基于断裂力学的工程起重机疲劳寿命评估

基于断裂力学的工程起重机疲劳寿命评估

吴强

中国石油运输有限公司新疆塔里木分公司 新疆维吾尔自治区 阿克苏地区库车市 842000

摘要：随着社会经济的快速发展，工程起重机的工作强度越来越繁重，工程起重机设备在长时间使用造成结构失效导致安全事故的频繁发生，因此工程机械的安全性能问题受到了越来越多的关注，工程机械的最初设计阶段，只是重视结构的强度和刚度问题，由于工程起重机的使用情况和寿命影响因素较为复杂，因此对于工程起重机设备的疲劳寿命评估是一项非常重要的研究内容，加强工程起重机疲劳寿命评估对于起重机的应用具有重要意义。

关键词：工程起重机；断裂力学；疲劳寿命

工程起重机在长时间的使用过程中，可能会发生机械疲劳现象的出现，通过目前现有的疲劳寿命估算法，对工程起重机的寿命进行评估，了解工程起重机的结构特点以及结构疲劳破坏的影响因素，利用断裂力学理论，对起重机的疲劳寿命评估进行分析，找出发生疲劳损坏的关键部位，并提出相应的改进措施，有利于增加工程起重机的使用效率。

1工程起重机简介

工程起重机在建设施工过程中有着非常重要的作用。工程起重机的应用能够有效提高工作效率，减少工人的劳动强度，不仅能够加快建设速度，而且提高了工程施工的机械化水平。

由于工程起重机的结构类型不同，其中主要分为轮胎式起重机、塔式起重机、履带起重机等。由于起重机的使用较为方便，而且作业适应性能较强，因此工程起重机主要应用与设备安装、房屋建设、物料搬运等工作。

在经济发展的环境下，工程起重机的技术水平已经得到了快速发展。我国由最初的引进到自主研发，国内的工程起重机行业已经得到了快速发展，目前国内市场对于起重机的需求率一直在不断上升，为大量的设施建设项目为工程起重机提供了新的发展空间。在激烈的市场竞争环境下，工程起重机设生产厂家需要加强品质建设，加大研发力度才能够帮生产厂家取得长久发展。随着我国工程起重机行业的不断发展，为了能够适应工程需求，工程起重机设备应当不断进行结构改进，提升整体的工作性能。

工程起重机在使用过程中容易出现结构失效的现象，从而导致安全事故的频繁发生，因此人们对工程起重机的安全性能越来越重视，通过分析工程起重机结构失效的整体原因，其中疲劳破坏是最为主要的原因之一，工程起重机设备的疲劳寿命评估能够有效确保企业的生产安全。

2断裂力学理论

对工程起重机的结构进行疲劳寿命评估是一项非常重要的研究内容，在进行疲劳寿命评估过程中的基础是材料的疲劳性能参数、部位荷载能力、累积损伤理论和疲劳寿命估算方法。由于工程起重机在使用过程中疲劳寿命的影响因素较多，目前并没有准确的计算方法，主要是采用估算的方法进行评估。

材料损伤是长期累积所造成的疲劳破坏，影响疲劳破坏的主要因素包括荷载、环境、材料性能等方面。由于工程起重机在进行疲劳寿命评估过程中，每种参数都存在不确定性，因此采用寿命估算方法得出计算结果为平均疲劳寿命。

断裂力学理论是研究裂纹在工程起重机结构中的发生以及断裂规律，结合材料的疲劳性能和裂纹形状，从而有效实现对工程起重机械设备的疲劳寿命估算。

断裂力学理论的应用，在实际过程中考虑了初始裂纹对整体的生命影响，因此该方式在进行寿命评估时具有非常多的优势。同时该方法在运营过程中也会存在一些不足之处，通常情况下，采用规则裂纹作为研究对象，可以获得相应的应力强度因子，与工程起重机的实际裂纹形状可能会存在差距，因此，如果无法测得工程起重机的内部结构缺陷时，则无法进行定量计算，会导致计算结果出现误差。

3工程起重机的疲劳寿命评估

3.1工程起重机疲劳寿命评估流程

由于工程起重机的钢结构复杂，通常情况下是进行焊接而成，因此在生产过程中所出现的焊接缺陷是无法避免的，在交变荷载的长期作用下，裂纹的形成会影响到工程起重机的使用寿命，因此采用断裂力学进行疲劳寿命评估过程中，工程起重机的结构疲劳寿命与疲劳裂纹扩展寿命有着直接关系。

工程起重机进行疲劳寿命评估的步骤如下：

1. 工程起重机的结构系统较为复杂，不同结构在工作过程中产生的作用也会有所不同，承受荷载的钢结构失效会导致安全事故的发生，因此应当确定主要承载结构件。

2. 确定工程起重机的结构参数和工况参数，根据分析结果，确定疲劳危险部位。

3. 对工程起重机的工作情况进行记录，得到在每种工况下危险部位的应力数据，从而有效获得结构在使用过程中的荷载谱。

4. 通过分析结构材料的疲劳性能、缺陷特征以及荷载谱，利用断裂力学和疲劳累积损伤理论进行工程起重机的寿命评估，结合裂纹曲线来确定工程起重机的报废依据。

3.2疲劳危险部位的确定方法

工程起重机在交变荷载的影响下，形成疲劳破坏的主要部位是高应力区，一般高应力区在整个系统中的区域很小。因此危险部位的确定是进行工程起重机结构疲劳寿命评估的基础。工程起重机结构比较复杂，不同的结构会发挥着不同的作用，当承受载荷的结构失效时，会产生重大事故，为了能够更加有效地对工程起重机的疲劳寿命进行评估，应当首先确定结构的主要承载结构是否发生损坏。

针对工程起重机的复杂结构，主要利用有限元法进行分析，找出工程起重机结构的高应力区，一般情况下疲劳裂缝会发生在裂缝和高应力区，但是由于工程起重机的结构不同，发生疲劳破坏的方式也会存在差异。对于使用多年的起重机进行检测分析，可以看出疲劳裂缝主要发生在焊缝处，并向主结构区进行扩散。

4结束语

结合断裂力学理论对工程起重机疲劳寿命评估进行分析，了解全新的评估思路，结合工程起重机疲劳损坏的危险部位，针对不同的裂纹特性以及检测依据，可以有效提高起重机的安全运行。由于工程起重机疲劳寿命评估具有较高的复杂性，因此在实际工作过程中，还应当加强实验研究，确定研究参数，才能够更好地完善工程起重机疲劳寿命评估。

参考文献

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[2]武进福,韩刚.基于断裂力学的起重机焊接箱形梁疲劳寿命估算[J].重型机械,2012:67-69+72.

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