塔式起重機結構疲勞壽命的研究

黃威+謝晉鎮

摘 要 塔式起重機在隨機變化的負荷中長時間工作，疲勞破壞致使結構損壞，本文分析了塔式起重機關鍵部位的疲勞壽命，并對塔式起重機結構進行應力譜分析，采用經驗公式及圖形對應力和對稱循環應力進行推導，利用轉換公式進行應力循環的轉換，最后對起重機的疲勞壽命模型進行闡述，以期對實際應用有指導意義。

關鍵詞 起重機；疲勞壽命；模型

中圖分類號 TH21 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）05-0024-01

起重機械在國民生產過程中起著至關重要的作用，塔式起重機主要用于工地及施工單位進行物料的運輸，塔式起重機作為特種設備具有一定的危險性，國內外每年都有由于起重機事故而造成的財產損失及人員傷亡，塔式起重機發生事故的主要結構主要為塔身、平衡臂及起重臂三大部分，疲勞破損是引起事故的主要原因。根據國際標準化組織及我國起重機相關規范的規定，在機械工作強度達到A6以上除了常規的剛度及應力計算以外，還需要進行疲勞壽命的計算，結構的應力譜分析是疲勞壽命的主要依據。由于當前起重機的疲勞壽命研究較少，數據采集也較為困難，塔式其中及結構疲勞壽命的研究十分有潛力，本文基于回歸模型方法對起重機的疲勞壽命建立模型，該模型的建立可以用于實際工程的疲勞壽命計算，同時還能用于塔式結構起重機的研發設計參考依據。

1 塔式起重機結構應力譜分析

塔式起重機的結構應力譜分析是確定塔式起重機疲勞結構壽命的前提與基礎，應力譜是塔式起重機在結構點的應力極限值的集合，采用一般工況或者幾種經典的工況進行結構點變化的對比，確定在實際工程中塔吊吊起過程的各種應力極值變化，工況主要包括空載回轉、空載靜止以及不同幅度的回轉，利用荷載值與結構應力之間的關系可以確定在不同情況下的應力狀態，用分級的方式將應力繪制于應力譜，塔式起重機結構應力譜如圖1所示。在工作的過程中塔式起重機的工作過程不受規則應力的作用，在桿件結構中最大壓應力與最大拉應力不相等，采用統計的方法將這些應力進行綜合統計，繪制出應力譜，按照應力大小排列成階梯狀。

圖1中的每個應力長度的大小都與塔式起重機的工作次數相關，應力長度越長代表作用次數越多，相反則說明作用次數越少，此外，由于塔式起重機不同結構受到的應力作用范圍及強度不相同，因此，統計出的應力譜也不一樣，并且出現了正負值，正值出現的頻率和負值出現的頻率都受到工作狀態及環境等因素的影響，由于塔式起重機的同向回轉圈數受到限制，正向和反向的回轉角度也相同，因此塔身受到的正向作用應力與負向作用應力的次數基本相同。

2 應力循環的轉化

應力循環的轉化是指將應力狀態進行調整，以保證應力與交變應力對塔式起重機結構產生的疲勞影響有對比性，其中交變應力循環如圖2所示。根據古德曼圖形的特點，在進行應力轉換之前應該在交變應力循環中構造出應力變化對，從而構成一個應力循環，其中正負應力值只能與零應力構成應力對，利用經驗公式將循環應力轉化成等效的交變應力，進一步考察荷載對結構積累的疲勞影響程度。使結構的疲勞壽命有量的概念。

將交變應力循環中的應力譜的應力數據代入古德曼曲線方程中可以得到等效循環應力，這些計算得到的等效循環應力和作用次數即為等效對稱循環應力譜。

3 起重機的疲勞壽命模型

塔式起重機的零件可靠性能較好，安全性達90%以上，應力壽命曲線（S-N曲線）是建立疲勞壽命模型的基礎，起重機S-N圖如圖3所示。塔式起重機一般經歷低周循環疲勞受命區、高周疲勞壽命區以及無限壽命應力區3個階段，采用線性回歸模型方法建立疲勞壽命模型，通過軟件分析可知，塔式起重機的疲勞壽命較短的位置主要集中在起重臂與外拉桿相連接的地方，根據有限元分析法可知這些地方為高應力區，但是計算的等效對稱循環應力并不是全部都落在高周應力區，絕大部分的應力都在無限壽命階段，這個階段的應力大小要低于疲勞極限，在塔式起重機實際工作過程中會出現很多等效對稱循環應力，為了準確建立起重機的疲勞壽命模型，需要將其中的一個等效對稱循環應力設定成標準應力，并將該標準應力作用的次數作為標準作用次數，通過標準應力及標準次數可以退出損傷率，再由求和的方式得出塔式起重機結構的總體疲勞損傷，并由此得到疲勞壽命。

4 結論

綜上所述，通過塔式起重機的應力譜分析以及應力循環轉化可以確定塔式起重機的應力結構點疲勞損傷以及疲勞壽命，由起重機的疲勞壽命模型評估考核塔式起重機的疲勞狀態，根據應力結構點所在的截面確認結構的可修復性，在能夠修復的情況下及時做好修復及檢測工作，在達到疲勞壽命不能修復的截面及時進行報廢處理。

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].沈陽建筑大學學報，2010（9）：986-990.

[2]肖曉暉，吳功平，李立斌.塔式起重機疲勞載荷譜的編制[J].應用力學學報，2003（12）：86-88.

[3]范小寧，徐格寧，楊瑞剛.基于損傷-斷裂力學理論的起重機疲勞壽命估算方法[J].中國安全科學學報，2011（9）：58-63.

[4]徐灝.疲勞強度[M].北京：高等教育出版社，1998.