Анализ отказа из‑за усталости конструкции и стратегия мониторинга долговечности решётчатой стрелы в вседорожных кранах

Почему стрелы кранов могут незаметно изнашиваться

По всему миру гигантские мобильные краны спешат устанавливать ветряные турбины и другие тяжёлые конструкции. Хотя их стальные стрелы выглядят прочными и неизменными, каждое подъём‑опускание деформирует и затем расслабляет металл, постепенно ослабляя его почти так же, как скрепка рвётся, если её многократно сгибать в разные стороны. В этой статье рассматривается, как и где накапливается такое скрытое повреждение в открытой решётчатой насадке стрелы, и показано, как данные с датчиков и цифровые модели в реальном времени могут предупредить инженеров до того, как трещина превратится в серьёзный инцидент.

Металлический каркас на конце стрелы

Исследование сосредоточено на решётчатой насадке (jib) — ферменном стальном участке, который добавляют к концу телескопической стрелы крана, чтобы достичь большей высоты и вылета — незаменимом при подъёме частей ветряных турбин. Каждая насадка собирается из пустотелых стальных труб (хорды и распорки), сваренных между собой. По мере того как кран многократно поднимает, поворачивает и опускает тяжёлые грузы на ветру, эти сварные соединения испытывают чередующиеся растягивающие и сжимающие силы. Современная тенденция к облегчению конструкций делает трубы тоньше и увеличивает число вырезов — это повышает эффективность, но также увеличивает гибкость и концентрирует напряжения в швах. Поскольку эти швы малы и расположены близко друг к другу, а трещины трудно заметить до полного проникновения, традиционные эмпирические допустимые запасы прочности уже недостаточны.

От полноразмерных испытаний до крошечных следов трещин

Чтобы понять, как действительно развивается повреждение, исследователи собрали полноразмерный стенд, использовав шестиметровый участок решётчатой насадки из высокопрочной стали S890. Сначала они прикладывали постепенно увеличивающиеся нагрузки и измеряли деформации в многочисленных точках вдоль хорд у закреплённого конца, где насадка соединяется с остальной стрелой. Затем провели усталостные испытания, циклируя нагрузку вверх‑вниз с частотой примерно один цикл в секунду до разрушения металла. Все три испытуемых образца треснули фактически в одном и том же месте: по наружному краю шва там, где распорка примыкает к основной трубе и испытывает повторяющееся растяжение. После испытаний они вскрыли разрушенные участки и изучили поверхности изломов в микроскоп. При большом увеличении были видны классические «штрихи» — крошечные параллельные рябые следы, отмечающие продвижение трещины с каждым циклом нагрузки. Измеряя расстояние между этими штрихами вдоль пути трещины, можно было оценить, за сколько циклов трещина прошла через стенку трубы, и сопоставить это с количеством циклов, записанных в усталостных испытаниях.

Создание цифрового двойника сварных соединений

Затем команда воссоздала испытанный участок насадки в трёхмерной компьютерной модели, используя объёмные элементы достаточно тонкой сетки, чтобы передать реальную геометрию шва. Они уделили особое внимание так называемым «горячим точкам» у носков шва, проводя виртуальные линии через толщу стенки трубы, чтобы вычислить, как напряжение меняется от поверхности внутрь. Подбирая размер сетки и глубину, на которую усреднялось напряжение — параметры, выбранные в соответствии с реальным размером и глубиной шва — они настроили модель до тех пор, пока предсказанные эксплуатационные ресурсы по усталости не совпадали с результатами испытаний примерно в пределах десяти процентов. Модель не только воспроизвела место разрушения, но и указала, какие из примерно 80 швов в участке были наиболее уязвимы. Это показало, что при должной детализации вокруг критических швов моделирование может надёжно заменить множество дорогостоящих физических усталостных испытаний.

Давая крану возможность рассказывать свою историю в реальном времени

Понимание поведения одного сегмента насадки под фиксированной нагрузкой — это лишь половина задачи; реальные краны работают в постоянно меняющихся условиях на стройплощадке. Чтобы учесть эту сложность, авторы обратились к бортовым датчикам крана, которые непрерывно фиксируют такие параметры, как длина стрелы, длина насадки, рабочий угол, направление, вес груза и состояние двигателя. За месяцы это даёт сотни тысяч точек данных. Исследователи разработали правила для просеивания этого потока и выделения отдельных подъёмных циклов: интервалов, когда нагрузка растёт от веса крюка до значения выше заданного порога и затем возвращается. Для каждого такого цикла они фиксировали пик нагрузки и позу крана. Эти обработанные записи подавались в упрощённую модель всей стрелы, которая переводила каждое рабочее состояние в усилия и изгибающие моменты в узлах каждой решётчатой секции. Истории этих сил затем применялись к уточнённой объёмной модели репрезентативного сегмента насадки, чтобы построить реалистичный «спектр нагрузок» и вычислить, сколько усталостного повреждения накопилось в каждом шве за время эксплуатации крана.

Что это означает для более безопасных подъёмных работ

Проще говоря, исследование показывает, что теперь возможно наделить кран чем‑то вроде индикатора состояния его стальной стрелы. Сочетая грамотно спроектированные лабораторные испытания, детальные модели сварных соединений и данные об эксплуатации в реальном времени, передаваемые через Интернет вещей, инженеры могут точно определить, какие швы решётчатой насадки стареют быстрее, насколько они близки к пределу по усталости и когда требуются целевые инспекции или ремонт. Вместо опоры на консервативные графики обслуживания или ожидания, пока трещины заметят невооружённым глазом, владельцы кранов могли бы отслеживать усталость в эксплуатации, продлевать безопасный ресурс здравых компонентов и своевременно вмешиваться в наиболее рискованных местах — повышая и безопасность, и эффективность в сложных строительных проектах.

Цитирование: 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

Ключевые слова: усталость вседорожного крана, сварные швы решётчатой стрелы, мониторинг состояния конструкции, моделирование усталости методом конечных элементов, данные крана через IoT