礦用汽車車橋推拉桿壽命預測分析

劉本學，張三川，張 軍

（鄭州大學 機械工程學院，鄭州450001）

礦用汽車車橋推拉桿壽命預測分析

劉本學，張三川，張 軍

（鄭州大學 機械工程學院，鄭州450001）

為準確預測礦用汽車車橋推拉桿的疲勞壽命，研究了路譜載荷與多軸疲勞理論相結合的有限元壽命分析方法．在實測路譜載荷下分析得出推拉桿的仿真壽命為354．98 d，與實際使用壽命（270～540 d）較為接近，表明應用該預測模式來估算推拉桿壽命的方法是可行的．

礦用汽車；推拉桿；疲勞壽命預測；路譜載荷

礦用汽車由于具有卸載快捷、裝車容量大、轉場運輸靈活方便、效率高等顯著特點，成為大型露天礦的主要運輸工具．但由于路況極差，以及車輛起步、制動和轉向頻繁，且多數車輛經常是滿載連續上坡和連續制動下坡，使得一些礦用汽車關鍵承載部件（如車橋及其相連的推拉桿等）在服役期內斷裂失效，經濟損失嚴重．圖1所示為某型礦用汽車推拉桿斷口實物照片．因此，研究該類零部件的失效機制和壽命預測，具有重要的工程價值．

圖1 推拉桿實物斷口圖片

疲勞壽命估算方法可歸結為4類：Miner損傷法則、相對Miner損傷法則、雙線性累積損傷理論、非線性累積損傷理論［1－5］．但是，到目前為止，疲勞分析基本上還是基于經驗公式，并沒有完全統一的理論能夠包含所有類型及材料的疲勞壽命估算．本文擬引入Miner損傷法則，采用有限元分析手段，對推拉桿承受的最大應力和路譜載荷下的疲勞壽命進行預測．

1 推拉桿應力分析

礦用汽車推拉桿在汽車制動、起步加速、爬坡等過程中，將受到交變的拉應力，這也正是引起推拉桿疲勞破壞的主要原因．經計算（由于篇幅所限，車橋及推拉桿受力在此不作敘述）發現，上推拉桿在上坡時受力最大，達到96．39 k N．利用靜強度可得此時的壓應力為：

圖2所示為推拉桿的有限元分析圖．其中，圖2（a）為推拉桿模型及其網格劃分結果．由于推拉桿是通過鉸接與車橋相連，因此，對推拉桿進行CAE分析時，采用約束一端的軸向力及徑向力并釋放旋轉方向力來模擬鉸接．有限元法計算表明：其最大應力出現在推拉桿中部，達到68．739 MPa，應力云圖如圖2（b）所示．2種方法計算結果的相對誤差僅為0．29%．

2 路譜載荷下疲勞壽命計算

2．1 疲勞壽命的分析流程

Miner損傷法則由于計算簡單，精度也基本能夠滿足工程需要，因此在工程上得到廣泛應用．Miner損傷法則可表示為：

式中：D表示累積損傷值，當D＝1時，表示結構發生疲勞損壞；ni、N i分別表示應力幅值σi在載荷譜中曾出現的次數及造成零件完全失效需要出現的次數；l表示應力幅值的級別．

由于不同的應力幅值和平均應力對結構的壽命影響較大，因此，在Miner損傷法則的應用中，往往還需采用適當的平均應力來修正．此外，結構材料的特性（S－N曲線，如圖3所示）［4］、缺口形狀、尺寸效應、表面狀態等都影響結構的壽命．因此，在對整個結構進行疲勞壽命估算時，需按如下步驟進行：工作過程的載荷譜采集；利用雨流法把隨機載荷處理成不同的應力幅值及循環次數；結合結構材料的S－N曲線，利用應力集中系數進行修正；對單位載荷下的CAE模型進行計算，將結果與路譜載荷相結合，利用Miner損傷法則估算不同路譜載荷下結構中各個部位的疲勞壽命．整個估算過程的流程框圖如圖4所示．

2．2 實驗工況的路譜采集

在實驗場，利用LMS數據采集儀對某礦用車的推拉桿進行了數據采集．礦用車滿載工況下2周時間推拉桿的載荷時程曲線如圖5所示．

圖5 載荷時程曲線

對該載荷時程曲線進行雨流計算，相應的雨流矩陣如圖6和圖7所示．

2．3 結果與分析

設定材料參數、表面狀態、應力影響系數、缺口狀態等參數，加載實測路譜載荷，結合有限元分析結果對推拉桿進行疲勞壽命分析，其結果如圖8所示．可以看出，推拉桿在路譜載荷作用下，其最大疲勞壽命為3．52×105次，最小疲勞壽命為57 051次．由實驗場的距離0．7 km可得，載荷的時程曲線代表車輛在實驗場地行走2圈所經歷的時間，即相當于1．4 km的距離．推拉桿最危險處的壽命為114 102 km．按照礦用汽車工作時平均速度25 km／h、每天工作9 h推算，該推拉桿的壽命為354．98 d．而推拉桿在工地使用過程中，基本上也是在270～540 d之間發生斷裂，與車輛使用時間呈密切的正相關．由此可見，仿真壽命和實際使用壽命較為接近，說明用路譜載荷與多軸疲勞理論相結合的有限元壽命分析方法來估算推拉桿壽命是可行的．

圖8 推拉桿疲勞壽命計算結果

3 結 語

本文以某礦用車推拉桿為分析對象，利用有限元法得到推拉桿的應力結果．在充分考慮材料的屬性、表面狀態、缺口形狀及表面屬性等特性下，經過實測載荷與有限元模型的結合，得出了推拉桿的疲勞壽命值，與實際使用工況反饋相比，結果較為吻合，說明預測計算方法正確，這為推拉桿結構的壽命判斷及改進提供了新的方法．

［1］Nihei M，Heuler P，Boller Chr，et al．Evaluation of Mean Stress Effects on Fatigue Life by use of Damage Parameters［J］．Int．J．Fatigue，1986，8（3）：119－126．

［2］趙少汴．抗疲勞設計－－方法與數據［M］．北京：機械工業出版社，1997．

［3］曾正明．機械工程材料手冊金屬材料［M］．北京：機械工業出版社，2003．

［4］Barkey M E，Socie D F，Hsia K J．A Yield Surface Approach to the Estimation of Notch Strains for Proportional and Nonproportional Cyclic Loading［J］．ASME Journal of Engineering Materials and Technology，1994，116：173－180．

［5］徐灝．疲勞強度［M］．北京：高等教育出版社，1988．

The Fatigue Life Predicting of Vehicle－bridge Push－pull Rod in the Mine Truck

LIU Ben－xue，ZHANG San－chuan，ZHANG Jun
（Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China）

For better predicting the fatigue life of push－pull rod in the mine truck vehicle－bridge，the finite element life analysis method that the load spectrum and the mult－axle fatigue theory were used together was studied．By the load spectrum of monitoring，the analysis result is that the calculating fatigue life of push－pull rod is 354．98 days，which is close to actual life（270 to 540 days），it is known that this kind of life prediction is practicable to calculate life of push－pull rod．

mine truck；push－pull rod；fatigue life prediction；load spectrum

TP309

A

10．3969／j．issn．1671－6906．2011．02．014

1671－6906（2011）02－0051－04

2011－03－07

劉本學（1977－），男，河南新蔡人，講師，博士．