關(guān)于起重機結(jié)構(gòu)疲勞強度的相關(guān)研究

金晨　夏凱鋒　張巍

[摘 要]起重機主要作用是在一定范圍內(nèi)垂直提升與水平邊運重物，是工程建設(shè)的重要設(shè)備。起重機采取間歇性運動方式，即在一個工作循環(huán)中完成取料、移動、卸載等動作，并且所涉及到的各項機構(gòu)之間交替工作。就其使用現(xiàn)狀來看，經(jīng)常會受到各因素的而影響而出現(xiàn)事故，表現(xiàn)最為嚴(yán)重的即結(jié)構(gòu)疲勞度過大，降低其使用安全性與穩(wěn)定性。本文結(jié)合起重機結(jié)構(gòu)特點，對其結(jié)構(gòu)疲勞強度的測定與控制進行了簡要分析。

[關(guān)鍵詞]起重機；結(jié)構(gòu)疲勞；疲勞壽命

中圖分類號：TH213.6 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）02-0087-01

起重機采用周期性間歇作業(yè)，存在頻繁的起升、下降、啟動與制動動作，并且整個運行過程速度快，工況復(fù)雜程度高，這樣在往復(fù)作業(yè)中會受到交變荷載的影響，而導(dǎo)致各構(gòu)件疲勞度增大，降低其使用壽命。起重機在工程建設(shè)與社會生產(chǎn)中占據(jù)重要的地位，為提高其使用安全性與穩(wěn)定性，必須要深入研究結(jié)構(gòu)疲勞強度，分析各構(gòu)件疲勞壽命，采取有效的措施進行優(yōu)化，避免因為繁重作業(yè)而造成結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞損壞。

一、結(jié)構(gòu)疲勞概述

所謂的疲勞，即在某點或者某些點承受擾動應(yīng)力，并且受到足夠多循環(huán)擾動作用后，出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)裂紋，甚至是完全斷裂，材料局部、永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程[1]。就其特點進行分析，可以確定只有結(jié)構(gòu)在受到擾動應(yīng)力作用時，才會出現(xiàn)疲勞，并且破壞多發(fā)生在高應(yīng)力與高應(yīng)變部位。結(jié)構(gòu)持續(xù)受到擾動荷載作用后，即會造成結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋甚至是斷裂。按照研究對象既可以將疲勞分為材料疲勞與結(jié)構(gòu)皮料兩種，其中結(jié)構(gòu)疲勞主要是以零部件、接頭或者整體為研究對象，對其疲勞特征、壽命估算方法、疲勞試驗方法、抗疲勞設(shè)計方法等進行分析，結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)特點，對各項影響因素進行綜合研究，確定出提高其疲勞強度的措施，爭取不斷提高設(shè)備運行穩(wěn)定性與安全性，延長其使用壽命。

二、起重機結(jié)構(gòu)疲勞強度影響因素分析

1.缺口效應(yīng)

對于機械設(shè)備來說，長期使用過程中勢必會存在磨損，這樣就會形成溝槽、臺階以及穿孔等，而想要避免此類因素對設(shè)備運行造成的影響，就必須在設(shè)計階段做好控制[2]。結(jié)構(gòu)截面變化即缺口，應(yīng)力集會在其附近產(chǎn)生，造成局部應(yīng)力大幅度提高，并且還會在缺口底部向構(gòu)件中心產(chǎn)生應(yīng)力梯度。結(jié)構(gòu)材料均具有不同程度的塑性，在受到強度破壞之前就會產(chǎn)生塑性變形，一般情況為避免出現(xiàn)破壞情況，需要將塑性變形控制在一定范圍內(nèi)，對應(yīng)力進行重新分配使其保持在平衡狀態(tài)。但是就結(jié)構(gòu)疲勞分析，缺口截面局部應(yīng)力雖然不一定會產(chǎn)生強度破壞，但是其應(yīng)力則會一直處于較高的水平，在長期循環(huán)過程中，應(yīng)力集中位置疲勞強度要低于光滑試樣，在進行設(shè)計時必須要做好薄弱環(huán)節(jié)的控制。在針對此方面進行結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計時，確定應(yīng)力集中系數(shù)代表了應(yīng)力集中提高零件局部應(yīng)力的作用，在特定彈性范圍內(nèi)，可以選擇用彈性力學(xué)解析法計算局部峰值應(yīng)力，則局部峰值應(yīng)力與名義應(yīng)力比值即為理論應(yīng)力集中系數(shù)，公式為：，其中σmax表示最大局部應(yīng)力，σn表示名義應(yīng)力，Kt表示理論應(yīng)力集中系數(shù)。

理論應(yīng)力集中系數(shù)決定著結(jié)構(gòu)形狀，并且只與幾何形狀相關(guān)，并不能代表峰值應(yīng)力對結(jié)構(gòu)疲勞強度的影響，進而可以確定結(jié)構(gòu)疲勞強度與幾何形狀無關(guān)，同時還應(yīng)做好材料、荷載等因素的分析，因此需要通過有效應(yīng)力集中系數(shù)來表現(xiàn)強度疲勞降低作用。有效應(yīng)力集中系數(shù)公式為：，其中σ-1表示光滑試樣疲勞極限，σ-1k表示缺口試樣疲勞極限，Kf表示有效應(yīng)力集中系數(shù)。

2.尺寸效應(yīng)

隨著結(jié)構(gòu)尺的變化，材料疲勞強度也會隨之變化，一般尺寸越大疲勞性能會降低，并且強度越高表現(xiàn)越明顯。在結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中式，尺寸系數(shù)ε表示：，其中（σ-1）d表示尺寸為d的試樣或構(gòu)件疲勞極限；d0表示標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸，一般為6.5mm～7.5mm；（σ-1）d0表示尺寸為d0的標(biāo)準(zhǔn)試樣疲勞極限[3]。尺寸效應(yīng)可以在結(jié)構(gòu)加工階段體現(xiàn)出來，并且大型構(gòu)件要比小型構(gòu)件控制難度高，相應(yīng)也會存在更多的缺陷，勢必會對結(jié)構(gòu)的強度造成影響。這樣從工藝角度進行分析，則εm表示：，其中εm表示工藝因素造成的尺寸系數(shù)；σb表示大尺寸零件材料強度極限；σb表示標(biāo)準(zhǔn)試樣材料強度極限。

另外，應(yīng)力梯度為尺寸效應(yīng)產(chǎn)生的主要因素，主要以內(nèi)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布不均，在相同條件下進行試驗，則可以確定應(yīng)力梯度越小則疲勞強度越小，并且大試件疲勞強度要小于小試件。尺寸系數(shù)ε通過查詢可以確定，并且可以通過公式計算得出：，其中V表示處于95%以上最大應(yīng)力材料容積；VO表示幾何相似標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣中處于95%以上最大應(yīng)力材料容積。

三、起重機底架結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析

1.底架載荷譜

載荷對結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響，主要體現(xiàn)在載荷引起的動態(tài)響應(yīng)所產(chǎn)生的應(yīng)力，以輪胎式起重機為對象進行分析，其在作業(yè)時存在大量變幅與回轉(zhuǎn)作業(yè)，導(dǎo)致載荷作用在結(jié)構(gòu)彎矩產(chǎn)生變化，進而在循環(huán)作業(yè)中也會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)生變化。在幅度不同的情況下，所對應(yīng)的額定起重量不同，并且具有很強的隨機性，短時間內(nèi)收集到的信息并不能真實反映出構(gòu)件工作狀態(tài)下的載荷譜。因此在進行分析時，應(yīng)利用應(yīng)力-時間歷程形式載荷譜，對應(yīng)力變化進行估算，對應(yīng)力變化做更精確的分析。

2.瞬態(tài)響應(yīng)

瞬態(tài)響應(yīng)分析也是研究底架結(jié)構(gòu)疲勞壽命的重要內(nèi)容，對不同時間結(jié)構(gòu)荷載作用下動力響應(yīng)情況進行計算，包括結(jié)構(gòu)位移形變與結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化。整個過程可以分為選擇工況、載荷分析、計算應(yīng)力時間變化曲線三個步驟，分析不同變幅與回轉(zhuǎn)過程中，結(jié)構(gòu)不同節(jié)點應(yīng)力發(fā)小與方向的變化，然后通過復(fù)合工況應(yīng)力-時間歷程來確定實際工況中應(yīng)力的變化。

3.材料信息

利用材料信息來對結(jié)構(gòu)材料以及構(gòu)件循環(huán)疲勞特性進行分析，在進行分析時需要針對該材料特性來建立相關(guān)性能數(shù)據(jù)庫。想要確定材料疲勞特性應(yīng)輸入S-N曲線，掌握疲勞壽命次數(shù)與應(yīng)力水平之間關(guān)系。另外，想要更為全面的分析結(jié)構(gòu)疲勞受命與應(yīng)力水平之間關(guān)系，還可以選擇用p-S-N曲線，即材料存活率為p情況下，其p-S-N表達式為：lgN=ap+bplgσ，其中N表示存活率為p時疲勞壽命；σ表示應(yīng)力水平，單位MPa；ap、bp為常數(shù)，與材料疲勞特性以及存活率相關(guān)。

4.結(jié)構(gòu)疲勞全壽命

一般情況下，起重機最大疲勞點集中在底架后補安裝形式結(jié)構(gòu)板，以及主梁與固定支腿連接三角板附近。假設(shè)后一個位置處于惡劣工況狀態(tài)下，出現(xiàn)最小壽命為N=2.19×106次，每天起吊動作300次，該起重機最少服務(wù)壽命為20年，則在常用工況下，最小壽命次數(shù)為N=6.03×106，則可以確定結(jié)構(gòu)實際壽命在兩個數(shù)值之間[4]。

結(jié)束語

起重機作為生產(chǎn)活動中重要設(shè)備，為提高其運行安全性與穩(wěn)定性，延長其使用壽命，需要做好對其結(jié)構(gòu)疲勞強度的分析，即對各項影響因素進行分析，明確各設(shè)計參數(shù)，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計符合使用要求。

參考文獻

[1] 梅杏.輪胎式起重機底架結(jié)構(gòu)疲勞研究[D].武漢理工大學(xué)，2011.

[2] 陳建榮.軌道式集裝箱龍門起重機疲勞特性分析[D].武漢理工大學(xué)，2010.

[3] 祝杰.造船龍門起重機載荷譜及疲勞壽命研究[D].武漢理工大學(xué)，2012.

[4] 劉洪林.基于MSC.Fatigue300t全回轉(zhuǎn)起重船起重機結(jié)構(gòu)疲勞壽命研究[D].武漢理工大學(xué)，2012.

作者簡介：金晨（1987-），男，江蘇蘇州人，學(xué)歷：本科，研究方向：特種設(shè)備檢測