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伸缩式装船机在安装过程中的结构失效

摘要：

伸缩式装船机的安装期间的故障通过目视观察，通过光学和电子显微镜，断裂韧性和拉伸试验，有限元计算来检查。结构的失效发生在装载配重时的安装期间。 在80吨中投入了77个平衡重量，上部有两个非散射梁的结构突然失效。 失效的结果分析表明，其中一个主要水平梁的脆性断裂是整个结构失效的主要起始因素。这些结果表明脆性断裂是由于微裂纹的发展而产生，发生在这个过程中的几个焊接过程之一。焊接产生了异常的微观结构和梁的受损区域出现裂缝，共同导致梁的断裂和失效。

关键词：

装船机.结构失效.脆性断裂.损坏。

介绍：

尽管安全性是防止故障的一个主要关注点，失效也会导致经济上的亏损，例如维修或者更换，寻找替代品的成本，以及间接损失的成本。不同的研究表明断裂导致的经济上的影响在美国和欧洲[1]都是十分显著的（高达国民生产总值的1％）。因此，使用断裂力学和失效分析技术可能会带来重要的经济效益。当这些技术阻止后续的失效时，失效分析可能会导致设计的修改、材料的选择或制造，并可以防止重复故障，从而降低维修成本。研究负载，材料属性之间的关系以及现有的破坏尺寸机械技术为失效分析和预测提供了一个有用的工具 [2]。另外，如果发生故障，该工具可用于了解什么构件发生了破坏，防止将来再犯这样的错误。所以，不同的调查人员已经将此工具用于失效研究[3-9]。

在目前的情况下，装船机的结构失效是可以预见的。在这个失效分析中，压力，缺陷，和材料特性及其相互作用被考虑。装船机是用于装卸船舶的非常重要的设备。各种各样装载机的设计可以被用到，决定所装材料的性质和经济性需要加载的年度数量等因素期间安装固定设备或便携式机器加载和使用时间（临时或长期）。在这项研究中调查的装船机是具有固定位置的伸缩式装船机、输送带。这是一个中等容量的装载机粒状材料，如煤，砂和水泥熟料。有空间可用于卡车持续为装船机提供物料。这种中型装船机具有生产能力360吨/小时，有一个伸缩穿梭加载带到达所有需要的位置。动臂式带式输送机的转速为1.5米/秒，工作转臂角度157.5磅，配重（平衡重）80吨，总重量200吨。旋转的组合并且装载悬臂的伸缩运动使能。

装载机将材料带到舱口的所有部分。一个旋转滑槽连接到伸缩式加载管有助于填补角落。图1显示了一个这种类型的装船机例子。装船机的图纸以及悬臂伸缩部件和支架的图纸分别显示在图2（a）和（b）中。安装过程中出现这种结构失效通过变截面部分。这些部分位于该结构的上部并且还有位于该结构的右侧主要支持。失效发生在附近的结构横截面的变化点。失效的部分和他们在结构中的位置可以看到图3.当时安装过程中负载平衡重已经发生故障。安装完77个之后80吨的平衡重，结构已经突然失效，没有警告，并造成了很多损害。

图1 一种伸缩式装船组

图2（a）装船机。（b）装船机伸缩部分和装船机的支持

图3结构中失效构件的形状和位置

材料：

装船机的结构钢由St 52-3制成钢以外形和板材的形式。 表1显示了这种材料的组成。表2列出了结构钢的机械性能。

装船机的几何形状：

装船机的吊杆结构与空间水平的结构、垂直的核倾斜的桁架相似，如图4所示。水平构件是连续的并由H型材（宽翼缘型材）制成。大部分的垂直和对角线的结构是由双角度并通过螺栓连接到水平构件空间桁架的高度和宽度是4.10和3.90米。 每个面板宽度（垂直部件之间的水平距离）大约是3.50米。

表1结构钢的组成

表2结构钢的机械性能

检查：

事故现场被检查并进行了随后的观察。该结构已从主支架的右侧拆除（参见图5a和b）。虽然观察到左侧一定程度的损害结构（伸缩部分和悬臂），但损坏集中在支架的右侧平衡块连接在主体上结构（图5）。在失效的部分，两个主要上层梁既断裂又与其余结构完全分开。在右侧失效的横截面上观察到上梁（梁1）有小程度的塑性变形，但在左侧的失效横截面处观察到梁（梁2）（见图6）没有明显的变形。在左侧的上梁（梁2）附近横断面一些小的和大的裂缝被发现。还有人观察到垂直与水平上梁分离的构件（梁1和2）靠近失效的横截面。他们俩主要的下部结构梁在点处变形在横截面变化，但在这个区域没有断裂。左侧下主要水平结构是在横截面的变化区域附近破裂，并且伴随着相当大的变形。右侧下主横梁（横梁3）虽然没有断裂，但严重变形。变形集中在梁的狭窄部分。图7（a）至（c）显示了失效的区域。这些观察表明失效可能从上层水平梁（梁1和2）开始。因此，调查围绕这两各部分聚焦。

故障分析：

事实上，失效发生在安装过程中的脆弱的横梁以及没有操作的部分。 因此，梁1和2的断裂部分周围的区域以及梁的断裂表面研究了这两个横梁的性质。

损害调查：

为了更好地理解一个部分的损害演变，通过使用染料渗透法，放大35·立体显微镜，还有投影仪和光学显微镜，使损害在每个梁的断裂部分附近被分开。 结果显示表面有几个中等大小的裂缝和一些小的受损区域，梁1靠近断裂区域和受损区域面积较大。

图4空间桁架结构与水平，垂直和对角线横梁

图5（a）失效后的装船机。（b）集中损害支平衡块所在的支

撑的右侧

图6四个主要故障梁（梁1-4）的位置

图8显示了这个区域吊杆的表面。

拉伸测试：

评估梁的性质，狗骨式拉伸标本长102毫米，标距16毫米，从梁1和2的未受损区域切下梁的受损区域2.使用拉伸机在室温下对样品进行拉伸试验。 使用1mm / min的十字头速度记录在X-Y记录仪上的负载 - 伸长曲线。结果显示屈服强度为352MPa并且极限对于未受损区域的梁，抗拉强度为568MPa显示了来自梁2的受损区域的样本几乎线性的断裂，因而这些样品屈服强度和抗拉强度为175plusmn;28 MPa。

断裂韧性测试：

根据ASTM断裂韧度标准E 399 [11]测量断裂韧性。单边弯曲试样（SEBS），12和8.5mm的厚度，被用于这些测试。图9显示了这些样品的几何结构和从中提取的吊杆的位置。对于吊杆1和2样品中的裂纹面都是横向于吊杆轴线，以再现如在失效一样相同的吊杆平面。确定有效的平面应变断裂韧性（KIC）。当测量值不满足平面应变断裂韧性时的状况，他们被报告为韧性（K_Q）。对每个样本进行多次重复测试。作为参考，从梁1和梁2远离失效的没有被破坏的部分一些标本被提取和测试。

在梁上的破坏点和没有破坏的点韧性被测量，所有的结果是相互比较并与可用信息进行比较，在失效的梁上。断裂韧性测试结果显示梁1未受损区域的韧性（K_Q）分别为44.1 MPa和43.7 MPa*m^1/2。该测量梁1和2受损区域得到的韧性为39.3和38.2 MPa *m^1/2。St52的韧性材料梁1和2记录为45至50兆帕。断裂韧性测试显示两个梁的韧性值都低于预期值[12]。这些结果表明梁1在受损区域（靠近失效区域）的韧性截面相比于未损坏的区域（远离失败的部分）韧性下降约11.6％。在梁2的情况下，这个减少是12.5％。所以，在受损区域梁的韧性发生了变化。

金属组织：

研究了从梁1和2的损坏和未损坏的光滑表面提取的标本通过光学和扫描电子显微镜（SEM）来进行研究晶粒结构和第二相颗粒。晶粒结构的观察在样品的蚀刻表面上进行。图10（a）和（b）分别显示梁2的破坏和未破坏部分的晶粒结构。图10（c）显示了来自梁2的晶粒结构的扫描受损区域的电子显微照片。 而受损的微观结构部分包括长而狭窄的晶粒，未受损区域展出几乎等轴晶粒。 除了大而细长的晶粒，受损区域还包括发纹状的晶界裂纹和部分晶界的粒内沉淀。 通过光学和SEM证实了在梁1和梁2两个杆都存在第二相颗粒。

断口组织的显微观察：

断裂的表面非常重要并且包含着有关失效分析的信息。 因此，通过SEM和化学分析仔细检查了梁1和2的断裂表面。显微照片获得详细的图像分析，量化表面特征并证明了断裂机制。图11（a）和（b）分别显示了梁1和梁2断裂表面 。虽然破裂梁1和梁2的表面均表现出凹痕。这是一个典型的断裂特征，观察梁的断裂表面返现有一定差异。该梁1的断裂表面呈现良好形成的空隙在主要在空隙之间的基质韧带内。相反，梁2的断裂表面被覆盖大小的浅空隙以及一些在空隙之间的平坦的区域所覆盖。在这个梁中，结构之间相邻的空隙被小的沟槽或平坦的地方所破坏。

图10（a）梁2在受损区域的晶粒结构。

（b）梁2在未受损区域的晶粒结构。

（c）梁2结构受损区的电子扫描照片。

图11（a）梁1的断裂表面。

（b）梁2的断裂表面

有限元分析：

在装载机安装期间施加的载荷包括静载（构件地板的重量，屋顶，侧墙，设备等），动载（平衡体重，工人等）和风荷载。

结构分析中的静载荷的值是被认为是一个等于5KN的集中力，作用于每个连接吊杆。每个重量结构通过分析软件被认为集中在同一个地方。

失效时的平衡重量为770KN，工人的体重约为5KN。结果，两个集中的活载约为390KN作用于臂架末端的水平下部构件（梁）（在平衡重的位置）。

最大可能风速（50年期间）在装船地点估计为100公里/小时，在失效时风速（V）在范围为40至60公里/小时。因此，基础压力风（q）计算为：q = 0.05V²约为200N / m²。然后风的总有效压力可以从等式1中获得，等式1：qe = CeCq q（1）其中Ce和Cq是分别速度系数和形状因子。 Ce是结构高程的函数从地面（Z）开始，由方程2计算：Ce = 2（0.1Z）^0.16（2）

当装载机动臂的平均高度从地面水平（Z）为15米，Ce为2.13。参数Cq（形状系数）为吊杆上风侧的墙体面等于0.8，而对于下风侧的墙体，等于0.5。那么迎风墙的有效风压（q1）对于下风墙（q2）计算如下：q1 = 2.13·0.8·200 = 340N / m²和q²=-2.13bull;0.5·200 =-213 N / m²。在结构上分析，这些风压被认为是均匀载荷它们分布在顶部的水平结构之间。

采用SAP2000有限元软件进行有限元分析，计算装船机梁的内力。线性弹性分析是针对静态加载条件完成的（静载，动载和风载荷）。在这个分析中考虑两种不同的负载组合：1，静载和动载;和2，静载动载和风载荷。对于每个载荷组合组合，收缩部分的内力（梁1和2）（图12）被计算和报告。总的正压力在收缩部分是根据计算的内力和刚结构部分几何特性获得。然后每个收缩结构的安全系数通过与计算压力材料的屈服强度比较来估计。

如图13所示，收缩构件（梁1和2）是非棱柱构件。这些成员在三个不同载荷组合下的属性见表3。轴向力和弯矩图在载荷组合1的情况下如图14（a）和（b）所示。收缩构件内力与正应力在三中载荷组合在1和2的情况下受力在表4和5中给出，总正应力（r）通过公式3计算：

sigma;=T/A M_x/S_x M_y/S_y (3)

其中A，Sx和Sy是截面属性，如表3所示，T，Mx，My是内力，如图表4示。

假设失败发生该构件任何一点的正常应力超过屈服强调。安全系数（SF）计算公式如下：SF = sigma;_y/sigma;，sigma;_y是材料屈服强度等于360 MPa。

结果（表4和5）显示收缩构件的最小的安全系数是2.80，远远大于安全系数为1.67，这对大多数结构来说是足够的。因此，正压力不是一个基本的导致这些梁（梁1和梁2）失效的因素。该收缩结构是非棱柱。因此，在横截面变化的位置，压力集中发生。在这个位置，最大的实际应力由公式4计算得出：

（sigma;_max）_actual=K(sigma;_max)_nominal (4)

其中K是应力集中系数, (sigma;_max)_nominal是没有考虑应力集中影响的最大标称压力

图12有限的结构元素计算

图13不规则梁1和2的不同部分

K的值因素取决于在横截面变化的位置处结构的几何特性。这个因素是可在技术文献和各种表格和图表中找到。对于梁1和2，轴系的K因子和弯曲应力分别约为1.30和1.20 [13]。因此，结构3外表面的实际最大应力在载荷组合2的（图13）的大约是：（sigma;_max）_actual=1.30·129=168 MPa(5)在这个集中的压力水平上的安全系数是等于2.1。

对于结构中的韧性材料，在破裂之前发生几乎均匀的应力分布，典型地忽略应力集中的影响。另一方面，在脆性材料和（或）波动载荷的情况下，应力集中是设计的重要因素。因此，在这种情况下可能会失去韧性重要的和失效可以追溯到渐进开裂起源于高局部应力点，见图8。

表3 收缩构件的部分属性

表4 收缩构件截面的内力和法向应力（载荷组合1）

图14 （a）吊杆在载荷组合1情况下的轴向力图。

（b）在载荷组合1时，弯矩图。

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