塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的探討

張彬彬 騰凱

摘要：塔式起重機(jī)是建筑業(yè)物料提升的重要器械，其具有工作時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度大，周轉(zhuǎn)次數(shù)多的特點(diǎn)。做好塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的探討，有助于塔式起重機(jī)的使用，同時(shí)對(duì)于保證作業(yè)安全也有著重要的意義。

關(guān)鍵詞：塔式起重機(jī)；疲勞壽命；應(yīng)力譜

1.塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力譜分析

對(duì)于塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力譜，要對(duì)其多種工作狀態(tài)進(jìn)行分析，對(duì)于塔式起重機(jī)的不同工作狀態(tài)，其所受應(yīng)力也是不盡相同的 。通過塔式起重機(jī)在不同的工作狀態(tài)，利用有限元的計(jì)算方法，我們就能夠得到其在不同狀態(tài)下所受的應(yīng)力情況。塔式起重機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)通常所受的是拉、壓并不相等的力，而且這些力的作用時(shí)長(zhǎng)也是不等的。如圖1所示，是通過統(tǒng)計(jì)所繪制的塔式起重機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的應(yīng)力譜。

圖1 塔式起重機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)應(yīng)力譜

其中σi是應(yīng)力考核點(diǎn)處應(yīng)力，ni是受力的次數(shù)，因其不同的部位，不同的受力，所以應(yīng)力譜也就并不相同。但由于塔式起重機(jī)的特點(diǎn)，雖然有多重受力形式，但是其所示的正反力卻基本相等。為了探討的方便，我們將圖1所示的應(yīng)力譜，通過調(diào)整，便得到了如圖2所示的塔式起重機(jī)的應(yīng)力譜。

圖2 塔式起重機(jī)的應(yīng)力循環(huán)

2.應(yīng)力循環(huán)的轉(zhuǎn)化

通過應(yīng)力循環(huán)的轉(zhuǎn)化，我們就能夠?qū)?yīng)力疲勞與交變力疲勞進(jìn)行比較，從而有利于塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的探討。因?yàn)閳D2的應(yīng)力譜，所以有下式的結(jié)果

N1+N2+N3+……+Ni≠N（i+1）+N（i+2）+……+Nm.

由于圖二是循環(huán)應(yīng)力，再根據(jù)圖一，可以建立下式關(guān)于σmax和σmin古德曼線方程

σa=σ-1[1-σm/σb]

由古德曼曲線方程

σ-1=σaσb/（σb-σm）

由上圖及上式便可以得出等效循環(huán)應(yīng)力，再由此便可得出塔式起重機(jī)的等效應(yīng)力譜[2]。所以圖二中的等效應(yīng)力和循環(huán)次數(shù)便為（σ1′，n1′），（σ2′，n2′），（σ3′，n3′）……，（σi′，ni′）.

3.起重機(jī)的疲勞壽命

通過對(duì)塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力譜分析，應(yīng)力循環(huán)的轉(zhuǎn)化，便可以進(jìn)行對(duì)于塔式起重機(jī)疲勞壽命的驗(yàn)算和要探索，上面的步驟使得塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)疲勞壽命的探索，變得量化與可視化，同時(shí)是塔式起重機(jī)疲勞壽命探索所不可或缺的步驟。

在此我們對(duì)于塔式起重機(jī)的可靠程度以90%來計(jì)算，由應(yīng)力疲勞損傷可分為了三個(gè)階段，低周、高周、無線壽命疲勞區(qū)，而塔式起重機(jī)所受的是高周應(yīng)力，通過對(duì)此區(qū)段的分析，可以得到如下關(guān)系式

σmN=C.

除此之外，塔式起重機(jī)的應(yīng)力還可能會(huì)分布在無線壽命區(qū)，所以此階段疲勞極限大于應(yīng)力，既有l(wèi)σl < lσ-1 l，所以對(duì)此不進(jìn)行考慮。對(duì)于低周期，由于塔式起重機(jī)的特點(diǎn)，所以在此階段是不會(huì)有分布的。高周期疲勞壽命為N∈[104，106].在不考慮等效循環(huán)所不影響的區(qū)域，其循環(huán)應(yīng)力范圍就為σ′∈[σmin′，σmax′]，以此便形成了如圖4的應(yīng)力譜。

圖4 塔式起重機(jī)等效對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力

由圖4可以得到σj′損傷率的方程式

D=nj′/Nj′×100%

在塔式起重機(jī)的實(shí)際工作中，是存在著很多對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力的，σ1′為應(yīng)力，N1為次數(shù)的話，便可以建立下列方程式

（σj′）mNj=（σ1′）mN1. Nj=N1×（σ1′/σj′）m.

到此我們便可以開始進(jìn)行σj′損耗率的計(jì)算了，σj′的損耗率為

D=nj′/Nj×100% =nj′/N1×（σj′σ1′）m×100%

令Hj=f（σj′）=（σj′/σ1）m

通過上面的兩個(gè)方程式，將σj′與σ1′進(jìn)行等效，其n1j′為次數(shù)，可得下列方程

n1j′=nj′×Hj=nj′×（σj′/σ1′）m.

最后將塔式起重機(jī)的所有循環(huán)力等效為標(biāo)準(zhǔn)力σ1′的次數(shù)，可得下列方程

n=∑n1j′=n1′×H1+n2′×H2+n3′×H3…+nt′×Ht.

到此，我們便得到了塔式起重機(jī)的所有的疲勞損傷是D=n/N1.知道了塔式起重機(jī)的所有的疲勞損傷，那么對(duì)于我們而言，塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)疲勞壽命也就得出來了，下式便是塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)疲勞壽命。

n′=N1-n=N1-∑n1j.

到此為止，所有的計(jì)算與探索便已經(jīng)全部結(jié)束，通過塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力譜分析，以及古德曼方程進(jìn)行的應(yīng)力循環(huán)的轉(zhuǎn)化，來得到了塔式起重機(jī)的疲勞壽命。

4.結(jié)語

塔式起重機(jī)是現(xiàn)代建筑業(yè)，必不可少的運(yùn)載器械，塔式起重機(jī)平時(shí)的保養(yǎng)與維護(hù)，對(duì)于塔式起重機(jī)壽命的延長(zhǎng)有著重要的影響。此外，塔式起重機(jī)并不是萬能的，所以要了解塔式起重機(jī)的疲勞損耗，對(duì)于塔式起重機(jī)定時(shí)的進(jìn)行檢測(cè)，與結(jié)構(gòu)疲勞壽命的計(jì)算。

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)報(bào).2010，26（5）：986.