液壓挖掘機(jī)斗桿疲勞壽命評估

李澤軍，曹源文

（重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074）

1 引言

疲勞破壞是機(jī)械結(jié)構(gòu)破壞的主要形式之一，在某點(diǎn)或某些點(diǎn)承受擾動應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部的、永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程，稱為疲勞［1］。疲勞壽命則是指結(jié)構(gòu)或機(jī)械直至破壞所作用的循環(huán)載荷的次數(shù)或時(shí)間。

液壓挖掘機(jī)廣泛應(yīng)用于土石方工程中，是工程建設(shè)中必不可少的機(jī)械。液壓挖掘機(jī)的斗桿是焊接箱型結(jié)構(gòu)，其經(jīng)常出現(xiàn)疲勞裂紋現(xiàn)象，而且疲勞裂紋多集中在斗桿與動臂鉸接的孔系焊接處。焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命評估的主要方法有名義應(yīng)力法、局部應(yīng)力應(yīng)變法、等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法和斷裂力學(xué)法［2］。基于名義應(yīng)立法的焊接結(jié)構(gòu)疲勞評估標(biāo)準(zhǔn)有英國鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)與評估的BS7608 標(biāo)準(zhǔn)、國際焊接學(xué)會的IIW 標(biāo)準(zhǔn)等，它們都比較適合焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命評估，因?yàn)锽S 標(biāo)準(zhǔn)中的焊接接頭細(xì)節(jié)與斗桿焊接接頭更符合，所以筆者選擇BS 標(biāo)準(zhǔn)對斗桿進(jìn)行評估。

2 斗桿結(jié)構(gòu)概述

液壓挖掘機(jī)斗桿的二維簡圖如圖1 所示。斗桿由側(cè)板、上蓋板、下蓋板、隔板、耳板、鉸點(diǎn)孔系組成。斗桿上共有5個(gè)孔系，它們分別是斗桿與動臂的鉸接孔D、斗桿與鏟斗的鉸接孔H、鏟斗液壓缸與斗桿的鉸接孔G、斗桿液壓缸與斗桿的鉸接孔F、鏟斗連桿接機(jī)構(gòu)與斗桿的鉸接孔M，鉸接孔座均是焊接在斗桿箱型結(jié)構(gòu)兩側(cè)板上。斗桿的焊接接頭主要有：（1）角接接頭，如側(cè)板與上下蓋板的焊接；（2）對接接頭，如斗桿與動臂的鉸接孔系與兩邊側(cè)板的焊接；（3）T 型接頭，如耳板與蓋板的焊接。

圖1 斗桿的二維簡圖

3 基于名義應(yīng)力法的BS 標(biāo)準(zhǔn)評估方法

大量的試驗(yàn)研究與工程實(shí)際應(yīng)用表明，焊接接頭的疲勞性能用應(yīng)力范圍來描述是科學(xué)的［4］。BS 標(biāo)準(zhǔn)的S-N曲線是科研工作者利用大量的試驗(yàn)得到的，該曲線使用應(yīng)力范圍和循環(huán)數(shù)表示，并且是雙斜率曲線，沒有截止線；BS 標(biāo)準(zhǔn)按照焊接接頭結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)、承載方向、加工要求把S-N 曲線分為不同等級，用字母A、B、C、D、E、F、F2、G、S、T、W、X 表示。

BS 標(biāo)準(zhǔn)的疲勞壽命預(yù)測的原理是Miners 損傷累積理論，BS 標(biāo)準(zhǔn)中的損傷比定義為［6］：

式中，Δσ0為評估點(diǎn)的S-N 曲線拐點(diǎn)處的應(yīng)力值；m為SN 曲線的斜率，ni為載荷譜中事件循環(huán)數(shù)，Δσi為載荷譜中該事件的應(yīng)力范圍。

根據(jù)損傷累積理論，應(yīng)力范圍Δσi作用循環(huán)次數(shù)n次的疲勞損傷為ni/Ni，則在一段載荷譜的總損傷D為：

式中，k為載荷譜中不同應(yīng)力范圍的等級數(shù)。

BS 標(biāo)準(zhǔn)對焊接結(jié)構(gòu)的評估路線為［4］：（1）首先應(yīng)指定待評估點(diǎn)的焊接位置；（2）若有動應(yīng)力實(shí)測數(shù)據(jù)，通過編譜而獲得該點(diǎn)的應(yīng)力譜范圍，轉(zhuǎn)到第（5）步；（3）若沒有動應(yīng)力數(shù)據(jù)，只有載荷譜，需要?jiǎng)?chuàng)建有限元模型；（4）根據(jù)載荷譜以及有限元模型獲得該評估點(diǎn)的應(yīng)力譜范圍；（5）根據(jù)該點(diǎn)的焊接接頭類型的細(xì)節(jié)以及承載方向，在BS 標(biāo)準(zhǔn)中選擇對應(yīng)的S-N 曲線的疲勞級別及相關(guān)參數(shù)；（6）根據(jù)式（1）計(jì)算損傷比，根據(jù)載荷譜中的不同應(yīng)力范圍與循環(huán)次數(shù)，按式（2）計(jì)算總損傷，最后確定疲勞壽命。

4 挖掘機(jī)斗桿疲勞壽命的計(jì)算

4.1 斗桿的有限元靜力分析

運(yùn)用Pro/E 軟件建立三維幾何模型；通過Pro/E 與ANSYSWorkbench的無縫連接，導(dǎo)入ANSYSWorkbench中劃分網(wǎng)格，按照Q345 設(shè)定材料屬性；最后施加邊界條件和載荷［9］。靜力分析的載荷是按照液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)方法計(jì)算而來，載荷的計(jì)算主要考慮偏載和正載兩種情況［8］。對某22t 液壓挖掘機(jī)進(jìn)行有限元計(jì)算得到斗桿的等效應(yīng)力云圖如圖2 所示。

圖2 斗桿應(yīng)力云圖

靜力分析結(jié)果可知，偏載工況下斗桿與動臂的鉸接孔系焊接處的應(yīng)力值為129MPa，正載工況下其應(yīng)力值為110MPa，均沒有超過材料的屈服極限，尚處于彈性變形區(qū)，說明可以利用名義應(yīng)力法進(jìn)行壽命評估。

4.2 斗桿焊接疲勞評估點(diǎn)的選取

斗桿疲勞評估點(diǎn)的選取遵循原則有：（1）根據(jù)斗桿的焊接型式與工作裝置靜強(qiáng)度分析結(jié)果來確定疲勞評估的位置；（2）選取實(shí)際工程中所遇到的發(fā)生疲勞裂紋的位置。

斗桿疲勞評估點(diǎn)選取結(jié)果如圖3 所示。斗桿與動臂鉸接孔座焊接部位易出現(xiàn)疲勞裂紋，因此選擇了圍繞孔系的評估點(diǎn)3、4、5；鏟斗與斗桿鉸接孔系處受交變沖擊載荷較多，選取了評估點(diǎn)1、2；耳板與上蓋板焊接并且靠近隔板上部，其接頭多且受力復(fù)雜，選擇為評估點(diǎn)6。

圖3 斗桿的評估點(diǎn)

4.3 評估點(diǎn)動應(yīng)力譜的編制

挖掘機(jī)作業(yè)流程包括鏟斗挖掘、動臂提升與回轉(zhuǎn)、卸料、空回四個(gè)過程，在一個(gè)作業(yè)循環(huán)中阻力多大，頻率是多少，無法用確切的數(shù)字表述，具有隨機(jī)性［6］。對隨機(jī)載荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)，E.Gassner，F(xiàn).W.Griese 和E.Haibach 提出了標(biāo)準(zhǔn)載荷累積頻次分布，它的形式均由指數(shù)函數(shù)描述［5］。M.Hanke 給出的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，x為載荷水平；xm為最大載荷；a為載荷分段數(shù)；H為對應(yīng)于x 載荷水平的累積頻數(shù)；H0為最大累積頻數(shù)。

液壓挖掘機(jī)按照每天工作8h，每年300d，一個(gè)工作循環(huán)時(shí)間30s，則年循環(huán)次數(shù)N年=（300×8×60×60）/30=288000 次。

［3］指出正常挖掘危險(xiǎn)截面最大應(yīng)力為62MPa，鏟斗撞擊地面時(shí)的危險(xiǎn)截面最大應(yīng)力為132.6MPa，可作為參考，按照斗桿正載與偏載工況的靜力分析結(jié)果編制計(jì)算譜［3］。

根據(jù)挖掘機(jī)載荷的隨機(jī)規(guī)律，選擇指數(shù)n=2，H0=N年=288000 次，a=6，其累積頻次分布近似為高斯正態(tài)分布，根據(jù)式（3）計(jì)算所得評估點(diǎn)的6 級動應(yīng)力譜如表1～表6所示。

表1 評估點(diǎn)1 動應(yīng)力譜

表2 評估點(diǎn)2 動應(yīng)力譜

表3 評估點(diǎn)3 動應(yīng)力譜

表4 評估點(diǎn)4 動應(yīng)力譜

表5 評估點(diǎn)5 動應(yīng)力譜

表6 評估點(diǎn)6 動應(yīng)力譜

4.4 斗桿疲勞評估與計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過BS 標(biāo)準(zhǔn)的評定［7］，選擇與評估點(diǎn)細(xì)節(jié)相近的相應(yīng)疲勞級別，查取相關(guān)參數(shù)代入式（1）、（2），計(jì)算得到斗桿各個(gè)評估點(diǎn)的疲勞損傷與疲勞壽命如表7 所示。

從表中可以看出評估點(diǎn)4、5的壽命超過10a 以上，滿足正常工作的需求。評估點(diǎn)3的壽命最短為6.16a 年，在實(shí)際工程中遇到的也是最易發(fā)生疲勞的地方，與實(shí)際相符合，需對此改進(jìn)；還有評估點(diǎn)1、2、6的壽命低于10a的要求，須對這些點(diǎn)加以關(guān)注。

表7 斗桿壽命評估結(jié)果

5 結(jié)語

本文通過對某22t 液壓挖掘機(jī)斗桿進(jìn)行靜力分析，利用分析結(jié)果編制評估點(diǎn)的動應(yīng)力譜，利用BS 標(biāo)準(zhǔn)評估方法對液壓挖掘機(jī)斗桿焊接疲勞進(jìn)行壽命評估。結(jié)果表明：斗桿與動臂鉸接的孔系處焊接疲勞壽命最短，與實(shí)際情況相符合，須對此處結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，其余評估點(diǎn)基本滿足設(shè)計(jì)要求。

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