关于起重机结构疲劳强度的相关研究_新闻_

金晨　夏凯锋　张巍

[摘要]起重机主要作用是在一定范围内垂直提升与水平边运重物，是工程建设的重要设备。起重机采取间歇性运动方式，即在一个工作循环中完成取料、移动、卸载等动作，并且所涉及到的各项机构之间交替工作。就其使用现状来看，经常会受到各因素的而影响而出现事故，表现最为严重的即结构疲劳度过大，降低其使用安全性与稳定性。本文结合起重机结构特点，对其结构疲劳强度的测定与控制进行了简要分析。

[关键词]起重机；结构疲劳；疲劳寿命

中图分类号：TH213.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）02-0087-01

起重机采用周期性间歇作业，存在频繁的起升、下降、启动与制动动作，并且整个运行过程速度快，工况复杂程度高，这样在往复作业中会受到交变荷载的影响，而导致各构件疲劳度增大，降低其使用寿命。起重机在工程建设与社会生产中占据重要的地位，为提高其使用安全性与稳定性，必须要深入研究结构疲劳强度，分析各构件疲劳寿命，采取有效的措施进行优化，避免因为繁重作业而造成结构出现疲劳损坏。

一、结构疲劳概述

所谓的疲劳，即在某点或者某些点承受扰动应力，并且受到足够多循环扰动作用后，出现的结构裂纹，甚至是完全断裂，材料局部、永久结构变化的发展过程[1]。就其特点进行分析，可以确定只有结构在受到扰动应力作用时，才会出现疲劳，并且破坏多发生在高应力与高应变部位。结构持续受到扰动荷载作用后，即会造成结构产生裂纹甚至是断裂。按照研究对象既可以将疲劳分为材料疲劳与结构皮料两种，其中结构疲劳主要是以零部件、接头或者整体为研究对象，对其疲劳特征、寿命估算方法、疲劳试验方法、抗疲劳设计方法等进行分析，结合设备结构特点，对各项影响因素进行综合研究，确定出提高其疲劳强度的措施，争取不断提高设备运行稳定性与安全性，延长其使用寿命。

二、起重机结构疲劳强度影响因素分析

1.缺口效应

对于机械设备来说，长期使用过程中势必会存在磨损，这样就会形成沟槽、台阶以及穿孔等，而想要避免此类因素对设备运行造成的影响，就必须在设计阶段做好控制[2]。结构截面变化即缺口，应力集会在其附近产生，造成局部应力大幅度提高，并且还会在缺口底部向构件中心产生应力梯度。结构材料均具有不同程度的塑性，在受到强度破坏之前就会产生塑性变形，一般情况为避免出现破坏情况，需要将塑性变形控制在一定范围内，对应力进行重新分配使其保持在平衡状态。但是就结构疲劳分析，缺口截面局部应力虽然不一定会产生强度破坏，但是其应力则会一直处于较高的水平，在长期循环过程中，应力集中位置疲劳强度要低于光滑试样，在进行设计时必须要做好薄弱环节的控制。在针对此方面进行结构疲劳设计时，确定应力集中系数代表了应力集中提高零件局部应力的作用，在特定弹性范围内，可以选择用弹性力学解析法计算局部峰值应力，则局部峰值应力与名义应力比值即为理论应力集中系数，公式为：，其中σmax表示最大局部应力，σn表示名义应力，Kt表示理论应力集中系数。

理论应力集中系数决定着结构形状，并且只与几何形状相关，并不能代表峰值应力对结构疲劳强度的影响，进而可以确定结构疲劳强度与几何形状无关，同时还应做好材料、荷载等因素的分析，因此需要通过有效应力集中系数来表现强度疲劳降低作用。有效应力集中系数公式为：，其中σ-1表示光滑试样疲劳极限，σ-1k表示缺口试样疲劳极限，Kf表示有效应力集中系数。

2.尺寸效应

随着结构尺的变化，材料疲劳强度也会随之变化，一般尺寸越大疲劳性能会降低，并且强度越高表现越明显。在结构应力集中式，尺寸系数ε表示：，其中（σ-1）d表示尺寸为d的试样或构件疲劳极限；d0表示标准试样尺寸，一般为6.5mm～7.5mm；（σ-1）d0表示尺寸为d0的标准试样疲劳极限[3]。尺寸效应可以在结构加工阶段体现出来，并且大型构件要比小型构件控制难度高，相应也会存在更多的缺陷，势必会对结构的强度造成影响。这样从工艺角度进行分析，则εm表示：，其中εm表示工艺因素造成的尺寸系数；σb表示大尺寸零件材料强度极限；σb表示标准试样材料强度极限。

另外，应力梯度为尺寸效应产生的主要因素，主要以内结构应力分布不均，在相同条件下进行试验，则可以确定应力梯度越小则疲劳强度越小，并且大试件疲劳强度要小于小试件。尺寸系数ε通过查询可以确定，并且可以通过公式计算得出：，其中V表示处于95%以上最大应力材料容积；VO表示几何相似标准尺寸试样中处于95%以上最大应力材料容积。

三、起重机底架结构疲劳寿命分析

1.底架载荷谱

载荷对结构疲劳寿命的影响，主要体现在载荷引起的动态响应所产生的应力，以轮胎式起重机为对象进行分析，其在作业时存在大量变幅与回转作业，导致载荷作用在结构弯矩产生变化，进而在循环作业中也会导致结构应力发生变化。在幅度不同的情况下，所对应的额定起重量不同，并且具有很强的随机性，短时间内收集到的信息并不能真实反映出构件工作状态下的载荷谱。因此在进行分析时，应利用应力-时间历程形式载荷谱，对应力变化进行估算，对应力变化做更精确的分析。

2.瞬态响应

瞬态响应分析也是研究底架结构疲劳寿命的重要内容，对不同时间结构荷载作用下动力响应情况进行计算，包括结构位移形变与结构应力变化。整个过程可以分为选择工况、载荷分析、计算应力时间变化曲线三个步骤，分析不同变幅与回转过程中，结构不同节点应力发小与方向的变化，然后通过复合工况应力-时间历程来确定实际工况中应力的变化。

3.材料信息

利用材料信息来对结构材料以及构件循环疲劳特性进行分析，在进行分析时需要针对该材料特性来建立相关性能数据库。想要确定材料疲劳特性应输入S-N曲线，掌握疲劳寿命次数与应力水平之间关系。另外，想要更为全面的分析结构疲劳受命与应力水平之间关系，还可以选择用p-S-N曲线，即材料存活率为p情况下，其p-S-N表达式为：lgN=ap+bplgσ，其中N表示存活率为p时疲劳寿命；σ表示应力水平，单位MPa；ap、bp为常数，与材料疲劳特性以及存活率相关。

4.结构疲劳全寿命

一般情况下，起重机最大疲劳点集中在底架后补安装形式结构板，以及主梁与固定支腿连接三角板附近。假设后一个位置处于恶劣工况状态下，出现最小寿命为N=2.19×106次，每天起吊动作300次，该起重机最少服务寿命为20年，则在常用工况下，最小寿命次数为N=6.03×106，则可以确定结构实际寿命在两个数值之间[4]。

结束语

起重机作为生产活动中重要设备，为提高其运行安全性与稳定性，延长其使用寿命，需要做好对其结构疲劳强度的分析，即对各项影响因素进行分析，明确各设计参数，确保结构设计符合使用要求。

参考文献

[1] 梅杏.轮胎式起重机底架结构疲劳研究[D].武汉理工大学，2011.

[2] 陈建荣.轨道式集装箱龙门起重机疲劳特性分析[D].武汉理工大学，2010.

[3] 祝杰.造船龙门起重机载荷谱及疲劳寿命研究[D].武汉理工大学，2012.

[4] 刘洪林.基于MSC.Fatigue300t全回转起重船起重机结构疲劳寿命研究[D].武汉理工大学，2012.