起重機械疲勞斷裂可靠性分析進展淺析

林相統

（臺州市特種設備監督檢驗中心，浙江 臺州 3 1 8 0 0 0）

起重機械疲勞斷裂可靠性分析進展淺析

林相統

（臺州市特種設備監督檢驗中心，浙江 臺州 3 1 8 0 0 0）

影響起重機械使用壽命、導致其出現使用安全問題的原因多是因為出現疲勞斷裂。本文對起重機械金屬結構疲勞斷裂的情況進行分析，研究其可靠性，以更好地保證起重機械的使用安全。

起重機械；疲勞；斷裂；可靠性分析進展

起重機械主要指的是用來垂直升起、降落，或是水平移動重物的機電設備，范圍規定為額定起重量在0.5 t的范圍內，限定的起重量在3 t左右。目前，起重機械在農業、建筑業、工業、交通運輸業得到了極為廣泛的運用，這讓起重機械在現代生產中占有極為重要的地位。起重機的工作主要是一種周期性的工作模式，通過吊鉤、抓頭等工具的運用，實現起重機中設備的移動。通常情況下，起重機循環周期在幾分鐘到幾十分鐘不等，而且在一個工作周期中間，各個機構組成都有時間不同的休息。因為起重機會反復啟動和制動，所以各個機構之間會受到強烈的撞擊，其承受的載荷是正反兩個方向交替產生的，很多組成構件不能承受這種不穩定的變幅應力，會嚴重影響其強度性能。不論是起重機的工作環境，還是其需要吊裝物件的形狀和重量都會影響起重機的機械疲勞強度，讓其出現裂紋，嚴重情況下就會發生斷裂。下文將分析起重機械斷裂的原因，進行疲勞斷裂可靠性相關分析。

1 起重機械疲勞斷裂產生原因

通常情況下，金屬結構疲勞是因為一個點或者一些點受到擾動應力，而且在循環達到一定的次數或者達到一定數值的情況下造成裂紋現象，這種現象會與完全斷裂的材料發生系列反應，從而呈現出一種永久性的變化過程。對疲勞斷裂問題分析的核心目的是為了實現金屬結構壽命的準確預測，從而保證起重機械的使用安全。擾動應力是機械疲勞發生的一個先決條件。因為疲勞破壞都是從應力比較高的局部產生，在逐漸操作中慢慢積累，最終造成破壞情況的出現。

由此可見，疲勞破壞出現的過程可以分為這樣三個階段，第一階段是輕微的疲勞裂縫出現；第二是輕微裂縫擴展開來；最后一階段是裂縫嚴重最終失效斷裂。疲勞輕微裂縫通常在金屬結構的表面局部應力最大或者最小的截面積處發生，也可能發生在內部有缺陷的地方。一旦輕微的裂縫出現，在起重機械不斷周期性工作的情況下，會沿著高剪切應力的平面延展方向進行拓展，并隨后向垂直應力的方向擴展。局部應力集中的情況和裂縫尖端的材料性質會直接影響裂縫的擴展方向和速度。而在疲勞裂縫達到一定的長度直至臨界值的時候，金屬材料的橫截面積就不能承受受到的負荷，直接進入失效斷裂的階段，而隨后產生的材料失效還會造成十分迅速和不可逆轉的材料失效。疲勞斷裂的階段裂縫擴展的速度十分迅速，但是不會對使用壽命產生十分重要的影響，因此，在起重機疲勞斷裂問題分析的過程中，就需要對其裂紋壽命以及裂紋的拓展進行系統性的分析。

在疲勞斷裂的力學相關理論中，疲勞裂紋擴展可能發生在最小裂紋長度直到臨界裂紋的長度之間，具體如圖1所示。

圖1 疲勞裂縫和疲勞循環次數之間關系

2 起重機械疲勞斷裂可靠性分析方法的現狀分析

對于起重機而言，在使用的過程中之所以會出現疲勞斷裂的現象，主要是由于在施工中長期受到損害所造成的，而在疲勞斷裂之前，整個問題的出現不會有明顯的顯示，所以，人們并不容易發現其位置。也就是說，疲勞斷裂發生通常是比較突然的，而其產生的后果更是有大的不良影響的。所以，通過對疲勞斷裂中可靠性因素的分析，對機械設備中容易出現裂紋的現象科學化的研究，結合了初始裂紋的長度及其擴展速度，這種研究方式是可靠性方法分析中必不可少的一項重要工作。

近些年來起重機械使用范圍不斷拓展，這種形勢下其事故發生率也在不斷提高，因為起重機械疲勞斷裂造成的事故已經占據工業事故總數的1 5%甚至更多。可以看出，起重機械疲勞斷裂的可靠性研究的重要性是不容小覷的，對起重機械疲勞壽命的估算，對其事故發生的預防有著及其重要的作用。

早在十九世紀時就有相關學者對金屬結構疲勞加以研究，在歷經兩個世紀后，疲勞斷裂可靠性分析在各個工業生產領域中得到了十分廣泛的應用。

斷裂力學的發展更是為疲勞斷裂的相關研究提供了很強的理論基礎。國內有關金屬疲勞斷裂的相關研究開始的時間比較晚，大約在2 0世紀5 0年代才開始，而且因為理論基礎十分薄弱，所以研究水平比較低，進度方面也比較滯后，一直到2 0世紀7 0年代，疲勞斷裂可靠性的相關研究進程才得到很大程度的提高。

斷裂力學法指的是用斷裂力學作為基礎評估裂紋的方式。這種方式在理論上來說是比較合理的，但是在實際使用中因為缺少經驗數據的準確性，不能準確判斷裂紋的狀態和參數，會出現比較大的計算誤差，對使用壽命的估算造成嚴重影響。

通過對局部分析法發確立可以發現，較為有效的金屬結構壽命的評估方式主要是對焊接結構、起重機械的壽命等內容進行綜合性分析，但是涉及到疲勞強度比較高的情況就不是十分合適了。

現在疲勞斷裂的可靠性研究中，項目工程的設計在很多實際問題中是難以得到解決的，所以，這種顯示極限方式的程序辦法應該得到穩定性的解決。為了改善這種情況，研究人員發明了響應面法，這種方法雖然趨近隱式極限狀態方程，但是其不穩定性對其普遍適應性會產生一定程度上的影響。

3 進行疲勞強度的科學改善

在起重機械安裝完成之后，其所處的工作環境是很難得到有效改善的，所以，在疲勞強度改善的過程中，只能利用金屬機構的改變或者零部件設計上的改變進行調節，只有保證結構材料以及機械零部件表面應力集中等內容的有效控制，才可以使起重機疲勞裂紋現象得到的妥善處理，也能有效防止其擴展。

4 結語

本文主要對疲勞斷裂產生的原因進行分析，闡述疲勞斷裂引發的因素，并介紹其出現擴展的種種情況，研究其可靠性分析方法，并對最切實可行的分析方法進行總結，希望能避免起重機械安全事故的發生。

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