面向再制造的挖掘機(jī)工作裝置剩余疲勞壽命預(yù)測(cè)研究綜述

曹露露，劉 奎，王 嚴(yán)，樊 浩

（長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710064）

0 引言

挖掘機(jī)作為廣泛應(yīng)用的工程機(jī)械，在城市建設(shè)、交通運(yùn)輸、能源開(kāi)發(fā)、農(nóng)田水利和國(guó)防建設(shè)中發(fā)揮著巨大作用。工作裝置是挖掘機(jī)主要的受載部件，也是挖掘機(jī)制造過(guò)程中消耗鋼材最多的部件，生產(chǎn)廠商從產(chǎn)品可靠性的角度出發(fā)對(duì)其采用偏保守的設(shè)計(jì)以確保在服役期內(nèi)不發(fā)生疲勞破壞，這使得挖掘機(jī)工作裝置的制造成本增加且很多在退役時(shí)依然完好。因此，對(duì)挖掘機(jī)工作裝置實(shí)施再制造對(duì)經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性都具有重要意義。

廢舊挖掘機(jī)一般都是經(jīng)歷過(guò)一次或多次服役周期，由于其服役工況和服役環(huán)境不同，其壽命特征也不一樣。徐濱士院士指出，壽命評(píng)估是判斷廢舊零部件是否具有再制造價(jià)值的基礎(chǔ)[1]。對(duì)于廢舊挖掘機(jī)工作裝置來(lái)說(shuō)，判斷其是否具有剩余使用壽命，其剩余使用壽命能否維持下一個(gè)壽命周期直接影響著其資源化策略。因此，開(kāi)展面向再制造的挖掘機(jī)工作裝置剩余疲勞壽命預(yù)測(cè)研究是非常必要的。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 疲勞壽命預(yù)測(cè)

美國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家將疲勞損傷累積理論、斷裂力學(xué)、有限元法以及疲勞強(qiáng)度分析方法等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于工程機(jī)械疲勞壽命的研究。疲勞壽命預(yù)測(cè)問(wèn)題的復(fù)雜程度因結(jié)構(gòu)、材料、使用工況等的不同而不盡相同[2]。美國(guó)提出了考核動(dòng)強(qiáng)度的預(yù)測(cè)產(chǎn)品失效的理論。日本制定了液壓挖掘機(jī)構(gòu)件的強(qiáng)度評(píng)定程序，研制了可靠性處理系統(tǒng)，并借助于大量試驗(yàn)提高了其可靠性和耐久性。例如，液壓挖掘機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)率達(dá)到85%～95%，使用壽命超過(guò)1萬(wàn)小時(shí)。國(guó)內(nèi)徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司、三一重工、中聯(lián)重科、柳工、山河智能等知名工程機(jī)械企業(yè)都建立了各自的研發(fā)機(jī)構(gòu)，開(kāi)始著手挖掘機(jī)等工程機(jī)械疲勞耐久性研究。近年來(lái)，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者在液壓挖掘機(jī)工作裝置疲勞強(qiáng)度計(jì)算和壽命預(yù)測(cè)領(lǐng)域進(jìn)行了相關(guān)研究[3]，并取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前對(duì)液壓挖掘機(jī)工作裝置疲勞壽命預(yù)測(cè)的相關(guān)研究主要集中在以下幾個(gè)方面：

（1）基于試驗(yàn)方法的挖掘機(jī)工作裝置疲勞壽命研究：天津工程機(jī)械研究所的科研人員對(duì)液壓挖掘機(jī)工作裝置的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究，較好地模擬了現(xiàn)場(chǎng)挖掘的情況[4]；太原理工大學(xué)[5]科研人員通過(guò)實(shí)測(cè)載荷歷程，結(jié)合名義應(yīng)力法估算危險(xiǎn)點(diǎn)疲勞壽命。

（2）基于模擬載荷及疲勞仿真軟件的挖掘機(jī)工作裝置疲勞壽命研究：計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展使得在仿真軟件中模擬載荷進(jìn)行結(jié)構(gòu)的疲勞壽命預(yù)測(cè)成為可能。如山東大學(xué)[6]科研人員通過(guò)挖掘機(jī)工作裝置的有限元分析建立疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)的近似應(yīng)力應(yīng)變時(shí)間歷程并采用軟件的疲勞模塊進(jìn)行疲勞壽命估算；同濟(jì)大學(xué)科研人員利用各液壓缸壓力和位移結(jié)合平衡方程得到動(dòng)臂各鉸點(diǎn)的工作載荷，再用Fatigue軟件對(duì)動(dòng)臂進(jìn)行疲勞分析[7]；吉林大學(xué)科研人員通過(guò)鏟斗挖掘土壤過(guò)程仿真獲得工作裝置各鉸點(diǎn)的載荷時(shí)間歷程以編制載荷譜實(shí)現(xiàn)工作裝置的疲勞壽命計(jì)算[8]。

（3）基于信息技術(shù)的挖掘機(jī)工作裝置疲勞壽命研究：將人工智能技術(shù)和傳統(tǒng)的疲勞可靠性分析結(jié)合起來(lái)，在確定隨機(jī)變量的基礎(chǔ)上，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)面法來(lái)模擬不能用顯式表達(dá)的結(jié)構(gòu)功能函數(shù)，通過(guò)模擬的功能函數(shù)來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)的可靠度，為結(jié)構(gòu)的服役時(shí)間提供參考[9]。

1.2 面向再制造的壽命預(yù)測(cè)

針對(duì)廢舊產(chǎn)品可再制造性評(píng)估中的壽命特征，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同的角度展開(kāi)了以下研究：Darisuren S，Amanov A，Kim J等人對(duì)調(diào)心滾子軸承的再制造過(guò)程及其壽命預(yù)測(cè)精度的提高進(jìn)行了研究[10]；國(guó)防科技大學(xué)的研究者采用加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)相融合的辦法提高對(duì)廢舊產(chǎn)品剩余壽命評(píng)估的精度[11]；上海交通大學(xué)的研究者使用有限元理論對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的可再制造性進(jìn)行了研究[12]；華中科技大學(xué)的研究者提出采用CAE工況仿真和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法預(yù)測(cè)工程機(jī)械再制造剩余疲勞壽命的方法[13]。

1.3 工程機(jī)械再制造

國(guó)外，以歐洲、美國(guó)和日本為代表的國(guó)外工程機(jī)械廠商，其再制造產(chǎn)業(yè)起步早、技術(shù)成熟，現(xiàn)已形成規(guī)?；a(chǎn)，成為循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要組成部分?？ㄌ乇死展驹僦圃鞓I(yè)務(wù)在2009年已成為公司的支柱產(chǎn)業(yè)，全年的再制造銷(xiāo)售總額超過(guò)該公司全部業(yè)務(wù)銷(xiāo)售總額的一半。日本在機(jī)械裝備再制造領(lǐng)域的發(fā)展也取得了較大的成績(jī)，2008年單工程機(jī)械再制造數(shù)量就高達(dá)9萬(wàn)臺(tái)，其中將近一半出口其他區(qū)國(guó)家。

與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展得比較晚?！霸僦圃臁备拍钍怯尚鞛I士院士于1999年6月在西安召開(kāi)的“先進(jìn)制造技術(shù)”國(guó)際會(huì)議上首次提出的。2009年，國(guó)家工信部啟動(dòng)了包括工程機(jī)械、礦采機(jī)械、機(jī)床、船舶、再制造產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)等在內(nèi)的8大領(lǐng)域35家企業(yè)參加的再制造試點(diǎn)工作，并取得了顯著的成效，其中濟(jì)南復(fù)強(qiáng)動(dòng)力有限公司形成了以再制造斯太爾發(fā)動(dòng)機(jī)為主的二十多個(gè)再制造發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，已達(dá)到年生產(chǎn)各類(lèi)再制造發(fā)動(dòng)機(jī)20000臺(tái)的能力[14]。還有一些國(guó)內(nèi)企業(yè)是跟國(guó)外企業(yè)合作成立專(zhuān)門(mén)從事工程機(jī)械再制造的公司如玉柴和卡特彼勒合作建立玉柴再制造工業(yè)（蘇州）有限公司。

2 現(xiàn)有研究存在問(wèn)題

（1）疲勞壽命預(yù)測(cè)方面。針對(duì)挖掘機(jī)工作裝置疲勞壽命的研究很多，但都是針對(duì)單一作業(yè)介質(zhì)工況進(jìn)行的，而在挖掘機(jī)的全壽命周期內(nèi)，會(huì)遇到多種作業(yè)對(duì)象，工作裝置所承受的實(shí)際載荷是因作業(yè)介質(zhì)工況的不同而不同的；另外，已有研究大多未考慮焊縫的影響，將焊縫的材料處理為與母材相同，這與工作裝置的實(shí)際性能存在一定的差別。一般通過(guò)實(shí)測(cè)載荷歷程，采用雨流計(jì)數(shù)法推導(dǎo)S-N曲線，結(jié)合名義應(yīng)力法估算危險(xiǎn)點(diǎn)疲勞壽命；或通過(guò)對(duì)液壓挖掘機(jī)工作裝置的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究，較好地模擬了現(xiàn)場(chǎng)挖掘的情況；但是，實(shí)測(cè)方法由于測(cè)點(diǎn)數(shù)較少不能反映整個(gè)工作裝置的應(yīng)力應(yīng)變變化過(guò)程。

而對(duì)于單純利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行模擬的方法來(lái)說(shuō)，雖然克服了測(cè)點(diǎn)數(shù)目的局限性，但是由于挖掘機(jī)實(shí)際工作載荷具有隨機(jī)性和不確定性，仿真軟件中很難模擬出復(fù)雜的真實(shí)載荷。如通過(guò)挖掘機(jī)工作裝置的有限元分析建立疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)的近似應(yīng)力應(yīng)變時(shí)間歷程并采用軟件的疲勞模塊進(jìn)行疲勞壽命估算；利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真獲得載荷譜，在Msc.Fatigue中計(jì)算出挖掘機(jī)動(dòng)臂的疲勞壽命云圖。雖然這些嘗試通過(guò)試驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方法進(jìn)行分析，但在研究中也未考慮實(shí)際作業(yè)工況下不同作業(yè)對(duì)象的影響以及焊縫對(duì)工作裝置疲勞壽命的影響。

（2）面向再制造的壽命預(yù)測(cè)方面。雖然已有學(xué)者嘗試通過(guò)不同研究對(duì)象，如調(diào)心滾子軸承、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸等。如以45#鋼為對(duì)象，應(yīng)用金屬磁記憶無(wú)損檢測(cè)技術(shù)分別對(duì)光滑試件和缺口試件檢測(cè)，嘗試建立磁記憶信號(hào)峰值與再制造毛坯剩余壽命的關(guān)系模型；基于廢舊零部件剩余使用壽命的可再制造決策模型，對(duì)剩余使用壽命采用平均壽命與實(shí)際使用壽命相減得到；這些從面向再制造的壽命預(yù)測(cè)方面進(jìn)行研究，但是針對(duì)挖掘機(jī)工作裝置再制造剩余疲勞壽命進(jìn)行研究卻鮮有報(bào)道。

（3）工程機(jī)械再制造方面。在理論研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)再制造的研究主要集中在關(guān)于再制造的發(fā)展和對(duì)再制造的認(rèn)識(shí)、再制造技術(shù)（包括生產(chǎn)組織管理、工藝流程、逆向物流等）、面向再制造的設(shè)計(jì)等，針對(duì)再制造機(jī)械零部件剩余壽命的研究非常少。在實(shí)踐方面，國(guó)外企業(yè)已取得了許多令人羨慕的成就，國(guó)內(nèi)企業(yè)仍處于再制造的探索階段，且關(guān)注更多的是再制造工藝技術(shù)方面，如：如何保證再制造產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性、如何建立完善的舊件檢測(cè)質(zhì)量控制體系、如何提高再制造技術(shù)等，而對(duì)廢舊零部件的剩余壽命沒(méi)有進(jìn)行深入研究。

3 研究工作發(fā)展的趨勢(shì)

針對(duì)面向再制造的壽命預(yù)測(cè)研究偏少，從面向挖掘機(jī)工作裝置再制造的角度出發(fā)，后續(xù)的研究工作應(yīng)包括以下幾個(gè)方面：

（1）以服役歷程清楚的中型挖掘機(jī)為研究對(duì)象，建立挖掘機(jī)工作裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型。

（2）結(jié)合實(shí)際作業(yè)工況下不同作業(yè)對(duì)象以及焊縫對(duì)工作裝置疲勞壽命的影響，著手測(cè)試不同介質(zhì)工況下挖掘機(jī)工作裝置現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算、軟件仿真相結(jié)合的方法，得到挖掘機(jī)工作裝置各鉸點(diǎn)的真實(shí)工作載荷。

（3）考慮在焊縫影響下，研究多工況真實(shí)載荷驅(qū)動(dòng)下，挖掘機(jī)工作裝置再制造剩余疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，為挖掘機(jī)工作裝置中動(dòng)臂、斗桿等關(guān)鍵部件再制造性決策提供依據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出進(jìn)行挖掘機(jī)工作裝置疲勞壽命預(yù)測(cè)時(shí)考慮焊縫的影響，借助試驗(yàn)、理論計(jì)算、虛擬仿真多種分析手段，獲得挖掘機(jī)工作裝置各鉸點(diǎn)力在整個(gè)工作過(guò)程中的真實(shí)變化歷程，探索面向挖掘機(jī)工作裝置再制造的剩余疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，為挖掘機(jī)工作裝置剩余疲勞壽命的準(zhǔn)確計(jì)算打下基礎(chǔ)。在后續(xù)的研究中，針對(duì)挖掘機(jī)工作裝置疲勞分析中由于復(fù)雜載荷難以模擬而導(dǎo)致結(jié)果誤差大的問(wèn)題，擬采取一種完全由真實(shí)載荷驅(qū)動(dòng)的工作裝置剩余疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，該方法需要根據(jù)傳感器記錄的挖掘過(guò)程中動(dòng)臂液壓缸、斗桿液壓缸、鏟斗液壓缸壓力和位移的數(shù)據(jù)推導(dǎo)出工作裝置上各鉸點(diǎn)的真實(shí)工作載荷。這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基于真實(shí)載荷驅(qū)動(dòng)的工作裝置剩余疲勞壽命預(yù)測(cè)方法的實(shí)現(xiàn)提供了必要條件。