起重機結構疲勞剩余壽命評估方法分析

錢季剛

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院泰州分院，江蘇 靖江 214500）

疲勞破壞是起重機金屬結構最嚴重也是最常見的破壞形式之一，會直接對起重機的使用壽命產生影響。金屬結構構件在長時間使用過程中，以不明顯征兆突發性斷裂損害為主要表現形式，會對起重機實際運行產生非常嚴重且不可逆的損傷。因此，有關人員高度重視圍繞起重機結構疲勞剩余壽命的評估與研究。

1 疲勞剩余壽命

1.1 疲勞裂紋擴展規律

根據對起重機結構斷裂事故的深入分析可得知，起重機結構斷裂與結構在初始狀態下的缺陷以及裂紋存在密切相關性關系。焊接結構構件疲勞裂紋多始發于初始缺陷。從這一角度上來說，裂紋擴展階段在很大程度上直接決定了起重機結構焊接構件全部疲勞壽命。從斷裂力學的角度上進行分析，因了解各種不同使用環境條件下具有初始狀態缺陷材料與結構構件在裂紋擴展、失穩以及止裂方面的具體規律，結構損傷程度評估應當以裂紋尺寸大小以及裂紋擴展速率為依據，進而實現對疲勞裂紋剩余壽命的評估。

斷裂力學中有研究觀點認為，起重機結構疲勞裂紋擴展包括三個階段，第一階段是裂紋不擴展階段，第二階段是裂紋臨界擴展階段，第三階段則是裂紋快速擴展階段，三個階段的劃分是通過結構構件疲勞裂紋擴展速度與應力強度因子幅值之比的方式實現的。在這三個階段中，疲勞裂紋擴展階段直接對其擴展壽命產生影響，目前用以描述該擴展情況的公式選用Paris 式，即裂紋擴展速度的受到裂紋長度a，應力循環次數N，應力強度因子幅△K，以及結構系數C、n 的影響，經積分處理后對于金屬構件而言，將其疲勞壽命定義為Nf，同時也可描述為初始狀態裂紋a0 經歷裂紋擴展階段擴展至失效狀態裂紋af 過程中涉及到的應力循環次數，結果可表述如式（1）：

1.2 疲勞破壞危險點

相關實驗研究結果顯示，在起重機整體結構中，焊接箱型梁疲勞破壞主要發生在主腹板與下蓋板翼緣焊接接縫部位、主梁橫向大隔板與主腹板連接焊接接縫部位這兩個區域。并且，對于主梁橫向大隔板與主腹板連接焊接接縫部位這一危險點而言，應力集中等級高，破壞程度嚴重且破壞頻率高，故應當作為結構疲勞剩余壽命評估的重點研究對象。

1.3 初始狀態、失效狀態裂紋長度

在對起重機結構疲勞剩余使用壽命進行評估的過程中，建議根據實踐經驗將初始狀態下結構構件裂紋長度即a0 按照0.15mm 標準控制，失效狀態下裂紋長度即af 按照80 ～120mm 標準控制。將上述參數代入計算，失效裂紋長度取值80 ～120mm 區間時所得疲勞剩余壽命差值較小，同時，結合起重機實際工作狀態下的應力變化區間，將結構構件失效裂紋長度控制為120mm。

1.4 應力強度因子修正系數

在評估起重機結構疲勞剩余使用壽命期間，應力強度因子修正系數Y ＝Y`×K1，其中K1為應力集中系數。一般焊接接縫尺寸條件下K1取值在1.191 ～2.073，因此評估疲勞剩余壽命時按照平均值取1.5，Y`取值0.8，故經計算應力強度因子修正系數取值為1.2。

在此基礎上，考慮裂紋部位應力幅值與危險截面下蓋板下表面應力幅值間的對應關系，可以代入式（1）得到相對起重機而言，焊接箱型梁第一危險點所對應的疲勞剩余壽命評估結果，如下式（2）所示：

2 危險截面疲勞載荷譜模擬分析

結合起重機實際運行狀態，對于主梁跨結構而言，危險截面部位所對應載荷作用力呈現出連續性變化的趨勢，同時參考上文中式（2），為估算得到起重機結構疲勞剩余壽命，必須將實際運行狀態下的疲勞載荷譜處于已知狀態，該參數可以通過模擬分析的方式求得。

2.1 工作次數函數生成

對噸位、類型不同條件狀態下起重機在一定時間范圍內的差異化起重重量以及對應工作次數進行采集收集，設定額定起重量分別為100t、120t、140t、160t、180t 以及200t，起重機類型分別選取鑄造橋式起重機以及通用橋式起重機，工作時間為24h，對不同起重量以及工作次數進行模擬分析，分析過程中基于最小二乘法結合采集數據，在計算機處理狀態下模擬得到逼近實際工作狀態下的工作次數函數，方便下一階段對模擬數據的生成與處理。

2.2 模擬數據生成

參考鑄造橋式起重機以及通用橋式起重機的實際運行狀態，列示典型起重量，帶入上一環節計算得到工作次數函數中，生成與之對應的工作次數，根據起重機主梁跨危險截面尺寸、材料以及具體性狀，得到危險截面對水平軸的慣性力矩作用力。設定起重機自起吊狀態至起吊重物下方為一次完整工作循環，得到一次循環狀態下主梁跨危險截面尺寸最大以及最小應力值大小。評估起重機在運行過程中受隨機因素的影響情況，可以將一系列合理取值區間范圍內的隨機數排序后引入應力值區間內，以模擬生成不同類型起重機跨中截面所對應的疲勞載荷作用力參數。

2.3 變幅載荷均方根等效處理

基于對既往經驗的借鑒與參考，變幅載荷可替代為等效等幅載荷作用力，與之相對應的裂紋擴展計算結果也基本一致。因此，為求得疲勞載荷譜等效應力幅，可以嘗試利用雨流計數法對模擬疲勞載荷譜中各級應力幅對應循環次數ni以及總循環次數Nf 進行模擬分析，如下式（3）所示：

3 起重機疲勞剩余壽命估算軟件

按照上文中給出的起重機疲勞剩余壽命評估方法，搭載VC＋＋平臺，對起重機疲勞剩余壽命估算軟件進行編制，整套軟件處理流程如下圖（見圖1）所示。首先，構建起重機額定起重量、上蓋板厚、上蓋板長、下蓋板厚、下蓋板長、主腹板厚、副腹板厚、腹板高度等工作參數，調用數據庫生成對應工作次數函數作為主函數計算依據。構建典型工作狀態載荷作用力數據庫，將工作次數函數導入其中并生成工作次數，參考隨機數模擬數據樣本并保存為文本格式。調用變幅載荷均方根等效處理環節中的雨流計數法編制計算程序讀取文本數據，統計結果保存為文本格式。在此基礎上，讀取應力幅、應力幅循環次數比，生成模擬載荷譜等效應力幅，最終代入公式（2）中得到起重機疲勞剩余壽命評估結果。

圖1 起重機疲勞剩余壽命軟件處理流程示意圖

4 結語

本文上述分析中基于不同類型起重機的實際工作參數與運行狀態，模擬得到箱型主梁危險點所對應的疲勞載荷譜，推算得到起重機結構疲勞剩余壽命的評估公式并生成評估軟件，整套軟件可應用于對不同類型、不同噸位起重機疲勞剩余壽命的評估過程中，具有評估結果精準可靠的優勢，并可為特種設備安全動態監督管理提供技術支持。