起重機桁架臂疲勞壽命與可靠性研究

夏加楓

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院泰州分院姜堰所，江蘇 泰州 225500）

起重機桁架臂疲勞壽命與可靠性研究

夏加楓

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院泰州分院姜堰所，江蘇 泰州 225500）

起重機是現階段在我國各領域被廣泛使用的設備之一，桁架臂是保證起重機工作高效開展的基礎，因此，針對桁架臂的疲勞壽命進行研究是非常有必要的。文章以現階段我國有關的研究成果為基礎，運用圖文結合的方式，對影響桁架臂疲勞壽命的因素，以及可靠性研究體系的構建進行了研究。

起重機桁架臂；疲勞壽命；可靠性

桁架臂起重機與其他類型的起重機相比，最為顯著的特點在于桁架臂的使用，也就是說能夠旋轉和懸伸的桁架臂是該類起重機最主要的受力構件，與傳統起重機相比，桁架臂起重機在保證臂架重量相同的情況下，可以對力學的有關性能進行更加靈活的運用，因此，該類起重機已經被廣泛應用在石油、水利、橋梁等諸多領域的建設方面。

1 影響桁架臂疲勞壽命的因素

1.1 材料類別

現階段在起重機桁架臂中應用的材料種類繁多，其中常見的有Q235B、Q345B和FGS70WV等，上述材料與疲勞力學相關性能的參數數值詳見表1。

表1 不同材料疲勞力學的有關性能

通過對構件所使用材料的相關性能與材料總損傷間的關系進行分析可以得出以下結論：第一，在應變力的范圍小時，普通鋼和高強鋼二者在疲勞壽命方面具有相對較大的差異，由此可以看出在進行小應力的加工時，選擇高強鋼更為合適；第二，在應變力的范圍較大時，普通鋼和高強鋼二者在疲勞壽命方面不具有較大差異，由此可以看出在進行大應力的加工時，高強鋼并不具有優勢；第三，所用材料的性能與其疲勞壽命息息相關，在模量的差異較小時，疲勞強度和延性系數間具有一定的敏感性。

1.2 初始損傷

構件的初始損傷是在焊接過程中無法避免的，所以，在對桁架臂的疲勞壽命進行計算時，有關人員需要將初始損傷的有關數值納入計算過程中，常見的初始損傷共有以下幾個，分別是裂紋、空穴、咬邊等，初始損傷對構件的影響主要體現在其抗疲勞性和材料均勻性兩個方面。在對初始損傷的有關數據進行研究時，數值抽取的范圍通常為0.03～0.08，在研究的過程中，將初始損傷的數值定為0～0.1，并且以每0.02為基礎進行類別的劃分，最終得出總損傷受初始損傷影響的變化趨勢為圖1所示。

圖1 構件所受初始損傷與總損傷間的關系

通過對圖1的內容進行分析可以得出以下結論：第一，在大載荷的影響下，具有同樣初始損傷的構件，其壽命縮減的幅度也基本一致，也就是說，具有同樣初始損傷的不同構件，在不同的載荷范圍中，其疲勞壽命的變化趨勢基本一致，但需要明確的一點在于，不同的構件由于其尺寸和外形存在差別，因此損傷相同也無法代表其裂紋形狀和位置相同；第二，在常幅載荷的影響下，對疲勞壽命產生最大影響的因素為初始損傷的出現，由此可以看出構件光潔程度的重要意義，光潔程度良好的構件與光潔程度稍差的構件相比，在疲勞壽命方面具有極大的優勢。

2 構建對桁架臂進行可靠性評價的體系

可靠性評價指的是確定特定系統中的潛在危險，通過對其進行分析，得出與系統定向或可靠度相關的結論，并且在此基礎上對該系統的工作狀態進行準確的分析和評價。在對起重機的桁架臂進行結構設計的過程中，需要設計人員從以下三個方面的內容著手準備，分別為構件的剛度、強度和穩定性。工作了多年的起重機桁架臂，與其他桁架臂相比，最主要的變化在于強度，所以，在對桁架臂進行評價的過程中需要將其強度的有關數據作為主要內容，從動強度、靜強度和疲勞強度幾個方面對其加以評價。

2.1 因素分析

（1）動強度。針對構件所提出的動強度主要是的是其對載荷的承受能力，通常情況下，對該能力進行衡量的單位為沖量，除此之外，構件固有的頻率、模態等內容也是構成動強度的主要因素，構件動載的系數極大則表示該構件所承受的應力高于自身的承受強度，甚至會導致裂紋的出現。

（2）靜強度。在構件尚未達到自身的屈服極限前，它始終在彈性范圍之中，而對其所承受的載荷進行撤銷后，該構件就可以快速恢復到自身最初的狀態，一旦構件承受的應力超出了自身的屈服極限，那么該構件就處于變形的階段，此時對載荷進行撤銷也無法使其恢復到原始狀態。所以，在對構件所能承受的應力范圍進行設計的過程中，設計人員應當對不同構件所使用的材料作為主要參考因素。

（3）疲勞強度。較易出現疲勞失效點的位置為特定構件中將應力進行集中的部分，這是因為應力的集中區域所承受的應力遠遠超出其疲勞極限，進而導致構件組織出現變化，最終形成裂紋。現階段，大部分工程中在對構件的疲勞極限進行設計的過程中，會參照該構件的尺寸、形狀等因素，以此為基礎對不同構件的疲勞極限做出不同的更改。

（4）裂紋。作為構件最主要的故障形式之一，裂紋的出現主要集中在構件承受應力較大的區域，通過對桁架臂出現裂紋的區域進行研究可以發現，焊接縫是裂紋最主要的形成區域，以裂紋進行擴展和延伸的方向為標準對裂紋展開研究，能夠得出以下結論：裂紋的初始形成區域通常為焊接縫，隨后向周圍進行逐步延伸，進入構件母材的拓展區，最終對構件的結構產生不利影響，另外，當同一區域內存在諸多裂紋時，裂紋之間可能進行連接，形成相應的裂紋群。

（5）腐蝕。由于起重機在工作的過程中受其所處區域環境的影響較大，例如溫度、濕度等，上述因素均會在一定程度上對桁架臂結構中含有金屬的部分產生腐蝕，進而影響其強度。桁架臂結構被腐蝕之后，相應的承載面積會有所減少，應力逐步增加，除此之外，對結構材料進行腐蝕還會對其屬性產生改變，不僅對裂紋的產生能和延伸產生影響，還會導致材料抵抗低溫的能力有所下降，甚至會縮短其壽命。因此，在溫度較低或臨海的區域，需要將金屬的腐蝕情況作為標準之一納入對構件疲勞壽命進行研究的過程中。

2.2 評價指標

（1）動強度。動強度包含固件固有的頻率、模態等諸多因素，因此，在對其進行評價的過程中，需要工作人員保證測量工作能夠高效開展，在此基礎上將構件處于動態載荷條件下產生的應壓力數值作為評價指標，在校驗過程中，將其屈服極限作為主要標準。

（2）靜強度。根據上文的分析可以發現，構件所承受的應力小于其屈服極限時，構件不會出現變形情況，所以，將構件能夠承受的靜應力最大值作為對靜強度進行評價的指標，另外，將其屈服極限當做校驗工作的主要依據是保證相關評價工作成果準確性的基礎。

（3）疲勞強度。通過對非線性的損傷積累理論進行研究可以發現，構件所受的損傷與其工作循環息息相關，也就是說每一次循環都會造成相應的損傷，另外，積累損傷也會帶循環過程中產生的損傷數值產生一定的影響，所以，桁架臂的剩余疲勞損傷=桁架臂的臨界損傷-桁架臂的積累損傷。

3 結語

綜上所述，對起重機桁架臂的疲勞壽命和可靠性進行評估的過程，涉及的內容和步驟極其復雜，本文通過對影響桁架臂疲勞壽命的因素和相關的評價體系進行分析的方式，得出了相應的結論，但隨著研究的逐漸深入，相關工作必然會取得更加準確的結論，通過提高起重機疲勞壽命期限的方式，保證其工作效率的提高，是實現促進有關行業發展的有效途徑。

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TH21

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1671-0711（2017）05（上）-0084-02