塔式起重机结构疲劳寿命的探讨

摘要：塔式起重机是建筑业物料提升的重要器械，其具有工作时间长、强度大，周转次数多的特点。做好塔式起重机结构疲劳寿命的探讨，有助于塔式起重机的使用，同时对于保证作业安全也有着重要的意义。

关键词：塔式起重机；疲劳寿命；应力谱

1.塔式起重机结构应力谱分析

对于塔式起重机结构的应力谱，要对其多种工作状态进行分析，对于塔式起重机的不同工作状态，其所受应力也是不尽相同的 。通过塔式起重机在不同的工作状态，利用有限元的计算方法，我们就能够得到其在不同状态下所受的应力情况。塔式起重机的关键结构通常所受的是拉、压并不相等的力，而且这些力的作用时长也是不等的。如图1所示，是通过统计所绘制的塔式起重机关键结构的应力谱。

图1 塔式起重机关键结构应力谱

其中σi是应力考核点处应力，ni是受力的次数，因其不同的部位，不同的受力，所以应力谱也就并不相同。但由于塔式起重机的特点，虽然有多重受力形式，但是其所示的正反力却基本相等。为了探讨的方便，我们将图1所示的应力谱，通过调整，便得到了如图2所示的塔式起重机的应力谱。

图2 塔式起重机的应力循环

2.应力循环的转化

通过应力循环的转化，我们就能够将应力疲劳与交变力疲劳进行比较，从而有利于塔式起重机结构疲劳寿命的探讨。因为图2的应力谱，所以有下式的结果

N1+N2+N3+……+Ni≠N（i+1）+N（i+2）+……+Nm.

由于图二是循环应力，再根据图一，可以建立下式关于σmax和σmin古德曼线方程

σa=σ-1[1-σm/σb]

由古德曼曲线方程

σ-1=σaσb/（σb-σm）

由上图及上式便可以得出等效循环应力，再由此便可得出塔式起重机的等效应力谱[2]。所以图二中的等效应力和循环次数便为（σ1′，n1′），（σ2′，n2′），（σ3′，n3′）……，（σi′，ni′）.

3.起重机的疲劳寿命

通过对塔式起重机结构应力谱分析，应力循环的转化，便可以进行对于塔式起重机疲劳寿命的验算和要探索，上面的步骤使得塔式起重机的结构疲劳寿命的探索，变得量化与可视化，同时是塔式起重机疲劳寿命探索所不可或缺的步骤。

在此我们对于塔式起重机的可靠程度以90%来计算，由应力疲劳损伤可分为了三个阶段，低周、高周、无线寿命疲劳区，而塔式起重机所受的是高周应力，通过对此区段的分析，可以得到如下关系式

σmN=C.

除此之外，塔式起重机的应力还可能会分布在无线寿命区，所以此阶段疲劳极限大于应力，既有lσl < lσ-1 l，所以对此不进行考虑。对于低周期，由于塔式起重机的特点，所以在此阶段是不会有分布的。高周期疲劳寿命为N∈[104，106].在不考虑等效循环所不影响的区域，其循环应力范围就为σ′∈[σmin′，σmax′]，以此便形成了如图4的应力谱。

图4 塔式起重机等效对称循环应力

由图4可以得到σj′损伤率的方程式

D=nj′/Nj′×100%

在塔式起重机的实际工作中，是存在着很多对称循环应力的，σ1′为应力，N1为次数的话，便可以建立下列方程式

（σj′）mNj=（σ1′）mN1. Nj=N1×（σ1′/σj′）m.

到此我们便可以开始进行σj′损耗率的计算了，σj′的损耗率为

D=nj′/Nj×100% =nj′/N1×（σj′σ1′）m×100%

令Hj=f（σj′）=（σj′/σ1）m

通过上面的两个方程式，将σj′与σ1′进行等效，其n1j′为次数，可得下列方程

n1j′=nj′×Hj=nj′×（σj′/σ1′）m.

最后将塔式起重机的所有循环力等效为标准力σ1′的次数，可得下列方程

n=∑n1j′=n1′×H1+n2′×H2+n3′×H3…+nt′×Ht.

到此，我们便得到了塔式起重机的所有的疲劳损伤是D=n/N1.知道了塔式起重机的所有的疲劳损伤，那么对于我们而言，塔式起重机的结构疲劳寿命也就得出来了，下式便是塔式起重机的结构疲劳寿命。

n′=N1-n=N1-∑n1j.

到此为止，所有的计算与探索便已经全部结束，通过塔式起重机的结构应力谱分析，以及古德曼方程进行的应力循环的转化，来得到了塔式起重机的疲劳寿命。

4.结语

塔式起重机是现代建筑业，必不可少的运载器械，塔式起重机平时的保养与维护，对于塔式起重机寿命的延长有着重要的影响。此外，塔式起重机并不是万能的，所以要了解塔式起重机的疲劳损耗，对于塔式起重机定时的进行检测，与结构疲劳寿命的计算。

参考文献：

[1]李斌，雷利，等.塔式起重机结构疲劳寿命的研究[J].沈阳建筑大学报.2010，26（5）：986.