基于塔式起重机安全评估及其可视化研究

摘要：塔式起重机（以下简称塔机）是建筑施工中必不可少的施工机械设备，长期以来，人们在维护塔机时只重视对传动及电气设备的养护，同时由于人员技术和检测设备的原因很少对钢结构和焊缝进行检查，给施工带来各种事故隐患，而实际上结构件的寿命对整机的寿命有关键性的影响，据文献[1][2]介绍，在塔机的事故类型中由于结构损坏的原因占到90%以上。
近年来，随着城市建设的发展和高层建筑的增加，塔机的使用量也在不断增多，但同时，由于管理、维护等原因，重大事故频频发生，给国家和人民群众的生命则产带来了重大损失，造成严重的社会不良影响。因此要保证设备能安全运行，除日常检测、维护和保养外，塔机使用过程中的金属结构件的安全性评估也是必不可少的。
本课题基于以上背景，结合疲劳寿命理论、贝叶斯网络故障分析模型和国内外先进经验，从实际应用技术创新的视角出发，建立塔机主受力构件的各项疲劳参数值并推导出疲劳剩余寿命计算公式，同时建立塔式起重机的结构稳定性和裂纹控制模型，最终编制出塔机结构安全管理应用软件，与现场检测相结合，可以大大节约检测时间，降低劳动强度，提高测量精度，为特种设备现场检测提供新的有效方法，并为我国建立特种设备安全动态监管机制提供有力的技术支撑，具有重要的理论与现实意义。
关键词：塔机 安全评估 可视化研究
一、概述
塔式起重机（以下简称塔机）是建筑施工中必不可少的施工机械设备，长期以来，人们在维护塔机时只重视对传动及电气设备的养护，同时由于人员技术和检测设备的原因很少对钢结构和焊缝进行检查，给施工带来各种事故隐患，而实际上结构件的寿命对整机的寿命有关键性的影响，据文献[1][2]介绍，在塔机的事故类型中由于结构损坏的原因占到90%以上。
近年来，随着城市建设的发展和高层建筑的增加，塔机的使用量也在不断增多，但同时，由于管理、维护等原因，重大事故频频发生，给国家和人民群众的生命则产带来了重大损失，造成严重的社会不良影响。因此要保证设备能安全运行，除日常检测、维护和保养外，塔机使用过程中的金属结构件的安全性评估也是必不可少的。
本课题基于以上背景，结合疲劳寿命理论、贝叶斯网络故障分析模型和国内外先进经验，从实际应用技术创新的视角出发，建立塔机主受力构件的各项疲劳参数值并推导出疲劳剩余寿命计算公式，同时建立塔式起重机的结构稳定性和裂纹控制模型，最终编制出塔机结构安全管理应用软件，与现场检测相结合，可以大大节约检测时间，降低劳动强度，提高测量精度，为特种设备现场检测提供新的有效方法，并为我国建立特种设备安全动态监管机制提供有力的技术支撑，具有重要的理论与现实意义。
国内外的研究现状分析
经过对大量事故的调研、理论分析计算的结果表明，塔机结构破坏事故的原因主要有两个方面[3]：其一是疲劳问题，其二是稳定性问题，特别是构件的局部稳定性。针对此问题，国内外的许多研究学者和设备管理人员对结构的疲劳和稳定性，以及塔机结构的安全管理进行了大量的分析研究，总结出了一系列行之有效的理论和管理方法。但是由于塔机的机械结构疲劳试验需要耗费大量的人力、物力和时间，因此无论是国外还是国内，对塔机机械金属结构所进行的疲劳试验和研究总的来说还很少。
在国内对与塔机结构件相关的技术研究方面，主要集中在起重设备结构疲劳和寿命估算方面：北京建筑工程学院提出了一种基于设计规范的计算塔机剩余寿命反推算法[4]；上海海事大学和武汉理工大学分别基于断裂力学和疲劳强度理论提出了港口起重机金属结构剩余疲劳寿命的测试研究工作[5]；北京航空航大大学，北京化工大学对煤炭装卸系统钢结构进行了应力集中区的无损检测方法以及安全评定工作的研究[6]；长沙建筑机械研究院、国家建筑城建机械质检中心等单位在塔机的安全装置及其相关应用技术开展了大量的研究工作[7]；武汉理工大学、上海海事大学、太原科技大学和南京工业大学等，在多年研究的基础上，已经初步开发了港口起重机械和矿山起重机械的安全评定数据库以及安全评价和寿命评估的相关软件系统[3，8-10]。但是由于我国特种设备安全检测设备制造企业规模普遍较小、经济实力不强、信息沟通不畅、对企业社会需求和技术发展趋势缺乏了解和认识，相关高校及研究院所虽然了解技术发展趋势但对企业社会需求同样缺乏认识，而且将技术变成具有工程实用价值的产品，并被企业社会接收，需要大量的资源投入和系统性工作，加之此类产品专业性和专用性太强，难度大，对企业和社会资本缺乏吸引力，国家也较少有资金投入，因此在这方面的研究发展，我国还远远落后于工业发达国家。
国际上比较著名的塔机厂家有德国的LIEBHERR公司、WOLFF公司、法国的POTAIN公司、意大利的SIMMA等几十家制造商，其产品占据国际起重机市场的大部分份额，也代表着塔机生产的最先进技术[11-13]。他们大都根据自己的起重机产品研制有配套的安全监控装置，监控其运行状态，记录工作历史数据，为寿命估算提供依据。同时，国外有很多大型实验室，可以对塔机的整体模型进行疲劳试验，得到具体结构性能参数，然后采用疲劳基本理论得到塔机的安全寿命。但是由于国外的基础工业（如原材料）与国内有很大差别，再加上管理方式的小同，国外的研究成果很难在国内直接应用。

总之，国内外对塔机结构件的安全检测问题的研究已经取得了丰富的成果，为本课题的后续展开奠定了良好的理论基础，本课题将在前人研究的基础上，以塔机的结构件为研究对象，针对塔机主受力构件的疲劳剩余寿命计算公式展开数理推导与仿真分析，进而构建塔机的结构稳定性和裂纹控制模型，最终编制出塔机结构件安全性评估软件，能够方便实现对现有的塔式起重机的结构运行状态数据进行处理。
二、总体设计
本项目的总体思路是：以理论分析和建模仿真作为先导，以塔机常用的Q235钢材为实验研究对象，以省特检院提供的近几年检测报告数据为处理对象，以相关企业（如安徽建筑机械有限责任公司，合肥中宝机械有限公司、山东华夏集团有限公司、浙江省建筑机械有限公司等国内大型塔机生产企业，由省特检院负责联系）生产的塔机作为验证研究对象，拟理论研究与实验研究相结合的方式进行。
（一）研究目标。
本课题以塔机金属结构件为研究对象，研究建立直观有效的金属结构件的安全性评估方法，具体研究目标如下：
（1）结合疲劳寿命理论、贝叶斯网络故障分析模型和国内外先进经验，从实际应用、技术创新的视角出发，构建数理统计模型分析塔机结构件故障规律，建立塔机主受力构件的各项疲劳参数值；
（2）推导出针对塔机主受力构件的疲劳剩余寿命计算公式，建立塔机的结构稳定性和裂纹控制模型，最终编制出塔机结构件安全性评估软件，为特种设备现场检测提供新的有效方法，并为我国建立特种设备安全动态监管机制提供有力的技术支撑和依据。
（二）研究内容。
（1）Q235钢材裂纹扩展特性研究
针对塔机结构普遍采用的Q235钢材的裂纹扩展特性进行有限元分析及试验研究，为后续的塔机结构件裂纹的监控与评价提供科学依据；
（2）塔机结构件故障统计分析及安全评价指标研究
基于省特检所起重机部提供的近几年塔机检测报告，采用故障树和贝叶斯网络分析相结合的方法进行统计分析，得到塔机金属结构常见故障类型及其规律、金属结构各系统故障规律及故障产生部位规律；从设计角度和故障角度对塔机金属结构安全影响因素进行分析，研究金属结构安全评价指标体系的构建原则，并在此基础上构建评价指标体系框架；
（3）建立塔机结构疲劳寿命的预测模型
以某款常用塔机为例，采集并整理其设计参数和在工作寿命内的实际工作参数，建立相应的数据库，采用数据挖掘技术建立塔机结构疲劳裂纹扩展寿命的预测模型；
（4）编制塔机结构件安全管理应用软件
在上述研究基础上，采用面向对象的程序开发语言，结合数据库技术开发“塔机结构件安全性评估软件”平台，方便直观地实现对不同状态、不同类型、不同系列、不同工作参数的塔机实现疲劳剩余寿命的估算及危险部位预测。
（三）拟解决的关键问题。
（1）Q235钢材的裂纹扩展特性参数的准确获取
这项工作的及时开展与结果准确与否会直接影响到后续塔机结构疲劳裂纹扩展寿命的预测模型的正确建立和所开发塔机安全管理软件准确程度。
（2）基于故障树和贝叶斯网络的塔机结构故障分析
故障树分析法是系统可靠性分析的基础，是故障事件在一定条件下的逻辑推理，把设备故障与导致该故障的各种因素以树形图的形式呈现出来，结构清晰，具有直观、形象的特点。而贝叶斯网络(又叫信度网)，在表达不确定性知识方面，如人工智能、数据挖掘等领域，是一个有力的工具，有着广泛的应用。鉴于塔机金属结构故障类型具有多种（裂纹、锈蚀、局部变形和焊缝缺陷等），测量数据庞大，因此如何有效综合利用故障树分析法和贝叶斯网络，继而解决多态系统故障树比较复杂及计算量相对较大的问题是本项目的又一个关键问题。
（3）塔机金属结构剩余疲劳寿命估算方法的选择
当前，在起重机金属结构剩余疲劳寿命的测试工作中，有反算法和估算法，其理论基础基本相同，主要有以下两种：一种是以上海海事大学为代表，采用将断裂力学应用于疲劳分析的损伤容限法；另一种是以武汉理工大学为代表，采用以疲劳强度理论为基础的名义应力法。在塔机的金属结构件疲劳寿命预测的工作过程中具体适宜采用哪一种方法，还有待于实践的积累和进一步的探索，这是塔机结构疲劳寿命的预测模型正确的建立的关键问题。
（四）研究方法。
由于本项目为产学研项目，以直接服务工程实际为目标，因此拟采用的总体研究方法如下：结合现有工作基础，采用理论研究、样机调试与工程实际应用相结合的方式，充分利用安徽建筑工业学院在数字化设计理论、关键技术和样机构建方面的综合优势，并汲取国内外在该领域的先进经验，与质量技术监管部门和塔机制造企业紧密配合，实现理论与工程相结合。
三、 技术路线
（一）本项目拟采用具体技术路线如图1所示，图中的箭头表示研究和解决问题应遵循的先后次序以及相互约束关系，图中文字则简要阐述了采用“什么方法或技术”解决“什么研究问题”

（二）实验方案。
本项目主要将对Q235钢材进行实验研究和参数识别，并对最终编制的塔机金属结构安全性评价系统软件平台进行测试试验及调试。
1.Q235钢材材料特性实验研究

（1）按照国家标准GB/T6398-2000《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》确定试样尺寸，采用拉伸试验机和液压伺服拉扭材料试验系统对试样进行一系列实验研究获得分析的基础参数数据；
（2）结合拉伸试验所得到的材料的基本特性参数采用有限元分析软件ABAQUS对Q235钢材的裂纹扩展特性进行仿真计算，并同裂纹扩展实验所得到的基础参数进行验证和对比，分析与实验结果的吻合程度，由此对Q235钢材裂纹扩展特性参数进行修正。
2.所编制应用软件的试验测试、调试工作与分析
（1）为了验证所编制的应用软件的正确性和准确性，在软件编制完成后，首先在实验室中根据实际测量数据进行理论计算、有限元疲劳分析来加以验证、修正及调试软件；
（2）完成实验室的验证、调试工作后，由省特检院组织协调相关塔机生产厂家和建筑施工单位在施工现场对软件进行试验测试，并据实际使用效果对软件进一步加以修正调试。
（3）数据处理手段及疲劳分析方法已经相当成熟，相关理论的发展为本项目的研究提供了严密的数学理论基础，课题所提的“在塔机的结构稳定性和裂纹控制模型”基础上实现塔机结构的可视化安全管理难度较大，但根据本课题组前期的理论分析和初步的试验结果，该方法具有很好的实施前景。
综上所述，本项目的研究成功处于国内领先、达到国际先进水平的高新技术产品，填补了国内空白，为我国塔式起重机的使用寿命安全评估起到良好的推动作用，成为我家特种设备检验机构、起重机械制造厂家及安装、维护保养单位必不可少的安全检验仪器。产品在市场具有广阔的产业化前景，同时必将产生一定的社会效益和经济效益。
（作者单位：安徽省特种设备检测院）