林相統(tǒng)

（臺(tái)州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心，浙江 臺(tái)州 3 1 8 0 0 0）

起重機(jī)械疲勞斷裂可靠性分析進(jìn)展淺析

林相統(tǒng)

（臺(tái)州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心，浙江 臺(tái)州 3 1 8 0 0 0）

影響起重機(jī)械使用壽命、導(dǎo)致其出現(xiàn)使用安全問(wèn)題的原因多是因?yàn)槌霈F(xiàn)疲勞斷裂。本文對(duì)起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)疲勞斷裂的情況進(jìn)行分析，研究其可靠性，以更好地保證起重機(jī)械的使用安全。

起重機(jī)械；疲勞；斷裂；可靠性分析進(jìn)展

起重機(jī)械主要指的是用來(lái)垂直升起、降落，或是水平移動(dòng)重物的機(jī)電設(shè)備，范圍規(guī)定為額定起重量在0.5 t的范圍內(nèi)，限定的起重量在3 t左右。目前，起重機(jī)械在農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)、工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)得到了極為廣泛的運(yùn)用，這讓起重機(jī)械在現(xiàn)代生產(chǎn)中占有極為重要的地位。起重機(jī)的工作主要是一種周期性的工作模式，通過(guò)吊鉤、抓頭等工具的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)中設(shè)備的移動(dòng)。通常情況下，起重機(jī)循環(huán)周期在幾分鐘到幾十分鐘不等，而且在一個(gè)工作周期中間，各個(gè)機(jī)構(gòu)組成都有時(shí)間不同的休息。因?yàn)槠鹬貦C(jī)會(huì)反復(fù)啟動(dòng)和制動(dòng)，所以各個(gè)機(jī)構(gòu)之間會(huì)受到強(qiáng)烈的撞擊，其承受的載荷是正反兩個(gè)方向交替產(chǎn)生的，很多組成構(gòu)件不能承受這種不穩(wěn)定的變幅應(yīng)力，會(huì)嚴(yán)重影響其強(qiáng)度性能。不論是起重機(jī)的工作環(huán)境，還是其需要吊裝物件的形狀和重量都會(huì)影響起重機(jī)的機(jī)械疲勞強(qiáng)度，讓其出現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重情況下就會(huì)發(fā)生斷裂。下文將分析起重機(jī)械斷裂的原因，進(jìn)行疲勞斷裂可靠性相關(guān)分析。

1 起重機(jī)械疲勞斷裂產(chǎn)生原因

通常情況下，金屬結(jié)構(gòu)疲勞是因?yàn)橐粋€(gè)點(diǎn)或者一些點(diǎn)受到擾動(dòng)應(yīng)力，而且在循環(huán)達(dá)到一定的次數(shù)或者達(dá)到一定數(shù)值的情況下造成裂紋現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會(huì)與完全斷裂的材料發(fā)生系列反應(yīng)，從而呈現(xiàn)出一種永久性的變化過(guò)程。對(duì)疲勞斷裂問(wèn)題分析的核心目的是為了實(shí)現(xiàn)金屬結(jié)構(gòu)壽命的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，從而保證起重機(jī)械的使用安全。擾動(dòng)應(yīng)力是機(jī)械疲勞發(fā)生的一個(gè)先決條件。因?yàn)槠谄茐亩际菑膽?yīng)力比較高的局部產(chǎn)生，在逐漸操作中慢慢積累，最終造成破壞情況的出現(xiàn)。

由此可見(jiàn)，疲勞破壞出現(xiàn)的過(guò)程可以分為這樣三個(gè)階段，第一階段是輕微的疲勞裂縫出現(xiàn)；第二是輕微裂縫擴(kuò)展開(kāi)來(lái)；最后一階段是裂縫嚴(yán)重最終失效斷裂。疲勞輕微裂縫通常在金屬結(jié)構(gòu)的表面局部應(yīng)力最大或者最小的截面積處發(fā)生，也可能發(fā)生在內(nèi)部有缺陷的地方。一旦輕微的裂縫出現(xiàn)，在起重機(jī)械不斷周期性工作的情況下，會(huì)沿著高剪切應(yīng)力的平面延展方向進(jìn)行拓展，并隨后向垂直應(yīng)力的方向擴(kuò)展。局部應(yīng)力集中的情況和裂縫尖端的材料性質(zhì)會(huì)直接影響裂縫的擴(kuò)展方向和速度。而在疲勞裂縫達(dá)到一定的長(zhǎng)度直至臨界值的時(shí)候，金屬材料的橫截面積就不能承受受到的負(fù)荷，直接進(jìn)入失效斷裂的階段，而隨后產(chǎn)生的材料失效還會(huì)造成十分迅速和不可逆轉(zhuǎn)的材料失效。疲勞斷裂的階段裂縫擴(kuò)展的速度十分迅速，但是不會(huì)對(duì)使用壽命產(chǎn)生十分重要的影響，因此，在起重機(jī)疲勞斷裂問(wèn)題分析的過(guò)程中，就需要對(duì)其裂紋壽命以及裂紋的拓展進(jìn)行系統(tǒng)性的分析。

在疲勞斷裂的力學(xué)相關(guān)理論中，疲勞裂紋擴(kuò)展可能發(fā)生在最小裂紋長(zhǎng)度直到臨界裂紋的長(zhǎng)度之間，具體如圖1所示。

圖1 疲勞裂縫和疲勞循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系

2 起重機(jī)械疲勞斷裂可靠性分析方法的現(xiàn)狀分析

對(duì)于起重機(jī)而言，在使用的過(guò)程中之所以會(huì)出現(xiàn)疲勞斷裂的現(xiàn)象，主要是由于在施工中長(zhǎng)期受到損害所造成的，而在疲勞斷裂之前，整個(gè)問(wèn)題的出現(xiàn)不會(huì)有明顯的顯示，所以，人們并不容易發(fā)現(xiàn)其位置。也就是說(shuō)，疲勞斷裂發(fā)生通常是比較突然的，而其產(chǎn)生的后果更是有大的不良影響的。所以，通過(guò)對(duì)疲勞斷裂中可靠性因素的分析，對(duì)機(jī)械設(shè)備中容易出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象科學(xué)化的研究，結(jié)合了初始裂紋的長(zhǎng)度及其擴(kuò)展速度，這種研究方式是可靠性方法分析中必不可少的一項(xiàng)重要工作。

近些年來(lái)起重機(jī)械使用范圍不斷拓展，這種形勢(shì)下其事故發(fā)生率也在不斷提高，因?yàn)槠鹬貦C(jī)械疲勞斷裂造成的事故已經(jīng)占據(jù)工業(yè)事故總數(shù)的1 5%甚至更多?？梢钥闯?，起重機(jī)械疲勞斷裂的可靠性研究的重要性是不容小覷的，對(duì)起重機(jī)械疲勞壽命的估算，對(duì)其事故發(fā)生的預(yù)防有著及其重要的作用。

早在十九世紀(jì)時(shí)就有相關(guān)學(xué)者對(duì)金屬結(jié)構(gòu)疲勞加以研究，在歷經(jīng)兩個(gè)世紀(jì)后，疲勞斷裂可靠性分析在各個(gè)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中得到了十分廣泛的應(yīng)用。

斷裂力學(xué)的發(fā)展更是為疲勞斷裂的相關(guān)研究提供了很強(qiáng)的理論基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)有關(guān)金屬疲勞斷裂的相關(guān)研究開(kāi)始的時(shí)間比較晚，大約在2 0世紀(jì)5 0年代才開(kāi)始，而且因?yàn)槔碚摶A(chǔ)十分薄弱，所以研究水平比較低，進(jìn)度方面也比較滯后，一直到2 0世紀(jì)7 0年代，疲勞斷裂可靠性的相關(guān)研究進(jìn)程才得到很大程度的提高。

斷裂力學(xué)法指的是用斷裂力學(xué)作為基礎(chǔ)評(píng)估裂紋的方式。這種方式在理論上來(lái)說(shuō)是比較合理的，但是在實(shí)際使用中因?yàn)槿鄙俳?jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，不能準(zhǔn)確判斷裂紋的狀態(tài)和參數(shù)，會(huì)出現(xiàn)比較大的計(jì)算誤差，對(duì)使用壽命的估算造成嚴(yán)重影響。

通過(guò)對(duì)局部分析法發(fā)確立可以發(fā)現(xiàn)，較為有效的金屬結(jié)構(gòu)壽命的評(píng)估方式主要是對(duì)焊接結(jié)構(gòu)、起重機(jī)械的壽命等內(nèi)容進(jìn)行綜合性分析，但是涉及到疲勞強(qiáng)度比較高的情況就不是十分合適了。

現(xiàn)在疲勞斷裂的可靠性研究中，項(xiàng)目工程的設(shè)計(jì)在很多實(shí)際問(wèn)題中是難以得到解決的，所以，這種顯示極限方式的程序辦法應(yīng)該得到穩(wěn)定性的解決。為了改善這種情況，研究人員發(fā)明了響應(yīng)面法，這種方法雖然趨近隱式極限狀態(tài)方程，但是其不穩(wěn)定性對(duì)其普遍適應(yīng)性會(huì)產(chǎn)生一定程度上的影響。

3 進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的科學(xué)改善

在起重機(jī)械安裝完成之后，其所處的工作環(huán)境是很難得到有效改善的，所以，在疲勞強(qiáng)度改善的過(guò)程中，只能利用金屬機(jī)構(gòu)的改變或者零部件設(shè)計(jì)上的改變進(jìn)行調(diào)節(jié)，只有保證結(jié)構(gòu)材料以及機(jī)械零部件表面應(yīng)力集中等內(nèi)容的有效控制，才可以使起重機(jī)疲勞裂紋現(xiàn)象得到的妥善處理，也能有效防止其擴(kuò)展。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)疲勞斷裂產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，闡述疲勞斷裂引發(fā)的因素，并介紹其出現(xiàn)擴(kuò)展的種種情況，研究其可靠性分析方法，并對(duì)最切實(shí)可行的分析方法進(jìn)行總結(jié)，希望能避免起重機(jī)械安全事故的發(fā)生。

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