塔式起重機結構疲勞壽命的探討

張彬彬 騰凱

摘要：塔式起重機是建筑業(yè)物料提升的重要器械，其具有工作時間長、強度大，周轉次數(shù)多的特點。做好塔式起重機結構疲勞壽命的探討，有助于塔式起重機的使用，同時對于保證作業(yè)安全也有著重要的意義。

關鍵詞：塔式起重機；疲勞壽命；應力譜

1.塔式起重機結構應力譜分析

對于塔式起重機結構的應力譜，要對其多種工作狀態(tài)進行分析，對于塔式起重機的不同工作狀態(tài)，其所受應力也是不盡相同的 。通過塔式起重機在不同的工作狀態(tài)，利用有限元的計算方法，我們就能夠得到其在不同狀態(tài)下所受的應力情況。塔式起重機的關鍵結構通常所受的是拉、壓并不相等的力，而且這些力的作用時長也是不等的。如圖1所示，是通過統(tǒng)計所繪制的塔式起重機關鍵結構的應力譜。

圖1 塔式起重機關鍵結構應力譜

其中σi是應力考核點處應力，ni是受力的次數(shù)，因其不同的部位，不同的受力，所以應力譜也就并不相同。但由于塔式起重機的特點，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所示的應力譜，通過調整，便得到了如圖2所示的塔式起重機的應力譜。

圖2 塔式起重機的應力循環(huán)

2.應力循環(huán)的轉化

通過應力循環(huán)的轉化，我們就能夠將應力疲勞與交變力疲勞進行比較，從而有利于塔式起重機結構疲勞壽命的探討。因為圖2的應力譜，所以有下式的結果

N1+N2+N3+……+Ni≠N（i+1）+N（i+2）+……+Nm.

由于圖二是循環(huán)應力，再根據(jù)圖一，可以建立下式關于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)應力，再由此便可得出塔式起重機的等效應力譜[2]。所以圖二中的等效應力和循環(huán)次數(shù)便為（σ1′，n1′），（σ2′，n2′），（σ3′，n3′）……，（σi′，ni′）.

3.起重機的疲勞壽命

通過對塔式起重機結構應力譜分析，應力循環(huán)的轉化，便可以進行對于塔式起重機疲勞壽命的驗算和要探索，上面的步驟使得塔式起重機的結構疲勞壽命的探索，變得量化與可視化，同時是塔式起重機疲勞壽命探索所不可或缺的步驟。

在此我們對于塔式起重機的可靠程度以90%來計算，由應力疲勞損傷可分為了三個階段，低周、高周、無線壽命疲勞區(qū)，而塔式起重機所受的是高周應力，通過對此區(qū)段的分析，可以得到如下關系式

σmN=C.

除此之外，塔式起重機的應力還可能會分布在無線壽命區(qū)，所以此階段疲勞極限大于應力，既有l(wèi)σl < lσ-1 l，所以對此不進行考慮。對于低周期，由于塔式起重機的特點，所以在此階段是不會有分布的。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)應力范圍就為σ′∈[σmin′，σmax′]，以此便形成了如圖4的應力譜。

圖4 塔式起重機等效對稱循環(huán)應力

由圖4可以得到σj′損傷率的方程式

D=nj′/Nj′×100%

在塔式起重機的實際工作中，是存在著很多對稱循環(huán)應力的，σ1′為應力，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行σj′損耗率的計算了，σj′的損耗率為

D=nj′/Nj×100% =nj′/N1×（σj′σ1′）m×100%

令Hj=f（σj′）=（σj′/σ1）m

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

n1j′=nj′×Hj=nj′×（σj′/σ1′）m.

最后將塔式起重機的所有循環(huán)力等效為標準力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的所有的疲勞損傷是D=n/N1.知道了塔式起重機的所有的疲勞損傷，那么對于我們而言，塔式起重機的結構疲勞壽命也就得出來了，下式便是塔式起重機的結構疲勞壽命。

n′=N1-n=N1-∑n1j.

到此為止，所有的計算與探索便已經全部結束，通過塔式起重機的結構應力譜分析，以及古德曼方程進行的應力循環(huán)的轉化，來得到了塔式起重機的疲勞壽命。

4.結語

塔式起重機是現(xiàn)代建筑業(yè)，必不可少的運載器械，塔式起重機平時的保養(yǎng)與維護，對于塔式起重機壽命的延長有著重要的影響。此外，塔式起重機并不是萬能的，所以要了解塔式起重機的疲勞損耗，對于塔式起重機定時的進行檢測，與結構疲勞壽命的計算。

參考文獻：

[1]李斌，雷利，等.塔式起重機結構疲勞壽命的研究[J].沈陽建筑大學報.2010，26（5）：986.