履帶車輛行星傳動裝置疲勞壽命的仿真及預(yù)測

杜秀菊, 賈長治, 董兆偉

(1. 河北師范大學 機械工程系，石家莊 050031；2. 軍械工程學院 火炮工程系，石家莊 050003；3.河北電視大學，石家莊 050080)

履帶車輛具有較強的越野通過性，因而在軍事、農(nóng)業(yè)及建筑工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。行星傳動裝置因傳動比大、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動效率高、承載能力大等優(yōu)點被應(yīng)用在履帶車輛的底盤傳動系統(tǒng)中，同時也在履帶車輛底盤中占著舉足輕重的作用[1-2]。

據(jù)統(tǒng)計，履帶車輛行星傳動裝置在工作過程中故障率較多。由于行星傳動裝置故障等級也較高，因此直接導致履帶車輛可靠性降低，對工作和維修都帶了困難[11]。對行星傳動裝置故障的可靠性機理分析可得，行星傳動裝置關(guān)重件的主要失效形式為疲勞斷裂，然而對關(guān)重件進行失效機理分析發(fā)現(xiàn)，關(guān)重件在疲勞斷裂時所承受載荷遠遠小于在設(shè)計時所施加的靜態(tài)載荷。這也是靜強度設(shè)計的機械系統(tǒng)存在的突出問題之一。這種現(xiàn)象的主要原因是靜載荷設(shè)計不能代替行星傳動裝置在實際工作時所真正承受的工作載荷，從而導致設(shè)計壽命與實際壽命之間存在很大差距，嚴重影響了整車性能的發(fā)揮，因此確定實際工作載荷也就是確定行星傳動裝置隨工作任務(wù)剖面和環(huán)境變化而變化的動載荷，這成為解決行星傳動裝置可靠性的關(guān)鍵。現(xiàn)在獲得履帶車輛所承受隨機載荷的方法有試驗測定法和數(shù)學分析法。這兩種方法獲得隨機動載荷的方法都是基于車輛行駛試驗。試驗數(shù)據(jù)固然可靠，但需要耗費大量人力物力和財力，勞神費力，研究周期長[3]。這就導致設(shè)計初期階段往往沒有進行試驗就加工生產(chǎn)，而在使用階段暴露出設(shè)計階段的問題，造成設(shè)計壽命與實際壽命相差甚遠，給履帶車輛使用和維護造成很大影響。隨著計算機仿真技術(shù)、復雜系統(tǒng)建模方法、復雜算法以及多學科解決問題的環(huán)境及平臺在工程上的進一步應(yīng)用，結(jié)合工程中出現(xiàn)的問題，采用先進的仿真技術(shù)，建立某履帶車輛行駛仿真試驗平臺，獲得行星傳動裝置動載荷，從根源上解決設(shè)計壽命與實際壽命不符合的難題[4-7]。

1 基于MSC.ADAMS/ATV行駛仿真試驗

ATV(ADAMS Tracked Vehicle)模塊是MSC公司開發(fā)的履帶車輛模塊，可以快速建立履帶車輛的動力學仿真分析模型，研究不同行駛工況、不同任務(wù)剖面下的履帶車輛受力分析，這樣大大縮短車輛設(shè)計周期，節(jié)省大量設(shè)計經(jīng)費。基于ATV工具箱建立履帶車輛行駛動力學模型，通過仿真計算可以獲得不同任務(wù)剖面車輛可靠性較低的部位的動載荷，查找設(shè)計過程中存在的缺陷，對履帶車輛的各項設(shè)計指標進行修正和動態(tài)優(yōu)化設(shè)計。應(yīng)用MSC.ADAMS/ATV所建立的某型履帶車輛模型如圖1所示[1,6,9]。

為進一步驗證MSC.ADAMS/ATV所建立履帶車輛模型的可信度，特進行了履帶車輛實際行車試驗，在秋后耕地上以8.1m/s左右的速度勻速行駛某任務(wù)工況進行行駛試驗，如圖2所示，將車輪測得的振動信號進行信號處理，得到履帶車輛的時域和頻域相應(yīng)圖如圖3(a)所示，而通過MSC.ADAMS/ATV構(gòu)建的行駛仿真試驗平臺在同樣速度和任務(wù)工況所得到的時域和頻域圖如圖3(b)所示。通過圖3(a)與圖3(b)對比發(fā)現(xiàn)，實際行車試驗和行駛仿真試驗所得到的功率譜基本一致，這充分證明了所構(gòu)建的履帶車輛模型數(shù)據(jù)是可信的，可以代表實車行駛試驗。

圖1 MSC.ADAMS/ATV履帶車輛模型

圖2 履帶車輛在耕地上穩(wěn)態(tài)行駛

圖3(a) 車輛行駛垂直加速度時域響應(yīng)及功率譜圖

圖3(b) 車輛仿真的垂直加速度時域響應(yīng)及功率譜圖

2 履帶車輛行星傳動裝置虛擬樣機及疲勞壽命預(yù)測流程

2.1 行星傳動裝置的FMECA(Fault Mode Effect Criticality Analysis)分析表

圖4 2K-H(A)型行星排工作原理

履帶車輛的行星傳動裝置結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示[2]。據(jù)對某使用單位調(diào)查，履帶車輛行星傳動裝置的主要失效形式是各主要組成部件的疲勞斷裂和裂紋。本文對行星傳動裝置出現(xiàn)的故障進行了可靠性數(shù)據(jù)收集與分析，建立了關(guān)鍵重要部件的FMECA分析表，如表1所示。

表1 行星傳動裝置的FMECA分析表

由表1可以看出，履帶車輛行星傳動裝置在使用過程中關(guān)重件為行星框架和行星輪軸。這些關(guān)重要件從某種程度上來說可以決定系統(tǒng)的可靠性，所以有必要對其進行動力學分析，獲得這些關(guān)重件所承受的載荷，在進一步對其進行故障機理分析，從根本上解決行星傳動裝置可靠性低的難題。

2.2 構(gòu)建履帶車輛行星傳動裝置的虛擬樣機模型

采用MSC.ADAMS軟件構(gòu)建了履帶車輛虛擬樣機模型，如圖5所示。通過模型驗證確保所構(gòu)建的模型與物理樣機具有高度一致性，確保仿真結(jié)果的真實可信[4-6]。

圖5 行星傳動裝置虛擬樣機模型

2.3 行星傳動裝置疲勞壽命預(yù)測分析流程圖

在確保所構(gòu)建的虛擬樣機模型正確的基礎(chǔ)上對其進行仿真分析，必須結(jié)合行星傳動裝置的FMECA分析表即表1在實際應(yīng)用過程中暴露的問題進行，這樣確保仿真分析是緊密結(jié)合工程實際應(yīng)用。在表1的基礎(chǔ)上，對行星傳動裝置出現(xiàn)的故障頻率和事故等級進行充分的數(shù)據(jù)搜集與分析，確定行星傳動裝置的系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，薄弱環(huán)節(jié)的可靠性提高了，整個系統(tǒng)的可靠性也就相應(yīng)得到提高。本文構(gòu)建基于行駛仿真試驗的行星傳動裝置疲勞壽命預(yù)測流程如圖6所示，可以實現(xiàn)對履帶車輛行星傳動裝置進行動力學仿真分析、疲勞壽命分析及動態(tài)優(yōu)化設(shè)計，從根本上解決可靠性低的問題。

圖6 行星傳動裝置疲勞壽命預(yù)測分析流程圖

3 履帶車輛行星傳動裝置疲勞壽命預(yù)測仿真

3.1 行星框架危險斷面靜載下扭轉(zhuǎn)強度驗算

履帶車輛行星傳動裝置載荷設(shè)計條件為：在30°側(cè)傾坡上，與土壤的附著力作為載荷數(shù)據(jù)進行計算，一側(cè)力矩按0.6倍的車重計算，計算力矩式為

Mφ=0.6GRk=46 491.2 N·m

(1)

式中:G為履帶車輛重量，N；Rk為主動輪半徑，m。

履帶車輛行星架材料是45CrNi，σs=8 000 kg/cm2。由靜強度設(shè)計理論可知，行星框架的薄弱環(huán)節(jié)是其零件表面形狀突變的部位。由實際可靠性數(shù)據(jù)可知，行星架最先出現(xiàn)疲勞斷裂是在軸頸部位，由靜強度設(shè)計理論計算行星架軸頸處的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為[12]：

(2)

式中:σs為極限應(yīng)力，kg/cm2；[τ]為扭轉(zhuǎn)許用應(yīng)力，MPa；n為安全系數(shù)，取n=2。

靜強度設(shè)計理論計算得出的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力如式(3)所示

109.51 MPa

(3)

其中:τ為扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，MPa；r為行星架軸徑半徑值，m；t為行星架軸徑厚度，m。

3.2 基于行駛仿真試驗的行星架動載荷

基于MSC.ADAMS/ATV所構(gòu)建的行駛仿真試驗得到不同行駛工況各零部件所承受載荷如圖7所示，將此載荷作為工作載荷作用到行星傳動裝置的各零部件，并按照圖6進行行星傳動裝置的動力學分析、壽命預(yù)測分析和動態(tài)優(yōu)化設(shè)計。圖7所涉及到的各種行駛工況分類參見參考文獻[9]，這里不再贅述。

圖7 不同任務(wù)工況行星框架所承受動載荷

3.3 交變動載荷作用下行星框架軸頸最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力

在圖7給出的行星框架動載荷作用下，取每一工況所承受交變載荷的最大絕對值計算，在某一行駛仿真工況內(nèi)行星架的危險斷面的最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力應(yīng)用式(3)可得，圖5給出的4種任務(wù)工況所對應(yīng)行星框架薄弱環(huán)節(jié)最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力對比如表2所列。

表2 不同任務(wù)工況行星框架所承受最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力對比

由表2所示的各任務(wù)工況下分析可得，行星框架最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力遠遠小于扭轉(zhuǎn)許用應(yīng)力235.368 MPa。行星架在理論設(shè)計上應(yīng)該是絕對安全的，但是在實際使用過程中依然頻頻出現(xiàn)了疲勞斷裂和裂紋的故障。這充分證明了在靜強度設(shè)計絕對安全可靠的結(jié)構(gòu)在實際動態(tài)載荷的作用下滿足不了要求。這些實際承受的載荷不見得數(shù)值有多大，但是作用的頻率很高，且載荷交替變化幅值非常大。因此這些交替變化的動態(tài)載荷不見得大的突然對零部件進行毀滅性破壞，但到一定時期會使零件損傷進行累積疊加，就會產(chǎn)生疲勞損壞。故對動載荷作用下行星傳動裝置疲勞壽命預(yù)測具有十分重要的現(xiàn)實意義。

3.4 行星框架疲勞壽命預(yù)測仿真分析研究

應(yīng)用MSC.Patran對行星架進行有限元分析，在圖6流程圖指引下應(yīng)用疲勞仿真分析軟件對履帶車輛行星傳動裝置中的行星架進行了疲勞壽命預(yù)測，在圖7所獲得的載荷的作用下疲勞壽命仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同任務(wù)工況行星框架疲勞壽命預(yù)測云圖

3.5 行星架疲勞壽命仿真結(jié)果分析

將圖8中的疲勞壽命預(yù)測結(jié)果進行分析比較，對比結(jié)果如表3所列。

表3 不同行駛工況的行星架疲勞壽命仿真分析表

在表3所提供的不同行駛工況下行星架對應(yīng)的行駛里程S為

(4)

式中：S′——行駛仿真試驗所對應(yīng)行駛路程，km;S——零部件疲勞時對應(yīng)行駛里程，km;N——疲勞壽命循環(huán)次數(shù)

由表3可知，在履帶車輛行駛仿真試驗中，通過所提供的不同任務(wù)工況，確定所承受的隨機動載荷，通過疲勞損傷仿真分析，可以得到行星框架發(fā)生疲勞破壞時間對應(yīng)的載荷循環(huán)次(行駛里程)。根據(jù)履帶車輛的實際行駛工況，依據(jù)履帶車輛駕駛員經(jīng)驗分別初步賦予不同任務(wù)剖面的權(quán)重系數(shù)[10]，結(jié)果如表4所示。

表4 不同任務(wù)工況的加權(quán)系數(shù)分配比例

由表4可知，履帶車輛行星傳動裝置行星框架的疲勞壽命為5 769.255 km。由可靠性數(shù)據(jù)收集與分析可知，履帶車輛行星框架在行駛于7 889 km和7 651 km時在行星框架軸頸處出現(xiàn)過裂紋斷裂的失效現(xiàn)象。基于行駛仿真試驗的行星框架疲勞壽命預(yù)測與現(xiàn)場統(tǒng)計數(shù)據(jù)雖有一些差距，但相差不多，且不同工況行星框架的動載荷又差異很大，所以出現(xiàn)以上偏差也是合理的。

4 結(jié) 論

(1) 基于行駛仿真試驗獲得某履帶車輛關(guān)鍵重要部件在不同行駛工況的動載荷，解決了設(shè)計壽命與實際使用壽命不符的問題。

(2) 在行駛仿真試驗動載荷的作用下對履帶車輛行星傳動裝置行星架進行疲勞壽命預(yù)測分析，并與行星架的實際使用壽命進行對比分析，具有較好的一致性，可以應(yīng)用行駛仿真試驗獲得的載荷進行疲勞壽命預(yù)測分析。

(3) 基于虛擬行駛試驗的疲勞壽命預(yù)測方法，為行星框架動態(tài)設(shè)計及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了重要的載荷數(shù)據(jù)。

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