲。

    当主梁向走台侧弯曲为外弯,相反主梁 向吊具方向弯曲为内弯。GB/T 14405-2011规定:主梁在水平方向产生的弯曲:不应大于 S /2 000,S 为两端始于第-块大肋板 (或节间)间的实测长度,在离上翼缘板约 100 mm的大肋板 (或竖杆)处测量。对轨道居中的正轨箱形梁及半偏轨箱形梁,当 G ≤50 t时只能向走台侧凸曲。

    4)主梁腹板局部翘曲腹板局部翘曲是指腹板有向内和向外凹凸不平的波浪变形,也称腹板波浪度。腹板局部翘曲对主梁的强度、刚度和稳定性都有影响。主梁腹板上部和下部有局部翘曲,相当于这部分纤维有松弛现象,当主梁承载后,只有其他纤维被拉长变形后,松弛的纤维才拉直参与工作,影响主梁的强度、刚度和腹板的稳定性。当主梁喷涂油漆后,波浪变形明显,影响表面质量。GB/T 14405-201 1规定:主梁腹板的局部翘曲以1 m平尺检测,离上翼缘板 H/3以内不应大于0.7 t,其余区域不应大于1.2 t。

    5)主梁上翼缘板局部翘曲上翼缘板局部翘曲对主梁承载很不利。上翼- 52 - 缘板局部翘曲往往是焊接成形的压应力超过板材的临界应力,由板材失稳而形成的。若主梁承载时,梁上翼缘板受弯曲压应力,则压应力叠加,易使上翼缘板应力集中,有产生裂纹的倾向。对于正轨箱形梁,上翼缘板局部翘曲还使小车轨道与上翼缘板之问形成间隙。国家标准未对上翼缘板局部翘曲的控制做出规定 ,通常规定主梁上翼缘板局部翘曲在2肋板之间,当板厚 t≤10 mm时,不大于3 mm;t>10 mm时,不大于4 mm。

    6)支腿翼缘板和腹板局部翘曲支腿翼缘板和腹板局部翘曲以 1 m平尺检测不大于 t(板厚)。

    7)支腿弯曲度支腿在 2个方向上的弯曲度 ≤H/2 000,且不得超过8 mm,H为支腿高度。

    8)支腿垂直度GB/T 144062011规定:刚性支腿与主梁在跨度方向的垂直度,-般应为 ≤H/1 000,H为支腿高度。

    2 造船门式起重机变形的原因起重机金属结构变形发生的原因有很多,材料缺陷、设计缺陷、制造过程 (下料、整形、焊接、装配)、运输和安装、超载或使用不当、环境因素、事故、超龄服役等都可能造成起重机金属结构的变形。

    1)材料缺陷材料出厂时既有的变形缺陷,在起重机钢结构制造过程中未进行适当整平处理。

    2)设计缺陷由于结构设计不合理,在装配、安装、试验过程中,由于结构受外力作用,结构强度不足造成的变形。

    3)制造过程在起重机金属结构制造的下料、整形、焊接、装配等各个工序环节,如果制造工艺不正确或未严格按工艺执行, 都有造成起重机金属结构变形的可能。以焊接为例,由 于在焊接过程中局部金属的不均匀受热造成焊缝及附近金属的收缩,导致主梁内部产生残余内应力,-旦超过金属的屈服极限而使主梁构件发生变形,在使用过程中参与内应力随着时间的推移逐渐消除,而主梁几何《起重运输机械》 2012(12)尺寸发生变化,出现的主梁下挠、旁弯、局部翘曲等现象。

    4)运输和安装起重机结构部件通常为细长的大型构件,弹性较大,刚度较差,又因在制造中已经存在较大的内应力,不合理的存放、运输、捆绑、起吊和安装过程都可能引起起重机的变形。

    5)超载或使用不当- 些单位不严格执行起重机安全操作规程,为了提高生产率经常超载起吊,使得起重机金属结构超负荷使用,结构在过载情况下发生塑性变形,承载能力显著下降。

    6)环境因素在高温环境下工作的起重机钢结构,由于热辐射的长期作用,会逐渐降低金属材料的屈服极限,导致结构抵抗外载荷的能力下降而发生变形。

    7)事故起重机金属结构由于意外事故与其他起重机、船体等物件发生碰撞或倾覆,超出承受能力的撞击会导致起重机钢结构发生变形。

    8)超龄服役起重机金属结构经长期使用 ,甚至超过设计文件规定的使用年限后,其材料性能发生退化,会出现主梁下挠、水平弯曲等变形现象。

    3 造船门式起重机变形的危害起重机金属结构的变形不仅会影响到起重机的使用性能,而且也可能危及起重机的安全。

    当主梁发生下挠 ,导致上拱度减小甚至低于水平线时,起重机小车负载由跨中开往端部,小车运行机构不仅要克服小车的正常运行阻力,还要克服在轨道爬坡的附加阻力 ,产生所谓溜车现象。这不仅降低小车运行机构的使用寿命,甚至造成运行机构损坏的事故。当小车由端部向跨 中运行时,又出现溜车自行滑移现象,给在使用中需要吊钩准确定位时造成困难。

    当主梁发生水平弯曲时,特别是主梁向内弯曲,导致小车跨距明显减小,小车运行状况变坏,对双轮缘的小车轮将产生夹轨现象,对外侧单轮缘小车将发生脱轨事故。

    腹板的局部翘曲超过规定值后,特别是该缺陷发生在受压区时,腹板局部失稳的可能性显著增加,《起重运输机械》 2012(12)导致主梁承载能力下降,加剧了主梁下挠变形的发展,运行机构的运行性能也受到不同程度的影响。

    在使用过程中发生的金属结构局部变形及其扩大是起重机金属结构局部失稳的先兆,其后果是变形部位承载能力的下降,整体结构应力的重新分布,随着变形的扩大承载能力进-步下降,轻则导致机构不能正常运行,重则导致整体结构丧失稳定性而断裂或倾覆。

    4 模糊层次分析法应用举例以某在役造船门式起重机为例,评价结构缺陷之-的变形对其安全性的影响。首先建立安全评价指标体系,构建模糊-致矩阵并计算各因素权重;其次确定其安全评价集,并对该起重机的变形情况进行评价;再构造模糊评价矩阵;最后计算总体评价模糊向量确定变形对该起重机安全性影响的安全等级。

    4.1 安全评价指标体系建立建立如图1所示的安全评价指标体系,该指标体系分为 3层,2层为 主梁 ,柔性腿 B ,刚性腿 。再将第 2层进-步细化为 3层指标 B c1,c2,c3,C4,G5,B2c6,c7,B3C8,C9。

    垂直静挠度Cl变形缺陷对造船门式起重机安全的影响主粱 1上翼缘板局部翘曲C5柔性腿 2厂] 图 1 变形对造船门式起重机的影响安全评价指标体系经过专家对各指标层进行评比,构建模糊-致矩阵,关于模糊-致矩阵具体构建过程以及综合模糊评价集,本文不--赘述。

    4.2 造船门式起重机变形的评定准则变形对起重机金属结构构件安全的影响要综合考虑其具体的数量、位置 性质、应力状态等等因素,无论是变形的检测还是理论计算,都是- 53 - 非常复杂的问题,这里只是原则性地给出了变形评定准则,具体可据此和专家经验确定。

    1)通过理论计算,得出变形部位的承载能力较原设计下降量大于等于 10%,定为E级。

    2)其他① 检测手段:目测、钢丝绳、重锤 、水准仪、经纬仪、全站仪、直尺、1 m平尺等。

    ② 抽查原则:受压部位局部翘曲检验抽查 5处,取最大值,其他项目100%,均取最大值。

    表1 变形评定准则评定等级 A (优) B (良) C(中) D (差) E (不合格) 备注C.垂直静 ,/[ ≤O.4 0.41.0 许用主梁垂直静挠度1.8≤ [g] 1.6≤g/[g] 1.4≤g/[g] 1.0≤ [g] g/[g]<1.0或 g为主梁上拱度,[g]为许用G1上拱度 主梁上拱度取 0.7S/1 000,S为 <2 <1.8 <1.6 <1.4 g/[g]>12.0 主梁跨度0.4< /[W] 0.6< /[ ] 0.8<叫/驯] 为主梁水平弯曲,[ ]为许 C 水平弯曲 /[ ]≤0.4 /[ ]>1.0 ≤O. 6 ≤0.8 ≤1.O 用主梁水平弯曲取 5./2 000为腹板局部翘曲, ]为许 C 腹板局部 /[ ]≤0.4 0.4< /[ ] 0.6< /[ ] 0.8< /[ ],/EL]>1.0 用腹板局部翘曲取0.7t,t为 翘曲 ≤0. 6 ≤0.8 ≤1.0 板厚Y。为上 翼缘 板局 部 翘 曲,c 上翼缘板 0.4< q/[Yq] 0.61.0≤0.6 ≤0.8 ≤1.0 当板厚 t≤10 iniYl时,取 3 ilm,当板厚 f>10 film时,取 4 mmC6、C 支腿 z/Ez ]≤0.4 0.4< /[ q] 0.6< /Ez ] 0.8 / ] z/Ez >1.0 。 为支腿局部翘曲,[。 ]为许局部翘曲 ≤0.6 ≤0.8 ≤1.0 用支腿局部翘曲取 t,t为板厚z 为支腿弯曲度,[ ]为许 C 支腿 。 /[ ]≤0.4 0.4<。 /[z ] 0.6< /[z ] 0.8<。 /[z ] /[ ]>1.0 用支腿弯曲度取H/2 000,且不 弯曲度≤0.6 ≤0.8 ≤1.0 超过 8 mm,H为支腿长度、 为支腿垂直度,[z。]为许用 支腿 zo/[ ]≤0.4 0.4< / ] 0.61.0 支腿垂直度取 H/1 000,H为支 垂直度≤O.6 ≤0.8 ≤1.0 腿长度当某个金属结构构件的变形影响被评定为 E级后,根据评价集的含义应采取措施更换该金属结构构件后,重新进行评价。

    4.3 安全等级确定依据上述评定准则,结合具体的造船门式起重机变形缺陷实例,安全评价人员建立了综合评价矩阵为 S ,即S,00.600.20.40.20.400.6O.60.800.60.20000.400矩阵 (0 0.2 0.8 0)表示 :评价人员对主梁垂直静挠度 c ,所处的安全状况隶属于 A级(优)的值为 0,隶属于 B级 (良)的值为 0.2,隶属于 C级 (中)的值为 0.8,隶属于 D级 (差)的值为0。

    同理,评价人员按照实际安全状况建立其他模糊评价矩阵,0 0.8 0.2 0、 1 0 0 0、2 0.2 0.6 0.2 0 J3 0 1 0 0) / l /由公式P。WIS 计算各安全指标的评价矩阵,构造模糊综合评价矩阵见表2。

    目标评价矩阵0.303O.680.750.4010.20 O 8]《起重运输机械》 2012(12)0 0 ,,,.。。。. .......... ..、、、 , , ,,/ , 3 P P P,. . . . . . . . . . . 。 . . . . . . . . IlP0-5 0-5 2-5 O-5 0-54-5 0-5 3-5 -5 0-5-5 2-5 O-5 3-5 3-50-5 3-5 O-5 -5 2-5 系统总体安全权重 向量 W (0.49 0.360.15);系统总体安全模糊综合评价 向量 M WP(0.187 0.506 0.268 0.039)。

    根据最大隶属原则,评定变形对该造船门式起重机安全性的影响等级属于B级 (良),结果与实际安全状况基本相符 ,该方法可较好地应用于变形对该造船门式起重机安全影响的安全性评价。

    表 2 模糊综合评价矩阵评价矩阵 2级评价因素 B 权重 3级评价因素 C 权重 评价情况 SA优 B良 C中 D差 P W1SC1 0. 315 O 0.2 0.8 OC2 0.255 0.6 0.4 0 OW)(0.315 0.255 0.2 P (0.216 0.303 曰, 0.49 C3 O.2 Sl 0 0 0.6 O.40.145 0.085) 0.401 0.0810.145 0.2 0.6 O.2 0C5 0.085 O.4 0.6 O OC6 O.4 0 0.8 O.2 0曰2 0.36 w2(0.4 0.6) S2 (0.12 0.68 0.2 0)C7 0.6 0.2 0.6 O.2 0C8 0.25 1 0 0 0B3 0.15 w3(0.25 0.75) S3 P3(0.25 0.75 0 0)C9 0.75 0 1 0 05 结论本文采用模糊层次分析法对在役造船门式起重机的结构缺陷之-的变形情况进行了安全评价,提出了具体变形评定的准则和方法,确定了安全等级,经过实际工程验证具有较强的可行性和合理性,为变形的评估提供了-种全新的途径,也为起重机整机的评估提供了基础数据,但由于目前层次划分还不够科学,变形检测方法和理论尚不成熟,变形评定准则还有待完善,在进-步的评估研究和实践中将不断加以改进。

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