關于起重機結構疲勞強度的相關研究

金晨　夏凱鋒　張巍

[摘 要]起重機主要作用是在一定范圍內垂直提升與水平邊運重物，是工程建設的重要設備。起重機采取間歇性運動方式，即在一個工作循環中完成取料、移動、卸載等動作，并且所涉及到的各項機構之間交替工作。就其使用現狀來看，經常會受到各因素的而影響而出現事故，表現最為嚴重的即結構疲勞度過大，降低其使用安全性與穩定性。本文結合起重機結構特點，對其結構疲勞強度的測定與控制進行了簡要分析。

[關鍵詞]起重機；結構疲勞；疲勞壽命

中圖分類號：TH213.6 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）02-0087-01

起重機采用周期性間歇作業，存在頻繁的起升、下降、啟動與制動動作，并且整個運行過程速度快，工況復雜程度高，這樣在往復作業中會受到交變荷載的影響，而導致各構件疲勞度增大，降低其使用壽命。起重機在工程建設與社會生產中占據重要的地位，為提高其使用安全性與穩定性，必須要深入研究結構疲勞強度，分析各構件疲勞壽命，采取有效的措施進行優化，避免因為繁重作業而造成結構出現疲勞損壞。

一、結構疲勞概述

所謂的疲勞，即在某點或者某些點承受擾動應力，并且受到足夠多循環擾動作用后，出現的結構裂紋，甚至是完全斷裂，材料局部、永久結構變化的發展過程[1]。就其特點進行分析，可以確定只有結構在受到擾動應力作用時，才會出現疲勞，并且破壞多發生在高應力與高應變部位。結構持續受到擾動荷載作用后，即會造成結構產生裂紋甚至是斷裂。按照研究對象既可以將疲勞分為材料疲勞與結構皮料兩種，其中結構疲勞主要是以零部件、接頭或者整體為研究對象，對其疲勞特征、壽命估算方法、疲勞試驗方法、抗疲勞設計方法等進行分析，結合設備結構特點，對各項影響因素進行綜合研究，確定出提高其疲勞強度的措施，爭取不斷提高設備運行穩定性與安全性，延長其使用壽命。

二、起重機結構疲勞強度影響因素分析

1.缺口效應

對于機械設備來說，長期使用過程中勢必會存在磨損，這樣就會形成溝槽、臺階以及穿孔等，而想要避免此類因素對設備運行造成的影響，就必須在設計階段做好控制[2]。結構截面變化即缺口，應力集會在其附近產生，造成局部應力大幅度提高，并且還會在缺口底部向構件中心產生應力梯度。結構材料均具有不同程度的塑性，在受到強度破壞之前就會產生塑性變形，一般情況為避免出現破壞情況，需要將塑性變形控制在一定范圍內，對應力進行重新分配使其保持在平衡狀態。但是就結構疲勞分析，缺口截面局部應力雖然不一定會產生強度破壞，但是其應力則會一直處于較高的水平，在長期循環過程中，應力集中位置疲勞強度要低于光滑試樣，在進行設計時必須要做好薄弱環節的控制。在針對此方面進行結構疲勞設計時，確定應力集中系數代表了應力集中提高零件局部應力的作用，在特定彈性范圍內，可以選擇用彈性力學解析法計算局部峰值應力，則局部峰值應力與名義應力比值即為理論應力集中系數，公式為：，其中σmax表示最大局部應力，σn表示名義應力，Kt表示理論應力集中系數。

理論應力集中系數決定著結構形狀，并且只與幾何形狀相關，并不能代表峰值應力對結構疲勞強度的影響，進而可以確定結構疲勞強度與幾何形狀無關，同時還應做好材料、荷載等因素的分析，因此需要通過有效應力集中系數來表現強度疲勞降低作用。有效應力集中系數公式為：，其中σ-1表示光滑試樣疲勞極限，σ-1k表示缺口試樣疲勞極限，Kf表示有效應力集中系數。

2.尺寸效應

隨著結構尺的變化，材料疲勞強度也會隨之變化，一般尺寸越大疲勞性能會降低，并且強度越高表現越明顯。在結構應力集中式，尺寸系數ε表示：，其中（σ-1）d表示尺寸為d的試樣或構件疲勞極限；d0表示標準試樣尺寸，一般為6.5mm～7.5mm；（σ-1）d0表示尺寸為d0的標準試樣疲勞極限[3]。尺寸效應可以在結構加工階段體現出來，并且大型構件要比小型構件控制難度高，相應也會存在更多的缺陷，勢必會對結構的強度造成影響。這樣從工藝角度進行分析，則εm表示：，其中εm表示工藝因素造成的尺寸系數；σb表示大尺寸零件材料強度極限；σb表示標準試樣材料強度極限。

另外，應力梯度為尺寸效應產生的主要因素，主要以內結構應力分布不均，在相同條件下進行試驗，則可以確定應力梯度越小則疲勞強度越小，并且大試件疲勞強度要小于小試件。尺寸系數ε通過查詢可以確定，并且可以通過公式計算得出：，其中V表示處于95%以上最大應力材料容積；VO表示幾何相似標準尺寸試樣中處于95%以上最大應力材料容積。

三、起重機底架結構疲勞壽命分析

1.底架載荷譜

載荷對結構疲勞壽命的影響，主要體現在載荷引起的動態響應所產生的應力，以輪胎式起重機為對象進行分析，其在作業時存在大量變幅與回轉作業，導致載荷作用在結構彎矩產生變化，進而在循環作業中也會導致結構應力發生變化。在幅度不同的情況下，所對應的額定起重量不同，并且具有很強的隨機性，短時間內收集到的信息并不能真實反映出構件工作狀態下的載荷譜。因此在進行分析時，應利用應力-時間歷程形式載荷譜，對應力變化進行估算，對應力變化做更精確的分析。

2.瞬態響應

瞬態響應分析也是研究底架結構疲勞壽命的重要內容，對不同時間結構荷載作用下動力響應情況進行計算，包括結構位移形變與結構應力變化。整個過程可以分為選擇工況、載荷分析、計算應力時間變化曲線三個步驟，分析不同變幅與回轉過程中，結構不同節點應力發小與方向的變化，然后通過復合工況應力-時間歷程來確定實際工況中應力的變化。

3.材料信息

利用材料信息來對結構材料以及構件循環疲勞特性進行分析，在進行分析時需要針對該材料特性來建立相關性能數據庫。想要確定材料疲勞特性應輸入S-N曲線，掌握疲勞壽命次數與應力水平之間關系。另外，想要更為全面的分析結構疲勞受命與應力水平之間關系，還可以選擇用p-S-N曲線，即材料存活率為p情況下，其p-S-N表達式為：lgN=ap+bplgσ，其中N表示存活率為p時疲勞壽命；σ表示應力水平，單位MPa；ap、bp為常數，與材料疲勞特性以及存活率相關。

4.結構疲勞全壽命

一般情況下，起重機最大疲勞點集中在底架后補安裝形式結構板，以及主梁與固定支腿連接三角板附近。假設后一個位置處于惡劣工況狀態下，出現最小壽命為N=2.19×106次，每天起吊動作300次，該起重機最少服務壽命為20年，則在常用工況下，最小壽命次數為N=6.03×106，則可以確定結構實際壽命在兩個數值之間[4]。

結束語

起重機作為生產活動中重要設備，為提高其運行安全性與穩定性，延長其使用壽命，需要做好對其結構疲勞強度的分析，即對各項影響因素進行分析，明確各設計參數，確保結構設計符合使用要求。

參考文獻

[1] 梅杏.輪胎式起重機底架結構疲勞研究[D].武漢理工大學，2011.

[2] 陳建榮.軌道式集裝箱龍門起重機疲勞特性分析[D].武漢理工大學，2010.

[3] 祝杰.造船龍門起重機載荷譜及疲勞壽命研究[D].武漢理工大學，2012.

[4] 劉洪林.基于MSC.Fatigue300t全回轉起重船起重機結構疲勞壽命研究[D].武漢理工大學，2012.

作者簡介：金晨（1987-），男，江蘇蘇州人，學歷：本科，研究方向：特種設備檢測