夾鉗起重機載荷譜統計及疲勞壽命估算技術

摘 要：文章對國內典型生產線上夾鉗起重機的工作載荷譜做了統計分析，探討了由載荷譜計算應力譜的方法，在此基礎上，運用應力幅法對設備主梁結構進行了疲勞壽命估算。

關鍵詞：起重機；載荷譜；應力譜；疲勞壽命

1 概述

夾鉗起重機是一種特殊用途的冶金類起重機，在冶金生產線上使用較多，使用特點是滿負荷作業率高、工作頻繁、環境溫度高。隨著起重機械安全評估技術已經從方法探索、技術實踐階段走向了設計安全評價、工程改造兩方面的應用階段，各種冶金類起重機的載荷譜分析、疲勞強度評估技術開始被國內多個起重機設計制造部門密切關注?，F代冶金類起重機的主要承載結構是一種焊接箱型鋼梁結構，其強度設計理論是基于最不利風險載荷產生的最大應力組合的強度安全評價，這種技術已經相當成熟和完善。近十幾年來，疲勞設計和疲勞壽命分析技術不斷應用于起重機的新產品設計中，這種新技術更關心載荷的分布特性和應力幅值分布。對冶金生產線上的起重機而言，描述載荷譜的最直接方式是移動外載荷與移動位置關系的曲線或圖表，由此可以計算結構特定部位最大應力的變化圖，即應力譜。從而確定應力幅值的變化，這也是起重機結構疲勞強度分析計算的基礎。這種應力譜的獲得有兩種途徑，一種是通過具體某一臺產品的現場試驗獲得應力譜，以此進行疲勞強度及壽命分析，見文獻[1]、文獻[2]中的實例。另一種途徑是先統計載荷譜再擬合計算應力譜，這種方式在設計研發階段更具有廣泛適用性，這也是本文所采用的技術方法。

對應于國內主要工藝流程的夾鉗起重機工作載荷譜統計工作，各類文獻很少涉及。主要原因是當前使用最廣的強度驗算方法和疲勞強度驗算方法都不涉及應力幅的變化。只有在使用疲勞壽命估算技術時，才會討論到工作載荷譜、應力譜、應力幅這些概念。

2 載荷、應力、載荷譜、應力譜、強度、疲勞壽命之間的關系

載荷與應力直接關聯，應力是載荷作用于結構而產生的一種內力響應，強度安全評價是對應力的許用范圍評價。同理，載荷譜與應力譜直接關聯，應力譜是載荷譜作用于結構而產生的一種內力響應，應力譜也是疲勞壽命分析的最重要數據。

在起重機結構疲勞壽命分析時有兩種思路和方法，一種是利用現場測試獲得主梁結構應力譜，直接將應力幅-頻次的關系圖表應用于疲勞壽命計算中，這種方法簡潔明了、解決問題針對性強，在過去的二十年間廣泛應用。這種方法嚴格依賴大規模的現場試驗。因此時間周期較長、成本較高。這引起了一些研究人員對其它方法的探討，最典型的就是記錄典型工藝下的外載荷位置變化軌跡，將載荷大小和不同作用位置的數據作用于已知結構或待設計結構，由計算獲得結構應力變化過程或稱為計算應力譜，將計算應力譜應用到疲勞強度計算中。這種方法回避了條件艱苦的現場試驗，依賴設計圖紙和計算軟件，時間周期短，成本低。

3 典型生產線上夾鉗起重機載荷譜

寶鋼條鋼生產線 30t-32m夾鉗起重機載荷譜統計

行車作業分均熱階段、出鋼階段、平爐階段。行車作業跨150m，夾鉗起重機從鋼錠放置區每次起吊30t負荷，將負荷移動送入每個均熱爐內。出鋼階段是將鋼錠從均熱爐中取出，逆方向吊回到鋼錠放置區。平爐階段是為均熱爐填石子的工作流程。如果行車跨度為s，在行車行走過程中，移動載荷要在行車從一端移動到另一端，為了計算方便，圖1中在行車主梁上標注了幾個重要移動位置，1/8跨度、1/4跨度、1/2跨度。

均熱階段： 24個循環/天 移動小車自重84t

（1）在1/8主梁跨度處起吊30t鋼錠。

（2）小車過1/4跨度到1/2跨度。

（3）大車行走到均熱爐前，放入鋼錠，小車過1/4跨度、過1/8跨度。

（4）空鉤后行車返回鋼錠區，重復下一個吊運過程。

出鋼階段： 24個循環/天

（1）在1/8主梁跨度處起吊30t鋼錠。

（2）小車過1/4跨度到1/2跨度。

（3）大車行走到鋼錠區，放下鋼錠，小車過1/4跨度、過1/8跨度。

（4）空鉤后行車返回均熱爐，重復下一個吊運過程。

平爐階段： 24個循環/天 為均熱爐填石子（每爐約10t）

（1）在1/8主梁跨度處起吊10t重物。

（2）小車過1/4跨度到1/8跨度。

（3）空鉤后行車返回取物區，重復下一個吊運過程。

表1給出了移動載荷、作用位置、移動次數的關系，對于此類工藝流程的夾鉗起重機載荷譜，具有典型的統計意義，對于設計起重量不同的夾鉗起重機，只要將表1中的移動載荷值對應改變為新的已知載荷，就能構造出新的已知載荷譜。這也就是典型生產線上夾鉗起重機載荷譜統計的意義。

4 夾鉗起重機應力譜計算、疲勞壽命估算實例

4.1 30t-32m夾鉗起重機主梁最大應力計算

通常，起重機主梁最大應力部位是跨中1/2截面下蓋板與主腹板焊接處，這也是疲勞壽命計算時的最主要部位。依據起重機設計規范，利用表1給出的載荷及作用截面位置，可計算出不同載荷在不同位置時，30t-32m夾鉗起重機主梁最大應力，見表2。

4.2 30t-32m夾鉗起重機主梁應力譜及應力幅統計

將表2中的應力數據按實際載荷移動過程連接起來，將描繪出最大應力變化曲線，見圖2、圖3。

從圖2可知，一個應力循環中有兩對波峰和波谷，也就是有兩個應力幅統計結果。這兩個應力幅每天各出現48次。同樣，表3中也統計到兩個應力幅，每天各出現24次。因此，30t-32m夾鉗起重機主梁應力幅-頻次統計結果見表3。

4.3 30t-32m夾鉗起重機主梁疲勞壽命估算

疲勞壽命評估技術的核心是疲勞壽命估算方法，這類估算方法有若干種，但在以焊接結構為主的冶金類起重機金屬結構中，以應力變程（應力幅）為基礎的疲勞壽命分析方法獲得了更強的技術支持，這種分析方法建立在隨機疲勞載荷譜（包含應力峰值、應力變化范圍、應力變化循環量信息）、結構S-N曲線（包含結構局部細節在不同應力變化范圍下的壽命信息）、Miner積累損傷理論三個基礎之上，而這三個基礎都有很強的工程試驗背景，因此，這樣的疲勞壽命分析方法更易于走向工程實用化。

若結構S-N曲線是以應力變程為變量，疲勞載荷譜由各級工作載荷譜表征，那么從應力變程頻次統計數據出發得到的壽命估算公式為[1]：

其中C、K為結構S-N曲線常數，r為載荷譜中應力變程的級數，fi為各級變程出現的頻率，Si為各級應力變程數，D為結構破壞時的損傷和，N為譜時間t中的總變程數，譜時間t是指一個載荷譜所代表的實際工作循環數（工作時間），n為結構破壞時載荷譜的重復次數。

文獻[1]、文獻[3]論述了起重機偏軌箱型主梁的疲勞試驗數據，提出了適合這種結構的疲勞壽命計算常數，C=1011.714486、K=3.3、D=0.8。

將表3給出的主梁應力幅-頻次表數據代入疲勞壽命估算公式，以一天48個額定載荷工作循環作為一個譜時間，可得：n= 13615.24（個譜時間）。

因為一個譜時間代表48個額定載荷工作循環，所以疲勞壽命估算值為：n=13615.24×48≈653531（個循環）。

這一估算值的含義是寶鋼條鋼生產線30t-32m夾鉗起重機主梁疲勞壽命設計值為653531個工作循環。

5 結束語

本文討論了冶金生產線上的夾鉗起重機工作載荷譜統計方法和技術，認為描述載荷譜的最直接方式是移動外載荷與移動位置關系的曲線或圖表，由此可以計算結構特定部位最大應力的變化圖。從而確定應力幅值的變化。為夾鉗起重機結構疲勞壽命估算提供了一種簡捷實用的途徑。

本文以寶鋼條鋼生產線 30t-32m夾鉗起重機為例，討論了載荷譜統計、應力譜計算、應力幅與頻次統計及主梁疲勞壽命估算幾個步驟的具體實踐。這種方法更適合于產品研發階段的計算和評估。

參考文獻

[1]平克楠.對鑄造起重機主梁疲勞計算方法的探討[J].山西機械，1996（2）.

[2]平克楠.三菱重工冶金起重機疲勞設計技術跟蹤研究[J].起重運輸機械，2009（8）.

[3]翟甲昌，王升.橋式起重機箱型梁的疲勞試驗[J].起重運輸機械，1994（2）.