某移動(dòng)水泵車舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可靠性分析

楊　陽，韓　勇，闕彬元（.廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建廈門3604；.福建僑龍專用汽車有限公司，福建龍巖364099）

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某移動(dòng)水泵車舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可靠性分析

楊陽1，韓勇1，闕彬元2
（1.廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建廈門361024；2.福建僑龍專用汽車有限公司，福建龍巖364099）

摘要：為了驗(yàn)證某移動(dòng)水泵車舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的可靠性，本文采用有限元方法建立其有限元模型，分析機(jī)構(gòu)在15毅和90毅垂直工況下的應(yīng)力分布，并根據(jù)疲勞強(qiáng)度基本理論、可靠性理論，綜合水的流量、流速、重力等參數(shù)的影響，有效的評(píng)價(jià)舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的疲勞特性和可靠性。分析結(jié)果表明，機(jī)構(gòu)最容易出現(xiàn)疲勞失效的部位在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的固定底座上，最危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)ID為node 11304，其循環(huán)次數(shù)、相對(duì)壽命和疲勞損傷度分別是2.344E5、5.392和4.274E-6；舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的Von Mises應(yīng)力最大為120.8 MPa，應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料本身的屈服強(qiáng)度，完全能滿足可靠性強(qiáng)度要求。

關(guān)鍵詞：舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；有限元；疲勞強(qiáng)度；可靠性

1引言

為解決傳統(tǒng)固定泵站基建投資高、使用受限制、使用時(shí)間短、管理維修費(fèi)用高等問題，某公司開發(fā)了投資小、使用范圍廣、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、設(shè)備人員利用率高的專業(yè)移動(dòng)水泵車，適用緊急排澇、清理污水、消防應(yīng)急、農(nóng)業(yè)灌溉、應(yīng)急抽排水、抗旱供水等多領(lǐng)域[1-5]。其配備的自主研發(fā)設(shè)計(jì)的舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)裝置，改變?cè)瓉淼墓ぷ鳈C(jī)構(gòu)缺限，在機(jī)構(gòu)中選用舉升油缸，合理設(shè)計(jì)可多角度翻轉(zhuǎn)的翻轉(zhuǎn)架機(jī)構(gòu)總成,不僅解決了險(xiǎn)地縱深推進(jìn)的問題，而且翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)裝置可以隨回轉(zhuǎn)平臺(tái)向后推移，使原本底盤緊湊的布置空間得到緩解，再通過固定于上平臺(tái)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)架翻角，簡化傳統(tǒng)需借助人力的吊裝機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)多角度險(xiǎn)地供搶排取水的技術(shù)創(chuàng)新[6-10]。

本文以該公司的舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，在研究和了解其工作原理的基礎(chǔ)上，基于該機(jī)構(gòu)的三維模型建立了有限元模型，綜合考慮水的流量、流速、重力等參數(shù)的影響，對(duì)兩種極限工況下的應(yīng)力分布情況進(jìn)行仿真。最后根據(jù)疲勞強(qiáng)度理論、可靠性理論和仿真結(jié)果，分析驗(yàn)證該機(jī)構(gòu)的疲勞特性和可靠性。

2舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作原理及模型的建立

2.1工作原理

舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由翻轉(zhuǎn)下支架、翻轉(zhuǎn)上支架、舉升油缸、翻轉(zhuǎn)支座組成。圖1為該公司的移動(dòng)水泵車舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)裝置的結(jié)構(gòu)簡圖。

圖1　僑龍移動(dòng)泵車舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖

舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作原理是當(dāng)移動(dòng)水泵車在險(xiǎn)地需成角度或垂直取水時(shí)，先讓油缸平移機(jī)構(gòu)把回轉(zhuǎn)平臺(tái)推向車尾端所需位置，然后通過舉升油缸7、舉升翻轉(zhuǎn)下支架9，使之繞著翻轉(zhuǎn)支座4與車體成角度勻速向車后端方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)翻轉(zhuǎn)上支架1翻轉(zhuǎn)至所需取水位置的角度時(shí)，舉升油缸7停止工作，再由拖鏈支柱2、軸承3完成伸縮升降機(jī)構(gòu)的工作流程，最終將帶有排水管的潛水泵移至積水處完成險(xiǎn)地取水。

取水工作完畢后，伸縮升降機(jī)構(gòu)將帶有潛水泵的排水管在翻轉(zhuǎn)上支架的輔助機(jī)構(gòu)配合下，進(jìn)行回升收縮，再通過舉升油缸7的收縮，使翻轉(zhuǎn)下支架9繞著翻轉(zhuǎn)支座4與車體成角度勻速向車前端方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)翻轉(zhuǎn)下支架9降至縱向水平的初始位置時(shí)，舉升油缸7停止工作，整個(gè)舉升翻轉(zhuǎn)的工作流程結(jié)束。

2.2仿真模型的建立及參數(shù)

本文在CAD三維模型的基礎(chǔ)上，對(duì)舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格主要采用四面體實(shí)體單元和四邊形殼單元進(jìn)行模擬，其單元質(zhì)量嚴(yán)格控制在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。最終，有限元模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為168 604個(gè)，單元總數(shù)為317 833個(gè)。其中實(shí)體單元數(shù)為212 182個(gè)，殼單元數(shù)為104 737個(gè)。圖2為舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的有限元模型。

圖2　舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的有限元模型

該機(jī)構(gòu)主要采用Q235鋼，材料特性如表1所示，其真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

表1　Q235材料參數(shù)

圖3　Q235鋼真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.3邊界條件

由于本文考量的主要是舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為15° 和90°垂直這兩種極限工況，其主要?jiǎng)恿碓从诠ぷ鲿r(shí)水流的速度。根據(jù)工作時(shí)的水流量和伸縮管的橫截面積算出水流速度，計(jì)算公式如下：

其中，Q為水的流量，A為伸縮管的橫截面積。

經(jīng)過計(jì)算得出水流速度為4.2 m/s，將舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的底座固定，將速度賦予在伸縮管上，賦予整個(gè)模型重力。圖4為邊界條件示意圖，其中圖（a）為15°工況，圖（b）為90°垂直工況

圖4　邊界條件示意圖

2.4疲勞分析理論

由于本文研究的舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)疲勞破壞時(shí)材料仍處于彈性區(qū)域，屬于高周疲勞[11]的范疇，故采用名義應(yīng)力法對(duì)舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析[12、13]。

使用名義應(yīng)力法進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算時(shí)，主要步驟如下：

（1）確定結(jié)構(gòu)中的疲勞危險(xiǎn)部位；

（2）求出位點(diǎn)部位的名義應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)；

（3）根據(jù)載荷譜確定危險(xiǎn)部位的名義應(yīng)力譜；

（4）應(yīng)用疲勞累積損傷理論，求出危險(xiǎn)部位的疲勞壽命。

疲勞分析的關(guān)鍵就是確定S-N模型。因?yàn)楸疚难芯康呐e升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用的是Q235材料，利用數(shù)值統(tǒng)計(jì)理論，經(jīng)假設(shè)檢驗(yàn)，可確定其分布為正態(tài)分布。從而確定其應(yīng)力型S-N關(guān)系為：

式中：Nf-疲勞壽命，S-疲勞應(yīng)力幅，A、SC-材料常數(shù)。Q235的S-N曲線如圖5所示。

圖5　Q235 S-N曲線

3結(jié)果分析與討論

3.1有限元應(yīng)力分析

從仿真結(jié)果看出最大應(yīng)力出現(xiàn)在翻轉(zhuǎn)裝置的固定底座處（如圖6所示），圖7是舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的Von Mises等效應(yīng)力圖。其中，圖7（a）是15°工況下VonMises等效應(yīng)力圖，圖7（b）是90°工況下Von Mises等效應(yīng)力圖。

圖6　最大應(yīng)力出現(xiàn)處

從圖7可以看出，在重力和載荷的共同作用下，舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在90°垂直工況下的Von Mises等效應(yīng)力大于15°工況，發(fā)生位置在翻轉(zhuǎn)裝置上。舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的Von Mises等效應(yīng)力最大值為120.8 MPa，位置為鉸鏈位置的37 824號(hào)單元上。

3.2疲勞強(qiáng)度分析

根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]，材料Q235對(duì)應(yīng)存活率為95% 的p-S-N關(guān)系為：

根據(jù)線性疲勞累積損傷理論的知識(shí)，舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在每受到一次載荷循環(huán)的疲勞損傷是一樣的[15-17]。本文采用載荷譜為常幅譜[18]，運(yùn)用專業(yè)軟件，根據(jù)S-N曲線，結(jié)合仿真結(jié)果中各個(gè)零部件內(nèi)所有點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變信息，求得每一點(diǎn)的疲勞壽命，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的損傷度分布進(jìn)行評(píng)估。經(jīng)過分析，最危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)的循環(huán)次數(shù)和疲勞損傷度情況如表2所示：

圖7　舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的Von Mises等效應(yīng)力圖

表2　最危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)的循環(huán)次數(shù)和疲勞損傷度情況

從表2中可以看出，最危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)為11304號(hào)節(jié)點(diǎn)，其循環(huán)次數(shù)最少，為2.344E5；同時(shí)它的損傷度為4.274E-6，相對(duì)壽命是5.392,是所列的單元列表中損傷度最大的一個(gè)。該節(jié)點(diǎn)位于后排翻轉(zhuǎn)裝置的固定結(jié)構(gòu)上，原因是該處為整個(gè)伸縮管和滑移機(jī)構(gòu)的支撐點(diǎn)，同時(shí)支座與平臺(tái)接觸面積較小，容易受力集中。用疲勞損傷度來判斷，此處是疲勞強(qiáng)度最低的地方。

3.3可靠性分析

舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要求在極限工況下，最大應(yīng)力小于材料的極限應(yīng)力。由仿真分析可知翻轉(zhuǎn)裝置固定位置受力最大，最容易失效。由于該位置使用的是Q235材料，基于此，定義舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的可靠性的功能函數(shù)為：

其中，F(xiàn)max——機(jī)構(gòu)在極限位置工作的最大應(yīng)力；F0——Q235材料的極限應(yīng)力。如果Fmax超過極限應(yīng)力，則機(jī)構(gòu)將會(huì)失效，如果Fmax遠(yuǎn)小于極限應(yīng)力，則機(jī)構(gòu)安全。

從仿真結(jié)果分析結(jié)合可靠性功能函數(shù)可以得出，舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的米澤斯等效最大應(yīng)力值僅為120.8 MPa，機(jī)構(gòu)的應(yīng)力水平較低，在現(xiàn)有要求下強(qiáng)度完全能滿足。

4結(jié)論

本文基于彈性力學(xué)有限單元法理論、相關(guān)可靠性及疲勞強(qiáng)度理論，建立了某移動(dòng)水泵車舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的有限元模型，運(yùn)用疲勞強(qiáng)度理論計(jì)算，以及相關(guān)的可靠性和疲勞強(qiáng)度理論知識(shí)，對(duì)舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的可靠性和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了分析、評(píng)價(jià)。主要結(jié)論如下：

（1）經(jīng)過有限元計(jì)算，該舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)裝置由于受力面積小，應(yīng)力集中等因素的原因，某些區(qū)域應(yīng)力較大，疲勞壽命較低。11304號(hào)節(jié)點(diǎn)的循環(huán)次數(shù)最少，為2.344E5，相對(duì)壽命是5.392。

（2）由于舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的Von Mises等效最大應(yīng)力值僅為120.8 MPa，遠(yuǎn)小于材料的極限屈服應(yīng)力，因此機(jī)構(gòu)可以有效安穩(wěn)的運(yùn)行。

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作者簡介：楊陽（1990-），男，研究方向：車輛工程。

收稿日期：2015-07-21

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.03.014

中圖分類號(hào)：U463.92

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5387（2016）03-0047-04