起重机主梁可靠性因素分析

针对传统的断裂力学和疲劳强度分析起重机主梁安全性评估中存在的不安全因素来说，起重机主梁的可靠性主要来源于其金属的脆断、疲劳和应力腐蚀。

1 起重机主梁的受力分析

作用在起重机结构上的载荷分为三类，即基本载荷、附加载荷和特殊载荷。基本载荷是始终和经常作用在起重机结构上的载荷；附加载荷是起重机在正常工作状态下结构所受到的非经常性作用的载荷；特殊载荷则是起重机处于非工作状态时结构可能受到的最大载荷，或者在工作状态下结构偶然受到的不利载荷。

起重机械在运行过程中，要承受各种载荷（如静载、动载、交变载、冲击载、振动载等），各承载零件和结构件会产生相应的应力和变形，如果超过一定的限度，就会丧失功能甚至破坏，从而造成危险。起重机在作业过程中，承受载荷的复杂性不仅反映在载荷种类的多样性上，而且随着起重机作业的工作状况的不同而表现出多变的特征。载荷是起重机及其组成零部件正常工作受力分析的原始依据，也是零部件报废或事故原因的判断分析的依据，载荷确定的准确与否将直接影响计算结果的安全性和事故结论正确性。

当起重机处于静止状态或稳定运行状态时，起重机只受到自重载荷和起升载荷的静载荷作用。起重机在运动状态改变时产生的动载效应，他是强度计算的重要依据对疲劳也有影响。起重机不工作或吊载静止在空中时，其自重载荷和起升载荷处于静止状态。在起重机工作时，当运动状态改变，动载荷效应使原有静力载荷值增加，其增大的部分就是动载荷。动载荷包括在变速运动中结构自重和起升载荷产生的惯性载荷；由于车轮经过不平整轨道接头运动部分对缓冲器的撞击产生的冲击载荷；惯性载荷和冲击载荷使金属结构和机构的弹性系统产生振动的振动载荷。

众所周知起重机在工作时期，它的跨度越大主梁所受的载荷量也越大。除了接触起重物体的部件还有钢丝绳、葫芦、小车轮外就是主梁了，主梁在起重机里承受着全部的重量，并且在工作时期小车在主梁上做着周期性运动。简单地说，两端支撑的梁，中间加载重物，主梁势必会发生弹性变形，导致中部下沉，此时，若需向两端移动重物，小车势必要进行一个“上坡”的运动，这样对小车的负载加大。为了缓解这种情况的发生，就要求主梁做出一个预变性，使主梁加载重物后，小车运动由原来的“上坡”变成“平路”，减轻小车负载 。主要原因就是保证起重机起吊强度不至于长期起吊重物而造成变形。

起重机主梁的稳定性分整体与布局两种，轧制工字钢（无侧向支撑着）需计算整体稳定性而不必考虑局部稳定性（组合工字梁除外）箱型梁要考虑这两种稳定性，但以局部稳定性为主。

翼缘板的稳定：当主梁宽度与受压翼缘板厚度之比大于或等于60（Q235钢）或50（16Mn钢0时，应考虑受压翼缘板的局部特性，设置一道或多道纵向加助肋；腹板局部稳定：偏轨箱型梁轨道在主腹板上，故不需设置短横向加劲板。因主、副腹板的厚度不同和受力不同，应分别考虑。主腹板要考虑集中轮压作用，腹板按无集中载荷考虑。腹板的临界应力与板的应力状态、区格尺寸和板边的固定程度有关系。

2 主梁的疲劳和脆断特性

起重机主梁的疲劳和脆断，都表现为在某一处的开裂。而且，其裂源点总是在缺口处。缺口，就是指结构截面在传力途中的各种不连续。它们是可以由机械加工所形成的内部孔洞、边缘切口、截面宽度或厚度在传力途中的突变，也可以是由焊接所形成的几何缺陷，还可以是由冶金或轧制工艺所形成的质量不高，有了缺口就会产生应力集中和应变集中，就会使其处没有裂纹到出现裂纹。这一过程叫启裂。接着裂纹会扩大，会在主梁中进行，这过程可以叫行裂或裂缝扩展。

疲劳和脆断的不同，在于行裂的快慢。疲劳裂纹或裂纹的扩展是稳定的，需让作用力重复很多次，裂缝才有所开展；及时采取措施来补强，就可以解除危险。断裂裂缝是扩展非常迅速，有时只要一次加力，就使灾难性破坏形成。将断口拿来比较一下，在典型的疲劳断口内，环绕裂源点总有一较光滑的扇形区域，其外侧晶粒结构较粗，在外就是因所余下的净面积不多而被静力所拉断的灰暗色纤维区域。扇形区所以光滑，就是因为再裂纹相当小时，它在每一次载力循环中都要开合，这就使裂纹两面发生撞击和摩擦，直至形成光滑面。后来由于裂口深了，扩展速度逐渐加快，裂口来不及变成光滑，使所呈现的晶粒较粗。至于脆断的裂口，只是在边缘有一窄条灰暗色塑性唇，断口的绝大部分都是闪光的晶粒结构。

3 主梁裂痕及脆性断裂

起重机作为大型的起重设备，购买起重机的成本也不是一个小的数目。为了延长起重的寿命，使其更加坚固耐用，我们就必须了解起重机机身在使用过程中可能会出现的普遍情况，像起重机机身出现了裂痕，起重机主梁在受力时，微观上表现为原子相对位置发生改变；其宏观表现为变形，当局部的变形量超过一定限度时，原子间结合力受到破坏，出现裂纹裂纹经过扩展直至断开为两部分。主梁材料发生断裂的因素分为两种一种是内在因素（如缺陷），另一种是外界条件（如受力状态等）这时候为了起重机能达到长久使用的目标，我们应该怎么样应对？

风力影响。起重机有可能会在露天的情况下运作，整体日晒雨淋的，加上风力的作用使得起重机在其中过程中受到一定的风力阻挡。一旦风力太大，起重机一边运作一边还要抵挡风力的作用，承受的载荷就会加重，超出机械的承载力，再坚固的机械也会有摇晃的一刻，一旦超载机械的机身就有可能会出现裂纹和裂缝。

出现裂纹有可能是在制造的时候因为设计前瞻性不足，没有考虑到机械的坚固耐用也是需要预防的。起重机的体型加固了就能减少桥式起重机的主梁受损害程度。

桥式起重机安装不当也会造成长时间的腐蚀和损害。所以在安装的时候和平时的检查的时候也应该得到重视，机械保养的关注不能缺少。因为桥式起重机的长时间的使用下，会受到不同程度的腐蚀，如果在加上一定的撞击力，裂纹就会出现。所以在检查的时候要注意加上润滑油，减少摩擦力，延缓起重机的使用寿命。

钢结构会有一些破坏结构，从宏观上讲，脆性破坏的主要特征表现为断裂时伸长量极其微小。如果钢结构的最终破坏是由于其构件的脆性断裂导致的，那么我们称结构发生了脆性破坏。对于脆性破坏的结构，几乎观察不到构件的塑性发展过程，往往没有破坏的预兆，因而脆性破坏的后果经常是灾难性的.工程设计的任何领域，一例外地都要力求避免结构的脆性破坏。

脆性断裂破坏大致可分为以下几类。

①过载断裂：由于过载，钢材强度不足而导致的断裂。这种断裂破坏发生的速度通常极高（可高达2 100 m/s），后果极其严重.在钢结构中，过载断裂只出现在高强钢丝束、钢绞线和钢丝绳等脆性材料做成的构件。

②非过载断裂：塑性很好的钢构件在缺陷、低温等因素影响下突然呈脆性断裂。

③应力腐蚀断裂：在腐蚀性环境中承受静力或准静力荷载作用的结构，在远低于屈服极限的应力状态下发生的断裂破坏称为应力腐蚀断裂。它是腐蚀和非过载断裂的综合结果。一般认为，强度越高则对应力腐蚀断裂越敏感。而对于常见碳钢和低合金钢而言，屈服强度大于700 MPa时，才表现出对应力腐蚀断裂的敏感性。

④疲劳断裂与腐蚀疲劳断裂：在交变荷载作用下，裂纹的失稳扩展导致的断裂破坏称为疲劳断裂；腐蚀性介质的作用，会对构件的疲劳寿命产生更显著的不利影响。近年来，由于海洋工程结构的发展，腐蚀疲劳已经成为疲劳研究的一个重要课题。疲劳断裂有高周和低周之分。循环周数在10以上者称为高周疲劳，属于钢结构中常见的情况。低周疲劳断裂前的周数只有几百或几十次，每次都有较大的非弹性应变.典型的低周疲劳破坏往往产生于强烈地震作用下。

⑤氢脆断裂：氢可以在冶炼和焊接过程中侵人金属，造成材料韧度降低导致断裂。焊条在使用前需要烘干，就是为了防止氢脆断裂。

机主   因素