應用載荷譜的寬體礦用車驅動橋殼壽命預估

羅天洪，周軍超，黃興剛，鐘智，李春宏

(1.重慶交通大學機電與汽車工程學院，重慶 400074;

2.重慶大江信達車輛股份有限公司，重慶401320)

應用載荷譜的寬體礦用車驅動橋殼壽命預估

羅天洪1，周軍超1，黃興剛2，鐘智2，李春宏2

(1.重慶交通大學機電與汽車工程學院，重慶 400074;

2.重慶大江信達車輛股份有限公司，重慶401320)

驅動橋殼是寬體礦用車重要的承載部件，在日常行駛時出現(xiàn)疲勞失效是不可避免的。由于實際路況的差異和簡化邊界條件等原因，通過驅動橋臺架試驗或純粹依靠計算機模擬試驗來準確預測驅動橋疲勞壽命是很困難的。通過將試驗測得的應力結果作為驅動橋疲勞壽命的載荷譜，結合Miner線性損傷累積法，對驅動橋的疲勞壽命進行分析與對比，并與準靜力學的壽命值進行對比。試驗驗證表明:基于載荷譜的壽命值更符合實際工況。

寬體礦用車;驅動橋殼;道路載荷譜;疲勞壽命

驅動后橋殼作為主要的承載部件，在保證驅動橋正常行駛下應具備長時間的使用壽命。由于礦用車行駛的道路比較惡劣，其疲勞壽命的大小將影響整個主機的使用壽命，因此研究驅動橋殼的疲勞壽命具有實際工程意義［1－4］。Ajay Guddeti［5］對比分析了制動工況下車橋橋殼的疲勞壽命，驗證了模型預期裂紋方向的正確性。M.M. Topac［6］通過對橋殼樣品進行垂直載荷疲勞試驗并結合有限元提出了增加殼體疲勞壽命的方案。Yimin Shao［7］結合道路試驗載荷譜和有限元分析方法，研究了坡度對于橋殼壽命的影響。文獻［8－10］通過有限元及動力學方法，結合試驗道路模擬垂直彎曲疲勞試驗的疲勞壽命，研究了載荷變化對后橋殼壽命的靈敏性。唐應時、高晶［11－12］等針對某越野車建立模型，并進行了動力學仿真，得出危險工況沖擊載荷下橋殼的受力情況，并進行了臺架疲勞試驗的橋殼失效對比分析。

本文以公司提供的驅動橋殼三維模型作為研究對象，首先通過試驗得到了鋼板彈簧處的載荷譜和基于載荷譜的載荷歷程;然后對驅動橋進行準靜力學分析以及模態(tài)分析;再結合材料的S－N曲線和載荷譜中得到的驅動橋的疲勞壽命周期以及疲勞分布情況，分析對比基于測點應力的壽命值以及基于靜力學的疲勞壽命值，以便在產(chǎn)品階段優(yōu)化疲勞設計方案。

1 寬體礦用車橋殼疲勞壽命理論

驅動橋殼是動態(tài)加載的過程，對于變幅循環(huán)載荷進行疲勞分析時，實際疲勞壽命需要考慮設計、制造以及環(huán)境等因素［5］。

式(1)中:Se代表材料疲勞極限;κa代表表面光潔度;κb代表尺寸效應;κc代表載荷形式;κd代表環(huán)境和溫度因子;S'e代表極限強度。其中，

由于橋殼類似于熱沖壓后的熱軋板，故采用文獻［6］的推薦值:a=57.7，b=－0.718。同時噴丸經(jīng)過熱沖壓后，通過引入材料表面的殘余應力可得:κa=0.959，κb=0.75，κc=1，κd=1，κe= 0.846。

根據(jù)名義應力法的基本假設，把名義應力參數(shù)和應力集中系數(shù)作為控制參數(shù)。由線性疲勞累計損傷理論——Miner理論可知:變幅載荷下，n個循環(huán)造成的損傷為

式(3)中:Di表示經(jīng)歷ni次循環(huán)的損傷;70×104表示一個周期時等于1(或半個周期時等于0.5)。根據(jù)疲勞損傷累計假說，疲勞當損傷等于1時，零件發(fā)生破壞。

由式(4)得到式(5)。

式(4)、(5)中:σmi表示采用雨流統(tǒng)計的循環(huán)均值; Ni表示循環(huán)次數(shù);b為疲勞強度指數(shù);σ'f為疲勞延性指數(shù)。

式(6)中:Gq( n0)為參考空間頻率;n為空間頻率; n0為參考頻率下路面功率譜密度值;w為頻率指數(shù)。

作為底盤的主要承載部件，驅動橋殼的失效主要由在礦井道路上的動應力造成，從而影響驅動橋的疲勞壽命。在實際中，驅動橋的斷裂主要來源于驅動橋殼的圓形過渡區(qū)。初始裂紋開始于橋殼底腳處的圓形過渡區(qū)。驅動橋的失效類型為高周期、低疲勞失效［10］。圖1為應變測量位置。

圖1 應變測量位置示意圖

礦用自卸車在同一礦道的道路載荷譜測試試驗流程包括空載、裝載、滿載和卸載，如圖2所示。整個測試卡車的速度約為5 km/h。公司提供的某寬體礦用車車橋道路載荷譜如圖3所示。試驗過程共分4個階段:卸載、裝載、完全負載以及卸載，總共持續(xù)時間為4 000 s，如圖3(a)所示。第1階段從0到1 500 s，最大應力是138 MPa;第2階段從1 500 s到1 800 s，最大應力是232 MPa;第3階段從1 800 s開始持續(xù)420 s，最大應力為393 MPa;卸載階段從2 220 s持續(xù)540 s，這個階段最大應力為162 MPa。

如圖3(b)所示，整個測試分為4個階段，第1階段是空載階段，從0到1 800 s，最大應力是162 MPa;第2階段是加載階段，從1 800 s持續(xù)420 s最大應力是232 MPa;第3階段是滿載階段，從2 220 s到3 360 s，最大應力是375 MPa;第4階段卸載階段最大的應力是183 MPa。

圖2 道路載荷譜測試試驗流程

圖3 驅動橋殼各測量點的最大主應力－時間歷程

2 驅動橋殼危險區(qū)域仿真分析

2.1 有限元模型

寬體礦用車驅動橋殼由橋殼邊和輪邊支撐軸構成。后橋殼的CAD模型如圖4所示，半軸和后軸橋殼是過盈配合，橋殼材料為QT600－3(性能參數(shù)見表1)。本文建立其有限元模型，并對該模型進行合理的簡化，包括不必要的圓角、倒角以及油道等細節(jié)特征。采用solid185八節(jié)點四面體單元，有限元模型如圖4所示，共有331 201個單元，166 923個節(jié)點，動載系數(shù)為3.5，安全系數(shù)為1.5。

圖4 橋殼有限元模型

表1 材料的特性參數(shù)

根據(jù)準靜力學有限元結果分析，應力集中區(qū)域集中在圓弧過渡區(qū)。#1的等效應力為270 MPa，#2的等效應力為265 MPa，均小于屈服應力370 MPa。雖然滿足強度要求，但是高應力依然會導致疲勞失效。

2.2 模態(tài)分析

寬體礦用車在工作的過程中，橋殼由于外部的激勵作用會產(chǎn)生振動。當路面的固有頻率與橋殼的受迫振動頻率接近時會產(chǎn)生共振。在建立的有限元的基礎上，對驅動橋的橋殼進行模態(tài)分析，分析結果如表2所示。模態(tài)分析為深入開展動力學分析提供了參考，計算橋殼的后6階固有頻率以及相應的振型見表2。

表2 驅動橋的后6階模態(tài)

從表2可以看出:前6階的模態(tài)為0，說明橋殼剛體位移;7～12階段的模態(tài)振型最小為199.25 Hz。而車輛在正常行駛過程中系統(tǒng)主要承受的振動頻率為1～50 Hz［13］，與橋殼的固有頻率差距很大，在理論上不會引起橋殼的共振，可認為橋殼的設計合理。進一步研究橋殼厚度固有頻率的影響。從圖5可以看出:減少橋殼的厚度，橋殼的固有頻率也開始降低，橋殼的剛度也相應地下降。

圖5 不同厚度橋殼固有頻率

3 驅動橋殼疲勞壽命評價

圖6是測點1的雨流直方圖，它反映了循環(huán)均值、變程值和循環(huán)次數(shù)之間的關系。疲勞損傷是由于較大的循環(huán)造成的，主要取決于循環(huán)應力的幅度［9］。測點2與測點1結果相似。

圖6 測點1雨流直方圖

忽略橋殼焊縫，將橋殼作為整體進行疲勞分析。通過設置S－N曲線和載荷譜，將平均應力修正定義為Goodman法，定義成活率95%。采用橋殼材料的S－N曲線［14－16］，忽略其他材料的影響，考慮應力均值載荷以及疲勞強度系數(shù)的影響，通過分析得到橋殼的安全系數(shù)(圖8)。從圖8可以看出:橋殼安全系數(shù)最小的區(qū)域為橋殼中心圓弧區(qū)和鋼板彈簧附近的圓弧過渡區(qū)，橋殼的安全系數(shù)最低為1.65，滿足強度以及安全性要求。但是橋殼除了強度要求外還應滿足疲勞壽命要求。

圖7 修正的S－N曲線

圖8 橋殼安全系數(shù)

從表3可以看出:在#1位置發(fā)生萌生裂紋，此處的疲勞壽命值為62×104，滿足最低壽命40× 104的要求。為了進一步研究動應力對疲勞壽命的影響，分析對比準靜力學的有限元疲勞壽命值(見表4)。

表3 基于測點的估算壽命結果

表4 準靜力學有限元壽命結果

對比表3和表4發(fā)現(xiàn)，準靜力學有限元的疲勞壽命值大于基于測估算壽命結果。因為在疲勞失效破壞中，動應力的破壞比靜應力的破壞更大，因此基于測點的壽命值會低于基于準靜力學有限元壽命評價的結果，動應力幅度大的容易產(chǎn)生疲勞失效，與實際的情況相符合。因此，基于測點的估算壽命結果更加準確，但是相對于靜力學有限元壽命的試驗費用也相應地有所增加。

4 結論

本文通過將試驗測得的應力結果作為驅動橋疲勞壽命的載荷譜，結合Miner線性損傷累積法，對驅動橋的疲勞壽命進行分析，并得到以下結論:

1)通過CAD/CAE軟件建立了寬體礦用車驅動橋殼的三維模型，并對驅動橋殼進行虛擬臺架試驗分析及模態(tài)分析，滿足驅動橋殼的強度以及剛度要求。

2)結合礦井路面的采集點道路載荷譜，根據(jù)Miner線性理論對驅動橋殼的疲勞安全系數(shù)以及疲勞壽命進行預估，增加了產(chǎn)品設計的靈活度，對于最終產(chǎn)品的疲勞設計與試驗具有一定的借鑒意義?？蓪ζ鋬?yōu)化以進一步提高橋殼的強度和壽命。

3)找出了潛在的危險位置并結合有限元分析得到驅動橋殼的疲勞壽命，滿足了疲勞可靠性的要求。下一步研究的目標是在滿足疲勞可靠性的同時滿足輕量化的要求。

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(責任編輯 劉舸)

Fatigue Life Prediction of Drive Axle Housing of M ining Dum p Truck Based on Load Spectrum

LUO Tian－h(huán)ong1，Zhou Jun－chao1，HUANG Xing－gang2，ZHONG Zhi2，LIChun－h(huán)ong2

(1.College of Mechanics＆Automobile Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;2.Chongqing Dajiang Xinda Vehicle Company Limited，Chongqing 401320，China)

Drive axle housing is one load－bearing parts of themining dump truck，and fatigue of this component during normal use is inevitable.Because of the differences between the actual road conditions and simplified boundary conditions，it is difficult to predict the fatigue life of drive axle housing rely on the test of drive axle housing or just computer simulation.Through the stressmeasured in experiment results of drive axle load spectrum，combined with the Miner linear damage accumulation method，fatigue life of drive axlewas calculated.According to contrastof the life of the statics values，the results show that the life based on the load spectrum values ismore in line with the actualworking condition.

mining dump truck;drive axle housing;road spectrum;fatigue life

U463.218

A

1674－8425(2014)01－0023－05

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.01.005

2013－06－28

羅天洪(1975—)，男，四川樂至人，博士，教授，主要從事復合傳動、工程機械設計、多領域仿真等方面的研究。

羅天洪，周軍超，黃興剛，等.應用載荷譜的寬體礦用車驅動橋殼壽命預估［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014(1):23－27.

format:LUO Tian－h(huán)ong，Zhou Jun－chao，HUANG Xing－gang，etal.Fatigue Life Prediction of Drive Axle Housing of Mining Dump Truck Based on Load Spectrum［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(1):23－27.