輪式裝載機(jī)動(dòng)臂疲勞壽命評(píng)估分析

倪 棟

（廈門市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，福建 廈門 361004）

動(dòng)臂為裝載機(jī)工作裝置的重要組成部件，也是主要承載構(gòu)件，其受力情況較為復(fù)雜，加之長(zhǎng)期在隨機(jī)載荷下服役，很難對(duì)其真實(shí)的疲勞強(qiáng)度作出可靠評(píng)價(jià)。設(shè)計(jì)中往往出現(xiàn)靜強(qiáng)度富裕而動(dòng)強(qiáng)度不足的情況，造成部分裝載機(jī)在使用中未達(dá)到5000h工作時(shí)間就出現(xiàn)了疲勞裂紋或發(fā)生斷裂［1］。因此，開展對(duì)裝載機(jī)動(dòng)臂疲勞壽命的試驗(yàn)研究和評(píng)估分析，對(duì)實(shí)現(xiàn)在役裝載機(jī)動(dòng)臂剩余壽命的在線監(jiān)測(cè)，預(yù)防疲勞斷裂事故的發(fā)生，指導(dǎo)裝載機(jī)動(dòng)臂的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和再制造都具有十分重要的意義。

1 裝載機(jī)動(dòng)臂疲勞壽命評(píng)估方法

1.1 名義應(yīng)力法

試件和零件在高于104～105次以上載荷循環(huán)而產(chǎn)生的疲勞，稱為高周疲勞。對(duì)于高周疲勞，通常采用名義應(yīng)力法［2-3］。在幾何突變的地方會(huì)有應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中以應(yīng)力集中系數(shù)表示。如果不考慮應(yīng)力集中系數(shù)，直接用構(gòu)件彎矩除以構(gòu)件的剖面模數(shù)所得到的力就是名義應(yīng)力。實(shí)際的應(yīng)力則為名義應(yīng)力×應(yīng)力集中系數(shù)。名義應(yīng)力是不能直接用于疲勞分析的，需要考慮應(yīng)力集中系數(shù)后再用S—N曲線計(jì)算疲勞壽命。名義應(yīng)力法是傳統(tǒng)的疲勞設(shè)計(jì)方法，本文利用名義應(yīng)力法的Mine線性疲勞累積損傷理論對(duì)裝載機(jī)的動(dòng)臂進(jìn)行疲勞壽命的估算。

1.2 雨流計(jì)數(shù)法編制載荷譜

動(dòng)臂所承受的疲勞載荷或疲勞應(yīng)力實(shí)際上為連續(xù)的隨機(jī)過程，因此在進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算和壽命評(píng)估之前必須先確定其載荷譜。將載荷—時(shí)間歷程處理為—系列的全循環(huán)或半循環(huán)的過程叫做計(jì)數(shù)法，目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用的是雨流計(jì)數(shù)法［4-7］。為了編程簡(jiǎn)單，采用“四峰谷計(jì)數(shù)法”來實(shí)現(xiàn)［8-10］，其步驟如下：

（1）峰谷值提取。

首先，由于現(xiàn)有疲勞分析不考慮加載循環(huán)中具體的時(shí)間因素影響，只關(guān)心均值和幅度值，所以，對(duì)于任意的載荷譜，必須進(jìn)行峰值和谷值提取，減少疲勞分析工作的復(fù)雜程度。在程序中使用的是3點(diǎn)判別法，即對(duì)于任意順序的3個(gè)點(diǎn)A、B和C，如果其載荷（A-B）×（B-C）＞=0，則說明B點(diǎn)必然不會(huì)是最后載荷譜中的峰值或者谷值之一。于是可以將B點(diǎn)從載荷譜中除去，如圖1所示。

（2）雨流計(jì)數(shù)。

圖1 3點(diǎn)判別法

對(duì)于某個(gè)載荷譜的峰值—谷值曲線，假設(shè)載荷譜中有順序的4個(gè)頂點(diǎn)S1、S2、S3和S4，設(shè)ΔS1=|S2-S3|，ΔS2=|S1-S4|。如果ΔS1<=ΔS2，則說明S2和S3構(gòu)成了1個(gè)載荷循環(huán)，將他們從載荷譜中取出。作為1個(gè)載荷循環(huán)，剩下的載荷譜作為1個(gè)新的載荷譜，重新開始使用4點(diǎn)法進(jìn)行處理，如圖2所示。最后剩下的載荷譜，用4點(diǎn)法再也不能提取出新的載荷循環(huán)時(shí)，將該載荷譜復(fù)制1份，添加到該載荷譜尾部，形成1個(gè)新的載荷譜，第2次進(jìn)行4點(diǎn)法處理，直到?jīng)]法再提取出載荷循環(huán)為止。至此，原來2次4點(diǎn)法提取出來的所有載荷循環(huán)就是原始載荷譜的所有載荷循環(huán)，雨流法順利結(jié)束。

圖2 4點(diǎn)法

2 ZL50裝載機(jī)動(dòng)臂疲勞壽命評(píng)估計(jì)算

本文以某公司生產(chǎn)的ZL50裝載機(jī)為例，按照典型實(shí)際工況進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試并進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估。由于受到機(jī)型、試驗(yàn)設(shè)備、場(chǎng)地、工況的再現(xiàn)性等因素制約，在測(cè)試和分析過程中進(jìn)行了較多的假設(shè)。

2.1 測(cè)點(diǎn)的選定

動(dòng)臂作為裝載機(jī)主要承載受力件，是鏟斗和搖臂的主要結(jié)構(gòu)支撐件，因此動(dòng)臂必須有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備。從測(cè)試必要性、測(cè)試成本等方面上考慮，我們將在動(dòng)臂有限元分析中出現(xiàn)高應(yīng)力的部位選定幾個(gè)點(diǎn)作為測(cè)試點(diǎn)；同時(shí)結(jié)合目前所收集到的產(chǎn)品質(zhì)量反饋信息，在動(dòng)臂發(fā)生過損壞、斷裂、失效的位置上選定一些點(diǎn)作為測(cè)試點(diǎn)。最后確定的測(cè)試點(diǎn)位置如圖3所示，其中3#、4#、5#點(diǎn)是本文重點(diǎn)考察對(duì)象。

圖3 測(cè)試點(diǎn)分布示意圖

2.2 測(cè)試工況

選定的典型作業(yè)工況為：裝載機(jī)按V形，6分段作業(yè)方式進(jìn)行正鏟裝作業(yè)；帶表性的物料為：土方（密實(shí)土壤）；樣本容量為20～30斗。

2.3 裝載機(jī)動(dòng)臂疲勞壽命評(píng)估計(jì)算

2.3.1 雨流法計(jì)數(shù)及其結(jié)果簡(jiǎn)化

將無線應(yīng)力測(cè)試采集的信號(hào)用雨流計(jì)數(shù)法進(jìn)行計(jì)數(shù)處理，得到關(guān)于應(yīng)力循環(huán)的均值與幅值的二維聯(lián)合分布矩陣。這里僅選取應(yīng)力水平最高的第4測(cè)點(diǎn)加以分析。

為了分析問題簡(jiǎn)單起見，將二維數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化為在某一固定均值下的一維數(shù)據(jù)。采用“等損傷簡(jiǎn)化原則”，即根據(jù)材料的等壽命曲線，將不同均值Smj下的應(yīng)力循環(huán)按照疲勞損傷當(dāng)量的原則，折算成同一總均值Sm的循環(huán)。折算后的等效應(yīng)力幅值Sa′按下式計(jì)算

式中 Smj為二維聯(lián)合分布矩陣中第i組均值；Saj為第i組均值下第j個(gè)幅值；Sm為測(cè)試點(diǎn)典型工況平均應(yīng)力；Sb為材料抗拉強(qiáng)度。按照（1）式對(duì)雨流結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，結(jié)果如表1所示。圖4、圖5分別為該點(diǎn)幅值與均值的分布直方圖。

表1 應(yīng)力幅值分布與計(jì)算數(shù)據(jù)

圖4 應(yīng)力幅值與頻次

2.3.2 疲勞壽命估算

裝載機(jī)動(dòng)臂材料采用Q345鋼材，查表或手冊(cè)［2］可得試件的疲勞極限為σ-1=268.4MPa，狀態(tài)為熱軋，材料抗拉強(qiáng)度為σb=586MPa，應(yīng)力比r=-1?？紤]到裝載機(jī)動(dòng)臂實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸、表面加工狀況、載荷性質(zhì)和平均應(yīng)力等的影響，且實(shí)際構(gòu)件不是光滑的，因此有必要對(duì)材料S-N曲線進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖5 應(yīng)力均值與頻次

具體方法是，在lgσ-lgN的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，以坐標(biāo)點(diǎn)（lgN0，lgσ-1/Kod）為起點(diǎn)，分別向左右兩端作與材料S—N曲線平行的射線，由這兩射線構(gòu)成的折線即為構(gòu)件的S—N曲線。其中，N0=107，σ-1為材料的疲勞持久極限，Kod為疲勞強(qiáng)度降低系數(shù)，這里取安全系數(shù)為2。因此結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式N×Sb=C就可以得出裝載機(jī)動(dòng)臂各個(gè)應(yīng)力幅值下的疲勞壽命Ni，這里b參照某汽車公司疲勞設(shè)計(jì)與臺(tái)架試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)值，取為8，C為常數(shù)，C=124.28×107。

假設(shè)Nf＞107時(shí)不產(chǎn)生疲勞損傷，則有限壽命

裝載機(jī)實(shí)際作業(yè)20～30斗土方約為15min，因此，裝載機(jī)動(dòng)臂有限壽命評(píng)估為9259×15/60h，約2315h，假設(shè)一天工作8小時(shí)，那么動(dòng)臂的安全壽命約為290天。

3 結(jié)束語

本文根據(jù)金屬構(gòu)件隨機(jī)疲勞壽命估算方法中的名義應(yīng)力法，結(jié)合Miner疲勞損傷累積理論，對(duì)ZL50裝載機(jī)動(dòng)臂進(jìn)行典型工況的疲勞壽命進(jìn)行了估算分析，得出其實(shí)際有限壽命僅約為設(shè)計(jì)壽命5000h的46.3%。同時(shí)，該分析過程也為在役裝載機(jī)動(dòng)臂疲勞壽命的預(yù)測(cè)研究提供了新的評(píng)估方法。