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摘要：起重机械是实现工业过程机械化和自动化必不可少的重要设备，随着我国综合经济实力的提升，起重机械已广泛应用于各行业领域中，但因长期使用或运行中的高能量积聚，不能避免机械疲劳断裂风险的存在。本文根据机械结构的特点，结合疲劳断裂分析的方法，开展起重机械疲劳断裂可靠性分析的讨论，主要目的在于更好地促进起重机械运行效率与质量的快速发展。
关键词：起重机械；疲劳；断裂；可靠性
引 言
起重机械是现代工业领域中不可或缺的重要设备，通过对其的应用，能够减少工业领域对人工劳动力的依赖，提高生产效率。起重机械在应用过程中调运的荷载类别种类繁多，调运过程中，荷载会发生明显改变，同时，因为作业环境复杂和恶劣，会到导致起重机械在应用期间出现疲劳断裂现象，这会对起重机械的应用造成不良影响，甚至会引发安全事故，因此，必须要做好相应的分析工作。
1 起重机械疲劳断裂的成因
研究表明，起重机械设备的金属结构疲劳是指，在某点或是某些点受到扰动影响，并在循环次数达到一定值后，因扰动形成裂纹或是完全断裂。这里的断裂是指，材料中发生了局部永久性结构变化。研究人员对起重机械疲劳断裂产生原因与作用过程进行分析，是为了对设备金属结构的耐久性与使用寿命进行预测，以达到生产建设环境对起重机械设备的安全使用要求。
经对已产生疲劳断裂的金属结构情况进行分析，发现扰动应力是疲劳病害的条件，即应力集中是结构发生疲劳破坏的核心原因。具体过程，就是结构应力或是应变从局部开始变高，经运行操作积累，最终导致破坏发生。首先，疲劳微裂缝，裂纹扩展次之，最后失效断裂。对于起重设备金属结构疲劳微裂缝来说，其主要作用于结构表面的最大局部应力部位，最小截面积部位，或是材料差异的强度薄弱部位。此外，还会作用于金属结构内部存在缺陷的强度较弱部位。此病害形成后，裂缝会在起重机械循环反复操作扰动的情况下，沿着高剪切应力平面方向扩展。而后，还会沿着垂直应力方向进行破坏扩展。
对于裂缝扩展的速度与方向，是由局部应力集中的金属结构状况与裂缝尖端材料性质控制的。一旦疲劳裂纹达到了临界长度，金属结构材料本身剩余的截面积，就会很难承受施加负荷，导致失效断裂阶段突然处理。由此可判断，断裂产生具有快速且毁灭性的材料失效特点。从市场环境角度看，疲劳断裂阶段的裂缝扩展速度较快，但对金属结构耐久性与使用寿命影响不大，甚至可以忽略。因此，研究人员可根据病害的破坏性质与产生影响将起重机械的疲劳裂纹划分为两个部分，即裂纹形成寿命与裂纹扩展寿命。
从理论角度来看，起重机械金属结构的疲劳裂纹扩展重要区域，是从可无损检测到最小裂纹长度再到临界裂纹长度之间。如图1所示，为疲劳裂缝与疲劳循环次数关系图1。
图1 疲劳裂缝与疲劳循环次数之间的关系
2 起重机械疲劳断裂可靠性分析方法的发展现状
随着起重机械在中国的广泛应用，其所发生的事故率也在不断的上升，其中由于起重机械疲劳断裂所引起的事故已经占全部工业事故的15%以上。由此可见，研究起重机械的疲劳断裂可靠性，估算出在用起重机械的疲劳寿命，对防止起重机械疲劳断裂事故的发生起着积极地作用。
19世纪初德国科学家就已经开始对金属结构的疲劳进行研究，经过近2个世纪的不断努力，疲劳断裂可靠性分析已经广泛应用于现代工业生产的各个行业和领域中。1961年Paris公式的提出，成为了估算裂纹扩展寿命的最有力工具，其后断裂力学得到了快速地发展，尤其以线弹性断裂力学发展最为成熟，为研究疲劳断裂可靠性提供了理论基础。由于各种原因，我国对金属结构疲劳断裂可靠性的研究相对较晚，约始于20世纪50年代，因为理论基础较差，所以研究水平和发展进度都比较落后，直到1978年召开的疲劳性能测试工作会议极大地推动了疲劳断裂可靠性的发展。
当前用于疲劳寿命评估的计算方法主要包括名义应力法、断裂力学法、局部应力应变法、神经网络计算法和有限元分析法等。局部应力应变法是当前最有效的金属结构寿命评估方法，广泛应用到焊接结构、起重机械等的疲劳寿命评估中，但是在计算高强度疲劳时其精度将会变差。
近些年来，研究人员在起重机械疲劳断裂可靠性分析中融入了新理论和新方法，为起重机械的疲劳断裂可靠性分析提供了许多新的估算方法，逐步发展成了随机有限元、基于神经网络的可靠性模型等。
随机有限元法是近20多年才发展起来的一种工程数值计算方法，由于该方法把随机参数的影响考虑在内，被广泛应用于计算金属结构的可靠度、动力问题、非线性问题及复合材料力学等。随着起重机械疲劳断裂理论的不断发展，该方法也被逐步的应用于起重机械的疲劳断裂可靠性分析方面。因为起重机械的工作环境复杂，受到许多不确定因素的影响，局部应力应变相应也是随机的，随机有限元法是
随机结构分析最有力的工具。
在疲劳断裂可靠性进行分析的过程中，工程实际问题已经很难利用显式极限状态方程失效概率获得解决，为此疲劳断裂可靠性分析研究者发展了响应面法，虽然对隐式极限状态方程的设计点有一定的逼近能力，但是其固定不可调的函数形式影响了其普遍适用性。研究者开始利用神经网络对函数近似的普遍适应性，用神经网络函数近似代替固定函数形式的传统响应面法，从而提高了解决非线性隐式极限状态方程疲劳断裂可靠性分析问题的能力。神经网络响应面法不仅思路简单，易于编程，而且计算精度有较大幅度提高。
3 起重机械疲劳断裂可靠性分析
通过对起重机械疲劳断裂进行研究，整个断裂过程往往要经历很长一段时间。想要掌握起重机械疲劳断裂可靠性，需要搜集各项数据和信息，同时也要做好试验工作。针对疲劳断裂来说，当今已经提出了相关的理论与概念。简单来说，疲劳断裂就是损失累积的过程，最终形成断裂结果。在大多数情况下，在出现起重机械疲劳断裂前不会产生明显的变形情况，起重机也可以正常使用，所以疲劳断裂往往是突发性事件。随着起重机械疲劳断裂频次不断提高，人们也加强了对起重机械疲劳断裂的重视程度。据不完全统计，因为疲劳断裂所造成的安全事故占据工业事故总量的15%。值得注意的是，出现疲劳断裂问题不仅仅是损坏起重机械，也会对周边环境造成严重的影响。
如某钢铁厂125t级别铸造起重机在实际应用中，主梁产生了疲劳断裂的问题，造成整个起重机结构崩塌，对周边工作人员造成了严重的损伤，也产生了极大的社会舆论压力，对企业造成的影响非常大。所以，加强起重机械疲劳断裂可靠性研究有着重要意义。
我国在起重机械疲劳断裂方面的研究当中，部分学者已经对正轨、半偏、全偏三种机箱行梁在循环应力作用下疲劳强度进行了深度研究，并取得了良好的研究结果。例如当今我国已经掌握了疲劳断裂的曲线内容以及剩余疲劳寿命的计算方法等等。与此同时，学术界也对疲劳断裂性展开了全面分析，结合客观实践内容展开分析。包括普通起重机各部件寿命计算方法，结合焊接箱主梁疲劳，通过对其进行深刻讨论，采用更高的方法指导焊接工作、主梁制造工作，尽可能将疲劳断裂几率降到最低。当然，起重机械疲劳断裂可靠性分析的方法还有很多，如以下几种：
（1）断裂力学法。断裂力学方法解决了应立法上的缺陷问题，并以断裂力学作为基础，对裂纹产生、扩展进行评估。该方法可以描述裂缝在使用过程中的扩展过程。从理论层面上分析，该方法要比常规方法更加合理一些，但也存在着数据不精准特点，这时因为起重机械在实际应用中的环境复杂，起重重量不统一，所以裂纹难以判定，最终出现计算误差。
（2）局部应力应变法。该方法是当今机械寿命评估中最好用的一种方法，在当今航空、焊接、起重机械等领域疲劳寿命评估中应用较为广泛。但是该方法不适用于高强度疲劳计算，并且材料参数离散以及公式计算经验导致精度计算较低。
（3）神经网络计算法。在起重机械疲劳断裂可靠性分析过程中，由于上述几个方法都存在着过于理论的问题，工程实际问题难以通过公式、方程解决，所以有关领域提出了一种响应面法，虽然对隐式极限状态方程设计点有一定逼近能力，但是固定不可调函数形式影响了该方法的进一步发展。在此背景下，相关科研人员开始利用神经网络对函数近似普遍性进行了研究和转换，通过神经网络函数近似替代近似函数的响应面法，这样即可有效解决非线性隐式极限状态方程疲劳断裂可靠性分析能力。神经网络在当今各个领域都有非常大的发展空间，应用思路更加简单、编程容易，并且可以大大提高计算精度。
4 加强起重机械的社交性能
在对起重机机械疲劳断裂的可靠性进行提升当中，需要针对起重机的相关设计给予一定程度的重视，并且针对其中的各个过程实施相应的估算工作，以便在某种程度上将疲劳断裂的可靠性进行提升。其中需要应用的流程方式为，在对疲劳断裂可靠性进行提升时，工作人员需要针对其中的每一项因素实施系统的了解和分析，在结合不同的运行形态，制定相应的解决方案。此外，在运行起重机当中，需要全面对机械制造进行检验，这样可以全力对起重机的正常运行给予保障。
在对机械进行设计时，需要对正轨、半偏以及全篇等运行状态下所产生的强度差距实施相应的分析，之后结合疲劳断裂的曲线分析图对其进行相应的计算，这样也可以帮助起重机，将疲劳断裂可靠性进行提升。此外，在设计中，还需要全面分析具体的应用流程，并指导整个操作过程，这样可对起重机的有序工作给予保障，使得工作安全性得到了提升。
5 强化对起重机疲劳程度的计算
针对疲劳断裂可靠性的有效提升，是防止安全事故发生的关键性手段，所以，在对起重机疲劳断裂可靠性进行提升时，工作人员还需要全面分析和计算疲劳的程度。此外，在计算时需要结合有限元计算以及结构计算等不同的形式，之后对系统进行全面的了解，以便对相应的解决措施进行构建，并将焊接结构当作相应的系统。
此外，在对可靠性进行提升时，一定要对系统进行全面细致的分析和了解，利用具体的计算方式，可精准计算出疲劳的程度以及失效的程度。同时，在提升可靠性时，还需要将实际运行当中产生的全部问题进行相应的整理记录和分析，结合这些有效数据对相应的解决方案进行制定，可以对运行起到相应的保障作用。所以，在机械设备运行当中，相关的验证工作还需要反复实施，这样可最大程度的避免有疲劳断裂的问题产生。
由于起重机所产生的疲劳断裂形态是十分复杂的，有着很强的综合性，所以在具体运行的过程中，需要高度重视断裂情况，对其进行有效的控制和分析，并做好相应的预防工作，这样可以在一定程度上保证机械的有序运转，最大程度的对安全事故进行避免。
结束语
通过对起重机械疲劳断裂可靠性发展状况进行分析，全面研究了起重机械疲劳断裂现象出现的主要因素及分析方法，在工业生产中最大限度地促进起重机械疲劳断裂可靠性的提升与完善，防止各种安全事故的出现，确保企业、社会经济的稳定发展。
参考文献
[1]探究起重机械疲劳断裂可靠性分析的新进展[J]. 侯庆峰.??化工管理.?2018（21）
[2]探究起重机械疲劳断裂可靠性分析的新进展[J]. 林喆柯.??中国设备工程.?2019（11）
[3]起重机械疲劳断裂可靠性分析探究[J]. 张小丽.??中国设备工程.?2019（13）
[4]起重机械疲劳断裂可靠性分析进展浅析[J]. 林相统.??中国设备工程.?2017（01）
[5]起重机械疲劳断裂可靠性分析的新进展[J]. 赵军.??装备制造技术.?2015（04）
[6]探究起重机械疲劳断裂可靠性分析的新进展[J]. 杨州,王沛源.??设备监理.?2019(04)