起重機主梁的應變疲勞壽命估算*

徐桂芳，余 震，董浩明，魏國前，岳旭東

（1.武漢市特種設備監(jiān)督檢驗所，湖北武漢430019； 2.武漢科技大學機械自動化學院，湖北武漢430081）

0 引言

疲勞是引起工程結構和構件失效的最主要的原因［1-3］，疲勞與斷裂引起的失效在工程失效中越來越突出。S-N 曲線通常用于描述長壽命疲勞性能，但許多工程構件在整個使用期間所經(jīng)受的載荷循環(huán)數(shù)卻并不多，而構件中的應力和應變水平卻相對較高，這種運行狀態(tài)雖然相對于整個機件的工作壽命是較短的，但因承受的負荷較大，即使在設計時的名義應力規(guī)定的只允許發(fā)生彈性變形，但在缺口處甚至在有微裂紋處，會因局部的應力集中，使應力超過材料的屈服強度，最終導致疲勞破壞，這種在大應力低頻次下的破壞，即謂之低周疲勞［4］。

某起重機主梁裂紋附近區(qū)域應變信號，通過胡克定律算出的應力值較大，具有明顯的應變疲勞特征，由于起重機的使用環(huán)境復雜，涉及到重大安全隱患和經(jīng)濟損失，有必要對工作在低周疲勞狀態(tài)下的起重機進行壽命預估［5-6］。

本研究利用起重機正常工況下的應變信號進行五點三次平滑處理，通過相關文獻和Manson-coffin公式及Minor線性損傷累計法則對起重機的壽命預估進行分析和研究。

1 應變信號的平滑處理

測試信號通常具有毛刺等干擾信號，需要對它進行必要的濾波處理。其中五點三次平滑處理方法［7-10］，是一種較好的處理方法，其基本原理是：根據(jù)n個已知的等距點x0＜x1＜...＜xn-1上的數(shù)據(jù)y0,y1,...,yn-1，以在每個數(shù)據(jù)點的前后各取兩個相鄰的點，用三次多項式y(tǒng)=a0+a1x+a2x2+a3x3進行逼近，然后根據(jù)最小二乘法原理確定出系數(shù)a0,a1,a2,a3，最后得到五點三次平滑的公式［11］為：

該應力測試信號處理前后局部的對比如圖1所示。

圖1 原信號與五點三次平滑處理對比

從圖1 可以看出：處理后的數(shù)據(jù)要比原信號光滑平整，且從整體來看，處理后信號與原信號變化趨勢一致，保證其真實有效性。

2 載荷譜的統(tǒng)計處理

為了獲取主要應變變化對起重機主梁的影響，排除干擾信號的作用，本研究將Δε＜50×10-6的應變做為關鍵的數(shù)據(jù)點，剔除前后應變變化量，作為用于滯后環(huán)的載荷譜［12］繪制。其前后對比如圖2所示。

圖2 應變信號關鍵數(shù)據(jù)提取

載荷譜如圖3所示。

圖3 載荷譜

3 應力-應變響應曲線的繪制

本研究根據(jù)載荷譜計算每個關鍵應變ε對應的應力值σ。由于0～1 的過程是一次循環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)的加載過程，前面已經(jīng)經(jīng)歷了許多循環(huán)，應力-應變響應由循環(huán)應力-應變曲線描述，即有：

根據(jù)1～2，2～3，…，i～（i+1）過程，反映出應力應變路徑的是滯后環(huán)曲線，其應力的計算公式為：

起重機所用材料為Q345，查閱相關文獻，可知E，n′，K′ 的取值，分別為：E=2.1×105MPa，n′=0.221 2，K′=1 426.5 MPa，由公式（3）可計算出響應的應力值，并繪制應力-應變響應曲線，應力-應變響應曲線如圖4所示。

4 疲勞壽命評估

在應變疲勞情況下，其疲勞壽命的評估要繪制ε-N曲線，典型的ε-N曲線公式可寫為：

查閱相關文獻［13］中Q345 鋼的疲勞參數(shù)，公式（4）可具體表示為：

圖4 應力-應變響應曲線

結合線性損傷累計Miner 法則［11］（如公式（6）所示），對關鍵的應力-應變變化過程進行統(tǒng)計分析，計算出本次測試過程中，起重機主梁所受到的總損傷，線性損傷統(tǒng)計如表1所示。

表1 線性損傷統(tǒng)計

由表1可計算總損傷D=0.000 439 715；又根據(jù)實際情況，本次測試用時為75 min，起重機每天工作時間為5 h，按照每年工作300 天計算，則每年的總損傷為D′=4×300×D=0.527 7，可以計算出該起重機的疲勞壽命為1.89年。

5 結束語

本研究通過對某有主梁裂紋的起重機的疲勞應力測試，繪制出應力-應變特性曲線，然后根據(jù)Man?son-Coffin 公式及Miner 線性損傷累計法則，計算出起重機主梁的疲勞壽命，得出該起重機還能夠安全運行的時間值。

該有裂紋起重機的使用壽命預估方法可以進行推廣應用，為起重機的疲勞壽命預估提供合理的研究方法。該研究分析結果可以為企業(yè)提供很好的借鑒與建議，方便企業(yè)合理的安排起重機的工作制度，保證了企業(yè)生產(chǎn)的正常安全運行。

（References）：

［1］羅云蓉，王清遠，劉永杰，等.Q235、Q345鋼結構材料的低周疲勞性能［J］.四川大學學報：工程科學版，2012，44（2）：169-175.

［2］陳傳堯.疲勞與斷裂［M］.武漢：華中科技大學出版社，2002.

［3］申志剛，吳志生，劉翠榮，等.橋式起重機疲勞壽命預測［J］.機械工程及自動化，2011，6（3）：120-124.

［4］趙威威，白朝陽，曹旭陽，等.在役塔式起重機疲勞壽命分析［J］.建筑機械.2013（1）：72-77.

［5］徐格寧，左 斌.起重機結構疲勞剩余壽命評估方法研究［J］.中國安全科學學報，2007（3）：56-58.

［6］黃耀民.起重機主梁疲勞強度的探討［J］.機電工程，2010，39（7）：167-169.

［7］杜文正，鹿 飛，謝 政，等.折臂式隨車起重機變幅機構運動特性分析［J］.兵工自動化，2014（10）：25-29.

［8］徐士良.C常用算法程序集［M］.3版，北京：清華大學出版社，2014.

［9］范小寧，徐格擰，楊瑞剛.基于損傷-斷裂力學理論的起重機疲勞壽命估算方法［J］.中國安全科學學報，2011，9（9）：58-63.

［10］馮曉蕾，敖文德.基于Pro/E 的雙梁門式起重機三維建模［J］.機電工程技術，2014（2）：78-80.

［11］衣昌明，龐湘萍，乾 坤.小波分析在光纖陀螺尋北中的應用［J］.艦船電子工程，2012（4）：51-76.

［12］羅 丹，原思聰，王曉云.基于ANSYS 的塔式起重機疲勞載荷譜的編制［J］.建筑機械，2007（4）：63-67.

［13］程文明，王金諾.橋門式起重機疲勞裂紋擴展壽命的模擬估算［J］.起重運輸機械，2001（2）：15-18.