大型起重機(jī)常見(jiàn)裂紋的形成機(jī)理與檢測(cè)

大型起重機(jī)常見(jiàn)裂紋的形成機(jī)理與檢測(cè)

一般來(lái)說(shuō)，重量金屬結(jié)構(gòu)的錯(cuò)誤包括裂縫、變形、嚴(yán)重的腐蝕和剛度不足。其中裂紋是門(mén)機(jī)最為常見(jiàn)的故障,占金屬機(jī)構(gòu)故障的80%以上。雖然金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都符合常規(guī)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求,但往往還是不可避免有裂紋產(chǎn)生。這是因?yàn)椴牧蟽?nèi)部總難免在夾渣、氣孔,加工的過(guò)程中可能有毛刺、劃傷,焊接過(guò)程中存在未焊透等。在變應(yīng)力的作用下,存在缺陷的部位或者應(yīng)力最大部位往往最先出現(xiàn)疲勞裂紋,隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加,裂紋緩慢擴(kuò)展直至達(dá)到臨界尺寸而破壞。1疲勞區(qū)表面粗糙度根據(jù)裂紋產(chǎn)生時(shí)間的先后順序,可分為初始裂紋、疲勞區(qū)(裂紋擴(kuò)展)和脆性斷裂區(qū)等3個(gè)區(qū)段。在疲勞區(qū)表面光滑,而在脆性斷裂區(qū),表面粗糙。在斷口上往往留下清晰的疲勞條帶,稱為前沿線,這是因?yàn)榱鸭y尖端向前擴(kuò)展時(shí)所造成的。2裂縫產(chǎn)生的簡(jiǎn)單部位裂紋主要產(chǎn)生在焊縫區(qū)(母材或者焊縫本身)、結(jié)構(gòu)截面轉(zhuǎn)折區(qū)或突變部位。表1是門(mén)機(jī)容易產(chǎn)生裂紋的部位列表。3斷裂力學(xué)的參數(shù)裂紋是金屬結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的故障,有些裂紋的出現(xiàn)并不影響結(jié)構(gòu)的功能,但是是潛在的危險(xiǎn)。有的裂紋可能會(huì)迅速發(fā)展為折斷等事故。通過(guò)對(duì)裂紋產(chǎn)生的規(guī)律和擴(kuò)展的機(jī)理,把對(duì)整臺(tái)門(mén)機(jī)的全面的狀態(tài)監(jiān)控轉(zhuǎn)化為對(duì)門(mén)機(jī)若干個(gè)重點(diǎn)部位的監(jiān)控和診斷。根據(jù)受力大小與應(yīng)力循環(huán)特征、結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和裂紋的長(zhǎng)度等來(lái)決定是繼續(xù)使用還是立即停機(jī)修理。工程斷裂力學(xué)認(rèn)為,裂紋體存在一個(gè)臨界裂紋長(zhǎng)度ac。當(dāng)存在的裂紋長(zhǎng)度a<ac時(shí),表示該裂紋體可以繼續(xù)使用,如果a≥ac,表示該裂紋體不可使用。ac是可通過(guò)材料的斷裂韌性常數(shù)KIC和材料應(yīng)力場(chǎng)的分布數(shù)據(jù)求得ac=K2ICπ×f2×(σmax?σmin)2ac=ΚΙC2π×f2×(σmax-σmin)2在計(jì)算ac時(shí),可近似的采用σmin=0,即不吊重時(shí),構(gòu)件裂紋處的應(yīng)力為0。這樣計(jì)算值ac小于實(shí)際值,同時(shí)也有利于作出更安全的判斷。σmax可通過(guò)應(yīng)力測(cè)量測(cè)出或者有限元法算出,f表示修正系數(shù)。斷裂力學(xué)的判斷標(biāo)準(zhǔn)是在能量平衡理論中稱為裂紋擴(kuò)展阻力GIC的斷裂韌性,它是材料固有的力學(xué)性能,表示裂紋體抵抗斷裂的能力。當(dāng)裂紋的推動(dòng)力G1達(dá)到裂紋的擴(kuò)展阻力的時(shí)候,裂紋就會(huì)擴(kuò)展。推力曲線與阻力曲線的關(guān)系見(jiàn)圖1。從圖1中可以看出,裂紋擴(kuò)展阻力GIC隨著裂紋推動(dòng)力G1增大而增大。當(dāng)推動(dòng)力G1<G″1,裂紋是不會(huì)擴(kuò)展的。當(dāng)推動(dòng)力增長(zhǎng)到G1=G″1,裂紋擴(kuò)展了Δa后,GIC的增長(zhǎng)速度快于G1增長(zhǎng)的速度,裂紋就會(huì)停止擴(kuò)展。當(dāng)推動(dòng)力增長(zhǎng)到Gue0871,時(shí),裂紋長(zhǎng)度增長(zhǎng)了Δa″時(shí),裂紋推動(dòng)力增長(zhǎng)的速度將始終大于裂紋阻力的增長(zhǎng)速度,裂紋體就會(huì)失穩(wěn)繼續(xù)擴(kuò)展下去,直至斷裂。因此,裂紋的擴(kuò)展是依賴與裂紋推動(dòng)力的不斷提高的。裂紋的擴(kuò)展速度由疲勞裂紋擴(kuò)展的半經(jīng)驗(yàn)公式得出dadN=C(ΔK)mdadΝ=C(ΔΚ)m式中dadNdadΝ——擴(kuò)展速度ΔK——應(yīng)力強(qiáng)度因子增量ΔK=Kmax-KminC、m——材料常數(shù)對(duì)于絕大多數(shù)金屬m=2～40。dadNdadΝ與ΔK函數(shù)關(guān)系S曲線見(jiàn)圖2,從圖中可以看出,當(dāng)ΔK≤ΔKth時(shí),裂紋的擴(kuò)展速度為零,只有當(dāng)ΔK≥ΔKth后,擴(kuò)展速率才有上升,且dadNdadΝ隨著ΔK的增大而增大。ΔKth稱為界限應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度,它與平均應(yīng)力值、材料特性和應(yīng)力循環(huán)特征R=σmin/σmax有關(guān)。對(duì)于低碳鋼和碳錳鋼,估算ΔKth的近似公式ΔKth=6.08(1-0.76R)MPam??√m對(duì)于其他碳鋼和金屬材料,可查有關(guān)的資料。當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子增幅ΔK達(dá)到S曲線上轉(zhuǎn)折點(diǎn)ΔKt時(shí),疲勞裂紋擴(kuò)展速度將積聚增大并導(dǎo)致構(gòu)件快速斷裂。薄板結(jié)構(gòu)ΔKt近似公式為ΔKt=0.20.1Eσs??????√ΔΚt=0.20.1Eσs對(duì)于門(mén)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)裂紋來(lái)說(shuō),在受力不大的受載構(gòu)件如門(mén)腿與支承環(huán)連接處,即使出現(xiàn)裂紋,也不會(huì)造成結(jié)構(gòu)的整個(gè)斷裂。但在交變應(yīng)力的作用下,裂紋會(huì)緩慢的擴(kuò)展,平時(shí)要觀察這些部位裂紋的長(zhǎng)度和擴(kuò)展速度。對(duì)于受力較大的構(gòu)件如小拉桿、巴桿頭部叉口處等部位,一旦出現(xiàn)裂紋,有可能快速擴(kuò)展直至破壞,所以這些地方應(yīng)該重點(diǎn)巡查,出現(xiàn)裂紋應(yīng)該及時(shí)修理。4非穿透性裂紋的0.(1)確定裂紋產(chǎn)生的原因是否屬于疲勞、銹蝕、脆性、焊接應(yīng)力等,再根據(jù)裂紋產(chǎn)生的原因確定進(jìn)行裂紋堆焊,或者更換損傷段母材。(2)確定裂紋的長(zhǎng)度與深度,是穿透性裂紋還是非穿透性裂紋,然后制定相應(yīng)的修理方法。(3)修理非穿透性裂紋時(shí),采用焊縫沿裂紋深度整個(gè)焊透的單面焊接的方法完成,并沿裂紋端部鉆止裂孔或者反向補(bǔ)焊的對(duì)接焊縫施焊,止裂孔不補(bǔ)焊。(4)修理穿透性裂紋時(shí),要揭露整個(gè)裂紋的長(zhǎng)度,并沿裂紋長(zhǎng)度方向予制焊縫邊。在裂紋尾部鉆?8～?10mm的止裂孔。必要時(shí),可采用焊縫反面的底焊和借助墊