【摘 要】起重機(jī)工作環(huán)境惡劣，工況多變，工作周期長，強(qiáng)度高，其金屬結(jié)構(gòu)疲勞問題突出，為次，本文就金屬結(jié)構(gòu)工作壽命做出了淺要分析。闡述了新老標(biāo)準(zhǔn)中起重機(jī)工作級別與金屬結(jié)構(gòu)工作級別的區(qū)分，介紹了疲勞設(shè)計(jì)的主要方法及金屬結(jié)構(gòu)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)，并著重分析國內(nèi)外對金屬結(jié)構(gòu)工作壽命的研究狀況。

【關(guān)鍵詞】起重機(jī) 金屬結(jié)構(gòu) 工作壽命 因素

任何一臺起重機(jī)在它的整個(gè)使用期中雖然要經(jīng)過多次大修，每次大修期間都會更換一些易損件，如鋼絲繩、滾動軸承、開式齒輪、車輪、制動器摩擦片、制動輪及電氣設(shè)備等，而這些局部零部件的更換并不表示整臺起重機(jī)工作壽命的終結(jié)；但是在一臺起重機(jī)使用多年后，一旦其結(jié)構(gòu)不斷地出現(xiàn)嚴(yán)重的疲勞裂紋，達(dá)到使起重機(jī)或小車不能正常工作時(shí)，則認(rèn)為整個(gè)起重機(jī)不能再安全地工作。因此，起重機(jī)的安全工作壽命年限主要地取決于其金屬結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生疲勞裂紋的工作年限（我國起重機(jī)結(jié)構(gòu)的壽命劃定在15年到50年之間，一般為30年）。因此起重機(jī)工作級別的劃分目前是以金屬結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)理論為依據(jù)。

一、新老標(biāo)準(zhǔn)對起重機(jī)工作級別和金屬結(jié)構(gòu)工作級別的規(guī)定對比

（一）老標(biāo)準(zhǔn)對起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)部分沒有單獨(dú)確定其工作級別，而是將起重機(jī)整機(jī)的工作級別等同于其金屬結(jié)構(gòu)的工作級別，這樣在計(jì)算金屬結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度時(shí)會很方便。但當(dāng)起重機(jī)整機(jī)在完成1個(gè)工作循環(huán)時(shí)，產(chǎn)生不止一次應(yīng)力循環(huán)的起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)而言，該規(guī)定就顯得偏低。遇到這種情況時(shí)，老標(biāo)準(zhǔn)沒有給出解決這類問題的辦法，一般是要憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行特殊考慮。

（二）新標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定

新標(biāo)準(zhǔn)首次將起重機(jī)的工作級別和金屬結(jié)構(gòu)的工作級別分別進(jìn)行定義。

（1）起重機(jī)整機(jī)工作級別的確定。起重機(jī)整機(jī)的工作級別主要是依據(jù)起重機(jī)整機(jī)總的工作循環(huán)數(shù)確定起重機(jī)整機(jī)的使用等級（共分10級：U0～U9），再依據(jù)起重機(jī)整機(jī)的載荷譜系數(shù)確定起重機(jī)整機(jī)的載荷狀態(tài)級別（共分4級：Q1～Q4），然后根據(jù)一定的對角關(guān)系，確定出起重機(jī)整機(jī)的工作級別。對于起重機(jī)整機(jī)工作級別的劃分，老標(biāo)準(zhǔn)和新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定相同。起重機(jī)整機(jī)的工作級別并不代表起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的工作級別。

（2）起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)工作級別的確定起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的工作級別主要是依據(jù)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)總的應(yīng)力循環(huán)數(shù)確定起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的使用等級（共分11級：B0～B10），再依據(jù)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的應(yīng)力譜系數(shù)確定起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)級別（共分4級：S1～S4），然后根據(jù)一定的對角關(guān)系，確定出起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的工作級別。

起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的使用等級不是通過工作循環(huán)次數(shù)確定，而是通過金屬結(jié)構(gòu)總的應(yīng)力循環(huán)數(shù)確定，這就解決了老標(biāo)準(zhǔn)中沒有解決的金屬結(jié)構(gòu)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)大于起重機(jī)整機(jī)的工作循環(huán)次數(shù)%的問題，使這一類起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的工作級別有了確定的依據(jù)。另外，起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)級別也不是通過工作循環(huán)次數(shù)確定，而是通過金屬結(jié)構(gòu)的應(yīng)力譜系數(shù)確定，上述2點(diǎn)就是新、老標(biāo)準(zhǔn)對起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)工作級別確定的區(qū)別所在。

在使用新標(biāo)準(zhǔn)確定起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的工作級別時(shí)，首先必須確定當(dāng)起重機(jī)整機(jī)在完成1個(gè)工作循環(huán)時(shí)，其金屬結(jié)構(gòu)完成了幾次應(yīng)力循環(huán)。對于橋、門式起重機(jī)而言，起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)和起重機(jī)整機(jī)的工作循環(huán)次數(shù)是完全相同的。

二、疲勞設(shè)計(jì)的主要方法

（一）無限壽命設(shè)計(jì)。要求結(jié)構(gòu)在無限長的使用期間不發(fā)生疲勞破壞，結(jié)構(gòu)應(yīng)力要小于疲勞極限。起重機(jī)結(jié)構(gòu)受載是變化的，這時(shí)材料的疲勞抗力一般用交變應(yīng)力與破壞循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系曲線（即S-N曲線）來衡量。對鋼鐵材料的S-N曲線有一條水平漸近線，轉(zhuǎn)變點(diǎn)大致在106—107，通常認(rèn)為，只要經(jīng)過107次循環(huán)不破壞，它就可承受無限多次循環(huán)。鋼鐵材料腐蝕介質(zhì)中S-N曲線沒有水平漸近線，但也有一個(gè)逐漸平坦段，仍可以107循環(huán)時(shí)作為失效應(yīng)力，這時(shí)稱為條件疲勞極限。

（二）有限壽命設(shè)計(jì)。起重機(jī)工作級別分級的理論基礎(chǔ)是有限壽命設(shè)計(jì)的概念——線性累積損傷理論。起重機(jī)疲勞壽命的估算原理是認(rèn)為疲勞損傷的形成是材料在交變載荷作用下先發(fā)生局部滑移和屈服，隨后出現(xiàn)裂紋并逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致疲勞破壞。

（三）損傷容限設(shè)計(jì)。損傷容限設(shè)計(jì)是根據(jù)斷裂力學(xué)的原理來推斷機(jī)械零件或結(jié)構(gòu)件中出現(xiàn)了裂縫將會怎樣擴(kuò)展，以預(yù)測在多少時(shí)間內(nèi)是否還能保證起重機(jī)安全使用的設(shè)計(jì)方法。即允許機(jī)械零件或結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)一定程度的裂縫，并且保證在下次檢查前能安全使用。此方法對起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尚在研究中。

三、國標(biāo)起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB6067—85起重機(jī)械安全規(guī)程中有關(guān)規(guī)定摘錄，起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)如下：①主要受力構(gòu)件失去整體穩(wěn)定性時(shí)不應(yīng)修復(fù)，應(yīng)報(bào)廢。②主要受力構(gòu)件發(fā)生腐蝕時(shí)，應(yīng)進(jìn)行檢查和測量，當(dāng)承載能力降低到原設(shè)計(jì)承載能力的87%時(shí)，如不能修復(fù)，應(yīng)報(bào)廢。對無計(jì)算能力的使用單位，當(dāng)主要受力構(gòu)件斷面腐蝕達(dá)原厚度的10%時(shí)，如不能修復(fù)，應(yīng)報(bào)廢。③主要受力構(gòu)件產(chǎn)生裂紋時(shí)，應(yīng)根據(jù)受力情況和裂紋情況采取阻止裂紋繼續(xù)擴(kuò)展的措施，并采取加強(qiáng)式改變應(yīng)力分布的措施，或停止使用。④主要受力構(gòu)件因產(chǎn)生塑性變形，使工作機(jī)構(gòu)不能安全正常的運(yùn)行時(shí)，如不能修復(fù)，應(yīng)報(bào)廢。⑤對于一般橋式類型起重機(jī)，當(dāng)小車在額定載荷下處于跨中、主梁跨中的下?lián)现翟谒骄€下達(dá)到跨度的1/700時(shí)，如不能修復(fù)，應(yīng)報(bào)廢。

四、金屬結(jié)構(gòu)工作壽命國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

起重運(yùn)輸機(jī)械工作環(huán)境惡劣，工況多變，服役周期長，工作強(qiáng)度高，使得在實(shí)際實(shí)際工作過程中的主要結(jié)構(gòu)件疲勞強(qiáng)度降低，影響整機(jī)的壽命。另外，在實(shí)際工作中，有相當(dāng)一部分起重機(jī)其工作年限超出服役期限，其金屬結(jié)構(gòu)的疲勞問題更加突出。如何安全快速，簡單實(shí)用的估算起重機(jī)的剩余壽命是很多企業(yè)關(guān)心的問題。

（一）剩余壽命分析的基本理論。目前，我國起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GB3811一83規(guī)定，結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度計(jì)算采用應(yīng)力比法，即按照第I類載荷組合條件下疲勞計(jì)算點(diǎn)的最大應(yīng)力不得超過規(guī)范規(guī)定的疲勞許用應(yīng)力，即 （1）

疲勞許用應(yīng)力要考慮應(yīng)力比、結(jié)構(gòu)連接型式、循環(huán)次數(shù)和材料的影響。計(jì)算時(shí)，先通過試驗(yàn)確定應(yīng)力比r=-1，不同結(jié)構(gòu)連接型式和材料的疲勞許用應(yīng)力基本值，然后計(jì)入應(yīng)力比和循環(huán)次數(shù)的影響。

70年代，美國NCHRP（公路研究協(xié)作機(jī)構(gòu)）完成了一系列大規(guī)模的疲勞試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)同一應(yīng)力幅水平不同結(jié)構(gòu)型式的試驗(yàn)鋼梁具有接近的疲勞壽命，盡管試驗(yàn)的最小應(yīng)力、最大應(yīng)力和應(yīng)力比相差懸殊，但它們對最終結(jié)果沒有什么影響。同時(shí)，不同結(jié)構(gòu)連接型式對疲勞強(qiáng)度存在著影響。一些帶有補(bǔ)強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)，雖然可以提高強(qiáng)度，但對疲勞壽命卻有明顯削弱。這一研究成果目前已應(yīng)用于美國起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，1977年，美國AASHO公路橋、AREA鐵路橋，以及美國、德國的鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范也相繼采用應(yīng)力幅法計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度。我國1988年批準(zhǔn)施行的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GBJ17一88規(guī)定，承受動力荷載重復(fù)作用的鋼結(jié)構(gòu)件（如吊車梁、吊車銜架、工作平臺梁等）及其連接，當(dāng)應(yīng)力變化的循環(huán)次數(shù)n等于或大于105次時(shí)應(yīng)進(jìn)行疲勞計(jì)算，其計(jì)算準(zhǔn)則將原規(guī)范中以應(yīng)力比概念為基礎(chǔ)的疲勞計(jì)算準(zhǔn)則改為應(yīng)為幅準(zhǔn)則。

該式未考慮載荷先后順序的影響，但由于Miner公式簡單直觀，故在工程上被廣泛使用。斷裂力學(xué)在起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)剩余壽命估算方面也得到了很廣泛的應(yīng)用。該理論基于材料本身存在著缺陷或裂紋這一事實(shí)，以變形體力學(xué)基礎(chǔ)，研究含缺陷或裂紋材料和結(jié)構(gòu)的抗斷裂性能，以及在各種環(huán)境下研究裂紋的擴(kuò)展、失穩(wěn)和止裂。隨著這門學(xué)科的迅速發(fā)展，它解決了許多工程中災(zāi)難性的低應(yīng)力脆斷問題，彌補(bǔ)了常規(guī)設(shè)計(jì)方法的不足，并已成為失效分析的重要研究方法之一。應(yīng)用防斷裂設(shè)計(jì)計(jì)算，可以避免運(yùn)行時(shí)發(fā)生事故。近年來，各國在斷裂力學(xué)方法的基礎(chǔ)上，相繼制定了結(jié)構(gòu)的缺陷評定標(biāo)準(zhǔn)，以補(bǔ)充傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

大量的結(jié)構(gòu)斷裂事故表明，斷裂與結(jié)構(gòu)的初始缺陷和裂紋有關(guān)。焊接結(jié)構(gòu)件的疲勞裂紋均明顯地始發(fā)于初始缺陷，該缺陷可看作是已開始的裂紋，因此，絕大部分焊接結(jié)構(gòu)件的全部疲勞壽命是由裂紋擴(kuò)展階段決定的。斷裂力學(xué)就研究具有初始缺陷的材料和結(jié)構(gòu)在各種使用環(huán)境下裂紋的擴(kuò)展、失穩(wěn)和止裂的規(guī)律，并以裂紋的尺寸和裂紋的擴(kuò)展速率為結(jié)構(gòu)損傷的判據(jù)，來估算疲勞裂紋的擴(kuò)展壽命。

斷裂力學(xué)將疲勞破壞過程分成裂紋萌生期和裂紋擴(kuò)展期2個(gè)階段。將裂紋萌生期近似地看作傳統(tǒng)意義上的疲勞壽命；將從初始裂紋擴(kuò)展到臨界裂紋的壽命期限稱作裂紋擴(kuò)展壽命，可以實(shí)測確定。根據(jù)實(shí)際測定的設(shè)備每一次裝卸引起某處的應(yīng)力變動（應(yīng)力譜）和每天的作業(yè)量，可從裂紋擴(kuò)展壽命確定巡檢周期。對于已到達(dá)裂紋萌生壽命即傳統(tǒng)的疲勞壽命的巡檢部位，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)定的巡檢周期巡檢。如在巡檢時(shí)未發(fā)現(xiàn)裂紋，下一次仍按規(guī)定的巡檢周期巡檢，這樣一直做下去。如果發(fā)現(xiàn)了裂紋，就應(yīng)根據(jù)裂紋情況及時(shí)處理，這就是裂紋擴(kuò)展期的巡檢管理。

（二）剩余壽命分析實(shí)際使用方法。目前對起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)的剩余疲勞壽命評估已有較多研究，應(yīng)用比較廣泛的方法有：基于S-N曲線及Miner線性累積損傷原理的名義應(yīng)力估算法和基于斷裂力學(xué)的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命估算方法。

名義應(yīng)力法的思路是：從材料的S—N曲線出發(fā)，再考慮各種影響系數(shù)，得出構(gòu)件的S-N曲線，結(jié)合實(shí)測應(yīng)力譜，按照線性累積損傷理論Miner理論及其派生出來的壽命估算式進(jìn)行估算，再結(jié)合起重機(jī)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行綜合分析，估算出起重機(jī)的安全使用壽命，具體步驟為：①用雨流計(jì)數(shù)法進(jìn)行計(jì)數(shù)，統(tǒng)計(jì)出應(yīng)力—時(shí)間歷程中的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)及規(guī)律；②應(yīng)用古德曼等壽命曲線對實(shí)際的應(yīng)力譜作修正，使之成為均值等于0的等效載荷譜；③將所有應(yīng)力循環(huán)分成8級并統(tǒng)計(jì)各級應(yīng)力循環(huán)次數(shù)組成當(dāng)量載荷譜；④引入冪函數(shù)的S—N關(guān)系，得到各級單向應(yīng)力的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。采用Corten-Dolan公式對線性累積損傷理論進(jìn)行修正，便可得到當(dāng)量載荷譜作用下的總循環(huán)次數(shù)式中：N1為第一級應(yīng)力作用下的循環(huán)次數(shù)；α1為第一級應(yīng)力作用下的循環(huán)數(shù)與總循環(huán)數(shù)之比；σi為第i級應(yīng)力；σ1為第1級應(yīng)力；k為應(yīng)力譜的級數(shù)。

⑤壽命估算。h=Nt/n式中，N為當(dāng)量載荷譜作用下的總循環(huán)次數(shù)；n為采樣數(shù)據(jù)應(yīng)力—時(shí)間歷程中的循環(huán)數(shù)；t為時(shí)間，h為則起重機(jī)的壽命。

起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)是影響起重機(jī)工作壽命的關(guān)鍵性因素，由于影響金屬疲勞的因素復(fù)雜，預(yù)計(jì)其剩余壽命工作困難。因此，理論上側(cè)重研究系統(tǒng)臨界狀態(tài)及多臨界狀態(tài)的優(yōu)化問題，研究應(yīng)該多判據(jù)情況下一次二階矩法，研究驗(yàn)證臨界失效模型的有效方法。研究更適合系統(tǒng)的概率失效模型，改進(jìn)目前計(jì)算斷裂概率方法，進(jìn)一步研究計(jì)算可靠度的方法，研究影響系統(tǒng)的敏感性參數(shù)，特別研究對系統(tǒng)的參數(shù)敏感性分析方法，從而系統(tǒng)有效地處理其敏感性指標(biāo)。

同時(shí)在實(shí)際使用壽命估算時(shí)應(yīng)根據(jù)使用單位運(yùn)轉(zhuǎn)臺時(shí)的統(tǒng)計(jì)資料，按N=nys進(jìn)行換算可得出實(shí)際使用壽命估算。由于結(jié)構(gòu)件的疲勞破壞除受應(yīng)力循環(huán)特性和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)Ⅳ影響外，還受鋼材材質(zhì)、焊接質(zhì)量、應(yīng)力集中等多種因素的影響，在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)結(jié)構(gòu)件也有可能發(fā)生疲勞破壞，所以在估算時(shí)也要考慮這些綜合因素。在實(shí)用過程中，必須以安全第一，工作第二為原則。才能有效防止因錯(cuò)估金屬結(jié)構(gòu)工作壽命而帶來的各種安全事故。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧衛(wèi)賢，趙超凡.龍門起重機(jī)主梁起吊過程瞬態(tài)動力學(xué)分析[J]；安陽工學(xué)院學(xué)報(bào)；2012年02期

[2]李春生；高強(qiáng)鋼軸壓穩(wěn)定系數(shù)的分析及應(yīng)用[J]；科技創(chuàng)新與應(yīng)用；2012年12期

[3]舒發(fā)志；起重機(jī)常見事故原因分析及對策[J]；常州工學(xué)院學(xué)報(bào)；2008年03期

[4]曲振波；王積永；徐曉東；塔式起重機(jī)塔身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]；工程機(jī)械；2009年09期

[5]祝杰；造船龍門起重機(jī)載荷譜及疲勞壽命研究[D]；武漢理工大學(xué)；2012年

[6]侯屹；起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)工作級別確定《起重運(yùn)輸機(jī)械》 2010年06期