Analiza awarii zmęczeniowych konstrukcji i strategia monitorowania niezawodności eksploatacyjnej kratownicowego wysięgnika w dźwigach all-terrain

Dlaczego ramiona dźwigów mogą się cicho zużywać

Na całym świecie ogromne dźwigi mobilne ścigają się w stawianiu turbin wiatrowych i innych ciężkich konstrukcji. Chociaż ich stalowe ramiona wyglądają na solidne i niezmienne, każdy podniesiony ciężar wygina i rozluźnia metal, powoli osłabiając go podobnie jak spinacz do papieru, który pęka po wielokrotnym zginaniu. W artykule zbadano, jak i gdzie kumuluje się to ukryte uszkodzenie w otwartej, kratownicowej części wysięgnika oraz pokazano, jak dane na żywo z czujników i modele cyfrowe mogą ostrzec inżynierów, zanim pęknięcie zamieni się w poważny wypadek.

Metalowy szkielet na końcu wysięgnika

Badanie koncentruje się na kratownicowym wysięgniku, kratowym odcinku ze stali dodawanym do końców teleskopowego ramienia dźwigu, by sięgnąć wyżej i dalej — kluczowym przy podnoszeniu elementów turbin wiatrowych. Każdy wysięgnik jest zbudowany z pustych stalowych rur (podłużnic i zastrzałów) zespawanych razem. W miarę jak dźwig wielokrotnie podnosi, obraca i opuszcza ciężkie ładunki na wietrze, te spawy doświadczają naprzemiennych sił ściskających i rozciągających. Nowoczesne dążenie do lżejszych konstrukcji powoduje, że rury są cieńsze i mają więcej wycięć, co poprawia efektywność, ale też zwiększa giętkość i koncentruje naprężenia przy spawach. Ponieważ spawy są małe i ciasno rozmieszczone, a pęknięcia trudno zauważyć zanim przebiją całą ściankę, tradycyjne reguły bezpieczeństwa przestają wystarczać.

Od testów w skali rzeczywistej do maleńkich śladów pęknięć

Aby zobaczyć, jak naprawdę rozwija się uszkodzenie, badacze zbudowali stanowisko testowe w pełnej skali, wykorzystując sześciometrowy odcinek kratownicowego wysięgnika ze stali wysokowytrzymałej S890. Najpierw przyłożono stopniowo rosnące obciążenia i zmierzono wydłużenia stali w wielu punktach wzdłuż podłużnic w pobliżu stałego końca, gdzie wysięgnik łączy się z resztą ramienia. Następnie przeprowadzono testy zmęczeniowe, cyklicznie zwiększając i zmniejszając obciążenie raz na sekundę, aż stal uległa zniszczeniu. Wszystkie trzy próbki pękły w zasadzie w tym samym miejscu: na zewnętrznej krawędzi spawu, gdzie zastrzał łączy się z główną rurą przy powtarzającym się rozciąganiu. Po testach przecięto uszkodzone obszary i zbadano powierzchnie łamów pod mikroskopem. Przy dużym powiększeniu zaobserwowano klasyczne „linie zmęczeniowe” (striations) — maleńkie, równoległe prążki oznaczające postęp pęknięcia przy każdym cyklu obciążenia. Mierząc odstępy tych prążków wzdłuż ścieżki pęknięcia, można było oszacować, ile cykli zajęło pęknięciu przejście przez ściankę rury i porównać to z liczbą zarejestrowaną w testach zmęczeniowych.

Budowanie cyfrowego bliźniaka złączy spawanych

Zespół odtworzył następnie testowany fragment wysięgnika w trójwymiarowym modelu komputerowym, używając elementów stałych na tyle drobnych, by oddać rzeczywistą geometrię spawu. Szczególną uwagę zwrócono na tzw. „gorące punkty” przy stopkach spawów, rysując wirtualne linie przez ściankę rury, aby obliczyć, jak naprężenie zmienia się od powierzchni wgłąb materiału. Poprzez dobór rozmiaru siatki i głębokości, na jaką uśredniano naprężenie — parametry dopasowane do rzeczywistego rozmiaru i głębokości spawów — skalibrowano model, aż przewidywane trwałości zmęczeniowe mieściły się w około dziesięciu procentach wyników testów. Model nie tylko odtworzył lokalizację zniszczenia, lecz także wskazał, które z około 80 spawów w badanym odcinku są najbardziej wrażliwe. To pokazało, że przy odpowiednim odwzorowaniu szczegółów wokół krytycznych spawów symulacja może wiarygodnie zastąpić wiele kosztownych testów zmęczeniowych.

Pozwolić dźwigowi opowiadać własną historię w czasie rzeczywistym

Znajomość zachowania pojedynczego segmentu wysięgnika przy ustalonym obciążeniu to tylko połowa wyzwania; prawdziwe dźwigi pracują w warunkach ciągle się zmieniających na placu budowy. Aby uchwycić tę złożoność, autorzy zwrócili się do pokładowych czujników dźwigu, które ciągle rejestrują dane takie jak długość ramienia, długość wysięgnika, kąt roboczy, kierunek, masa ładunku i stan silnika. W ciągu miesięcy może to dać setki tysięcy punktów danych. Badacze opracowali reguły do przeczesywania tego strumienia i wydzielania odrębnych cykli podnoszenia: przedziałów, w których obciążenie wzrasta od ciężaru haka powyżej ustalonego progu, a następnie wraca. Dla każdego takiego cyklu zapisywano maksymalne obciążenie i pozycję dźwigu. Te przetworzone zapisy zasilały uproszczony model komputerowy całego ramienia, który przekształcał każdy warunek pracy w siły i momenty zginające działające w węzłach każdej sekcji kratownicy. Historie tych sił następnie zastosowano do dopracowanego modelu 3D reprezentatywnego segmentu wysięgnika, aby zbudować realistyczne „spektrum obciążeń” i obliczyć, ile uszkodzeń zmęczeniowych zgromadziło się przy każdym spawie w czasie eksploatacji dźwigu.

Co to oznacza dla bezpieczniejszego podnoszenia

Mówiąc prosto, badanie pokazuje, że dziś można nadać dźwigowi coś w rodzaju wskaźnika stanu zdrowia jego stalowego ramienia. Łącząc dobrze zaprojektowane testy laboratoryjne, szczegółowe modele złączy spawanych i dane eksploatacyjne przesyłane w czasie rzeczywistym przez Internet Rzeczy, inżynierowie mogą ustalić, które spawy w kratownicowym wysięgniku starzeją się najszybciej, jak blisko są swojego limitu zmęczeniowego i kiedy potrzebne są ukierunkowane inspekcje lub naprawy. Zamiast polegać na konserwatywnych harmonogramach lub czekać, aż pęknięcia zostaną zauważone gołym okiem, właściciele dźwigów mogliby śledzić zmęczenie w trakcie eksploatacji, przedłużać bezpieczny okres eksploatacji zdrowych elementów i wcześnie interweniować tam, gdzie ryzyko jest największe — poprawiając zarówno bezpieczeństwo, jak i efektywność w wymagających projektach budowlanych.

Cytowanie: Yao, J., Fu, Y., Li, C. et al. Structural fatigue failure analysis and lifetime reliability monitoring strategy of the lattice jib in all-terrain cranes. Sci Rep 16, 12403 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42707-5

Słowa kluczowe: zmęczenie dźwigów terenowych, spawy w kratownicowym wysięgniku, monitorowanie stanu konstrukcji, analiza zmęczeniowa metodą elementów skończonych, dane z dźwigów w IoT