基于PSD的礦用車平衡軸支座螺栓失效仿真分析

王淼，黃森，王瀅，郭云飛，金開

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基于PSD的礦用車平衡軸支座螺栓失效仿真分析

王淼，黃森，王瀅，郭云飛，金開

（陜西汽車控股集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710200）

針對某礦用自卸車平衡軸螺栓早期失效問題，以該型自卸車車架為研究對象，重點(diǎn)關(guān)注平衡軸連接螺栓。以Hyperworks平臺建立有限元模型，對車架進(jìn)行基于功率譜密度的隨機(jī)振動疲勞分析。結(jié)果表明：螺栓在垂向激勵(lì)載荷作用下受到的等效應(yīng)力最大1值為698 MPa，位于內(nèi)側(cè)螺栓處，換算為3應(yīng)力值為2094 MPa，遠(yuǎn)不滿足材料40Cr強(qiáng)度要求，即造成螺栓早期失效的原因是隨機(jī)振動激勵(lì)下，螺栓強(qiáng)度不足。提出改進(jìn)建議：加強(qiáng)平衡軸螺栓的連接強(qiáng)度。經(jīng)過市場驗(yàn)證，改進(jìn)措施取得了良好的效果。

螺栓失效；車架；隨機(jī)振動；功率譜密度PSD

前言

平衡軸是重型載貨車平衡懸架重要的組成部分，是鋼板彈簧的固定點(diǎn)，也是騎馬螺栓固定鋼板彈簧的中心。一般來說對平衡懸架的要求是車輛在制動和驅(qū)動時(shí)兩軸間軸荷轉(zhuǎn)移少，盡量使得作用在車架上的載荷分散。平衡軸在其中起著重要的承載力的作用。

礦用車使用工況一般都比較惡劣，多數(shù)情況都是在非公路超載工況下使用。目前礦用車螺栓早期斷裂問題仿真分析一般多是從靜強(qiáng)度的角度分析強(qiáng)度是否足夠，本文從隨機(jī)振動的角度探究螺栓早期失效的原因。

本文研究的此車型是在某礦廠使用，在類似于搓板路的路面行駛，單趟2km左右，基本無上下坡工況，行駛車速40km/h，裝載45T礦石，日工作時(shí)間20小時(shí)左右。此工況下，行駛5-10天后，平衡軸連接螺栓批量出現(xiàn)斷裂（如圖1）。

圖1 螺栓斷裂圖

1 有限元模型的建立

建立有限元模型是在幾何模型基礎(chǔ)上，將其用有限個(gè)且能真實(shí)地描述連續(xù)幾何體的單元，對連續(xù)幾何模型進(jìn)行離散化。

本文所研究的車架采用前板簧、后平衡懸架結(jié)構(gòu)，主要由橫梁、縱梁和連接板等結(jié)構(gòu)組成。其中，平衡軸螺栓螺柱、平衡軸及支座使用3D單元建模，車架使用2D單元建模，懸架、輪胎、駕駛室質(zhì)量、動力總成質(zhì)量、車橋等使用1D單元模擬。

車架材料為510L，平衡軸、支座材料為ZG310-570，雙頭螺柱材料為40Cr。詳細(xì)參數(shù)如表1。

表1 車架材料參數(shù)表

2 靜強(qiáng)度分析

選取平衡軸螺栓受拉力作用最大時(shí)為其危險(xiǎn)工況即車架對角扭轉(zhuǎn)時(shí)的工況，為強(qiáng)度校核工況。

2.1 約束和載荷邊界條件

取左前輪、右后兩輪抬高150mm，以模擬車架滿載扭轉(zhuǎn)工況。車架模型約束為右前輪約束XYZ三個(gè)自由度，左后兩輪約束Z向自由度，左前輪右后兩輪加Z向150mm的強(qiáng)制位移。載荷條件是沿Z方向加載-1g的加速度。

2.2 靜強(qiáng)度分析結(jié)果

利用HyperWorks 平臺的RADIOSS 求解器進(jìn)行有限元靜強(qiáng)度分析。得到平衡軸螺栓最大應(yīng)力為850.85MPa，位于平衡軸支座連接螺栓中部節(jié)點(diǎn)824419位置，如圖3 所示，未超過材料的強(qiáng)度極限980Mpa。

圖3 靜強(qiáng)度分析結(jié)果

3 頻率響應(yīng)分析

在車輪端加載單位位移激勵(lì)，考慮一般路面激勵(lì)的范圍，以0-20HZ掃頻的方法對車架進(jìn)行頻響分析。得到螺栓處的響應(yīng)如下圖4所示。

圖4 螺栓處的位移頻率響應(yīng)

由圖4可知在頻率為8.8Hz左右時(shí)，螺栓處的位移響應(yīng)很大，可能處在共振狀態(tài)。

4 隨機(jī)振動疲勞

4.1 車架隨機(jī)振動疲勞求解方法

隨機(jī)振動疲勞壽命是通過nCode軟件計(jì)算得到。nCode進(jìn)行隨機(jī)振動壽命分析需要有限元軟件的諧響應(yīng)分析結(jié)果。因此，在hyperworks中先進(jìn)行車架在單位位移激勵(lì)下的諧響應(yīng)分析。在z方向施加單位位移激勵(lì)，對車輪端進(jìn)行固定，求解得出諧響應(yīng)分析的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果。將得出的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果導(dǎo)入nCode中進(jìn)行下一步的隨機(jī)振動疲勞壽命分析。

圖5 40km/h D級路面位移功率譜度

隨機(jī)振動載荷在時(shí)間歷程上每個(gè)時(shí)刻幅值都不同，取某段時(shí)間歷程計(jì)算隨機(jī)振動疲勞壽命很難代表全時(shí)間歷程的疲勞壽命，而功率譜密度容易獲得并且可以代表全時(shí)間歷程的載荷過程，因此在隨機(jī)振動過程中采用功率譜密度(PSD)表示載荷歷程計(jì)算隨機(jī)振動疲勞壽命。

依照市場反饋的本車行駛路面，本文取40km/h的D級路面的位移功率譜密度作為激勵(lì)源，在計(jì)算車架模態(tài)的基礎(chǔ)上選取0-35Hz的功率譜密度進(jìn)行隨機(jī)振動疲勞分析。

隨機(jī)振動是基于概率統(tǒng)計(jì)方法的一種近似仿真手段，對于隨機(jī)振動的應(yīng)力計(jì)算，采用高斯三區(qū)間法統(tǒng)計(jì)，見表2。

表2 三區(qū)間法統(tǒng)計(jì)值

4.2 車架隨機(jī)振動疲勞求解結(jié)果

在ncode中，求解得到車架平衡軸連接螺栓應(yīng)力云圖，如圖6和所示。通過應(yīng)力結(jié)果云圖可以看出，螺栓在z向激勵(lì)載荷作用下受到的等效應(yīng)力最大1σ值為698 MPa，位于內(nèi)側(cè)螺栓處，換算為3σ應(yīng)力值為2094 MPa，遠(yuǎn)不滿足材料40Cr強(qiáng)度要求。

圖6 平衡軸連接螺栓應(yīng)力云圖

表3 隨機(jī)振動疲勞結(jié)果

選取螺栓和螺柱上疲勞壽命最短的一部分節(jié)點(diǎn)的結(jié)果如表3所示，許多節(jié)點(diǎn)處的3σ應(yīng)力遠(yuǎn)超材料的抗拉極限，并且隨機(jī)振動壽命非常短，與此車反饋的5-10天平衡軸連接螺栓斷裂的情況一致性很高。

5 結(jié)語

根據(jù)仿真分析的結(jié)果，為該車型提出了后續(xù)改進(jìn)方案，加強(qiáng)了平衡軸螺栓的連接強(qiáng)度，用同樣的仿真手段先行驗(yàn)證了振動疲勞壽命，并推廣到市場，再無類似的短時(shí)間內(nèi)平衡軸連接螺栓批量斷裂問題的出現(xiàn)。從實(shí)踐的角度驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。

本文仿真分析以某礦用車平衡軸螺栓為分析對象，構(gòu)建了該礦用車車架的有限元模型，對其進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析；并在此基礎(chǔ)上將路面位移功率譜密度作為輸入激勵(lì)，進(jìn)行隨機(jī)振動分析，推斷了螺栓失效的原因。

為類似故障診斷的問題提供了一個(gè)新的分析問題的角度，不僅要考慮靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)，還要考慮隨機(jī)振動響應(yīng)特性對結(jié)構(gòu)壽命的影響，從此角度進(jìn)行仿真分析，有效的縮短了市場問題反饋的周期，為后續(xù)同類問題的研究提供了參考。

[1] 黃軍,王瑞杰等.點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)在隨機(jī)振動環(huán)境下的疲勞壽命研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2017,36(12):1838-1842.

[2] 曹賓,王振宏等.基于位移功率譜密度的車架隨機(jī)振動研究[J].新技術(shù)新工藝,2014,(6):87-90.

[3] 韓鋒鋼,張思泉等.某車用電池箱隨機(jī)振動仿真分析[J].機(jī)電技術(shù), 2016.(4):9-12.

[4] 修瑞仙,肖守訥等.基于PSD方法的點(diǎn)焊軌道客車車體隨機(jī)振動疲勞壽命分析[J].機(jī)械,2013,40(8):27-31.

Simulation analysis for failure of mine vehicle balance shaft support bolts based on PSD

Wang Miao, Huang Sen, Wang Ying, Guo Yunfei, Jin Kai

( Shaanxi Automobile Holding Group Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

In order to solve the problem of early failure of the balance shaft bolt of a mine dumper, the research object of this type dumper frame is to focus on the balance shaft connection bolt. A finite element model based on Hyperworks platform was established to analyze the vehicle frame random vibration fatigue based on power spectral density. The results show that the bolt under the action of vertical excitation load by the equivalent stress of the biggest 1value of 698 MPa, is located at the inside of the bolt, conversion is 3stress value is 2094 MPa, far did not meet the requirements of 40 cr material strength, that is, the cause of premature failure of the bolts is under random vibration excitation, the bolt strength is insufficient. Suggestions for improvement: strengthen the connection strength of balance shaft bolts. After market verification, the improvement measures have achieved good results.

bolt failure; frame; random vibration; power spectral density

B

1671-7988(2018)18-127-03

U467

B

1671-7988(2018)18-127-03

CLC NO.: U467

王淼，就職于陜西汽車控股集團(tuán)有限公司，主要從事汽車NVH相關(guān)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.043