全地面起重机格构式吊臂的结构疲劳破坏分析与寿命可靠性监测策略

为什么起重机臂会在不知不觉中磨损

在全球范围内，巨型移动起重机正争相安装风力涡轮机及其他大型结构。尽管它们的钢制臂看起来坚固而不变，但每一次起吊都会使金属弯曲并放松，慢慢削弱其强度——就像反复弯折的回形针最终会断裂一样。本文探讨了这种隐藏损伤如何在起重机臂端的开放框架“格构”延伸件中累积与分布，并展示了如何利用传感器的实时数据与数字模型在裂纹演变为严重事故之前向工程师发出预警。

吊臂末端的金属骨架

研究聚焦于格构式吊臂——一种作为伸缩臂端部的桁架状钢制段，用以实现更大高度和更远距离的吊装，这对提升风机部件至关重要。每段吊臂由空心钢管（弦杆和腹杆）焊接而成。当起重机在风中反复起吊、回转和放下重物时，这些焊接处承受交变的拉压载荷。现代趋向轻量化的设计使得管壁更薄且开孔更多，这提高了效率但也增加了柔性并使应力在焊缝处集中的程度加剧。由于这些焊缝体积小且彼此紧密，裂纹在贯穿之前难以发现，传统的经验安全裕度已不再充足。

从全尺寸试验到微小裂纹痕迹

为弄清损伤的真实发展过程，研究人员用一段六米长的高强度 S890 钢格构吊臂做了全尺寸试验台。他们先施加逐步增大的静载，并在靠近固定端（吊臂与伸缩臂相接处）多点测量弦杆的应变。随后进行了疲劳试验，以每秒一次的频率循环载荷直至材料失效。三件试样都在基本相同的位置断裂：在腹杆与主管相接处的焊缝外缘，在反复受拉时发生断裂。试验后他们切开失效区域并用显微镜观察断口面。在高倍率下可见典型的“波纹线”——标志着裂纹随每个载荷循环扩展的微小平行皱褶。通过测量裂纹路径上这些皱褶的间距，研究者可以估算裂纹穿透管壁时所经历的循环次数，并将其与疲劳试验记录的循环数进行比较。

为焊接接头构建数字孪生

团队随后在三维计算模型中重建了所试验的吊臂段，使用足够精细的实体单元以再现实际焊缝几何。他们特别关注焊趾处的所谓“热点”，沿管壁画出虚拟线来计算应力从表面向内的变化。通过调整网格尺寸以及应力平均到壁内的深度——这些参数依据实际焊缝的尺寸和深度选择——他们将模型调试到预测的疲劳寿命与试验结果相差约十个百分点以内。该模型不仅再现了失效位置，还指出了截面中大约 80 处焊缝中哪些最为脆弱。这表明，只要在关键焊缝周围作出足够细致的建模，模拟可以可靠地替代许多昂贵的物理疲劳试验。

让起重机实时讲述自身状态

了解单段吊臂在固定载荷下的行为只是问题的一半；现场的实际起重机面临的是不断变化的工况。为捕捉这种复杂性，作者利用了起重机车载传感器，这些传感器持续记录臂长、吊臂长度、工作角度、方向、载荷重量与发动机状态等信息。数月数据可能累计到数十万条记录。研究者制定规则从数据流中筛选出独立的起吊循环：即载荷从吊钩自重之上超过设定阈值然后回落的时间段。对于每个循环，他们记录峰值载荷与起重机姿态。经处理的记录输入到一个简化的整臂计算模型中，将每种工况转换为作用在每个格构段接头处的力和弯矩历史。随后将这些力历史施加到代表性吊臂段的精细实体模型中，以生成真实的“载荷谱”，并计算在起重机服役期间每处焊缝累积了多少疲劳损伤。

这对更安全的起重意味着什么

通俗地说，这项研究表明现在可以为起重机的钢臂配备类似健康计的工具。通过将精心设计的实验、对焊接接头的细致建模以及通过物联网传输的实时运行数据结合起来，工程师可以准确识别格构吊臂中老化最快的焊缝、它们距离疲劳极限的远近以及何时需进行有针对性的检查或修复。不必再依赖保守的维护周期或等待目视发现裂纹，起重机拥有者可以在服役中追踪疲劳、延长健康部件的安全寿命，并在风险最高处及早干预——从而在高强度施工项目中同时提升安全性与效率。

引用: Yao, J., Fu, Y., Li, C. et al. Structural fatigue failure analysis and lifetime reliability monitoring strategy of the lattice jib in all-terrain cranes. Sci Rep 16, 12403 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42707-5

关键词: 全地面起重机疲劳, 格构式吊臂焊缝, 结构健康监测, 有限元疲劳分析, 起重机物联网数据