基于风险的公共交通型自动扶梯安全保障技术研究

-1-2012年安全生产重大事故防治关键技术科技项目建议书项目名称：基于风险的公共交通型自动扶梯安全保障技术研究申报单位：江苏省特种设备安全监督检验研究院项目负责人：李向东联系电话：[phone]电子邮箱：[e-mail]研究年限：2012年03月至2014年09月国家安全生产监督管理总局二○一二年一月-2-一、项目的意义和必要性（项目研究的重要性和紧迫性，国内外同类研究进展情况，本项目对安全生产重大事故防治的作用和意义）1、项目研究的重要性和紧迫性【基本背景】随着工业化进程不断加速，大型起重机日益成为机械、造船、冶金等重大行业生产中不可或缺的关键设备。起重机按照工作的结构与性能可将其分为桥架型起重机与臂架型起重机两大类，其中桥架型起重机又包含了门式起重机、桥式起重机以及梁式起重机。桥式起重机，又称天车，通常坐落在企业生产车间上空，沿两侧轨道水平移动。在高空作业时，桥式起重机沿轨道向货物快速移动，到达指定位置后，起吊货物并搬运到目的地，尤其适用于企业车间。据统计，在室内工作的起重机中，桥架型起重机占到了百分之九十以上，是数量最多、适用范围最广的一种起重机械。桥式起重机工况复杂，工作时受到的瞬间冲击载荷很大，并且很多起重机工作时间长，工作环境恶劣，其金属结构工作时要经受结构疲劳损伤、周围环境腐蚀以及复杂的工作载荷作用的综合影响。桥式起重机的主梁是其重要的核心部件，承担着整机和相关配套电气设备、被吊物体的全部质量，是起重机的主要金属结构，质量大约占整机的70%。起重机主梁是一种典型的焊接结构，其在焊缝附近存在咬边、气孔、裂纹等几何缺陷，这些地方的应力集中程度很高，由于应力集中使焊接结构局部范围内的应力达到较高的水平，从而使这些部位会较早的出现裂纹并扩展直至结构破坏。桥式起重机主梁受到的是随机的交变载荷，其结构失效前很少会有明显的宏观塑性变形，而是在不断变化载荷的持续作用下，先在结构薄弱的位置产生细小的裂纹，然后慢慢扩张，当损伤程度达到某个临界点时，结构的刚度就会产生剧变造成结构崩塌，继而产生灾难性事故。近年来，因为起重机结构疲劳损伤而造成的事故时有发生。例如，1992年10月，某炼钢厂铸造桥式起重机在进行兑铁水作业时，因为主梁下盖板和走台焊接部位疲劳引起裂纹扩展，主梁中部突然断裂致使整机坍塌造成严重事故；2007年4月18日发生在辽宁省铁岭市清河特殊钢有限公司的一起起重机事故，造成了32人死亡、6人重伤，直接经济损失866.2万元。从八十年代至今，起重机械金属结构破坏事故已有数十起，近年来，虽经国家安全部门的大力整顿，但是起重机仍然事故频发。另一个严峻的现实是，我国目前所使用的桥架型起重机大部分生产于上个世-3-纪八十年代，投入生产工作的时间长且工况复杂，对于这些使用年限超过20年的起重机械，若不加分析地强制报废，会造成社会资源的巨大浪费，因为主梁的报废则意味着桥机寿命的终结，往往造成巨大的财产损失，其代价是高昂的。因此，预测起重机结构的疲劳寿命，准确识别结构损伤，对起重机金属结构做出风险评估和可靠性分析，是保障起重机，尤其是超期服役的起重机进行安全可靠的生产工作运行的重要手段。目前，通过振动监测手段已经可以对起升和回转机构进行寿命评估，但是针对起重机钢结构力学性能参数的监测，如焊缝或母材开裂的状态监测还存在一定的困难，现有技术还处于研究阶段，另外，现阶段对起重机主梁进行全面的结构损伤与失效评估技术研究还比较少，部分关于起重机主梁结构的研究主要集中在安全校验、力学强度计算分析和事故分析等方面，虽然也有少数对起重机承载能力等方面做出了分析研究，但大多局限在某一方面，缺乏全面、系统的研究。在国内起重机械大多无设计寿命的要求，同时国家也无强制的报废年限及标准的情况下，对大型起重机结构损伤与失效评估技术的研究具有较强的现实性和迫切性。【存在问题】起重机械在安装和生产使用过程中，易受到各种环境因素、人为因素等的影响，同时起重机械的主要受力金属构件自身性能也会在使用过程中不断疲劳退化，在这些因素的作用下，一些构件往往在没达到设计使用寿命时就产生不同程度的破坏和损伤。这些疲劳破坏和环境等因素造成的损伤如果任其发展将会由量变到质变，导致结构脆性破坏甚至倒塌。总结起来，起重机结构失效模式大致有以下几个方面:（1）由于疲劳裂纹的造成结构破坏。（2）局部失稳引起整机破坏。（3）环境侵蚀、加工过程中的残余应力及温度共同作用下对起重机构件产生应力腐蚀源，以致减小其使用寿命。（4）振动及人为因素对机构和结构整体稳定的影响。这些潜在因素无时无刻不对结构件的安全造成威胁，因此，起重机械的结构损伤识别监测与失效评估技术研究对保障起重机安全运行来说显得尤为重要。但是，现阶段我国对于起重机械的安全监测还存在以下几个问题，制约了损伤检测的发展。问题一：产品检测水平不高主要表现在长期以来只能对起重机的短期性能指标(出厂性能)作全面考核，而对产品的可靠性，如平均无故障工作时间(MTBF)，平均首次无故障工作时间(MTTFF)，使用可用度(A)等一系列长期性能指标极少涉及，对起重机故障模式、-4-故障率、故障原因缺乏深入了解，缺乏量的概念，致使国内的起重机故障多、寿命短。问题二：传统的检测制度和手段不足以满足安全需求现阶段，起重机的安全保障主要依赖于定检、特检及日常维护。然而随着起重机械大型化的发展，日常的维护需要消耗大量时间、材料及人工，而定检、特检有存在时间间隔，不能对各起重机械的运行情况做到实时掌握，缺乏突发事故的预防机理，并且现阶段大多数的损伤识别技术都集中在静力分析上，这种测试结构损伤检测法耗资大、费时多，在实验实施过程中还要对结构的正常使用进行管制，影响生产，尤其重要的机械设备或工程建筑结构在检测时会对生产运行有很大的影响，从而无法实现对结构实时和长期的健康监测。问题三：缺乏有效的损伤识别方法目前国内外有关于结构损伤识别和模型修正的方法均是基于结构整体性态响应的模态分析理论建立的，而模态分析方法对局部的损伤并不敏感，损伤识别效果较差。而且对于像起重机这样的大型复杂力学结构，刻画其整体响应模态是十分困难的。如何建立更为有效地模态分析理论和方法、并充分利用结构健康监测积累的大量数据，对起重机金属结构进行状态识别、评估其安全可靠性能、及时预警，是起重机结构健康监测研究的目标，也是当前迫切需要解决的问题。问题四：现有结构检测系统不统一不规范结构健康监测系统需要多种软件及软件环境，目前软件的开发处于测量阶段，即只能实现对结构状态量的测量，对数据利用效率低，造成极大地资源浪费；另外，至今没有健康监测系统统一的设计指南、规范和技术标准，致使结构健康监测系统的设计比较混乱、无据可依、系统性能良莠不齐。【项目立项的必要性】针对以上问题，解决的关键就在于建立一套行之有效的故障检测诊断系统，使其能够更有效的对起重机金属结构进行损伤识别、预测疲劳寿命、分析金属结构的可靠性并对其风险作出合理评估。我国当前使用的桥式起重机大部分都是20世纪80年代以前生产的，出于生产成本的考虑，仅有少量的退役报废，大部分进入老化状态的桥式起重机仍然在超期服役，老化问题口益突出，超期使用依据不足，风险性较大。鉴于生产和工程中的实际迫切需要，为保证起重机安全可靠地运行，尽量减少起重机灾难性事故的出现，对大型起重机结构损伤与失效评估技术的研究有着重要的工程实用意义和理论研究价值。2、国内外同类研究进展情况本项目的关键技术涉及对大型起重机的关键金属结构进行损伤识别与失效评估。通过大量文献检索和查阅相关资料，可以发现，现阶段针对桥架型起重机结构的相关研究着力点主要在应力分析、强度校核和结构优化等方面，另外也有-5-一些针对起重机寿命预测等方面做出了分析研究，但对于损伤识别尚无过多涉及。损伤识别技术集中于土木、桥梁等大型结构，由于技术条件限制以及大型机械设备结构复杂性等因素影响，专门对大型机械设备比如起重机金属结构损伤识别的研究并不多。同时，我国对起重机结构系统的失效准则与剩余寿命评估原则的研究尚处于开始阶段，这些方法大都停留在理论层面，并未和起重机结构相结合。因此，本项目将针对以下几个内容进行研究，包括基于振动监测的起重机结构疲劳寿命预测研究、基于动力测试的全局性损伤识别研究、起重机金属结构风险评估研究和桥式起重机金属结构可靠性分析研究。2.1.国内外起重机结构疲劳寿命预测研究现状对起重机金属结构的疲劳寿命进行研究是为了准确掌握起重机寿命信息、及时消除起重机结构安全隐患，为安全生产提供保障。为了准确的对起重机疲劳寿命进行预测，许多学者对疲劳寿命的预测方法进行了研究与改进，随着人们对疲劳机理研究的深入，现在已发展了多种疲劳寿命预测的方法。可以说，疲劳寿命研究是从1847年的德国开始的，当时德国人Wohler用旋转疲劳试验机首先对疲劳现象进行了系统的研究，提出了著名的S-N疲劳寿命曲线及疲劳极限的概念，奠定了疲劳寿命预测的理论基础。1920年英国的Gri伍th提出了裂纹扩展的能量理论，到20世纪50年代，诞生了建立在裂纹尖端应力场强度理论基础上的断裂力学理论[1]。1963年Paris等用断裂力学的方法表达裂纹扩展规律，提出了著名的Paris公式[2]。Paris公式的诞生揭开了寿命预测的新篇章，为裂纹扩展寿命的研究提供了新方法[3]。1924年损伤累积的概念首次被提出，1945年，Miner首次用数学公式表达了线性累积损伤理论[4]。疲劳累积损伤理论引起了人们的广泛关注，成为疲劳寿命研究的理论基础之一。此外还有其它累积损伤理论如：非线性累积损伤理论、双线性累积损伤理论等r71。LBurstein提出了根据设备运行时的热量变化率预测设备疲劳寿命的热诊断法[5]，由于此方法对监测设备的要求较高，不便于工程应用。发展至今，目前在工程结构疲劳寿命预测中常用的有：断裂力学预测法、疲劳分析预测法、计算机仿真预测法以及在此基础上的仿真分析和模型试验等例。在我国，针对疲劳寿命的预测研究近年来逐渐深入。太原科技大学的徐宁格和左斌针对机械结构的主要破坏形式——疲劳破坏，以桥式起重机焊接箱形主梁为研究对象，根据断裂力学Paris—Erdogan方程，结合Miner疲劳损伤累积理论，应用实验所得数据，推导出了疲劳剩余寿命公式。同时通过采集不同类型、不同额定起重量的起重机在一段时间内相应起重量的工作次数数据，模拟出了危险点处相应的载荷谱，使用VC++为开发平台，研制完成了桥式起重机疲劳剩余-6-寿命评估软件[6]。太原科技大学的史朝阳在断裂力学的基础上，将初始裂纹尺寸、临界裂纹尺寸、应力比、应力变程等参数的随机性纳入考虑范围，建立了桥式起重机金属结构疲劳剩余寿命的可靠性模型，同时对可靠性的灵敏度进行了研究[7]东南大学的谢尧林在有限元静力分析基础上，研究了利用Fe-safe进行起重机疲劳寿命预测的方法，获得了典型工况作用下的疲劳寿命云图与安全系数云图并根据云图得到了起重机结构疲劳寿命分布状态与安全裕度[8]。大连理工大学的蔡福海，王欣，高顺德，赵福令比较了基于累积损伤理论的力学方法、断裂力学方法、基于信息新技术的衍生方法这三类方法的优缺点，给出了起重机应用的适用范围。结果表明：当结构受力明确时，可以采用名义应力法和虚拟试验法进行评估，计算精度较高；当结构受力复杂，建议采用热点应力法；重要结构件的长裂纹扩展计算可以结合缺口应力法和断裂力学法提高计算精度；起重机复杂系统的评估可以采用状态监测法为评价体系框架，再根据具体结构的受力情况结合不同方法，以达到最有效的评估效果[9]。2.2.损伤识别研究现状起重机长期工作于重载荷、多粉尘和温差大等恶劣条件下，其结构不可避免发生包括裂纹损伤、连接松动等在内的多种损伤。对于日益大型化的桥架型起重机来说，微小损伤、内部损伤通常难以发现，损伤程度难以判别，更不用说去准确定位损伤。作为结构健康监测系统和既有结构评估共同的核心技术，损伤识别成为近年来的研究热点。国内外学者对结构损伤识别做了大量的研究工作，主要分为确定性识别方法、不确定性识别方法以及动力指纹识别方法[10]。2.