面向再制造的挖掘機工作裝置剩余疲勞壽命預測研究綜述

曹露露，劉 奎，王 嚴，樊 浩

（長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安710064）

0 引言

挖掘機作為廣泛應用的工程機械，在城市建設、交通運輸、能源開發、農田水利和國防建設中發揮著巨大作用。工作裝置是挖掘機主要的受載部件，也是挖掘機制造過程中消耗鋼材最多的部件，生產廠商從產品可靠性的角度出發對其采用偏保守的設計以確保在服役期內不發生疲勞破壞，這使得挖掘機工作裝置的制造成本增加且很多在退役時依然完好。因此，對挖掘機工作裝置實施再制造對經濟性、環保性都具有重要意義。

廢舊挖掘機一般都是經歷過一次或多次服役周期，由于其服役工況和服役環境不同，其壽命特征也不一樣。徐濱士院士指出，壽命評估是判斷廢舊零部件是否具有再制造價值的基礎[1]。對于廢舊挖掘機工作裝置來說，判斷其是否具有剩余使用壽命，其剩余使用壽命能否維持下一個壽命周期直接影響著其資源化策略。因此，開展面向再制造的挖掘機工作裝置剩余疲勞壽命預測研究是非常必要的。

1 研究現狀

1.1 疲勞壽命預測

美國、德國、日本等發達國家將疲勞損傷累積理論、斷裂力學、有限元法以及疲勞強度分析方法等先進技術應用于工程機械疲勞壽命的研究。疲勞壽命預測問題的復雜程度因結構、材料、使用工況等的不同而不盡相同[2]。美國提出了考核動強度的預測產品失效的理論。日本制定了液壓挖掘機構件的強度評定程序，研制了可靠性處理系統，并借助于大量試驗提高了其可靠性和耐久性。例如，液壓挖掘機的運轉率達到85%～95%，使用壽命超過1萬小時。國內徐工集團工程機械股份有限公司、三一重工、中聯重科、柳工、山河智能等知名工程機械企業都建立了各自的研發機構，開始著手挖掘機等工程機械疲勞耐久性研究。近年來，越來越多的國內外學者在液壓挖掘機工作裝置疲勞強度計算和壽命預測領域進行了相關研究[3]，并取得了長足的進步。目前對液壓挖掘機工作裝置疲勞壽命預測的相關研究主要集中在以下幾個方面：

（1）基于試驗方法的挖掘機工作裝置疲勞壽命研究：天津工程機械研究所的科研人員對液壓挖掘機工作裝置的疲勞強度進行試驗研究，較好地模擬了現場挖掘的情況[4]；太原理工大學[5]科研人員通過實測載荷歷程，結合名義應力法估算危險點疲勞壽命。

（2）基于模擬載荷及疲勞仿真軟件的挖掘機工作裝置疲勞壽命研究：計算機仿真技術的不斷發展使得在仿真軟件中模擬載荷進行結構的疲勞壽命預測成為可能。如山東大學[6]科研人員通過挖掘機工作裝置的有限元分析建立疲勞危險點的近似應力應變時間歷程并采用軟件的疲勞模塊進行疲勞壽命估算；同濟大學科研人員利用各液壓缸壓力和位移結合平衡方程得到動臂各鉸點的工作載荷，再用Fatigue軟件對動臂進行疲勞分析[7]；吉林大學科研人員通過鏟斗挖掘土壤過程仿真獲得工作裝置各鉸點的載荷時間歷程以編制載荷譜實現工作裝置的疲勞壽命計算[8]。

（3）基于信息技術的挖掘機工作裝置疲勞壽命研究：將人工智能技術和傳統的疲勞可靠性分析結合起來，在確定隨機變量的基礎上，使用神經網絡響應面法來模擬不能用顯式表達的結構功能函數，通過模擬的功能函數來計算結構的可靠度，為結構的服役時間提供參考[9]。

1.2 面向再制造的壽命預測

針對廢舊產品可再制造性評估中的壽命特征，國內外學者從不同的角度展開了以下研究：Darisuren S，Amanov A，Kim J等人對調心滾子軸承的再制造過程及其壽命預測精度的提高進行了研究[10]；國防科技大學的研究者采用加速壽命試驗數據和現場數據相融合的辦法提高對廢舊產品剩余壽命評估的精度[11]；上海交通大學的研究者使用有限元理論對汽車發動機曲軸進行壽命預測，并對發動機產品的可再制造性進行了研究[12]；華中科技大學的研究者提出采用CAE工況仿真和BP神經網絡算法預測工程機械再制造剩余疲勞壽命的方法[13]。

1.3 工程機械再制造

國外，以歐洲、美國和日本為代表的國外工程機械廠商，其再制造產業起步早、技術成熟，現已形成規模化生產，成為循環經濟的重要組成部分。卡特彼勒公司再制造業務在2009年已成為公司的支柱產業，全年的再制造銷售總額超過該公司全部業務銷售總額的一半。日本在機械裝備再制造領域的發展也取得了較大的成績，2008年單工程機械再制造數量就高達9萬臺，其中將近一半出口其他區國家。

與歐美發達國家相比，我國再制造產業發展得比較晚。“再制造”概念是由徐濱士院士于1999年6月在西安召開的“先進制造技術”國際會議上首次提出的。2009年，國家工信部啟動了包括工程機械、礦采機械、機床、船舶、再制造產業集聚區等在內的8大領域35家企業參加的再制造試點工作，并取得了顯著的成效，其中濟南復強動力有限公司形成了以再制造斯太爾發動機為主的二十多個再制造發動機產品，已達到年生產各類再制造發動機20000臺的能力[14]。還有一些國內企業是跟國外企業合作成立專門從事工程機械再制造的公司如玉柴和卡特彼勒合作建立玉柴再制造工業（蘇州）有限公司。

2 現有研究存在問題

（1）疲勞壽命預測方面。針對挖掘機工作裝置疲勞壽命的研究很多，但都是針對單一作業介質工況進行的，而在挖掘機的全壽命周期內，會遇到多種作業對象，工作裝置所承受的實際載荷是因作業介質工況的不同而不同的；另外，已有研究大多未考慮焊縫的影響，將焊縫的材料處理為與母材相同，這與工作裝置的實際性能存在一定的差別。一般通過實測載荷歷程，采用雨流計數法推導S-N曲線，結合名義應力法估算危險點疲勞壽命；或通過對液壓挖掘機工作裝置的疲勞強度進行試驗研究，較好地模擬了現場挖掘的情況；但是，實測方法由于測點數較少不能反映整個工作裝置的應力應變變化過程。

而對于單純利用虛擬仿真技術進行模擬的方法來說，雖然克服了測點數目的局限性，但是由于挖掘機實際工作載荷具有隨機性和不確定性，仿真軟件中很難模擬出復雜的真實載荷。如通過挖掘機工作裝置的有限元分析建立疲勞危險點的近似應力應變時間歷程并采用軟件的疲勞模塊進行疲勞壽命估算；利用虛擬樣機技術，通過動力學仿真獲得載荷譜，在Msc.Fatigue中計算出挖掘機動臂的疲勞壽命云圖。雖然這些嘗試通過試驗和仿真相結合的方法進行分析，但在研究中也未考慮實際作業工況下不同作業對象的影響以及焊縫對工作裝置疲勞壽命的影響。

（2）面向再制造的壽命預測方面。雖然已有學者嘗試通過不同研究對象，如調心滾子軸承、汽車發動機曲軸等。如以45#鋼為對象，應用金屬磁記憶無損檢測技術分別對光滑試件和缺口試件檢測，嘗試建立磁記憶信號峰值與再制造毛坯剩余壽命的關系模型；基于廢舊零部件剩余使用壽命的可再制造決策模型，對剩余使用壽命采用平均壽命與實際使用壽命相減得到；這些從面向再制造的壽命預測方面進行研究，但是針對挖掘機工作裝置再制造剩余疲勞壽命進行研究卻鮮有報道。

（3）工程機械再制造方面。在理論研究方面，國內外學者對再制造的研究主要集中在關于再制造的發展和對再制造的認識、再制造技術（包括生產組織管理、工藝流程、逆向物流等）、面向再制造的設計等，針對再制造機械零部件剩余壽命的研究非常少。在實踐方面，國外企業已取得了許多令人羨慕的成就，國內企業仍處于再制造的探索階段，且關注更多的是再制造工藝技術方面，如：如何保證再制造產品的質量和可靠性、如何建立完善的舊件檢測質量控制體系、如何提高再制造技術等，而對廢舊零部件的剩余壽命沒有進行深入研究。

3 研究工作發展的趨勢

針對面向再制造的壽命預測研究偏少，從面向挖掘機工作裝置再制造的角度出發，后續的研究工作應包括以下幾個方面：

（1）以服役歷程清楚的中型挖掘機為研究對象，建立挖掘機工作裝置運動學和動力學模型。

（2）結合實際作業工況下不同作業對象以及焊縫對工作裝置疲勞壽命的影響，著手測試不同介質工況下挖掘機工作裝置現場試驗數據，并通過試驗數據與理論計算、軟件仿真相結合的方法，得到挖掘機工作裝置各鉸點的真實工作載荷。

（3）考慮在焊縫影響下，研究多工況真實載荷驅動下，挖掘機工作裝置再制造剩余疲勞壽命預測方法，為挖掘機工作裝置中動臂、斗桿等關鍵部件再制造性決策提供依據。

4 結束語

本文提出進行挖掘機工作裝置疲勞壽命預測時考慮焊縫的影響，借助試驗、理論計算、虛擬仿真多種分析手段，獲得挖掘機工作裝置各鉸點力在整個工作過程中的真實變化歷程，探索面向挖掘機工作裝置再制造的剩余疲勞壽命預測方法，為挖掘機工作裝置剩余疲勞壽命的準確計算打下基礎。在后續的研究中，針對挖掘機工作裝置疲勞分析中由于復雜載荷難以模擬而導致結果誤差大的問題，擬采取一種完全由真實載荷驅動的工作裝置剩余疲勞壽命預測方法，該方法需要根據傳感器記錄的挖掘過程中動臂液壓缸、斗桿液壓缸、鏟斗液壓缸壓力和位移的數據推導出工作裝置上各鉸點的真實工作載荷。這些試驗數據為基于真實載荷驅動的工作裝置剩余疲勞壽命預測方法的實現提供了必要條件。