塔式起重機塔身結構疲勞校核方法探討

黎新龍，李 蕾，曾慶貴

LI Xin-long, Li Lei, ZENG Qing-gui

(1.山東國弘重工機械有限公司，山東 淄博 256401；2.山東省特種設備檢驗研究院,山東 濟南 250101))

GB/T 3811-2008規(guī)定，應計算構件及連接的抗疲勞強度，然而，由于疲勞計算過程遠比靜力計算復雜，因此目前大部分企業(yè)不計算結構件疲勞強度。而塔機在交變載荷或隨機變化的載荷作用下工作，疲勞破壞是其結構件主要的實效形式，本文以GB/T 3811-2008《釋義與應用》中的一個塔身疲勞計算實例為載體，對結構件的疲勞計算做進一步的探討和研究，供行業(yè)的技術人員參考。

1 實例描述

1.1 結構描述

如圖1所示為塔機塔身結構節(jié)點，塔身為?114×8的鋼管組成的四弦桿空間桁架焊接結構，鋼管材料為Q235。

圖1 塔機塔身結構節(jié)點

1.2 主弦桿受力分析

塔機空載后傾力矩為200kNm，最大起重力矩為726kNm，垂直力為260kN，主弦桿間距1.4m。

為確定塔身的循環(huán)應力，下面分析塔機一個工作循環(huán)的內力變化情況，如圖2所示。

圖2 工作循環(huán)載荷分析圖

如圖所示，在0°處，塔機處于裝料前空載狀態(tài)下時，A主弦桿中受力為-260/4+200/1.98＝36kN，B主弦桿中受力為-(260/4+200/1.98)＝-166kN。

以此類推，可以計算出四根主弦桿在每一角度的載荷，見表1。

此工作循環(huán)可能在塔身結構中引起最大的循環(huán)應力，其他工況的循環(huán)應力按標準建議的構件級別來確定。

表1 主弦桿載荷(kN)

2 改進后的疲勞驗算

從圖2上可知：塔機一個工作循環(huán)在塔身主弦桿中的力變化兩次，即其應力反復兩次，一次大些，一次小些。現(xiàn)以大的一次為準(偏安全 )，即 Fmin＝ 201kN，F(xiàn)max＝ -331kN。主弦桿鋼管截面積為：A＝2664mm2，則其應力為σmin1＝ Fmin1/A ＝ 75.45N/mm2，σmax1＝ Fmax1/A＝-12425N/mm2此時，循環(huán)特征值(應力比)

由文獻[2]表7查得，應力循環(huán)數(shù)n1＝1.25×105。

再看小的一次，F(xiàn)min2＝ 36kN，F(xiàn)max2＝166kN，σmin2＝ Fmin2/A ＝ 13.5N/mm2，σmax2＝Fmax2/A＝62.3N/mm2，循環(huán)特征值(應力比)

由文獻[2]表7查得，應力循環(huán)數(shù)n2＝1.25×105。

該建筑塔機的工作級別(U3，Q3)，見文獻[2]表3。而其塔身結構的應力反復次數(shù)為塔機工作循環(huán)次數(shù)的2倍，故其結構件的工作級別為E4(B4，S3)級，見文獻[2]表9。

查文獻 [2]表 33 得，[σ-1]＝ 62.2N/mm2。

由文獻[2]表31知r1＝-0.61時，

由文獻[2]表31知r2=-0.22時，

根據(jù)GB/T 3811-2008釋義的式（61），將這兩個不等幅、不等應力比的循環(huán)應力轉換為應力比為r1的、應力循環(huán)次數(shù)為n∑＝n1+n2、最大應力為σd的當量循環(huán)應力

σd＝ 108.12MPa ≤ [σr1,n∑]＝ 117.2N/mm2，所以通過。

核算表面：采用當量循環(huán)應力（比最大應力?。┯嬎悖飨覘U原焊接節(jié)點是符合要求的，不需要提高焊縫質量。

3 與GB/T 3811釋義實例方法的比較

1）本文將原本兩個不等幅、不等應力比的循環(huán)應力轉換為當量循環(huán)應力，符合GB/T 3811-2008釋義中介紹的方法，而原來GB/T 3811-2008釋義的實例沒有轉換，直接把第二個較小的循環(huán)應力等同于第一個較大的循環(huán)應力，也就是把小循環(huán)應力的也當成大的循環(huán)應力來近似計算。

2）根據(jù)GB/T 3811-2008釋義中5.8介紹的方法，校核時，本文將計算得到的當量循環(huán)應力和應力比為r1、循環(huán)數(shù)為n∑時的許用疲勞強度做比較；而GB/T 3811-2008釋義的實例給出的答案是用第一個較大的循環(huán)應力和應力比為r=-1時的許用疲勞極限作比較。而且按照GB/T 3811-2008釋義實例的算法，其結果如下：

由上式知，按照原釋義實例的算法，該結構的疲勞校核不通過，和本文計算方法的結論相反。

4 結 語

通過一個塔機結構疲勞的計算實例，說明了結構疲勞強度的計算方法和步驟，為工程設計人員進行疲勞校核計算提供參考依據(jù)。與《GB/T 3811-2008釋義與應用》中實例所用方法相比，本文方法較為精確，但是步驟繁瑣，兩者均可作為疲勞強度校核的參考。

[1]徐格寧.機械裝備金屬結構設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[2]全國起重機械標準化技術委員會.GB/T 3811—2008釋義與應用[M].北京：中國標準出版社，2008.

[3]GB/T 3811—2008，起重機設計規(guī)范[S].

[4]GB/T 13752—1992，塔機設計規(guī)范 [S].