摘要：介绍起重机抗疲劳设计方法和《欧洲起重机械设计规范》，并采用《欧洲起重机械设计规范》对岸边集装箱起重机实例进行疲劳校核，为设计提供理论依据。
关键词：设计方法；设计规范；疲劳校核
起重机机构的疲劳破坏一直是设计人员和用户所关心的问题。由于港口装卸作业的性质和要求，其工作载荷大、工作频繁而且工作条件又比较差。因此，港口起重机零部件发生疲劳破坏的情况甚于其他类型的起重机。本文概括介绍了起重机抗疲劳设计方法，着重介绍了《欧洲起重机械设计规范》（F.E.M-1998），并以F.E.M-1998为标准对岸边集装箱起重机实例进行疲劳分析。
1. 起重机的抗疲劳设计方法
1.1 应力比法
以起重机具有代表性的实际预期正常工作状态计算结构计算点上的最大、最小应力，把最小应力与最大应力的比值作为应力循环特性（即应力比r），并根据这一应力循环特性和相关的公式计算疲劳许用应力，若疲劳验算点的最大应力不超出疲劳许用应力值，则认为不会发生疲劳破坏，结构的疲劳强度取决于结构的工作级别（应力谱和应力循环次数）、构件连接类别、结构件材料种类、结构件的最大应力和应力循环特性等。
1.2 应力幅法
焊接构件由于焊接残余应力和不同程度应力集中现象，裂纹产生部位的实际应力与名义应力有很大的差别。裂纹的形成与扩展主要受控于该处的应力最大值与最小值之差值（即应力幅值 ），与名义的最大应力根本无关。材料强度的不同对大多数焊接连接类别的疲劳强度并无显著差别。结构的疲劳强度取决于结构工作级别（应力谱和应力循环次数）、构件连接类别和应力幅值。国外的起重机设计规范中有2种应力幅方法用于起重机金属结构的疲劳设计：
（1）在起重机结构疲劳计算工况下，计算结构计算点上的最大、最小应力，应力幅（ max－ min）要小于等于许用应力幅。
（2）在起重机的整个寿命期内，计算出计算点各级应力变化的范围（应力幅值）并用计数法得到在各级应力范围作用下的循环次数ni，在基本的S-N曲线的斜线部分得到各级应力范围作用下的寿命Ni，ni与Ni的比值的累计值应不大于1.0，即
2 .《欧洲起重机械设计规范》简介
2.1 载荷情况
起重机在载荷组合I（无风工作情况）：由自重引起的静载荷SG，由工作荷重引起的载荷SL乘以动力系数 以及水平力中除缓冲作用力外最不利的2个水平力SH。
2.2 构件的协定应力循环次数和所受的应力谱
根据载荷变化循环次数和应力谱，将构件规划组别。
2.3 所用材料的所考虑部位的切口效应
构件的疲劳强度取决于所使用材料的质量、接头的形状和制造方法。被连接零件的形状和连接方法影响应力集中（或称切口效应）的形成，从而使构件的疲劳强度大为降低。
2.4 构件内可能发生的最大极值应力 max
最大应力是在载荷组合I下发生在构件内的绝对值最高应力（拉伸或压缩），不计增大系数VC 。
2.5 极值应力之间的比值K
如果 max、 min是极值应力的代数值， max是绝对值较高的极值应力。
或在剪切情况下为（K在-1~1之间变化）
2.6 疲劳许用应力计算
（1）K 0
对于拉伸
对于压缩
（2）K 0
对于拉伸
对于压缩 c=1.2 t
注： 0=1.66 ， +1=0.75 R， R为极限强度， t 0.75 R
2.7 构件抗疲劳核算
max t
3. 岸边集装箱起重机结构疲劳设计实例
3.1 主要参数
额定起重量：65 t（吊钩横梁下）
两腿间净距：18m
轨距：30.48 m
最大提升高度：40 m（轨面以上），15 m（轨面以下）
下降和提升速度：空载时150 m/min，满载时75 m/min
小车运行速度：240 m/min
最大前伸距：55 m
最大后伸距：15 m
大车运行速度：45 m/min
3.2 结构材料
重要受力构件采用Q345，管材采用ST52-3，辅助构件采用Q235。
3.3 有限元模型及载荷说明
本例岸桥的有限元模型是用大型有限元软件ANSYS9.0，采用BEAM44单元和MASS21单元建立的。除了集中质量单元用MASS21外，其他的单元均用BEAM44建立。由于有限元建立的模型是理想化的，而且在不影响精度计算的前提下，做了一些必要的简化，会造成模型的质量小于起重机的真实质量，所以在施加载荷时有必要对质量进行补偿。常用的有3种质量补偿的方法：重力加速度补偿法、密度补偿法及设置质量元，本模型采用密度补偿法。模型共有单元397个，节点389个。起重机的工作级别A8级，按照F.E.M-1998载荷组合I进行载荷计算，（疲劳计算时小车吊载为额定起重量的60%），假定小车吊载从后伸距到前伸距，然后空车返回后伸距。每个单元疲劳演算点的值都可以由ANSYS输出，根据输出的结果用VC++编制的疲劳程序进行疲劳校核。
3.4 疲劳计算的主要截面
主梁是梯形偏轨箱形截面，立柱是箱形截面，前后拉杆是工字形截面，各截面的应力输出顺序如图1所示。
图1 各截面结构形式
（a）立柱截面 （b）拉杆截面 （c）后大梁截面 （d）前大梁截面
3.5 部分结构疲劳强度计算结果（表1）
表1 结构疲劳强度计算结果