起重機(jī)械疲勞斷裂可靠性分析的新進(jìn)展

楊濤

摘要：隨著起重機(jī)械的廣泛應(yīng)用，其安全金屬結(jié)構(gòu)的安全性也得到了更多人的關(guān)注。而起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)中最為常見(jiàn)的就是金屬結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂。起重機(jī)械在使用的過(guò)程中，會(huì)因?yàn)槠跀嗔讯鴮?dǎo)致危險(xiǎn)事故的發(fā)生，影響著起重機(jī)械的安全使用。本文對(duì)起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)疲勞斷裂進(jìn)行了分析，研究了疲勞斷裂可靠性。

關(guān)鍵詞：起重機(jī)械，疲勞，斷裂，可靠性，新進(jìn)展

1.引言

2014年10月，國(guó)家質(zhì)檢總局公布了新的起重機(jī)械的定義，重新指定了納入特種設(shè)備的范圍。起重機(jī)械，是指用于垂直升降或者垂直升降并水平移動(dòng)重物的機(jī)電設(shè)備，其范圍規(guī)定為額定起重量大于或者等于0.5t的升降機(jī);額定起重量大于或者等于3t（或額定起重力矩大于或者等于40t·m的塔式起重機(jī)，或生產(chǎn)率大于或者等于300t/h的裝卸橋），且提升高度大于或者等于2m的起重機(jī);層數(shù)大于或者等于2層的機(jī)械式停車設(shè)備。新公布的納入監(jiān)管的起重機(jī)械，在噸位上進(jìn)行了提高。

起重機(jī)械在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，這使得起重機(jī)械在現(xiàn)代的生產(chǎn)生活中，占據(jù)著非常重要的地位[1]。起重機(jī)械是以間歇、重復(fù)的工作方式，通過(guò)起重吊鉤或其他吊具起升、下降，或升降與運(yùn)移物料的機(jī)械設(shè)備。起重機(jī)械通常結(jié)構(gòu)龐大，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，所吊運(yùn)的重物形狀多樣，且載荷復(fù)雜多變，起重機(jī)械的工作范圍通常比較大，作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，這些因素都對(duì)起重機(jī)械的疲勞強(qiáng)度造成影響，尤其是疲勞裂紋的出現(xiàn)。

2.起重機(jī)械的疲勞斷裂分析

所謂疲勞是指在某點(diǎn)或某些點(diǎn)承受擾動(dòng)應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動(dòng)作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過(guò)程。對(duì)疲勞的研究就是為了預(yù)測(cè)金屬結(jié)構(gòu)的使用壽命。疲勞發(fā)生的條件是有擾動(dòng)應(yīng)力的作用，其中應(yīng)力集中是疲勞破壞的起源。疲勞破壞由應(yīng)力或應(yīng)變較高的局部開(kāi)始，形成操作并逐漸累積，導(dǎo)致破壞發(fā)生。由此可見(jiàn)，疲勞的明顯特點(diǎn)是局部性。疲勞破壞的后果是形成裂紋，開(kāi)始是裂紋的萌生，然后隨著不斷的使用而產(chǎn)生裂紋的擴(kuò)展，最后由使用過(guò)程中的各種應(yīng)力作用發(fā)生斷裂。金屬結(jié)構(gòu)變形分為三個(gè)階段，即彈性變形、塑性變形和斷裂三個(gè)階段，其應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示：

圖1?金屬的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

金屬材料的疲勞斷裂過(guò)程，通常可以分為四個(gè)階段，即滑移生核階段，微觀裂紋擴(kuò)展階段、宏觀裂紋擴(kuò)展階段和失穩(wěn)擴(kuò)展階段。

若材料內(nèi)部沒(méi)有非金屬夾雜物、缺陷或切口之類的應(yīng)力集中源，則由于零部件表面區(qū)域處于平面應(yīng)力狀態(tài)，有利于塑性滑移，因而通常在表面成核，因此微裂紋都出現(xiàn)在零部件表面，這就是滑移生核階段。

隨著滑移次數(shù)的增加，微裂紋逐漸擴(kuò)展，擴(kuò)展的方向開(kāi)始時(shí)與拉應(yīng)力成45度角，然后逐漸過(guò)渡到垂直方向，這時(shí)裂紋擴(kuò)展的速率是緩慢的。在宏觀裂紋擴(kuò)展階段，裂紋尺寸從0.05mm擴(kuò)展到臨界裂紋尺寸為止;當(dāng)裂紋擴(kuò)展到臨界值之后，即發(fā)生失穩(wěn)斷裂。裂紋失穩(wěn)斷裂階段裂紋的擴(kuò)展比較快，對(duì)壽命的影響相對(duì)而言較小，可以忽略掉，因此疲勞裂紋總壽命包括裂紋形成壽命和裂紋擴(kuò)展壽命兩部分[2]。

3.起重機(jī)械疲勞斷裂可靠性分析的新進(jìn)展

起重機(jī)械的疲勞斷裂，是損傷長(zhǎng)期積累的結(jié)果，一般在發(fā)生疲勞斷裂之前，并不會(huì)有明顯的變形，很難發(fā)現(xiàn)損傷的存在，因此疲勞斷裂的發(fā)生具有突然性，其后果通常也將是災(zāi)難性的。

疲勞的研究最早是在19世紀(jì)初開(kāi)始于德國(guó)，經(jīng)過(guò)幾代人的不斷努力，發(fā)展至今，疲勞壽命評(píng)估已經(jīng)廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域中。1961年P(guān)aris公式的提出，成為了估算裂紋擴(kuò)展壽命的有力工具，其后斷裂力學(xué)快速發(fā)展，尤其以線彈性斷裂力學(xué)發(fā)展較為成熟，為研究疲勞斷裂可靠性提供了理論基礎(chǔ)。

相對(duì)于國(guó)外，我國(guó)對(duì)疲勞的研究起步比較晚，開(kāi)始于20世紀(jì)50年代，而且由于基礎(chǔ)較差而發(fā)展較慢，研究水平相對(duì)落后。1978年疲勞會(huì)議的召開(kāi)極大的推動(dòng)了疲勞理論的快速發(fā)展。當(dāng)前用于疲勞壽命評(píng)估的計(jì)算方法主要包括斷裂力學(xué)法、局部應(yīng)力應(yīng)變法和計(jì)算機(jī)仿真分析法。

斷裂力學(xué)法以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)進(jìn)行裂紋的評(píng)估。該方法從理論上而言更加合理，但是由于存在經(jīng)驗(yàn)性數(shù)據(jù)不精確的缺點(diǎn)，而且因?yàn)閷?shí)際應(yīng)力復(fù)雜、裂紋難以判定等因素使得計(jì)算誤差比較大。

局部應(yīng)力應(yīng)變法是當(dāng)前最有效的壽命評(píng)估方法，廣泛應(yīng)用到焊接結(jié)構(gòu)、起重機(jī)械等的疲勞壽命評(píng)估中。但是該方法不能用于高強(qiáng)度疲勞的計(jì)算，因?yàn)槠溆?jì)算精度變差。

最近幾年來(lái)，一些研究人員把一些新理論和新方法應(yīng)用到起重機(jī)械疲勞斷裂可靠性分析中，為起重機(jī)械的疲勞斷裂應(yīng)用提供了許多新的估算方法，從而逐步發(fā)展成了隨機(jī)有限元、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性模型等?[3]。

隨機(jī)有限元法是近20多年才發(fā)展起來(lái)的一種工程數(shù)值計(jì)算方法，由于該方法把隨機(jī)參數(shù)的影響考慮在內(nèi)，被廣泛應(yīng)用于計(jì)算金屬結(jié)構(gòu)的可靠度、動(dòng)力問(wèn)題、非線性問(wèn)題及復(fù)合材料力學(xué)等。隨著起重機(jī)械疲勞斷裂理論的不斷發(fā)展，該方法也被逐步的應(yīng)用于起重機(jī)械的疲勞斷裂可靠性分析方面。因?yàn)槠鹬貦C(jī)械的工作環(huán)境復(fù)雜，受到許多不確定因素的影響，局部應(yīng)力應(yīng)變相應(yīng)也是隨機(jī)的，隨機(jī)有限元法是隨機(jī)結(jié)構(gòu)分析最有力的工具。

4.總結(jié)

本文對(duì)疲勞斷裂進(jìn)行了分析，并對(duì)斷裂發(fā)生的原因進(jìn)行了總結(jié)。結(jié)合當(dāng)前疲勞斷裂的理論基礎(chǔ)和可靠性進(jìn)行了研究，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外主流的分析方法，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)人員有一定的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張應(yīng)立.橋式起重機(jī)安全技術(shù)[M].北京：中國(guó)石化出版社，2007

[2]張新峰.起重機(jī)桁架臂疲勞全壽命評(píng)估與分析[D].大連：2013.6

[3]鄭嚴(yán)，程文明，程躍.起重機(jī)械疲勞斷裂可靠性分析的新進(jìn)展[J].北京：起重運(yùn)輸機(jī)械，2009（10）