剪叉式高空作業(yè)平臺剪叉臂疲勞壽命分析及預(yù)測

陳亮 周曉靜

【摘 要】疲勞破壞是剪叉式高空作業(yè)平臺剪叉臂的主要失效形式之一。用有限元分析軟件建立剪叉臂的有限元模型，對其進(jìn)行靜力強(qiáng)度分析，得出剪叉臂在服役中的應(yīng)力集中區(qū)域，再通過設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)測試剪叉臂不同位置處的應(yīng)力狀態(tài)。

【關(guān)鍵詞】剪叉臂；疲勞壽命；分析

高空作業(yè)機(jī)械是一種將操作人員舉升到高處位置進(jìn)行高處作業(yè)的機(jī)械。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高空作業(yè)機(jī)械在中國得到廣泛應(yīng)用。眾多廠家紛紛以剪叉式高空作業(yè)平臺作為進(jìn)入高空作業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的突破口。

一、“平臺”的整車結(jié)構(gòu)研究

1.工作平臺結(jié)構(gòu)方案研究。工作平臺主要承載作業(yè)人員、物品器材等，既要安全可靠、防滑防水、宜人，又要操作簡便、可快速更換，主要工作附件有延伸平臺、平臺、平臺腳踏鎖、堅(jiān)實(shí)耐用的控制盒、不銹鋼材質(zhì)的操作面板及安全帶等。操作者的作業(yè)區(qū)域取決于工作平臺的空間大小，其結(jié)構(gòu)方面應(yīng)滿足國標(biāo)GB/T9465-2008要求。在傳統(tǒng)“平臺”的基礎(chǔ)上，采用模塊化設(shè)計(jì)了雙向可延伸、單向可延伸和不可延伸三種工作平臺實(shí)現(xiàn)快速更換，以適應(yīng)不同的作業(yè)區(qū)域要求，大大提高了“平臺”的適用場所。

2.伸展結(jié)構(gòu)方案研究。伸展結(jié)構(gòu)是“平臺”實(shí)現(xiàn)升降的主要結(jié)構(gòu)，也是升降的執(zhí)行結(jié)構(gòu)，主要結(jié)構(gòu)附件有4組剪叉臂、1個升降液壓缸、2對液壓缸支架、4個鉸鏈支座、滑塊及銷軸等。剪叉式伸展結(jié)構(gòu)采用液壓缸雙鉸布置的液壓缸，工作時液壓缸活塞桿逐漸伸出，使剪叉臂的初始夾角逐漸增大，從而實(shí)現(xiàn)工作平臺起升到目標(biāo)位置。

3.工作底盤結(jié)構(gòu)方案研究。工作底盤主要視為“平臺”提供驅(qū)動力和舉升動力，實(shí)現(xiàn)自動行走、原地回轉(zhuǎn)、坑洞保護(hù)等功能，比拖車式和車載式“平臺”更加機(jī)動靈活，主要結(jié)構(gòu)有坑洞保護(hù)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、電機(jī)、整體式抽屜、蓄電池、液壓油箱及爬梯等。工作底盤的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用了轉(zhuǎn)向液壓缸驅(qū)動平行四邊形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)原地回轉(zhuǎn)，液壓助力可操控性好；坑洞保護(hù)系統(tǒng)是一種新型防護(hù)裝置，設(shè)置于工作底盤輪廓內(nèi)部，結(jié)構(gòu)緊湊提高了整車的機(jī)動靈活性，“平臺”在伸展?fàn)顟B(tài)行駛到坑洞等危險(xiǎn)場所時實(shí)現(xiàn)自動展開，提高了“平臺”行走在道路崎嶇不平工況時的作業(yè)安全。另外，工作底盤的蓄電池、液壓油箱、控制電路等附件采用整體抽屜結(jié)構(gòu)，有效提高了工作底盤的防水性能。

二、剪叉臂疲勞壽命分析與預(yù)測

1.剪叉臂疲勞壽命分析方法。零件長時間受到脈動循環(huán)載荷的作用，其局部位置的應(yīng)力仍小于極限強(qiáng)度，但零件的局部會產(chǎn)生疲勞缺陷，局部疲勞缺陷的位置會產(chǎn)生疲勞裂紋并逐漸擴(kuò)展，直至零件突然失效并發(fā)生疲勞破壞。運(yùn)用疲勞分析方法能夠預(yù)知疲勞缺陷產(chǎn)生的位置，因此該方法也是用來評估零件疲勞壽命的基本方法。目前，通常使用以下幾種方法來估算機(jī)械零件的剩余疲勞壽命，廣泛應(yīng)用的有：概率疲勞設(shè)計(jì)法、局部應(yīng)力應(yīng)變法、名義應(yīng)力法以及損傷容限設(shè)計(jì)法。通過前文對內(nèi)剪叉臂的有限元分析可知，平臺處于最低舉升位置時，剪叉臂最大應(yīng)力值小于其材料的屈服強(qiáng)度，材料屬于彈性范圍內(nèi)，因此把內(nèi)剪叉臂的疲勞問題歸屬于機(jī)械高周疲勞問題，通常選用名義應(yīng)力法進(jìn)行疲勞壽命分析。采用名義應(yīng)力法進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測估算時，以材料和零件的疲勞壽命曲線為估算依據(jù)。零件在脈動疲勞載荷下發(fā)生疲勞破壞產(chǎn)生裂紋直至零件失效所承受的循環(huán)應(yīng)力次數(shù)為零件的疲勞壽命，用N表示。表示應(yīng)力幅與斷裂時的循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系的曲線稱為疲勞壽命曲線。其表達(dá)式為：NSm=C（1），式中：S———疲勞應(yīng)力大小，MPa；N———零件的疲勞壽命，次數(shù)；m、C———材料常數(shù)。將式（1）兩邊取對數(shù)得：lgN=lgC-mlgS。（2）通過ANSYSWorkbench內(nèi)置的材料屬性，可設(shè)置內(nèi)剪叉臂材料的疲勞壽命曲線，見圖1

當(dāng)零件承受的應(yīng)力大于疲勞極限時，每一次循環(huán)會產(chǎn)生微量損傷，當(dāng)損傷疊加超過材料的極限應(yīng)力，零件會發(fā)生破壞。因此還需要運(yùn)用疲勞累積理論來估算剪叉臂的疲勞壽命。累積理論主要包括3種形式，即Miner理論、Levy理論和Dolan理論。其中Miner理論可以線性地累計(jì)損傷結(jié)果，可在不同應(yīng)力下單獨(dú)進(jìn)行，具有良好的評估精度，廣泛應(yīng)用于實(shí)際工況中。

2.剪叉臂疲勞壽命影響因素。剪叉臂材料的疲勞壽命曲線數(shù)據(jù)由各向同性材料試驗(yàn)所得，因此剪叉臂結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度與材料的疲勞強(qiáng)度不同。影響剪叉臂疲勞強(qiáng)度的主要因素包括材料尺寸、應(yīng)力集中問題、材料表面加工狀況（包括表面磨光度、表面粗糙度、表面強(qiáng)化度、表面腐蝕度）、載荷環(huán)境（包括載荷類型、頻率、峰值）等。在ANSYS/Workbench中可通過設(shè)置疲勞強(qiáng)度因子Kf來體現(xiàn)這些因素的影響，設(shè)置Kf=0.9。有平均應(yīng)力時會產(chǎn)生不對稱循環(huán)應(yīng)力，對機(jī)構(gòu)壽命影響很大，因此需對其修正。ANSYS/Workbench可選擇修正理論有Goodman、Gerber和Soderberg理論。Goodman理論計(jì)算可用于耐久性分析，適用于本文平均應(yīng)力修正，Goodman直線修正模型將平均應(yīng)力為σm的循環(huán)載荷等效成幅值為σeq的對稱循環(huán)載荷，其表達(dá)式為： 式中：σa———應(yīng)力幅，MPa；σb———強(qiáng)度極限，MPa。

3.剪叉臂疲勞壽命有限元分析。由有限元靜力學(xué)分析結(jié)果可知，在起升初始位置由于升降液壓缸的推力作用，此時剪叉臂上應(yīng)力最大，故對剪式平臺起升瞬間進(jìn)行疲勞壽命分析。平臺從最低位置運(yùn)動到最高位置然后停止，在這個過程中，測試得到剪叉臂各鉸接孔表面的應(yīng)力變化是脈動的，由此設(shè)置疲勞載荷為余弦載荷。在ANSYS/Workbench中載荷類型設(shè)置成常幅對稱循環(huán)載荷（FullyReversed）。確保驅(qū)動系統(tǒng)在正常工況下不發(fā)生故障的前提下，剪式平臺每日升降次數(shù)按50次計(jì)算，平臺設(shè)計(jì)壽命設(shè)置為20年，該剪叉式高空作業(yè)平臺的設(shè)計(jì)壽命為3.65×105次。

4.剪叉臂疲勞壽命結(jié)果分析。內(nèi)剪叉臂的壽命云圖見圖2，數(shù)值表示在剪叉臂常幅對稱循環(huán)載荷作用下發(fā)生疲勞損傷所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)。由圖1可知，其無線循環(huán)壽命為1×106次。圖2中顯示其最大壽命為1×106次，剪叉臂整體都位于藍(lán)色區(qū)域，其對應(yīng)壽命大于3.65×105次，故當(dāng)前狀況下剪叉臂不發(fā)生疲勞破壞。圖2紅色標(biāo)識處為最大疲勞損傷發(fā)生區(qū)域，最大疲勞損傷發(fā)生在剪叉臂的鉸接孔A處的中心軸上。

疲勞仿真計(jì)算得出剪叉臂最大應(yīng)力位置發(fā)生疲勞損傷最大，損傷區(qū)域?yàn)閮?nèi)剪叉臂與底盤鉸接的鉸接孔處?？稍谠撐恢眉舨姹凵虾附蛹訌?qiáng)板進(jìn)行強(qiáng)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]冉敏.剪叉式機(jī)動平臺的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].理工大學(xué)，2015：1-4.

（作者單位：諾力智能裝備股份有限公司）