起重机结构疲劳剩余寿命评估方法分析

钱季刚

（江苏省特种设备安全监督检验研究院泰州分院，江苏 靖江 214500）

疲劳破坏是起重机金属结构最严重也是最常见的破坏形式之一，会直接对起重机的使用寿命产生影响。金属结构构件在长时间使用过程中，以不明显征兆突发性断裂损害为主要表现形式，会对起重机实际运行产生非常严重且不可逆的损伤。因此，有关人员高度重视围绕起重机结构疲劳剩余寿命的评估与研究。

1 疲劳剩余寿命

1.1 疲劳裂纹扩展规律

根据对起重机结构断裂事故的深入分析可得知，起重机结构断裂与结构在初始状态下的缺陷以及裂纹存在密切相关性关系。焊接结构构件疲劳裂纹多始发于初始缺陷。从这一角度上来说，裂纹扩展阶段在很大程度上直接决定了起重机结构焊接构件全部疲劳寿命。从断裂力学的角度上进行分析，因了解各种不同使用环境条件下具有初始状态缺陷材料与结构构件在裂纹扩展、失稳以及止裂方面的具体规律，结构损伤程度评估应当以裂纹尺寸大小以及裂纹扩展速率为依据，进而实现对疲劳裂纹剩余寿命的评估。

断裂力学中有研究观点认为，起重机结构疲劳裂纹扩展包括三个阶段，第一阶段是裂纹不扩展阶段，第二阶段是裂纹临界扩展阶段，第三阶段则是裂纹快速扩展阶段，三个阶段的划分是通过结构构件疲劳裂纹扩展速度与应力强度因子幅值之比的方式实现的。在这三个阶段中，疲劳裂纹扩展阶段直接对其扩展寿命产生影响，目前用以描述该扩展情况的公式选用Paris 式，即裂纹扩展速度的受到裂纹长度a，应力循环次数N，应力强度因子幅△K，以及结构系数C、n 的影响，经积分处理后对于金属构件而言，将其疲劳寿命定义为Nf，同时也可描述为初始状态裂纹a0 经历裂纹扩展阶段扩展至失效状态裂纹af 过程中涉及到的应力循环次数，结果可表述如式（1）：

1.2 疲劳破坏危险点

相关实验研究结果显示，在起重机整体结构中，焊接箱型梁疲劳破坏主要发生在主腹板与下盖板翼缘焊接接缝部位、主梁横向大隔板与主腹板连接焊接接缝部位这两个区域。并且，对于主梁横向大隔板与主腹板连接焊接接缝部位这一危险点而言，应力集中等级高，破坏程度严重且破坏频率高，故应当作为结构疲劳剩余寿命评估的重点研究对象。

1.3 初始状态、失效状态裂纹长度

在对起重机结构疲劳剩余使用寿命进行评估的过程中，建议根据实践经验将初始状态下结构构件裂纹长度即a0 按照0.15mm 标准控制，失效状态下裂纹长度即af 按照80 ～120mm 标准控制。将上述参数代入计算，失效裂纹长度取值80 ～120mm 区间时所得疲劳剩余寿命差值较小，同时，结合起重机实际工作状态下的应力变化区间，将结构构件失效裂纹长度控制为120mm。

1.4 应力强度因子修正系数

在评估起重机结构疲劳剩余使用寿命期间，应力强度因子修正系数Y ＝Y`×K1，其中K1为应力集中系数。一般焊接接缝尺寸条件下K1取值在1.191 ～2.073，因此评估疲劳剩余寿命时按照平均值取1.5，Y`取值0.8，故经计算应力强度因子修正系数取值为1.2。

在此基础上，考虑裂纹部位应力幅值与危险截面下盖板下表面应力幅值间的对应关系，可以代入式（1）得到相对起重机而言，焊接箱型梁第一危险点所对应的疲劳剩余寿命评估结果，如下式（2）所示：

2 危险截面疲劳载荷谱模拟分析

结合起重机实际运行状态，对于主梁跨结构而言，危险截面部位所对应载荷作用力呈现出连续性变化的趋势，同时参考上文中式（2），为估算得到起重机结构疲劳剩余寿命，必须将实际运行状态下的疲劳载荷谱处于已知状态，该参数可以通过模拟分析的方式求得。

2.1 工作次数函数生成

对吨位、类型不同条件状态下起重机在一定时间范围内的差异化起重重量以及对应工作次数进行采集收集，设定额定起重量分别为100t、120t、140t、160t、180t 以及200t，起重机类型分别选取铸造桥式起重机以及通用桥式起重机，工作时间为24h，对不同起重量以及工作次数进行模拟分析，分析过程中基于最小二乘法结合采集数据，在计算机处理状态下模拟得到逼近实际工作状态下的工作次数函数，方便下一阶段对模拟数据的生成与处理。

2.2 模拟数据生成

参考铸造桥式起重机以及通用桥式起重机的实际运行状态，列示典型起重量，带入上一环节计算得到工作次数函数中，生成与之对应的工作次数，根据起重机主梁跨危险截面尺寸、材料以及具体性状，得到危险截面对水平轴的惯性力矩作用力。设定起重机自起吊状态至起吊重物下方为一次完整工作循环，得到一次循环状态下主梁跨危险截面尺寸最大以及最小应力值大小。评估起重机在运行过程中受随机因素的影响情况，可以将一系列合理取值区间范围内的随机数排序后引入应力值区间内，以模拟生成不同类型起重机跨中截面所对应的疲劳载荷作用力参数。

2.3 变幅载荷均方根等效处理

基于对既往经验的借鉴与参考，变幅载荷可替代为等效等幅载荷作用力，与之相对应的裂纹扩展计算结果也基本一致。因此，为求得疲劳载荷谱等效应力幅，可以尝试利用雨流计数法对模拟疲劳载荷谱中各级应力幅对应循环次数ni以及总循环次数Nf 进行模拟分析，如下式（3）所示：

3 起重机疲劳剩余寿命估算软件

按照上文中给出的起重机疲劳剩余寿命评估方法，搭载VC＋＋平台，对起重机疲劳剩余寿命估算软件进行编制，整套软件处理流程如下图（见图1）所示。首先，构建起重机额定起重量、上盖板厚、上盖板长、下盖板厚、下盖板长、主腹板厚、副腹板厚、腹板高度等工作参数，调用数据库生成对应工作次数函数作为主函数计算依据。构建典型工作状态载荷作用力数据库，将工作次数函数导入其中并生成工作次数，参考随机数模拟数据样本并保存为文本格式。调用变幅载荷均方根等效处理环节中的雨流计数法编制计算程序读取文本数据，统计结果保存为文本格式。在此基础上，读取应力幅、应力幅循环次数比，生成模拟载荷谱等效应力幅，最终代入公式（2）中得到起重机疲劳剩余寿命评估结果。

图1 起重机疲劳剩余寿命软件处理流程示意图

4 结语

本文上述分析中基于不同类型起重机的实际工作参数与运行状态，模拟得到箱型主梁危险点所对应的疲劳载荷谱，推算得到起重机结构疲劳剩余寿命的评估公式并生成评估软件，整套软件可应用于对不同类型、不同吨位起重机疲劳剩余寿命的评估过程中，具有评估结果精准可靠的优势，并可为特种设备安全动态监督管理提供技术支持。