起重机箱形梁疲劳寿命分析

2018-01-03丁一

设备管理与维修 2017年10期

关键词：使用寿命起重机幅值

丁一

（江苏省特种设备安全监督检验研究院镇江分院，江苏镇江 212000）

起重机箱形梁疲劳寿命分析

丁一

（江苏省特种设备安全监督检验研究院镇江分院，江苏镇江 212000）

根据起重机出现的裂纹数量和严重程度，通过断裂力学推算出裂纹的扩展公式,结合起重机箱形梁应力谱和裂纹的扩展公式，推算出起重机的使用寿命。应用损伤力学公式估算起重机的使用寿命，有利于企业对设备进行维修和更换，保证施工安全。

起重机；裂纹；寿命预估

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.10.16

1 预估起重机使用寿命的重要性

起重机进行货物搬运时，常常发生安全事故。其中因起重机出现故障而导致的安全事故占大多数，严重威胁施工人员的人身安全。对事故进行调查后可以发现，起重机最常出现的问题就是由疲劳裂纹（图1）引起的起重机结构的破坏。因此，加强对起重机裂纹的研究，推算出起重机的寿命是保障施工安全的关键，也是保障施工质量的重要途径。

2 起重机箱形梁出现疲劳裂纹的位置和原因

2.1 箱形梁疲劳裂纹的成因

起重机常常需要在较大的载荷下工作，而且有的起重机运送的货物是变化的，载荷的变化幅度很大，导致起重机出现裂纹。起重机箱形梁本身材料就有间隙存在，焊接的时候也可能会出现缝隙，这些因素也是生成疲劳裂纹的原因。因此起重机在工作一段时间后，常常会出现裂纹，裂纹逐渐扩张，形成疲劳裂纹。

2.2 疲劳裂纹常出现的位置

箱形梁是起重机的重要结构组成部分。如果起重机的箱形梁出现较大裂缝，起重机的寿命也会受到影响。疲劳裂纹的位置对起重机的寿命影响也很大，疲劳裂纹常常出现在有焊缝的地方，或者是箱形梁材料缺陷的地方。对起重机箱形梁出现裂缝的位置进行统计，可以发现裂纹主要集中出现在2个位置：①翼的焊缝处。裂纹常常为椭圆形。②大隔板的焊缝处。裂缝常常为半圆形。

图1 起重机箱形梁裂纹照片

3 造成疲劳裂纹的应力强度因子

通过箱形梁裂纹推算起重机寿命时，需要先了解裂纹的应力强度因子。应力强度因子和起重机自身结构以及外部的影响因素有关。

3.1 单一弹性裂纹时应力强度因子的计算

如果起重机箱形梁上只有一条疲劳裂纹，计算其应力强度因子比较简单。如果用Q表示应力强度因子，α表示起重机所用材料的相关系数，σ表示截面所受到的应力，X来表示裂纹的大小。计算该情况下裂纹应力强度因子的公式为

3.2 多个弹性裂纹情况下应力强度因子的计算

如果起重机箱形梁存在几条裂纹，需要运用叠加的原理，将裂纹的应力强度因子组合起来计算。为了将多个裂纹的复杂情况进行简化，可以忽略一些裂纹，如裂纹的尖端离梁的边界有一定距离时，可以忽略该裂纹。如果用KI来表示该情况下的应力强度因子，Ki表示基本的应力强度因子，M表示裂缝个数，用βi对裂纹进行修正。计算公式见式（1）。

4 通过疲劳裂纹估算起重机箱形梁寿命

对起重机箱形梁进行寿命估算时，需要运用断裂力学的知识。其中Paris的裂纹扩展速率式是对箱形梁裂纹进行分析的重要公式，可以用来计算载荷不变的箱形梁的裂纹扩展速度。再通过求出箱形梁应力谱，推算出这类箱形梁的使用寿命。

4.1 疲劳裂纹扩展的基本公式

如果将裂纹的扩展速度表示为da/dn，将应力循环的次数表示为n，将应力强度因子最大值和最小值的差表示为ΔK，将和起重机材料相关的系数表示为c，将和裂纹性质有关的系数表示为m，则计算裂纹扩展速度的公式表示为da/dn=c(ΔK)m。

4.2 载荷不变箱形梁的寿命预估公式

当起重机搬运固定货物时，货物的重量是一定的。推算这类的起重机使用寿命时，只要对其裂纹扩展公式进行积分，就可以估算出它的使用寿命。如果将这类起重机梁的初始裂纹大小用a0表示,裂纹最大值用af表示,达到临界值的转数用Nf表示,转数的计算公式见式（2）。

4.3 变幅载荷的疲劳寿命预估公式

有的起重机运送的货物并不是固定的，货物的重量变化较大，这类起重机受到的载荷在不断变化，计算这类起重机使用寿命的时，应该选择峰值采样的方式，将变化的载荷转化为不同幅值的恒等不变的载荷。每个幅值对应的转数表示为ni，将问题转化为恒幅载荷起重机的寿命计算问题。只要将各个应力幅下寿命算出，然后通过损伤力学Miner线性损伤准则，求出起重机的损伤度，就可以估算出变幅载荷起重机的寿命。损伤度的计算公式见式（3）。

5 应力谱

5.1 应力谱的生成方式

为了更好的估算出起重机的数据，从而发现起重机出现裂缝的危险部位。生厂商研发出了测算起重机应力谱的方法。在测算之前，先将有传感器功能的记录仪以布线的方式固定在起重机的重要部位,起重机工作时，随着载荷的变化，箱形梁结构会产生不同程度的变形,传感器将变形量记录下来，并将数据进行分析，得出起重机应力变化情况，应力变化情况绘成图表就是应力谱。