YXG500連續(xù)墻抓斗瞬態(tài)響應(yīng)分析及壽命評估

劉本學(xué)，王慶會，程偉威

（1. 鄭州大學(xué) 機械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2. 宇通客車股份有限公司，河南 鄭州 450016）

連續(xù)墻成槽機由工程車體和連續(xù)墻抓斗兩部分組成，本文針對連續(xù)墻抓斗展開分析。雖在近幾十年對連續(xù)墻機構(gòu)已經(jīng)進行了大量的探測和研究，但由于抓斗斗體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，故在運用CAE進行加載分析時對實際的操作要求較高，導(dǎo)致以往的研究往往會忽略掉一些負載來使分析過程得以簡化，這樣可能會使得抓斗斗體的分析偏差較大。本文在以往研究的基礎(chǔ)上對抓斗的實際工作環(huán)境作出了深度細致的分析，并通過ANSYS軟件對連續(xù)墻抓斗在不同工況下進行了數(shù)值模擬，并對其壽命進行了評估，為工業(yè)上連續(xù)墻抓斗的生產(chǎn)設(shè)計及工程應(yīng)用中的可靠性提供了參考。

1 工作載荷的確定及瞬態(tài)響應(yīng)理論

1.1 YXG500連續(xù)墻抓斗的工況分析

（1）抓斗施放工況。主要的載荷為配重G1、主轉(zhuǎn)臺自重G2和臂架支反力F1，撐桿支反力F2和變幅鋼絲繩拉力F3，如圖1所示。該工況主要是在配重作用下，主轉(zhuǎn)臺受彎。

（2）克服吸附力工況。在抓斗開始提升時會有吸附力存在，吸附力約為抓斗自重和土重之和的0.5倍，因此該工況也必須予以考慮。吸附力工況的受力如圖2所示，除配重和自重外，其他力增加較多。

圖1 抓斗施放工況

圖2 克服吸附力工況

（3）抓斗抓土提升工況（最大抓土量為1t）。抓斗抓土提升工況受力形式與圖2相同，除配重和自重外，其他力都有所減小，主卷揚拉力F4、F5均變?yōu)?02900N。

（4）抓斗吊起工況。抓斗吊起工況受力形式與圖2相同，除配重和自重外，其他力都有所減小，主卷揚拉力F4、F5均變?yōu)?8000N。

連續(xù)墻抓斗工作過程中，臂頭受到的拉力變化如圖3所示。工況1為克服吸附力工況，工況2為抓斗抓土提升工況，工況3為抓斗吊起工況，工況4為抓斗施放工況。由圖3可以看出，工況3臂頭受到的應(yīng)力變化較小，故此時整機受到的損傷較小，可以忽略，因此瞬態(tài)計算中只考慮工況1、工況2和工況4。

圖3 臂頭受力與時間的關(guān)系

1.2 瞬態(tài)響應(yīng)分析的基本理論

（1）瞬態(tài)響應(yīng)的過程。

對固定時間段Δt求出離散點的響應(yīng)，用中心差分法

其中，[A1]=[M/Δt-+B/2Δt+K/3]為動態(tài)矩陣，[A2]=1/3{Pn+1+Pn+Pn-1}為作用力，[A3]=[2M/Δt2-K/3]和[A4]=[-M/Δt2+B/2Δt-K/3]為初始條件。

（2）瞬態(tài)響應(yīng)分析中的阻尼。

其中，B1=阻尼單元+B2GG，B2=B2PP直接輸入矩陣+傳遞函數(shù)，G為整體結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)，W3為感興趣的整體結(jié)構(gòu)阻尼轉(zhuǎn)化為頻率-弧度/秒，K1為整體剛度矩陣，GE為單元結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)，W4為感興趣的單元結(jié)構(gòu)阻尼轉(zhuǎn)化為頻率-弧度/秒，KE為單元剛度矩陣。

2 模型建立及分析步的確定

2.1 模型建立

為了得到主轉(zhuǎn)臺的真實受力，建立了包括臂架、撐桿、主轉(zhuǎn)臺等整體模型，并進行了網(wǎng)格劃分。在此基礎(chǔ)上對部分非完整焊接結(jié)構(gòu)進行了修改，并對尾部模型網(wǎng)格加粗，如圖4所示。對實際破壞部位進行了網(wǎng)格加密，如圖5所示。

圖4 整體網(wǎng)格模型

圖5 網(wǎng)格加密區(qū)

2.2 分析步的確定

分析步Δt可以根據(jù)對結(jié)構(gòu)響應(yīng)有主要貢獻的若干固有振型的周期來確定。先對整機做模態(tài)分析：對轉(zhuǎn)盤處進行全約束，結(jié)果如表1所示。整機的1階固有頻率為f=2.2174，最小時間步長Δt=1/20f=0.0225s，計算中實際選擇的時間步長為Δt=0.02s。

表1 整機模態(tài)分析

3 材料參數(shù)

為進一步得到所用材料的抗拉強度，通過理化室化驗后得到了相關(guān)參數(shù)?？紤]到安全性取下限，即應(yīng)力計算時輸入材料的抗拉極限為525MPa，相關(guān)材料信息如表2和表3所示。

表2 構(gòu)件材料名稱

4 計算結(jié)果及分析

由圖6和圖7可以看出，由于臂頭突然受到31.5T的拉力，使整機產(chǎn)生了一個自由振動的過程，危險位置第一主應(yīng)力最大應(yīng)力幅值約為80MPa；由圖8和圖9可以看出，由于臂頭處吊重由31.5t減少到21t，使整機產(chǎn)生了一個自由振動過程，危險位置第一主應(yīng)力最大應(yīng)力幅值約為50MPa。

表3 Q345拉伸試驗數(shù)據(jù)

圖6 工況1臂頭處X方向位移時間歷程

圖7 工況1危險位置第一主應(yīng)力的時間歷程

由圖10和圖11可以看出，主轉(zhuǎn)臺在配重和臂架的作用下，以轉(zhuǎn)盤為支點上下振動。當(dāng)臂架前傾時，轉(zhuǎn)臺受到向上的拉力?？梢娽尫诺踔睾螅D(zhuǎn)臺的振動由兩部分組成：在配重作用下的自由振動（此時臂架后仰）和強迫振動（當(dāng)臂架前傾時）。

圖8 工況2臂頭處X方向位移時間歷程

圖9 工況2危險位置第一主應(yīng)力的時間歷程

圖10 工況4臂頭處X方向位移時間歷程

圖11 工況4危險位置第一主應(yīng)力的時間歷程

5 疲勞壽命理論及疲勞分析

5.1 疲勞壽命理論

（1）Sbe的確定。

本次分析時材料的抗拉極限采用了估算的方法，抗拉極限的數(shù)值為525MPa。當(dāng)R=-1時，旋轉(zhuǎn)彎曲載荷作用下的疲勞極限估算公式為

本次分析時，Su=525MPa，代入可得Sbe=262.5MPa。

（2）S1000的確定。

103次循環(huán)時的疲勞強度取決于可靠性水平和加載類型。

CR為在規(guī)定可靠性水平下的修正系數(shù)，本次可靠性取0.5，查表得到CR=1。對于全彎曲工況下，S1000=0.9Su=472.5MPa。帶入可得S1000，R=472.5MPa。

（3）構(gòu)件的疲勞極限。

代入數(shù)據(jù)可得Se=146.42MPa。

構(gòu)件S-N曲線是通過材料S-N曲線修正得到，如圖12所示，在對數(shù)坐標(biāo)系中，求得坐標(biāo)點A（103，472.5）和點B（106，146.42），代入

式中，m和C為常數(shù)，N為循環(huán)次數(shù)，σ為應(yīng)力幅值，可求得直線的方程為

圖12 構(gòu)件的S-N曲線

將A、B點坐標(biāo)導(dǎo)入LMS.Durability中得到結(jié)構(gòu)的S-N曲線，如圖13所示。

圖13 結(jié)構(gòu)S-N曲線

5.2 計算結(jié)果及分析

由圖14可知最大損傷值為2.24e-5，即44642次，由圖15可以看出熱點出現(xiàn)的位置與實際破壞的位置相同。按照1天工作500次循環(huán)，則壽命為3個月。而此抓斗在實際工作中，使用2個月左右時間后在熱點位置發(fā)生焊縫開裂，兩者誤差約為33%。

圖14 疲勞損傷云圖

圖15 熱點位置

6 結(jié)束語

本文通過對實際工程中連續(xù)墻抓斗的實際破壞位置進行受力分析，得出以下結(jié)論：

（1）連續(xù)墻抓斗的危險位置在克服吸附力工況下受到的第一主應(yīng)力幅值約為80MPa；在抓斗提升工況下受到的第一主應(yīng)力幅值約為50MPa；在抓斗施放工況下抓斗的振動由自由振動和強迫振動兩部分組成。

（2）3個工況下應(yīng)力幅值變化最大處都發(fā)生在網(wǎng)格加密區(qū)域（即危險區(qū)域，見圖5），故該處便為應(yīng)力的集中區(qū)域。

（3）該連續(xù)墻抓斗的理論壽命為2.24e-5，即連續(xù)墻抓斗的熱點位置在循環(huán)44642次左右時將會發(fā)生破壞。按照1天循環(huán)500次，則壽命為3個月左右。

由此可知，現(xiàn)階段的連續(xù)墻抓斗可靠壽命較短，可從斗體和機械結(jié)構(gòu)上對其進行優(yōu)化，從而來提高連續(xù)墻抓斗的壽命。