起重機底盤結構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疲勞斷裂事故，直接影響了結構可靠性和操作安全性，故需對底盤結構的疲勞耐久性進行系統的分析和研究。文章根據底盤結構所承受載荷的不同、把底盤結構分為吊裝作業承載結構件、行駛結構承載結構件和非承載安裝結構件三類，分別介紹了這三類結構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構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，造成底盤結構的疲勞耐久問題突出、市場上經常出現底盤關鍵承載結構件出現疲勞斷裂的事故。這些事故直接影響了起重機的作業性能和操作安全性，造成后期市場的維護成本增加、嚴重影響了產品口碑和聲譽。

對于起重機底盤的結構疲勞耐久性問題，傳統的做法在產品試制階段，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構的耐久性，但試驗周期長、成本大，發現設計問題的產品設變成本和難度也都十分大。目前汽車行業結構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的仿真經驗，但相關研究主要為汽車行駛工況承載結構的疲勞耐久[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成熟仿真經驗，結合起重機底盤的具體使用工況和特點，開展起重機底盤結構疲勞耐久性研究對提升產品研發水平有一定指導意義。

2 底盤結構疲勞耐久性仿真技術研究

起重機底盤結構承受的載荷主要分為以下三類：一是作為起重機，在進行吊裝作業時，從吊臂、轉臺和回轉支撐傳遞到底盤結構件的吊裝作業載荷;二是底盤在行駛工況時承受路面的激勵載荷;三是發動機等旋轉零部件產生的振動激勵。這三種載荷交替作用在底盤的不同結構件上。根據這三類載荷，底盤結構件也可主要分為以下三類：

（1）吊裝作業載荷承載結構件：此類結構主要承受起重機吊裝作業載荷，主要結構件為底盤車架和支腿。

（2）行駛機構承載結構件：此類結構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、轉向系統等系統及其安裝支架。

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

此三類不同承載結構件所受的載荷不同，所表現出來的結構性能也不同，下面對這三種結構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 吊重作業承載結構疲勞耐久分析

起重機在吊裝過程中主要時間為吊裝作業的準備時間，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，結構的載荷形式為靜載。在吊裝過程中，其吊重物是緩慢提升和移動的，結構承受的載荷由于變化緩慢，可認為是準靜態載荷。由于在吊裝的整個過程中，底盤的車架和支腿僅承受靜態和準靜態載荷的作用，對結構疲勞耐久性能影響大的交變載荷影響較小，所以相關結果僅需進行結構靜強度和穩定性校核，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定性計算時，根據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座圈上，進行360°回轉工況的結構靜強度和穩定性能計算并進行結構強度和穩定性計算分析。計算結果根據《GB/T 3811-2008起重機設計規范》的強度準則和穩定性要求進行判斷是否滿足設計要求。

2.2 行駛機構承載結構件疲勞耐久分析

行駛機構承載結構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載荷，在動態載荷的作用下，結構會產生疲勞損傷進而產生疲勞破壞，故對行駛機構的承載結構件需進行結構疲勞分析。

起重機底盤的行駛機構承載結構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，根據這最大加速度計算出各結構件承受的載荷，進而對各結構件進行強度校核。所得的最大應力小于結構的疲勞強度即可判斷結構的疲勞性能滿足設計要求。結構的疲勞強度為經驗總結值，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的最大加速度值，汽車行業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，可先參照汽車行業的加速度值進行計算，再根據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構的具體疲勞壽命。

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合結構材料和焊縫的S-N曲線計算出該結構的疲勞壽命，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承載結構的疲勞壽命。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 非承載安裝結構件疲勞耐久分析

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

吊裝作業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載荷，而非承載安裝結構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，這就造成動態疲勞分析和靜態疲勞分析的實際結果不同，為了得到更準確的結果，需要對結構進行振動疲勞分析。

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構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PSD功率譜密度和結構的頻響函數計算出結構應力頻率響應結果，在此基礎上采用Drink算法結合材料和焊縫的S-N曲線開展結構的隨機振動疲勞分析，計算出結構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果的正確性，在產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，后期根據試驗結果對其進行修正，進而提升仿真計算分析的準確性。

3 結束語

起重機底盤結構所承受載荷不同，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構件、行駛機構承載結構件和非承載安裝結構件的仿真分析方法和手段進行了詳細的介紹，在進行相關結構件仿真分析時，根據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構耐久性能的研究有一定的指導意義。

參考文獻：

[1]周澤，李光耀，等.基于耐久性虛擬實驗的車身結構疲勞分析[J].汽車工程，2014，36（3）：362-367.

[2]宋名洋.基于CAE方法車身疲勞耐久性研究[J].機電技術，2012（2）：104-106.

[3]王亮平，葉榮欣，等.基于某工程車輛車架疲勞壽命分析方法研究[J].裝備制造技術，2015（10）：4-6.

[4]房強，馬國新，等.車輛支撐件的疲勞壽命分析[J].車輛與動力技術，2011（1）：22-26.

[5]孫亞龍，曾發林.商用車車架疲勞壽命防止研究[J].重慶理工大學學報（自然科學），2016，30（2）：29-36.

[6]蔡福海，王欣，等.起重機結構疲勞強度與壽命評估方法分析[J].中國工程機械學報，2014，12（2）：146-150.