大量的港口起重机事故是由于金属结构失效引起的。对于桥式起重机械的钢结构来讲，裂纹、断裂、变形与锈蚀是起重机钢结构安全运行的四大危害因素。其中锈蚀和变形过程时间比较长，特征明显，容易被提前发现，采取有效措施进行控制和修复。但是裂纹的发生却具有时间和空间的不确定性，因此金属结构的裂纹更加为人所重视。不仅如此，金属结构产生裂纹也是这四种缺陷中最主要的。国内某港口的6台桥式抓斗卸船机使用至今7年，其卸船机运行台车金属结构出现了80余条宏观裂纹，严重威胁了作业安全。本文结合国内某港口桥式抓斗卸船机出现的问题，详细描述疲劳裂纹的类型、产生原因及扩展机理，并从裂纹尖端的应力强度因子K的角度分析了裂纹扩展的条件，带裂纹构件的寿命估计计算，这可用于生产实际的机械金属结构裂纹分析及设备的管理过程，同时也针对性的提出设备管理建议。
1桥式抓斗卸船机运行台车的结构类型及工作特点
1.1结构类型
运行台车即运行机构的均衡装置，一般为箱型结构。运行台车与车轮通过轮轴和轴孔连接，各级均衡梁之间通过销轴连接。销轴连接处轴套与台车架腹板是对接焊缝。
1.2工作特点
1)抓斗卸船机的整机载荷，包括自重、起升载荷、风载荷等，最终由金属结构传到运行台车及车轮，几组运行台车平均承受整机载荷。
2)在起重机非工作时，运行台车承受载荷大致不变;在卸船机起升载荷时，海测运行台车所受压应力增加，陆侧运行台车所受压应力减小，且都恒为负应力;而卸载时，海测运行台车所受压应力减小，陆侧运行台车所受压应力增加。
3)如此完成一个工作循环，可认为，运行台车工作时反复承受交变压应力的影响，将成为疲劳裂纹扩展的动力。而且根据力矩平衡，陆侧运行台车的力臂较海侧长，固卸船机在加载荷卸载时陆侧压应力变幅更大，也更容易出现疲劳裂纹。
2 疲劳裂纹
疲劳裂纹起源于结构缺陷和应力较高、应力集中的区域。结构缺陷包括材料本身的缺陷和焊接缺陷。承受交变应力作用是结构疲劳破坏的首要条件。经摩擦后的裂纹表面会变得光滑，且愈近裂纹源愈光滑，这就是俗称的“贝壳线”现象。疲劳裂纹扩展至临界尺寸时，随着剩余工作截面的减小，应力逐渐增加，裂纹进入加速扩展阶段。当有效工作截面小到不能承载时，构件在载荷的冲击下便会发生脆性断裂。在应力集中的区域，例如承载界面突变处，力流设计不合理，会导致在短时间内也会出现明显裂纹。
2.1裂纹尖端应力强度因子
1)带裂纹构件受力后，裂纹尖端区域产生局部应力集中现象。
图2-1 裂纹尖端应力线
裂纹尖端区域应力集中程度与曲率半径有关，裂纹越尖锐，应力集中的程度就越高。断裂力学表明：当固体有非常尖锐的裂纹存在时，固体材料的实际断裂强度较理论断裂强度低得多。
2)根据线弹性断裂力学，引入应力强度因子K。K是构件几何、裂纹尺寸与外载荷的函数，表征了裂纹尖端载荷和变形的强度，是裂纹扩展趋势或者裂纹扩展推动力的度量。Ⅰ型裂纹(张开型裂纹)的裂纹尖端应力强度因子用
表示：
(2.1)
σ——名义应力;
a——裂纹尺寸;
Y——为形状系数。
以上参数可通过设计说明或机械设计手册获得。对于常见的或较简单的应力强度因子，已有应力强度因子手册作详细介绍。
材料抵抗裂纹扩展的抗力
称为材料的断裂韧度(应力强度因子的临界值)，可通过试验测定。
定义脆性断裂的K准则：
(2.2)
当一个工程结构中存在着初始裂纹时，虽然开始使用时在工作载荷下并不会产生断裂，但是由于绝大多数工程结构在服役期间都要承受循环式的载荷，在这种载荷作用下，结构中的初始裂纹将会缓慢增长。一旦外加载荷与裂纹长度的组合使得应力强度因子达到其临界值
，结构就会失效。
2.2疲劳裂纹扩展
在工程实际中，构件要承载或守循环载荷(疲劳载荷)的作用。根据裂纹扩展规律，裂纹的扩展有三个阶段：起裂、亚临界扩展(稳定扩展)、失稳扩展。起初构件中的裂纹很小，没有达到临界尺寸;在载荷作用下裂纹发生亚临界扩展，最后达到临界裂纹尺寸而失稳扩展，以致结构完全破坏或失效。从初始裂纹扩展到临界裂纹长度(即与外载荷组合得到的应力强度因子达到临界值
时的裂纹长度)所需的载荷循环次数，称为结构的疲劳裂纹扩展寿命。Paris公式指出，应力强度因子是表征裂纹尖端附近应力、应变长的主要参量，同样也应该是控制裂纹扩展速率的主要参量，有：
(2.3)
式中，
为应力强度因子变程，
和n为材料常数。
对含中央裂纹的无限大板，有：
(2.4)
(2.5)
式中，
。代入原式，有：
(2.6)
该公式适用于宏观裂纹扩展阶段。此时裂纹扩展方向与拉应力垂直，且为单一裂纹扩展。一般认为
时为宏观裂纹扩展。
对上式积分，得到裂纹扩展寿命的估计：
(2.7)
式中，
。当
时，结果为
(2.8)
3国内某港口桥式抓斗卸船机裂纹产生原因分析
假设运行台车裂纹的产生仅与其工作特点、载荷特性有关，则可初步断定裂纹是由长期的交变载荷所引起的疲劳裂纹，这也是最常见的原因。
图3-1 卸船机工作循环内台车应力变化
由上图可知，在卸船机的一个工作循环内，海测和陆侧的运行台车承受交变压应力。在卸船机工时，运行台车将反复承受交变应力，这是疲劳裂纹产生的普遍原因。初步判定，运行台车焊缝及其附近母材的裂纹是由疲劳产生的。
3.1计算验证
根据第二章，采用应力强度因子简略计算裂纹从初始长度到现在检测长度的扩展时间，与实际工作时间比较，验证裂纹产生的主要原因是否是疲劳。
以国内某港口6台卸船机中的5号样机的最长裂纹为例：
图3-2裂纹实例
表3-1 裂纹检测结论
序号焊缝编号检测长度(mm)缺陷情况(mm)评定级别评定结果备注
11-6800轴套下方焊缝裂615mmIII不合格
检测结论：发现裂纹，不合格。
做近似处理，认为该裂纹为无限大板的中央裂纹，且处于宏观裂纹的扩展阶段，其扩展方向与交变压应力垂直，为单一裂纹扩展。
已知：卸船机运行台车材料为Q235A，根据《机械设计手册》 ，Q235钢，其材料系数为：
表3-2 Q235材料参数
材料KIC
(MPa·
)Kth(MPa·
)Cn
Q235A126.54.192.68
10-103.78
备注：当
的单位为MPa·
，C值应乘以10-3 。
根据该卸船机的特点，设计时陆侧运行台车腹板压应力：(单位：MPa)
表3-3 运行台车腹板应力
σ
90
现检测到的裂纹长度为
307.5mm
由公式2—1,2—2，可计算得当前裂纹长度时的裂纹强度因子：
KIC
(3.1)
该裂纹为一般形态的无限大板的中央裂纹，取Y=1。
因此可知该处裂纹仍处于亚临界扩展状态(稳定扩展状态)，即可根据公式2—5，计算得Q235材料在该结构的名义应力作用下的临界裂纹长度：
(3.2)
(3.3)
由此可知该出裂纹仍在临界裂纹长度之内，且该处裂纹适用于Paris公式。
确定裂纹初始长度
:
(3.4)
根据公式2—7计算该裂纹从初始裂纹长度
到现检测长度
的扩展时间：
(3.5)
实际情况下，国内某港口的该卸船机5号样机已工作7年，每天大约350个工作循环，利用率为60%~70%，可计算得到现已消耗寿命
：
(3.6)
比较3.5、3.6：
(3.7)
由此可知，仅由疲劳导致的裂纹扩展寿命远远大于现已消耗的寿命。
结论：疲劳裂纹扩展寿命远大于现已消耗的寿命，理论上在现工作循环次数内不应该出现这么长的裂纹。由此可知初步判定——运行台车焊缝及其附近母材的裂纹是由疲劳产生的，是不正确的。该处裂纹的扩展，由交变应力导致的疲劳并非主要原因。
3.2 设计原因分析
既然使用过程中的疲劳并非运行台车腹板裂纹扩展的主要原因，那么在设计制造过程中是否使得该运行台车存在缺陷呢?
1)查阅该卸船机5号样机的运行台车部分的设计图纸，发现了一个重大的设计错误。截取图纸作如下说明:
图3-3 大车行走机构
(红色圈出的是轴套及近母材区，裂纹位置)
由设计图纸可知：
三级平衡梁的腹板与销轴轴套之间采用对接焊缝连接，且属于厚板与薄板对接。查阅《机械设计手册》及《起重机械钢结构设计》[7]，对对接焊缝的构造有如下要求：
当采用对接焊缝连接不同厚度或不同宽度的钢板时，为减少应力集中，应将板的一侧或两侧加工成坡度不大于1:4的坡度，形成平缓过渡。在改变厚度时，焊缝的计算厚度取较薄板的厚度。
图3-4 对接焊标准
而该设计图纸表明此处的焊接位置的坡度大于1:4，因此会引起较大的应力集中，力的传递阻碍打，力流线不顺畅。经计算，大坪衡梁、中平衡梁、小平衡梁对接焊位置计算坡度均大于1：4，不符合焊接标准。
3)坡度对力流的影响
当应力集中在两变截面对接处，轴套传递下来的应力流向下传递至近母材。当坡度过大时，薄板(腹板)将承受附加弯矩，且有较大的应力集中，应力不能顺畅地传导至腹板，易产生开裂甚至断裂;当坡度满足对接焊标准时，力流线会随坡度缓慢变向汇合，能顺畅地传导汇集至焊缝及薄板(腹板)，这种情况下腹板承力状态比较良好。
图3-5 (a)坡度过大产生附加弯矩
图 3-5 (b)力流不顺 图3-5(c)力流顺畅
结论：该运行台车的裂纹产生和亚临界扩展(稳定扩展)，在卸船机设计阶段，腹板及轴套对接结构不合理，导致应力集中，力流线不顺畅是主要原因。
3.3分析结果
造成运行台车的裂纹产生和亚临界扩展的原因有两方面。
第一：设计制造阶段，腹板及轴套采用对接焊缝连接，但结构设计不合理，导致应力集中，力流线不顺畅，并对腹板的局部区域产生附加弯矩。
第二：运行台车工作中承受交变压应力，由此产生的疲劳也使得裂纹扩展。
其中，设计错误是根本原因，如果设计中没有较大的应力集中，仅由疲劳导致裂纹扩展的寿命大大提高，不会产生宏观长裂纹。
4设备管理建议
4.1设备管理中的不足
从国内某港口的卸船机运行台车开裂的分析看，其在设备管理中存在以下问题：
1)在对设备的设计制造过程没有做到良好的监督，对原有的设计单位的图纸没有进行详细的审核。虽然设计单位在运行台车对接焊缝处的设计不合理，但同时由于港口企业对设计图纸的审查不到位，造成在使用过程中不可避免的损失。
2)日常维护、每月普查中忽视整机金属结构的检查，只注重经验辨识的危险点。
3)设备管理过程中没有认真执行规章制度。
4.2设备管理改善建议
1)加强设备的初期管理，加强对设备设计、制造阶段的审核。应理解设备一生的管理概念，每一个环节都是极为重要的，特别是设备的设计、制造环节的质量好坏，决定了设备寿命周期费用的多少，应将不必要的损失扼杀在摇篮之中。
2)加强使用过程的维护和检查，做到重点检查，全面兼顾。日常维护、点检以易发生故障或故障修复位置的检查为主;月检、季检时应对整机进行全面检查，不放过任何一个故障源。
3)引进或推进TnPM体系，在人机精细化管理上下功夫。只有在管理上做到精细，才能从最微小的地方遏制故障的发生。
