起重機(jī)桁架臂疲勞壽命與可靠性研究

夏加楓

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院泰州分院姜堰所，江蘇 泰州 225500）

起重機(jī)桁架臂疲勞壽命與可靠性研究

夏加楓

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院泰州分院姜堰所，江蘇 泰州 225500）

起重機(jī)是現(xiàn)階段在我國(guó)各領(lǐng)域被廣泛使用的設(shè)備之一，桁架臂是保證起重機(jī)工作高效開展的基礎(chǔ)，因此，針對(duì)桁架臂的疲勞壽命進(jìn)行研究是非常有必要的。文章以現(xiàn)階段我國(guó)有關(guān)的研究成果為基礎(chǔ)，運(yùn)用圖文結(jié)合的方式，對(duì)影響桁架臂疲勞壽命的因素，以及可靠性研究體系的構(gòu)建進(jìn)行了研究。

起重機(jī)桁架臂；疲勞壽命；可靠性

桁架臂起重機(jī)與其他類型的起重機(jī)相比，最為顯著的特點(diǎn)在于桁架臂的使用，也就是說能夠旋轉(zhuǎn)和懸伸的桁架臂是該類起重機(jī)最主要的受力構(gòu)件，與傳統(tǒng)起重機(jī)相比，桁架臂起重機(jī)在保證臂架重量相同的情況下，可以對(duì)力學(xué)的有關(guān)性能進(jìn)行更加靈活的運(yùn)用，因此，該類起重機(jī)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在石油、水利、橋梁等諸多領(lǐng)域的建設(shè)方面。

1 影響桁架臂疲勞壽命的因素

1.1 材料類別

現(xiàn)階段在起重機(jī)桁架臂中應(yīng)用的材料種類繁多，其中常見的有Q235B、Q345B和FGS70WV等，上述材料與疲勞力學(xué)相關(guān)性能的參數(shù)數(shù)值詳見表1。

表1 不同材料疲勞力學(xué)的有關(guān)性能

通過對(duì)構(gòu)件所使用材料的相關(guān)性能與材料總損傷間的關(guān)系進(jìn)行分析可以得出以下結(jié)論：第一，在應(yīng)變力的范圍小時(shí)，普通鋼和高強(qiáng)鋼二者在疲勞壽命方面具有相對(duì)較大的差異，由此可以看出在進(jìn)行小應(yīng)力的加工時(shí)，選擇高強(qiáng)鋼更為合適；第二，在應(yīng)變力的范圍較大時(shí)，普通鋼和高強(qiáng)鋼二者在疲勞壽命方面不具有較大差異，由此可以看出在進(jìn)行大應(yīng)力的加工時(shí)，高強(qiáng)鋼并不具有優(yōu)勢(shì)；第三，所用材料的性能與其疲勞壽命息息相關(guān)，在模量的差異較小時(shí)，疲勞強(qiáng)度和延性系數(shù)間具有一定的敏感性。

1.2 初始損傷

構(gòu)件的初始損傷是在焊接過程中無法避免的，所以，在對(duì)桁架臂的疲勞壽命進(jìn)行計(jì)算時(shí)，有關(guān)人員需要將初始損傷的有關(guān)數(shù)值納入計(jì)算過程中，常見的初始損傷共有以下幾個(gè)，分別是裂紋、空穴、咬邊等，初始損傷對(duì)構(gòu)件的影響主要體現(xiàn)在其抗疲勞性和材料均勻性兩個(gè)方面。在對(duì)初始損傷的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究時(shí)，數(shù)值抽取的范圍通常為0.03～0.08，在研究的過程中，將初始損傷的數(shù)值定為0～0.1，并且以每0.02為基礎(chǔ)進(jìn)行類別的劃分，最終得出總損傷受初始損傷影響的變化趨勢(shì)為圖1所示。

圖1 構(gòu)件所受初始損傷與總損傷間的關(guān)系

通過對(duì)圖1的內(nèi)容進(jìn)行分析可以得出以下結(jié)論：第一，在大載荷的影響下，具有同樣初始損傷的構(gòu)件，其壽命縮減的幅度也基本一致，也就是說，具有同樣初始損傷的不同構(gòu)件，在不同的載荷范圍中，其疲勞壽命的變化趨勢(shì)基本一致，但需要明確的一點(diǎn)在于，不同的構(gòu)件由于其尺寸和外形存在差別，因此損傷相同也無法代表其裂紋形狀和位置相同；第二，在常幅載荷的影響下，對(duì)疲勞壽命產(chǎn)生最大影響的因素為初始損傷的出現(xiàn)，由此可以看出構(gòu)件光潔程度的重要意義，光潔程度良好的構(gòu)件與光潔程度稍差的構(gòu)件相比，在疲勞壽命方面具有極大的優(yōu)勢(shì)。

2 構(gòu)建對(duì)桁架臂進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)的體系

可靠性評(píng)價(jià)指的是確定特定系統(tǒng)中的潛在危險(xiǎn)，通過對(duì)其進(jìn)行分析，得出與系統(tǒng)定向或可靠度相關(guān)的結(jié)論，并且在此基礎(chǔ)上對(duì)該系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的分析和評(píng)價(jià)。在對(duì)起重機(jī)的桁架臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，需要設(shè)計(jì)人員從以下三個(gè)方面的內(nèi)容著手準(zhǔn)備，分別為構(gòu)件的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性。工作了多年的起重機(jī)桁架臂，與其他桁架臂相比，最主要的變化在于強(qiáng)度，所以，在對(duì)桁架臂進(jìn)行評(píng)價(jià)的過程中需要將其強(qiáng)度的有關(guān)數(shù)據(jù)作為主要內(nèi)容，從動(dòng)強(qiáng)度、靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度幾個(gè)方面對(duì)其加以評(píng)價(jià)。

2.1 因素分析

（1）動(dòng)強(qiáng)度。針對(duì)構(gòu)件所提出的動(dòng)強(qiáng)度主要是的是其對(duì)載荷的承受能力，通常情況下，對(duì)該能力進(jìn)行衡量的單位為沖量，除此之外，構(gòu)件固有的頻率、模態(tài)等內(nèi)容也是構(gòu)成動(dòng)強(qiáng)度的主要因素，構(gòu)件動(dòng)載的系數(shù)極大則表示該構(gòu)件所承受的應(yīng)力高于自身的承受強(qiáng)度，甚至?xí)?dǎo)致裂紋的出現(xiàn)。

（2）靜強(qiáng)度。在構(gòu)件尚未達(dá)到自身的屈服極限前，它始終在彈性范圍之中，而對(duì)其所承受的載荷進(jìn)行撤銷后，該構(gòu)件就可以快速恢復(fù)到自身最初的狀態(tài)，一旦構(gòu)件承受的應(yīng)力超出了自身的屈服極限，那么該構(gòu)件就處于變形的階段，此時(shí)對(duì)載荷進(jìn)行撤銷也無法使其恢復(fù)到原始狀態(tài)。所以，在對(duì)構(gòu)件所能承受的應(yīng)力范圍進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)不同構(gòu)件所使用的材料作為主要參考因素。

（3）疲勞強(qiáng)度。較易出現(xiàn)疲勞失效點(diǎn)的位置為特定構(gòu)件中將應(yīng)力進(jìn)行集中的部分，這是因?yàn)閼?yīng)力的集中區(qū)域所承受的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其疲勞極限，進(jìn)而導(dǎo)致構(gòu)件組織出現(xiàn)變化，最終形成裂紋?，F(xiàn)階段，大部分工程中在對(duì)構(gòu)件的疲勞極限進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，會(huì)參照該構(gòu)件的尺寸、形狀等因素，以此為基礎(chǔ)對(duì)不同構(gòu)件的疲勞極限做出不同的更改。

（4）裂紋。作為構(gòu)件最主要的故障形式之一，裂紋的出現(xiàn)主要集中在構(gòu)件承受應(yīng)力較大的區(qū)域，通過對(duì)桁架臂出現(xiàn)裂紋的區(qū)域進(jìn)行研究可以發(fā)現(xiàn)，焊接縫是裂紋最主要的形成區(qū)域，以裂紋進(jìn)行擴(kuò)展和延伸的方向?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)對(duì)裂紋展開研究，能夠得出以下結(jié)論：裂紋的初始形成區(qū)域通常為焊接縫，隨后向周圍進(jìn)行逐步延伸，進(jìn)入構(gòu)件母材的拓展區(qū)，最終對(duì)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，另外，當(dāng)同一區(qū)域內(nèi)存在諸多裂紋時(shí)，裂紋之間可能進(jìn)行連接，形成相應(yīng)的裂紋群。

（5）腐蝕。由于起重機(jī)在工作的過程中受其所處區(qū)域環(huán)境的影響較大，例如溫度、濕度等，上述因素均會(huì)在一定程度上對(duì)桁架臂結(jié)構(gòu)中含有金屬的部分產(chǎn)生腐蝕，進(jìn)而影響其強(qiáng)度。桁架臂結(jié)構(gòu)被腐蝕之后，相應(yīng)的承載面積會(huì)有所減少，應(yīng)力逐步增加，除此之外，對(duì)結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行腐蝕還會(huì)對(duì)其屬性產(chǎn)生改變，不僅對(duì)裂紋的產(chǎn)生能和延伸產(chǎn)生影響，還會(huì)導(dǎo)致材料抵抗低溫的能力有所下降，甚至?xí)s短其壽命。因此，在溫度較低或臨海的區(qū)域，需要將金屬的腐蝕情況作為標(biāo)準(zhǔn)之一納入對(duì)構(gòu)件疲勞壽命進(jìn)行研究的過程中。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

（1）動(dòng)強(qiáng)度。動(dòng)強(qiáng)度包含固件固有的頻率、模態(tài)等諸多因素，因此，在對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)的過程中，需要工作人員保證測(cè)量工作能夠高效開展，在此基礎(chǔ)上將構(gòu)件處于動(dòng)態(tài)載荷條件下產(chǎn)生的應(yīng)壓力數(shù)值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在校驗(yàn)過程中，將其屈服極限作為主要標(biāo)準(zhǔn)。

（2）靜強(qiáng)度。根據(jù)上文的分析可以發(fā)現(xiàn)，構(gòu)件所承受的應(yīng)力小于其屈服極限時(shí)，構(gòu)件不會(huì)出現(xiàn)變形情況，所以，將構(gòu)件能夠承受的靜應(yīng)力最大值作為對(duì)靜強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)的指標(biāo)，另外，將其屈服極限當(dāng)做校驗(yàn)工作的主要依據(jù)是保證相關(guān)評(píng)價(jià)工作成果準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)。

（3）疲勞強(qiáng)度。通過對(duì)非線性的損傷積累理論進(jìn)行研究可以發(fā)現(xiàn)，構(gòu)件所受的損傷與其工作循環(huán)息息相關(guān)，也就是說每一次循環(huán)都會(huì)造成相應(yīng)的損傷，另外，積累損傷也會(huì)帶循環(huán)過程中產(chǎn)生的損傷數(shù)值產(chǎn)生一定的影響，所以，桁架臂的剩余疲勞損傷=桁架臂的臨界損傷-桁架臂的積累損傷。

3 結(jié)語

綜上所述，對(duì)起重機(jī)桁架臂的疲勞壽命和可靠性進(jìn)行評(píng)估的過程，涉及的內(nèi)容和步驟極其復(fù)雜，本文通過對(duì)影響桁架臂疲勞壽命的因素和相關(guān)的評(píng)價(jià)體系進(jìn)行分析的方式，得出了相應(yīng)的結(jié)論，但隨著研究的逐漸深入，相關(guān)工作必然會(huì)取得更加準(zhǔn)確的結(jié)論，通過提高起重機(jī)疲勞壽命期限的方式，保證其工作效率的提高，是實(shí)現(xiàn)促進(jìn)有關(guān)行業(yè)發(fā)展的有效途徑。

[1]高順德，荊鵬飛，李茂樹.136t履帶起重機(jī)析架臂結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)的研究[J].建筑機(jī)械，2014,22（19）：132-133.

[2]王欣，高順德.國(guó)外履帶起重機(jī)的特點(diǎn)及國(guó)內(nèi)市場(chǎng)現(xiàn)狀[J].建筑機(jī)械,2016，11(32):267-268.

TH21

A

1671-0711（2017）05（上）-0084-02