起重機底盤結(jié)構(gòu)疲勞耐久仿真技術研究

李凱　吳書男

摘? 要：起重機底盤在復雜載荷作用下，造成底盤關鍵承載部件出現(xiàn)疲勞斷裂事故，直接影響了結(jié)構(gòu)可靠性和操作安全性，故需對底盤結(jié)構(gòu)的疲勞耐久性進行系統(tǒng)的分析和研究。文章根據(jù)底盤結(jié)構(gòu)所承受載荷的不同、把底盤結(jié)構(gòu)分為吊裝作業(yè)承載結(jié)構(gòu)件、行駛結(jié)構(gòu)承載結(jié)構(gòu)件和非承載安裝結(jié)構(gòu)件三類，分別介紹了這三類結(jié)構(gòu)的強度和疲勞耐久仿真計算分析方法。所研究成果對起重機底盤結(jié)構(gòu)耐久性能的研究有一定的指導意義。

關鍵詞：起重機底盤;疲勞耐久;振動疲勞;仿真分析

中圖分類號：U463.82 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）14-0042-02

Abstract： Under the action of complex loads， the key bearing parts of the crane chassis suffer from fatigue fracture accident， which directly affects the structure reliability and operation safety. Therefore， the fatigue durability of the chassis structure needs to be systematically analyzed and studied. In this paper， according to the different loads borne by the chassis structure， the chassis structure is divided into three categories： lifting operation bearing structure， traveling structure bearing structure and non-bearing installation structure. The results of the research have certain guiding significance for the research on the durability of crane chassis structure.

Keywords： Crane chassis; Fatigue endurance; Vibration fatigue; The simulation analysis

1 概述

起重機底盤所承受載荷十分復雜，不光承受吊裝作業(yè)工況的載荷，還承受行駛工況的路面的激勵載荷。在復雜載荷的作用下，造成底盤結(jié)構(gòu)的疲勞耐久問題突出、市場上經(jīng)常出現(xiàn)底盤關鍵承載結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)疲勞斷裂的事故。這些事故直接影響了起重機的作業(yè)性能和操作安全性，造成后期市場的維護成本增加、嚴重影響了產(chǎn)品口碑和聲譽。

對于起重機底盤的結(jié)構(gòu)疲勞耐久性問題，傳統(tǒng)的做法在產(chǎn)品試制階段，用樣車進行吊裝和路試試驗，這種方法雖然可以直接驗證結(jié)構(gòu)的耐久性，但試驗周期長、成本大，發(fā)現(xiàn)設計問題的產(chǎn)品設變成本和難度也都十分大。目前汽車行業(yè)結(jié)構(gòu)的疲勞耐久性能仿真技術越來越成熟，起重機底盤可借鑒汽車行業(yè)的仿真經(jīng)驗，但相關研究主要為汽車行駛工況承載結(jié)構(gòu)的疲勞耐久[1-6]，不能完全覆蓋起重機底盤的全部使用工況和特點。故吸收借鑒汽車行業(yè)成熟仿真經(jīng)驗，結(jié)合起重機底盤的具體使用工況和特點，開展起重機底盤結(jié)構(gòu)疲勞耐久性研究對提升產(chǎn)品研發(fā)水平有一定指導意義。

2 底盤結(jié)構(gòu)疲勞耐久性仿真技術研究

起重機底盤結(jié)構(gòu)承受的載荷主要分為以下三類：一是作為起重機，在進行吊裝作業(yè)時，從吊臂、轉(zhuǎn)臺和回轉(zhuǎn)支撐傳遞到底盤結(jié)構(gòu)件的吊裝作業(yè)載荷;二是底盤在行駛工況時承受路面的激勵載荷;三是發(fā)動機等旋轉(zhuǎn)零部件產(chǎn)生的振動激勵。這三種載荷交替作用在底盤的不同結(jié)構(gòu)件上。根據(jù)這三類載荷，底盤結(jié)構(gòu)件也可主要分為以下三類：

（1）吊裝作業(yè)載荷承載結(jié)構(gòu)件：此類結(jié)構(gòu)主要承受起重機吊裝作業(yè)載荷，主要結(jié)構(gòu)件為底盤車架和支腿。

（2）行駛機構(gòu)承載結(jié)構(gòu)件：此類結(jié)構(gòu)主要承受底盤在行駛過程中路面激勵載荷的作用，主要包括底盤的車架、行駛機構(gòu)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等系統(tǒng)及其安裝支架。

（3）非承載安裝結(jié)構(gòu)件：此類結(jié)構(gòu)主要為其他系統(tǒng)的安裝結(jié)構(gòu)件，起到安裝作用和使用功能，其不承受吊裝作業(yè)和行駛工況產(chǎn)生的直接載荷作用，但承受路面和發(fā)動機產(chǎn)生的振動載荷激勵的影響。此類結(jié)構(gòu)件包括動力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的安裝支架，駕駛室、機棚覆蓋件和油箱等。

此三類不同承載結(jié)構(gòu)件所受的載荷不同，所表現(xiàn)出來的結(jié)構(gòu)性能也不同，下面對這三種結(jié)構(gòu)的強度和疲勞耐久性能分別進行分析，給出具體的仿真計算分析方法。

2.1 吊重作業(yè)承載結(jié)構(gòu)疲勞耐久分析

起重機在吊裝過程中主要時間為吊裝作業(yè)的準備時間，在準備時間中底盤車架和支腿不承受吊裝載荷，僅承受起重機自身的重力作用，結(jié)構(gòu)的載荷形式為靜載。在吊裝過程中，其吊重物是緩慢提升和移動的，結(jié)構(gòu)承受的載荷由于變化緩慢，可認為是準靜態(tài)載荷。由于在吊裝的整個過程中，底盤的車架和支腿僅承受靜態(tài)和準靜態(tài)載荷的作用，對結(jié)構(gòu)疲勞耐久性能影響大的交變載荷影響較小，所以相關結(jié)果僅需進行結(jié)構(gòu)靜強度和穩(wěn)定性校核，而不需進行疲勞耐久性能分析。

在進行底盤車架和支腿在吊裝工況的靜強度和穩(wěn)定性計算時，根據(jù)起重機上車吊重性能表，篩選出最大載荷工況，把工況載荷簡化為最大垂直載荷和最大彎矩兩種載荷形式，施加在底盤車架的回轉(zhuǎn)座圈上，進行360°回轉(zhuǎn)工況的結(jié)構(gòu)靜強度和穩(wěn)定性能計算并進行結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性計算分析。計算結(jié)果根據(jù)《GB/T 3811-2008起重機設計規(guī)范》的強度準則和穩(wěn)定性要求進行判斷是否滿足設計要求。

2.2 行駛機構(gòu)承載結(jié)構(gòu)件疲勞耐久分析

行駛機構(gòu)承載結(jié)構(gòu)件主要承受行駛過程中的路面載荷的激勵作用，主要為輪胎承受的軸荷和路面摩擦力的作用影響。其載荷形式為隨時間變化的動態(tài)載荷，在動態(tài)載荷的作用下，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生疲勞損傷進而產(chǎn)生疲勞破壞，故對行駛機構(gòu)的承載結(jié)構(gòu)件需進行結(jié)構(gòu)疲勞分析。

起重機底盤的行駛機構(gòu)承載結(jié)構(gòu)件的分析方法主要有以下兩種分析方法：一為疲勞極限法，即在最大載荷工況下，底盤的各軸施加最大加速度載荷，根據(jù)這最大加速度計算出各結(jié)構(gòu)件承受的載荷，進而對各結(jié)構(gòu)件進行強度校核。所得的最大應力小于結(jié)構(gòu)的疲勞強度即可判斷結(jié)構(gòu)的疲勞性能滿足設計要求。結(jié)構(gòu)的疲勞強度為經(jīng)驗總結(jié)值，一般為0.75倍的屈服極限。各軸施加的最大加速度載荷一般為在行駛過程中不同工況出現(xiàn)的最大加速度值，汽車行業(yè)一般采用加速度值如表1所示。在進行起重機底盤計算過程中，可先參照汽車行業(yè)的加速度值進行計算，再根據(jù)具體工況情況進行修正。此種方法簡單易學，適合在沒有路譜之前對設計方案進行初步校核，但不能真實計算出結(jié)構(gòu)的具體疲勞壽命。

第二種方法為基于載荷譜的疲勞耐久仿真分析法，第一步采用車輪力傳感器，測量作用在車輪軸上的六個分力的載荷譜，接著經(jīng)過多體動力學分析，計算出各個零部件上作用的載荷譜，再通過有限元分析結(jié)合結(jié)構(gòu)材料和焊縫的S-N曲線計算出該結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，此種方法真實的采集起重機底盤的使用載荷譜，可以真實的模擬行駛系統(tǒng)承載結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。但計算的準確性依賴所采集載荷譜的準確性，所以基于載荷譜采集的疲勞耐久仿真工作的主要重點和難點為載荷路譜的采集。

2.3 非承載安裝結(jié)構(gòu)件疲勞耐久分析

其它非承載安裝結(jié)構(gòu)件，包括動力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的安裝支架，駕駛室、機棚覆蓋件和油箱等、不直接承受吊裝作業(yè)和行駛工況產(chǎn)生的直接載荷作用，在車輛靜止狀態(tài)其只承受其與安裝部件的重力作用;在吊裝作業(yè)工況下，其承受發(fā)動機產(chǎn)生的振動載荷的激勵作用;在底盤行駛狀態(tài)，其同時承受路面激勵和發(fā)動機轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的振動載荷激勵作用。相關結(jié)構(gòu)由于交變載荷作用引起共振而產(chǎn)生共振破壞現(xiàn)象，比如底盤經(jīng)常出現(xiàn)棚覆蓋件、駕駛室和動力系統(tǒng)安裝支架斷裂破壞事故。

吊裝作業(yè)載荷和行駛工況載荷雖然載荷在變化，但其載荷形式可簡化成準靜態(tài)載荷，而非承載安裝結(jié)構(gòu)件所承受的是振動載荷，振動載荷作用下各頻率的響應應力分布和薄弱位置與靜力計算不同，這就造成動態(tài)疲勞分析和靜態(tài)疲勞分析的實際結(jié)果不同，為了得到更準確的結(jié)果，需要對結(jié)構(gòu)進行振動疲勞分析。

在進行振動疲勞仿真分析前，首先應采集不同工況下所分析結(jié)構(gòu)件的安裝部位的振動加速度載荷譜，對采集的載荷譜進行處理，得到振動疲勞計算的PSD功率譜密度，根據(jù)PSD功率譜密度和結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)計算出結(jié)構(gòu)應力頻率響應結(jié)果，在此基礎上采用Drink算法結(jié)合材料和焊縫的S-N曲線開展結(jié)構(gòu)的隨機振動疲勞分析，計算出結(jié)構(gòu)各部分的疲勞壽命情況。PSD功率譜密度的準確性直接決定計算結(jié)果的正確性，在產(chǎn)品設計初期還未開展載荷譜測試時，先參照《GBT 28046.3-2011 道路車輛 電氣及電子設備的環(huán)境條件和試驗 第3部分 機械負荷》中商用車的PSD功率譜密度進行計算，后期根據(jù)試驗結(jié)果對其進行修正，進而提升仿真計算分析的準確性。

3 結(jié)束語

起重機底盤結(jié)構(gòu)所承受載荷不同，其疲勞耐久的分析方法也不同，本文對起重機底盤的吊裝承載結(jié)構(gòu)件、行駛機構(gòu)承載結(jié)構(gòu)件和非承載安裝結(jié)構(gòu)件的仿真分析方法和手段進行了詳細的介紹，在進行相關結(jié)構(gòu)件仿真分析時，根據(jù)載荷形式選取相應的疲勞仿真手段進行研究分析。研究成果對起重機底盤結(jié)構(gòu)耐久性能的研究有一定的指導意義。

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