摘 要 塔式起重機在随机变化的负荷中长时间工作，疲劳破坏致使结构损坏，本文分析了塔式起重机关键部位的疲劳寿命，并对塔式起重机结构进行应力谱分析，采用经验公式及图形对应力和对称循环应力进行推导，利用转换公式进行应力循环的转换，最后对起重机的疲劳寿命模型进行阐述，以期对实际应用有指导意义。
关键词 起重机；疲劳寿命；模型
中图分类号 TH21 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）05-0024-01
起重机械在国民生产过程中起着至关重要的作用，塔式起重机主要用于工地及施工单位进行物料的运输，塔式起重机作为特种设备具有一定的危险性，国内外每年都有由于起重机事故而造成的财产损失及人员伤亡，塔式起重机发生事故的主要结构主要为塔身、平衡臂及起重臂三大部分，疲劳破损是引起事故的主要原因。根据国际标准化组织及我国起重机相关规范的规定，在机械工作强度达到A6以上除了常规的刚度及应力计算以外，还需要进行疲劳寿命的计算，结构的应力谱分析是疲劳寿命的主要依据。由于当前起重机的疲劳寿命研究较少，数据采集也较为困难，塔式其中及结构疲劳寿命的研究十分有潜力，本文基于回归模型方法对起重机的疲劳寿命建立模型，该模型的建立可以用于实际工程的疲劳寿命计算，同时还能用于塔式结构起重机的研发设计参考依据。
1 塔式起重机结构应力谱分析
塔式起重机的结构应力谱分析是确定塔式起重机疲劳结构寿命的前提与基础，应力谱是塔式起重机在结构点的应力极限值的集合，采用一般工况或者几种经典的工况进行结构点变化的对比，确定在实际工程中塔吊吊起过程的各种应力极值变化，工况主要包括空载回转、空载静止以及不同幅度的回转，利用荷载值与结构应力之间的关系可以确定在不同情况下的应力状态，用分级的方式将应力绘制于应力谱，塔式起重机结构应力谱如图1所示。在工作的过程中塔式起重机的工作过程不受规则应力的作用，在杆件结构中最大压应力与最大拉应力不相等，采用统计的方法将这些应力进行综合统计，绘制出应力谱，按照应力大小排列成阶梯状。
图1中的每个应力长度的大小都与塔式起重机的工作次数相关，应力长度越长代表作用次数越多，相反则说明作用次数越少，此外，由于塔式起重机不同结构受到的应力作用范围及强度不相同，因此，统计出的应力谱也不一样，并且出现了正负值，正值出现的频率和负值出现的频率都受到工作状态及环境等因素的影响，由于塔式起重机的同向回转圈数受到限制，正向和反向的回转角度也相同，因此塔身受到的正向作用应力与负向作用应力的次数基本相同。
2 应力循环的转化
应力循环的转化是指将应力状态进行调整，以保证应力与交变应力对塔式起重机结构产生的疲劳影响有对比性，其中交变应力循环如图2所示。根据古德曼图形的特点，在进行应力转换之前应该在交变应力循环中构造出应力变化对，从而构成一个应力循环，其中正负应力值只能与零应力构成应力对，利用经验公式将循环应力转化成等效的交变应力，进一步考察荷载对结构积累的疲劳影响程度。使结构的疲劳寿命有量的概念。
将交变应力循环中的应力谱的应力数据代入古德曼曲线方程中可以得到等效循环应力，这些计算得到的等效循环应力和作用次数即为等效对称循环应力谱。
3 起重机的疲劳寿命模型
塔式起重机的零件可靠性能较好，安全性达90%以上，应力寿命曲线（S-N曲线）是建立疲劳寿命模型的基础，起重机S-N图如图3所示。塔式起重机一般经历低周循环疲劳受命区、高周疲劳寿命区以及无限寿命应力区3个阶段，采用线性回归模型方法建立疲劳寿命模型，通过软件分析可知，塔式起重机的疲劳寿命较短的位置主要集中在起重臂与外拉杆相连接的地方，根据有限元分析法可知这些地方为高应力区，但是计算的等效对称循环应力并不是全部都落在高周应力区，绝大部分的应力都在无限寿命阶段，这个阶段的应力大小要低于疲劳极限，在塔式起重机实际工作过程中会出现很多等效对称循环应力，为了准确建立起重机的疲劳寿命模型，需要将其中的一个等效对称循环应力设定成标准应力，并将该标准应力作用的次数作为标准作用次数，通过标准应力及标准次数可以退出损伤率，再由求和的方式得出塔式起重机结构的总体疲劳损伤，并由此得到疲劳寿命。
4 结论
综上所述，通过塔式起重机的应力谱分析以及应力循环转化可以确定塔式起重机的应力结构点疲劳损伤以及疲劳寿命，由起重机的疲劳寿命模型评估考核塔式起重机的疲劳状态，根据应力结构点所在的截面确认结构的可修复性，在能够修复的情况下及时做好修复及检测工作，在达到疲劳寿命不能修复的截面及时进行报废处理。
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].沈阳建筑大学学报，2010（9）：986-990.
[2]肖晓晖，吴功平，李立斌.塔式起重机疲劳载荷谱的编制[J].应用力学学报，2003（12）：86-88.
[3]范小宁，徐格宁，杨瑞刚.基于损伤-断裂力学理论的起重机疲劳寿命估算方法[J].中国安全科学学报，2011（9）：58-63.
[4]徐灏.疲劳强度[M].北京：高等教育出版社，1998.