起重机械设备失效模式和安全评估基础知识--俞中建

1、起重机械设备失效模式和安全评估基础知识起重机械设备失效模式和安全评估基础知识俞中建俞中建上海市特种设备监督检验技术研究院上海市特种设备监督检验技术研究院一、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（一）基本概念1.1.失效失效是指一台装置（或其零部件）丧失了在预定期是指一台装置（或其零部件）丧失了在预定期限内的正确功能；限内的正确功能；2.2.故障故障是指一台装置（或其零部件）在应达到的功能是指一台装置（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

2、能，而失效则强调其已“在预定期限内在预定期限内”丧失了正常功能，丧失了正常功能，即强调其已处于不正常状态。即强调其已处于不正常状态。3.3.失效模式失效模式一般是指能被观察或者测量出来的一种失一般是指能被观察或者测量出来的一种失效现象。效现象。4.4.起重机械设备和零部件的主要失效模式是：磨损、变形、起重机械设备和零部件的主要失效模式是：磨损、变形、断裂、腐蚀等宏观现象。断裂、腐蚀等宏观现象。（二）失效的宏观现象（二）失效的宏观现象1.1.磨损失效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

3、常见的磨损。和微动磨损五种形式，这也是起重机械使用中常见的磨损。2.2.断裂失效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。种形式。3.3.腐蚀失效腐蚀失效腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。4.4.变形失效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。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（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，其失效形式起

4、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，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或

5、疲劳各是独立的一种失效形式，而腐蚀疲劳则可认为是组合的过程现象，由于其出现的普遍性、后果的严重性，组合的过程现象，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。蚀疲劳已被作为一种

6、独立的失效形式。二、起重机械的安全评估二、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（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用了一定的年限后，如何正

7、确评估这些在用起重机械的状况，保证起重机械安全可靠使用，这是使用者最为关心的况，保证起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。值的设备，作出判废的建议。（二）评估具体对象和内

8、容的确定（二）评估具体对象和内容的确定 1. 1.由于起重机械品种繁多，每个品种的起重机都有各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。评估方案肯定是不同的。 2.2.由于使用工况，使用年限，使用场合，操作人员，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

9、要求也不尽相同，所以评估侧重的出来的特征和使用方的要求也不尽相同，所以评估侧重的内容也就需要确定。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。再进行起重机械安全评估方案的编制。 3.3.一般而言，起重机械由三大部分组成：钢结构、机一般而言，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

10、致可以划分为以上三大部分。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：安全评估的基本内容和要求是： （1 1）钢结构的疲劳损伤或存在的缺陷；）钢结构的疲劳损伤或存在的缺陷； （2 2）机械传动系统存在的缺陷，磨损和损伤状况，系）机械传动系统存在的缺陷，磨损和损伤状况，系统能耗状况；统能耗状况； （3 3）控制系统的先进性，电气元件的老化程度，液压）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；系统的泄漏情况，液压元件的可靠性，系统能耗状况； （4 4）起重机械的整机状况。）起重机械的整机状况。 （三）起重机械安全评估

11、方案编制的要求（三）起重机械安全评估方案编制的要求 根据确定的安全评估内容，可以合理地编制有针对性根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。的安全评估方案。 1.1.针对整机状况可编制起重机械使用现状分析方案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，每个单元里包含各包含各3 3项目，每个项目所处的状况确定一个分值范围（分项目，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）。围）。 对桥式起重机建议

12、设置如下的对桥式起重机建议设置如下的起重机评估单元起重机评估单元： 设备管理单元设备管理单元、金属结构单元金属结构单元、主要零部件单元主要零部件单元、电电气保护单元气保护单元、安全防护装置单元安全防护装置单元、载荷试验单元载荷试验单元及及其他其他。 2. 2.针对钢结构可编制钢结构的状况分析方案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：起重机钢结构的安全评估，主要从以下几个方面开展： （1 1）建立钢结构数学分析模型，对钢结构承载能力采）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；用许用应力法或者核算或用

13、极限状态设计法进行核算； （2 2）钢结构载荷试验测试和缺陷的测试；）钢结构载荷试验测试和缺陷的测试； （3 3）钢结构主要受力焊缝的探伤；）钢结构主要受力焊缝的探伤； （4 4）钢结构使用寿命的估算（含设计寿命）。）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：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；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，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。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，钢结构的状况可根据上述估算、测试

14、结果进行分析，进而得出钢结构的状况。进而得出钢结构的状况。 3. 3.针对传动系统可编制机械传动系统状况分析方案针对传动系统可编制机械传动系统状况分析方案 （1 1）建立传动系统的数学模型，进行力学分析或应用）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；许用应力法进行核算，利用模型进行磨损、损伤分析； （2 2）机械传动部分外观检查与分析；）机械传动部分外观检查与分析； （3 3）机械传动部分无拆卸检查与分析（非传统手法）；）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利用振动测试技术，对高速旋转的机械

15、部件进行失效性故障的监测与诊断；效性故障的监测与诊断； 对传动部件的润滑油油液进行分析来推断传动部件对传动部件的润滑油油液进行分析来推断传动部件的磨损状况。的磨损状况。 （4 4）对传动系统进行能耗测试。）对传动系统进行能耗测试。 4. 4.针对电气检测系统，则进行电气检测系统分析方案针对电气检测系统，则进行电气检测系统分析方案的编制的编制 （1 1）根据资料进行先进性的比对；）根据资料进行先进性的比对； （2 2）电气系统能耗计算与测试。）电气系统能耗计算与测试。（四）设计评估流程（四）设计评估流程 评估流程是评估流程是指评估的框架结指评估的框架结构，它以评估的构，它以评估的主要内容为支撑。

16、主要内容为支撑。评估流程是在宏评估流程是在宏观上和整体上对观上和整体上对评估过程中起支评估过程中起支撑作用和关键问撑作用和关键问题加以规定，对题加以规定，对以后的评估过程以后的评估过程有非常具体的指有非常具体的指导意义。评估流导意义。评估流程主要由以下内程主要由以下内容构成：容构成：起重机安全技术性能测试评估流程图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（五）评估程序中的几个环节中关键点进行阐述 1.1.选择评估人员选择评估人员 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

17、评估对象的特点、评估的平决定了评估的质量。因此，要根据评估对象的特点、评估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；应务辨别能力，即能敏锐地判断评估项目的技

18、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

19、基本原则。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. 2.确定关键数据和信息的收集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。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，评估目的是如某一评估项目为起重机械方面的测

20、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。对从评估测试现场采集，从有关部门提

21、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、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。息。（六）总结（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，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。希望本文能对大家的起重机械安全评估工作有所启发。、机械式停车设备车位尺寸和安全距离的相关规定机械式停车设备车

22、位尺寸和安全距离的相关规定上海市特种设备监督检验技术研究院谢谢评评 估估 单单 元元 划划 分分 及及 评评 估估 内内 容容 表表序号序号评估单元评估单元主主 要要 内内 容容1 1设备管理单元设备管理单元管理制度、设备档案、技术资料等管理制度、设备档案、技术资料等2 2金属结构单元金属结构单元主梁应力测试、结构件焊接、结构件几何尺寸主梁应力测试、结构件焊接、结构件几何尺寸测量、焊缝探伤、主梁上拱度、水平旁弯、腹测量、焊缝探伤、主梁上拱度、水平旁弯、腹板平面度、跨度、对角线、栏杆等板平面度、跨度、对角线、栏杆等3 3主要零部件单元主要零部件单元吊钩、钢丝绳、滑轮、制动器、制动轮、车轮、吊钩、

23、钢丝绳、滑轮、制动器、制动轮、车轮、联轴器、减速器、卷筒等联轴器、减速器、卷筒等4 4电气系统单元电气系统单元供电电源、馈电装置、电气设备及元件、电线供电电源、馈电装置、电气设备及元件、电线及电缆、绝缘及接地电阻值、紧急断电开关、及电缆、绝缘及接地电阻值、紧急断电开关、短路及失压保护、零位保护、过流保护、照明短路及失压保护、零位保护、过流保护、照明等等5 5安全防护装置单元安全防护装置单元限位器、联锁保护装置、缓冲器、扫轨板、止限位器、联锁保护装置、缓冲器、扫轨板、止挡、防护板、防护罩、超载限制器等挡、防护板、防护罩、超载限制器等6 6载荷试验单元载荷试验单元空载、额载、静载和动载试验，动刚度

24、测试等空载、额载、静载和动载试验，动刚度测试等7 7其其 他他日常检验必须达到的内容日常检验必须达到的内容返回返回设设 备备 管管 理理 单单 元元 检检 查查 情情 况况 表表序序 号号检检 查查 内内 容容检检 查查 记记 录录1.11.1管理制度管理制度1.1.1起重机设备管理制度1.1.2起重机操作规程细则1.1.3各级岗位责任制1.1.4交接班制度1.1.5安全技术要求细则1.1.6绑挂指挥规程1.1.7检修制度1.1.8培训制度1.1.9设备档案制度设设 备备 管管 理理 单单 元元 检检 查查 情情 况况 表（续）表（续）序序 号号检检 查查 内内 容容检检 查查 记记 录录1.

25、2设备档案及技术资料设备档案及技术资料1.2.1产品质量证明书1.2.2总图、桥架及小车图纸1.2.3主要易损件图纸、部件图及附件图1.2.4电气原理及接线图、电线与电缆敷线图1.2.5点检记录返回返回金金 属属 结结 构构 单单 元元 检检 查查 情情 况况 表表序序 号号检检 查查 内内 容容检检 查查 记记 录录2 2金属结构单元金属结构单元2.1主梁截面及板材厚度截面高度 上盖板厚度下盖板厚度上盖板宽度下盖板宽度腹板厚度2.2主梁上拱度金金 属属 结结 构构 单单 元元 检检 查查 情情 况况 表（续）表（续）序序 号号检检 查查 内内 容容检检 查查 记记 录录2.3主梁水平旁弯2.

26、4主梁水平偏斜2.5主梁垂直偏斜2.6主梁小车轨道高低差2.7主梁小车轨距偏差2.8小车轨道接头情况2.9主梁腹板局部平面度2.10起重机跨度偏差2.11螺栓联接金金 属属 结结 构构 单单 元元 检检 查查 情情 况况 表（续）表（续）序序 号号检检 查查 内内 容容检检 查查 记记 录录2.12起重机对角线差2.13主梁小车轨道直线度2.14小车轨道与主梁上盖板间隙 2.15主梁上的对接焊缝应符合外观检查要求2.16起重机主梁应力测试2.17金属结构连接2.18起重机上梯子、栏杆和走台应符合GB 6067的有关规定返回返回主主 要要 零零 部部 件件 单单 元元 检检 查查 情情 况况 表表序序 号号检检 查查 内内 容容检检 查查 记记 录录3 3主要零部件单元主要零部件单元3.1吊钩3.2大车车轮水平偏斜3.3大、小车车轮踏面硬度3.4小车车轮垂直偏斜及偏斜方向3.5小车车轮水平偏斜3.6制动器及制动轮3.7减速器3.8制动轮表面硬度主主 要要 零