起重机械疲劳断裂可靠性分析进展浅析

林相统

（台州市特种设备监督检验中心，浙江 台州 3 1 8 0 0 0）

起重机械疲劳断裂可靠性分析进展浅析

林相统

（台州市特种设备监督检验中心，浙江 台州 3 1 8 0 0 0）

影响起重机械使用寿命、导致其出现使用安全问题的原因多是因为出现疲劳断裂。本文对起重机械金属结构疲劳断裂的情况进行分析，研究其可靠性，以更好地保证起重机械的使用安全。

起重机械；疲劳；断裂；可靠性分析进展

起重机械主要指的是用来垂直升起、降落，或是水平移动重物的机电设备，范围规定为额定起重量在0.5 t的范围内，限定的起重量在3 t左右。目前，起重机械在农业、建筑业、工业、交通运输业得到了极为广泛的运用，这让起重机械在现代生产中占有极为重要的地位。起重机的工作主要是一种周期性的工作模式，通过吊钩、抓头等工具的运用，实现起重机中设备的移动。通常情况下，起重机循环周期在几分钟到几十分钟不等，而且在一个工作周期中间，各个机构组成都有时间不同的休息。因为起重机会反复启动和制动，所以各个机构之间会受到强烈的撞击，其承受的载荷是正反两个方向交替产生的，很多组成构件不能承受这种不稳定的变幅应力，会严重影响其强度性能。不论是起重机的工作环境，还是其需要吊装物件的形状和重量都会影响起重机的机械疲劳强度，让其出现裂纹，严重情况下就会发生断裂。下文将分析起重机械断裂的原因，进行疲劳断裂可靠性相关分析。

1 起重机械疲劳断裂产生原因

通常情况下，金属结构疲劳是因为一个点或者一些点受到扰动应力，而且在循环达到一定的次数或者达到一定数值的情况下造成裂纹现象，这种现象会与完全断裂的材料发生系列反应，从而呈现出一种永久性的变化过程。对疲劳断裂问题分析的核心目的是为了实现金属结构寿命的准确预测，从而保证起重机械的使用安全。扰动应力是机械疲劳发生的一个先决条件。因为疲劳破坏都是从应力比较高的局部产生，在逐渐操作中慢慢积累，最终造成破坏情况的出现。

由此可见，疲劳破坏出现的过程可以分为这样三个阶段，第一阶段是轻微的疲劳裂缝出现；第二是轻微裂缝扩展开来；最后一阶段是裂缝严重最终失效断裂。疲劳轻微裂缝通常在金属结构的表面局部应力最大或者最小的截面积处发生，也可能发生在内部有缺陷的地方。一旦轻微的裂缝出现，在起重机械不断周期性工作的情况下，会沿着高剪切应力的平面延展方向进行拓展，并随后向垂直应力的方向扩展。局部应力集中的情况和裂缝尖端的材料性质会直接影响裂缝的扩展方向和速度。而在疲劳裂缝达到一定的长度直至临界值的时候，金属材料的横截面积就不能承受受到的负荷，直接进入失效断裂的阶段，而随后产生的材料失效还会造成十分迅速和不可逆转的材料失效。疲劳断裂的阶段裂缝扩展的速度十分迅速，但是不会对使用寿命产生十分重要的影响，因此，在起重机疲劳断裂问题分析的过程中，就需要对其裂纹寿命以及裂纹的拓展进行系统性的分析。

在疲劳断裂的力学相关理论中，疲劳裂纹扩展可能发生在最小裂纹长度直到临界裂纹的长度之间，具体如图1所示。

图1 疲劳裂缝和疲劳循环次数之间关系

2 起重机械疲劳断裂可靠性分析方法的现状分析

对于起重机而言，在使用的过程中之所以会出现疲劳断裂的现象，主要是由于在施工中长期受到损害所造成的，而在疲劳断裂之前，整个问题的出现不会有明显的显示，所以，人们并不容易发现其位置。也就是说，疲劳断裂发生通常是比较突然的，而其产生的后果更是有大的不良影响的。所以，通过对疲劳断裂中可靠性因素的分析，对机械设备中容易出现裂纹的现象科学化的研究，结合了初始裂纹的长度及其扩展速度，这种研究方式是可靠性方法分析中必不可少的一项重要工作。

近些年来起重机械使用范围不断拓展，这种形势下其事故发生率也在不断提高，因为起重机械疲劳断裂造成的事故已经占据工业事故总数的1 5%甚至更多。可以看出，起重机械疲劳断裂的可靠性研究的重要性是不容小觑的，对起重机械疲劳寿命的估算，对其事故发生的预防有着及其重要的作用。

早在十九世纪时就有相关学者对金属结构疲劳加以研究，在历经两个世纪后，疲劳断裂可靠性分析在各个工业生产领域中得到了十分广泛的应用。

断裂力学的发展更是为疲劳断裂的相关研究提供了很强的理论基础。国内有关金属疲劳断裂的相关研究开始的时间比较晚，大约在2 0世纪5 0年代才开始，而且因为理论基础十分薄弱，所以研究水平比较低，进度方面也比较滞后，一直到2 0世纪7 0年代，疲劳断裂可靠性的相关研究进程才得到很大程度的提高。

断裂力学法指的是用断裂力学作为基础评估裂纹的方式。这种方式在理论上来说是比较合理的，但是在实际使用中因为缺少经验数据的准确性，不能准确判断裂纹的状态和参数，会出现比较大的计算误差，对使用寿命的估算造成严重影响。

通过对局部分析法发确立可以发现，较为有效的金属结构寿命的评估方式主要是对焊接结构、起重机械的寿命等内容进行综合性分析，但是涉及到疲劳强度比较高的情况就不是十分合适了。

现在疲劳断裂的可靠性研究中，项目工程的设计在很多实际问题中是难以得到解决的，所以，这种显示极限方式的程序办法应该得到稳定性的解决。为了改善这种情况，研究人员发明了响应面法，这种方法虽然趋近隐式极限状态方程，但是其不稳定性对其普遍适应性会产生一定程度上的影响。

3 进行疲劳强度的科学改善

在起重机械安装完成之后，其所处的工作环境是很难得到有效改善的，所以，在疲劳强度改善的过程中，只能利用金属机构的改变或者零部件设计上的改变进行调节，只有保证结构材料以及机械零部件表面应力集中等内容的有效控制，才可以使起重机疲劳裂纹现象得到的妥善处理，也能有效防止其扩展。

4 结语

本文主要对疲劳断裂产生的原因进行分析，阐述疲劳断裂引发的因素，并介绍其出现扩展的种种情况，研究其可靠性分析方法，并对最切实可行的分析方法进行总结，希望能避免起重机械安全事故的发生。

[1]夏天翔，姚卫星,许力蒲.L Y 1 2 C Z铝合金在多轴两级阶梯谱下疲劳累积损伤理论的对比研究[J].航空材料学报，2 0 1 4(3).

[2]淳庆,邱洪兴.在役铁路钢桥疲劳损伤机理、检测技术及疲劳寿命预测研究综述[J].特种结构，2 0 0 5(4).

[3]邱法聚,王洋定.基于局部应力应变法的大型港口起重机疲劳寿命估算[J].起重运输机械，2 0 0 9(2).

[4]冯月贵,谢尧林,贾民平,胡静波.基于顺序法的起重机疲劳寿命预测方法研究及应用[J].起重运输机械，2 0 1 3(2).

[5]殷玉枫,曾光,吕西波,张孟辉.基于A n s y s的桥式起重机焊接箱形梁疲劳裂纹研究[J].起重运输机械，2 0 1 2(1 1).

[6]李有根，吴晓玲.起重机械钢结构剩余寿命估算中常用理论及应用[J].中国新技术新产品，2 0 1 3(1).

[7]赵军.起重机械疲劳断裂可靠性分析的新进展[J].装备制造技术，2 0 1 5,0 4:2 0 8~2 0 9+2 1 5.

[8]陈卫国.试论起重机械疲劳断裂可靠性的新进展[J].科技风,2 0 1 2,2 1:2 5.

[9]呙中樑,王伟雄,陈健,王新华,齐凯,刘柏清.起重机械金属结构振动与故障诊断的研究[J].起重运输机械，2 0 1 3,1 2:6~1 1.

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