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1、起重机械设备失效模式和安全评估基础知识,俞中建上海市特种设备监督检验技术研究院,起重机械设备失效模式和安全评估基础知识,二、起重机械的安全评估,目录一、起重机械设备失效模式,一、起重机械设备失效模式 （一）基本概念 1.失效是指一台装置（或其零部件）丧失了在预定期限内的正确功能； 2.故障是指一台装置（或其零部件）在应达到的功能上丧失了能力； 上述两者的区别是：故障应可排除而可恢复其应达到的功能，而失效则强调其已“在预定期限内”丧失了正常功能，即强调其已处于不正常状态。 3.失效模式一般是指能被观察或者测量出来的一种失效现象。 4.起重机械设备和零部件的主要失效模式是：磨损、变形、断裂、腐蚀等
2、宏观现象。,（二）失效的宏观现象 1.磨损失效 通常磨损分为粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损五种形式，这也是起重机械使用中常见的磨损。,1）粘着磨损。当构成摩擦副的两个摩擦表面相互接触并发生相对运动时，由于粘着作用，接触表面的材料从一个表面转移到另一个表面所引起的磨损称为粘着磨损。粘着磨损又称粘附磨损。2）磨料磨损。磨料磨损又称磨粒磨损。它是当摩擦副的接触表面之间存在着硬质颗粒，或者当摩擦副材料一方的硬度比另一方的硬度大得多时，所产生的一种类似金属切削过程的磨损，其特征是在接触面上有明显的切削痕迹。磨料磨损是十分常见又是危害最严重的一种磨损。其磨损速率和磨损强度都很大，致使机械
3、设备的使用寿命大大降低，能源和材料大量损耗。3）疲劳磨损。疲劳磨损是摩擦表面材料微观体积受循环接触应力作用产生重复变形，导致产生裂纹和分离出微片或颗粒的一种磨损。,4）腐蚀磨损。在摩擦过程中，金属同时与周围介质发生化学反应或电化学反应，引起金属表面的腐蚀产物剥落，这种现象称为腐蚀磨损。它是在腐蚀现象与机械磨损、粘着磨损、磨料磨损等相结合时才能形成的一种机械化学磨损。它是一种极为复杂的磨损过程，经常发生在高温或潮湿的环境，更容易发生在有酸、碱、盐等特殊介质条件下。5）微动磨损。两个接触表面由于受相对低振幅振荡运动而产生的磨损叫做微动磨损。它产生于相对静止的接合零件上，因而往往易被发现。微动磨损的
4、最大特点是：在外界变动载荷作用下，产生振幅很小一般为220m的相对运动，由此发生摩擦磨损。例如，在机电类特种设备中常见的键联接处、过盈配合处、螺栓联接处、铆钉连接接头处等结合上产生的磨损。微动磨损使配合精度下降，紧配合部件紧度下降甚至松动，联接件松动乃至分离，严重者引起事故。此外，也易引起应力集中，导致联接件疲劳断裂。,2.断裂失效 断裂可分为延性断裂、脆性断裂、疲劳断裂和环境断裂四种形式。 1）延性断裂。零件在外力作用下首先产生弹性变形，当外力引起的应力超过弹性极限时即发生塑性变形。外力继续增加，应力超过抗拉强度时发生塑性变形而后造成断裂就称为延性断裂。2）脆性断裂。金属零件或构件在断裂之前
5、无明显的塑性变形，发展速度极快的一类断裂叫脆性断裂。它通常在没有预示信号的情况下突然发生，是一种极危险的断裂。 3）疲劳断裂。机械设备中的轴、齿轮、凸轮等许多零件，都是在交变应力作用下工作的。它们工作时所承受的应力一般都低于材料的屈服强度或抗拉强度，按静强度设计的标准大于标准应该是安全的。但实际中，在重复及交变载荷的长期作用下，机件或零件仍然会发生断裂，这种现象称为疲劳断裂，它是一种普通而严重的失效形式。在实际失效件中，疲劳断裂占了较大的比重，约（80-90）%。,3）疲劳断裂。机械设备中的轴、齿轮、凸轮等许多零件，都是在交变应力作用下工作的。它们工作时所承受的应力一般都低于材料的屈服强度或抗
6、拉强度，按静强度设计的标准大于标准应该是安全的。但实际中，在重复及交变载荷的长期作用下，机件或零件仍然会发生断裂，这种现象称为疲劳断裂，它是一种普通而严重的失效形式。在实际失效件中，疲劳断裂占了较大的比重，约（80-90）%。 4）环境断裂。实际上机械零部件的断裂，除了与材料的特性、应力状态和应变速率有关外，还与周围的环境密切相关。尤其是在腐蚀环境中，材料表面或裂纹边沿由于氧化、腐蚀或其他过程使材料强度下降，促使材料发生断裂。,3.腐蚀失效腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。1）化学腐蚀。金属表面与介质如气体或非电解质溶液等因发生化学作用而引起的腐蚀，称作化学腐蚀。化学腐蚀作用进行时没有电流产生。
7、2）电化学腐蚀。金属表面在介质如潮湿空气、电解质溶液等中，因形成微电池而发生电化学作用而引起的腐蚀称作电化学腐蚀。,4.变形失效 起重机械金属构件的塑形变形达到一定程度时，将发生失稳现象，承载能力降低，影响其他部件的正常工作。,（三）起重机械的失效起重机械的失效可以由一种或多种过程引起，其失效形式可以是单一的过程现象，也可以是组合的过程现象，其结果是一个宏观现象的表征。如腐蚀一般被认为是单一的过程，过程表征是构件表面受到腐蚀损伤；疲劳一般也被认为是单一的过程，由周期变动载荷引起构件的机械损伤，过程表征是构件中疲劳裂纹的萌生、扩展以至断裂。腐蚀或疲劳各是独立的一种失效形式，而腐蚀疲劳则可认为是组
8、合的过程现象，由于其出现的普遍性、后果的严重性，并且腐蚀与疲劳互相增强，往往不作为是两个单一失效形式的同时出现，而是两者组合有协同效应引起的一种失效形式。在腐蚀疲劳失效中，活性腐蚀的存在会加剧疲劳过程，而周期变动的疲劳载荷的存在又加剧了腐蚀过程。腐蚀疲劳已被作为一种独立的失效形式。,二、起重机械的安全评估 （一）为什么要对起重机械进行安全评估自改革开放以来，我国的制造工业、钢铁工业、建筑业等都得到了极大的发展，起重机械得到广泛的使用，特别是一些大型或特大型起重机械的使用也越来越多。由于此类起重机械价格昂贵，制造周期长，维护成本高，在使用了一定的年限后，如何正确评估这些在用起重机械的状况，保证起
9、重机械安全可靠使用，这是使用者最为关心的问题。我们定检规则正文第十四条提出了这个问题，目的就是对此类起重机械进行安全评估工作，对设备存在的缺陷和问题提出有针对性的安全意见和建议，实现延长设备的使用寿命；对确实存在重大缺陷和安全隐患，无修复价值的设备，作出判废的建议。,（二）评估具体对象和内容的确定1.由于起重机械品种繁多，每个品种的起重机都有各自的特点，因此，评估方案必须具有针对性。首先，应确定评估对象的品种，如流动式起重机和铸造起重机的安全评估方案肯定是不同的。2.由于使用工况，使用年限，使用场合，操作人员，管理人员等都不尽相同，因此，起重机在使用过程中表现出来的特征和使用方的要求也不尽相同
10、，所以评估侧重的内容也就需要确定。要确定内容，还必须在仔细查阅了起重机的相关技术资料后，经与使用方的沟通（了解使用方的要求），最后再进行起重机械安全评估方案的编制。,3.一般而言，起重机械由三大部分组成：钢结构、机械系统（起升和运行机构等）、控制系统（电气或液压系统等）。因此，评估内容大致可以划分为以上三大部分。安全评估的基本内容和要求是：（1）钢结构的疲劳损伤或存在的缺陷；（2）机械传动系统存在的缺陷，磨损和损伤状况，系统能耗状况；（3）控制系统的先进性，电气元件的老化程度，液压系统的泄漏情况，液压元件的可靠性，系统能耗状况；（4）起重机械的整机状况。,（三）起重机械安全评估方案编制的要求根
11、据确定的安全评估内容，可以合理地编制有针对性的安全评估方案。1.针对整机状况可编制起重机械使用现状分析方案将起重机的各个部分分解成若干个单元，每个单元里包含各3项目，每个项目所处的状况确定一个分值范围（分值范围可咨询一定数量的专家，归纳总结得出经验值的范围）。对桥式起重机建议设置如下的起重机评估单元：设备管理单元、金属结构单元、主要零部件单元、电气保护单元、安全防护装置单元、载荷试验单元及其他。,2.针对钢结构可编制钢结构的状况分析方案起重机钢结构的安全评估，主要从以下几个方面开展：（1）建立钢结构数学分析模型，对钢结构承载能力采用许用应力法或者核算或用极限状态设计法进行核算；（2）钢结构载荷
12、试验测试和缺陷的测试；（3）钢结构主要受力焊缝的探伤；（4）钢结构使用寿命的估算（含设计寿命）。寿命估算一般有以下几个方法：根据使用工况进行计算，得到估算寿命；对起重机过去工况的估算和对现阶段工况进行测试，叠加后得出估算寿命。钢结构的状况可根据上述估算、测试结果进行分析，进而得出钢结构的状况。,3.针对传动系统可编制机械传动系统状况分析方案（1）建立传动系统的数学模型，进行力学分析或应用许用应力法进行核算，利用模型进行磨损、损伤分析；（2）机械传动部分外观检查与分析；（3）机械传动部分无拆卸检查与分析（非传统手法）； 利用振动测试技术，对高速旋转的机械部件进行失效性故障的监测与诊断；对传动部件
13、的润滑油油液进行分析来推断传动部件的磨损状况。（4）对传动系统进行能耗测试。4.针对电气检测系统，则进行电气检测系统分析方案的编制（1）根据资料进行先进性的比对；（2）电气系统能耗计算与测试。,（四）设计评估流程,评估流程是指评估的框架结构，它以评估的主要内容为支撑。评估流程是在宏观上和整体上对评估过程中起支撑作用和关键问题加以规定，对以后的评估过程有非常具体的指导意义。评估流程主要由以下内容构成：,起重机安全技术性能测试评估流程图,（五）评估程序中的几个环节中关键点进行阐述1.选择评估人员 安全评估人员是实施评估方案的主体。评估人员的技术水平决定了评估的质量。因此，要根据评估对象的特点、评估
14、的目的和评估方案的技术难度，从评估人员对设备的熟知程度出发，实现合理的人员匹配。一、确定评估项目负责人。评估项目负责人应是能够胜任评估项目的专业评估人员；应熟悉起重机械评估工作相关的理论方法、规范和标准；应具有较强的业务辨别能力，即能敏锐地判断评估项目的技术难度等问题；应工作认真、务实、敬业，有较强的协调和组织能力，有良好的综合素质，如有一定的交际和书面表达能力。二、确定咨询评估专家。要选择评估起重机械相关学科领域的专家、学者，以该方面的学科带头人或业内的权威人士为宜。同时，还应配备相应的技术数据采集和分析等方面的专家或专业人员。将能在规定时间内完成评估任务作为确定评估人员数量的基本原则。,2
15、.确定关键数据和信息的收集信息采集是评估过程的关键环节之一。评估中的许多重要问题都要靠关键数据和信息的收集去说明、判断。关键数据和信息的收集的原则是根据评估目的、内容和所要回答的问题，确定关键数据和信息的收集的范围和方法。如某一评估项目为起重机械方面的测试项目，评估目的是这个项目测试的可行性。根据评估目的和评估起重机械的特点，可确定关键数据和信息的收集的范围应是和起重机械安全有关的、特别是和起重机械使用安全有关的各种信息，再就是和项目有间接关系的主管部门安全意识重视程度的有关信息和历史记录。收集关键数据和信息的方法是从评估测试现场采集，从有关部门提供的资料中提取。对得到的大量信息要按真实性、准确性、适用性、时效性、合理性的原则进行分析，选择出少而精具有参考价值的信息。,（六）总结以上所述的起重机械安全评估主要是针对起重机械的本体进行评估，不包括设计、制造、安装、使用这些环节，希望本文能对大家的起重机械安全评估工作有所启发。,上海市特种设备监督检验技术研究院,谢谢,
