塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的研究

黃威+謝晉鎮(zhèn)

摘 要 塔式起重機(jī)在隨機(jī)變化的負(fù)荷中長時(shí)間工作，疲勞破壞致使結(jié)構(gòu)損壞，本文分析了塔式起重機(jī)關(guān)鍵部位的疲勞壽命，并對塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力譜分析，采用經(jīng)驗(yàn)公式及圖形對應(yīng)力和對稱循環(huán)應(yīng)力進(jìn)行推導(dǎo)，利用轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行應(yīng)力循環(huán)的轉(zhuǎn)換，最后對起重機(jī)的疲勞壽命模型進(jìn)行闡述，以期對實(shí)際應(yīng)用有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞 起重機(jī)；疲勞壽命；模型

中圖分類號 TH21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號 2095-6363（2017）05-0024-01

起重機(jī)械在國民生產(chǎn)過程中起著至關(guān)重要的作用，塔式起重機(jī)主要用于工地及施工單位進(jìn)行物料的運(yùn)輸，塔式起重機(jī)作為特種設(shè)備具有一定的危險(xiǎn)性，國內(nèi)外每年都有由于起重機(jī)事故而造成的財(cái)產(chǎn)損失及人員傷亡，塔式起重機(jī)發(fā)生事故的主要結(jié)構(gòu)主要為塔身、平衡臂及起重臂三大部分，疲勞破損是引起事故的主要原因。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織及我國起重機(jī)相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，在機(jī)械工作強(qiáng)度達(dá)到A6以上除了常規(guī)的剛度及應(yīng)力計(jì)算以外，還需要進(jìn)行疲勞壽命的計(jì)算，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力譜分析是疲勞壽命的主要依據(jù)。由于當(dāng)前起重機(jī)的疲勞壽命研究較少，數(shù)據(jù)采集也較為困難，塔式其中及結(jié)構(gòu)疲勞壽命的研究十分有潛力，本文基于回歸模型方法對起重機(jī)的疲勞壽命建立模型，該模型的建立可以用于實(shí)際工程的疲勞壽命計(jì)算，同時(shí)還能用于塔式結(jié)構(gòu)起重機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)參考依據(jù)。

1 塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力譜分析

塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力譜分析是確定塔式起重機(jī)疲勞結(jié)構(gòu)壽命的前提與基礎(chǔ)，應(yīng)力譜是塔式起重機(jī)在結(jié)構(gòu)點(diǎn)的應(yīng)力極限值的集合，采用一般工況或者幾種經(jīng)典的工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)點(diǎn)變化的對比，確定在實(shí)際工程中塔吊吊起過程的各種應(yīng)力極值變化，工況主要包括空載回轉(zhuǎn)、空載靜止以及不同幅度的回轉(zhuǎn)，利用荷載值與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的關(guān)系可以確定在不同情況下的應(yīng)力狀態(tài)，用分級的方式將應(yīng)力繪制于應(yīng)力譜，塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力譜如圖1所示。在工作的過程中塔式起重機(jī)的工作過程不受規(guī)則應(yīng)力的作用，在桿件結(jié)構(gòu)中最大壓應(yīng)力與最大拉應(yīng)力不相等，采用統(tǒng)計(jì)的方法將這些應(yīng)力進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)，繪制出應(yīng)力譜，按照應(yīng)力大小排列成階梯狀。

圖1中的每個(gè)應(yīng)力長度的大小都與塔式起重機(jī)的工作次數(shù)相關(guān)，應(yīng)力長度越長代表作用次數(shù)越多，相反則說明作用次數(shù)越少，此外，由于塔式起重機(jī)不同結(jié)構(gòu)受到的應(yīng)力作用范圍及強(qiáng)度不相同，因此，統(tǒng)計(jì)出的應(yīng)力譜也不一樣，并且出現(xiàn)了正負(fù)值，正值出現(xiàn)的頻率和負(fù)值出現(xiàn)的頻率都受到工作狀態(tài)及環(huán)境等因素的影響，由于塔式起重機(jī)的同向回轉(zhuǎn)圈數(shù)受到限制，正向和反向的回轉(zhuǎn)角度也相同，因此塔身受到的正向作用應(yīng)力與負(fù)向作用應(yīng)力的次數(shù)基本相同。

2 應(yīng)力循環(huán)的轉(zhuǎn)化

應(yīng)力循環(huán)的轉(zhuǎn)化是指將應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，以保證應(yīng)力與交變應(yīng)力對塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的疲勞影響有對比性，其中交變應(yīng)力循環(huán)如圖2所示。根據(jù)古德曼圖形的特點(diǎn)，在進(jìn)行應(yīng)力轉(zhuǎn)換之前應(yīng)該在交變應(yīng)力循環(huán)中構(gòu)造出應(yīng)力變化對，從而構(gòu)成一個(gè)應(yīng)力循環(huán)，其中正負(fù)應(yīng)力值只能與零應(yīng)力構(gòu)成應(yīng)力對，利用經(jīng)驗(yàn)公式將循環(huán)應(yīng)力轉(zhuǎn)化成等效的交變應(yīng)力，進(jìn)一步考察荷載對結(jié)構(gòu)積累的疲勞影響程度。使結(jié)構(gòu)的疲勞壽命有量的概念。

將交變應(yīng)力循環(huán)中的應(yīng)力譜的應(yīng)力數(shù)據(jù)代入古德曼曲線方程中可以得到等效循環(huán)應(yīng)力，這些計(jì)算得到的等效循環(huán)應(yīng)力和作用次數(shù)即為等效對稱循環(huán)應(yīng)力譜。

3 起重機(jī)的疲勞壽命模型

塔式起重機(jī)的零件可靠性能較好，安全性達(dá)90%以上，應(yīng)力壽命曲線（S-N曲線）是建立疲勞壽命模型的基礎(chǔ)，起重機(jī)S-N圖如圖3所示。塔式起重機(jī)一般經(jīng)歷低周循環(huán)疲勞受命區(qū)、高周疲勞壽命區(qū)以及無限壽命應(yīng)力區(qū)3個(gè)階段，采用線性回歸模型方法建立疲勞壽命模型，通過軟件分析可知，塔式起重機(jī)的疲勞壽命較短的位置主要集中在起重臂與外拉桿相連接的地方，根據(jù)有限元分析法可知這些地方為高應(yīng)力區(qū)，但是計(jì)算的等效對稱循環(huán)應(yīng)力并不是全部都落在高周應(yīng)力區(qū)，絕大部分的應(yīng)力都在無限壽命階段，這個(gè)階段的應(yīng)力大小要低于疲勞極限，在塔式起重機(jī)實(shí)際工作過程中會(huì)出現(xiàn)很多等效對稱循環(huán)應(yīng)力，為了準(zhǔn)確建立起重機(jī)的疲勞壽命模型，需要將其中的一個(gè)等效對稱循環(huán)應(yīng)力設(shè)定成標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力，并將該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力作用的次數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)作用次數(shù)，通過標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力及標(biāo)準(zhǔn)次數(shù)可以退出損傷率，再由求和的方式得出塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的總體疲勞損傷，并由此得到疲勞壽命。

4 結(jié)論

綜上所述，通過塔式起重機(jī)的應(yīng)力譜分析以及應(yīng)力循環(huán)轉(zhuǎn)化可以確定塔式起重機(jī)的應(yīng)力結(jié)構(gòu)點(diǎn)疲勞損傷以及疲勞壽命，由起重機(jī)的疲勞壽命模型評估考核塔式起重機(jī)的疲勞狀態(tài)，根據(jù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)點(diǎn)所在的截面確認(rèn)結(jié)構(gòu)的可修復(fù)性，在能夠修復(fù)的情況下及時(shí)做好修復(fù)及檢測工作，在達(dá)到疲勞壽命不能修復(fù)的截面及時(shí)進(jìn)行報(bào)廢處理。

參考文獻(xiàn)

[1]李斌，雷利等.塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的研究[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（9）：986-990.

[2]肖曉暉，吳功平，李立斌.塔式起重機(jī)疲勞載荷譜的編制[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2003（12）：86-88.

[3]范小寧，徐格寧，楊瑞剛.基于損傷-斷裂力學(xué)理論的起重機(jī)疲勞壽命估算方法[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2011（9）：58-63.

[4]徐灝.疲勞強(qiáng)度[M].北京：高等教育出版社，1998.