轮式装载机动臂疲劳寿命评估分析

倪 栋

（厦门市产品质量监督检验院，福建 厦门 361004）

动臂为装载机工作装置的重要组成部件，也是主要承载构件，其受力情况较为复杂，加之长期在随机载荷下服役，很难对其真实的疲劳强度作出可靠评价。设计中往往出现静强度富裕而动强度不足的情况，造成部分装载机在使用中未达到5000h工作时间就出现了疲劳裂纹或发生断裂［1］。因此，开展对装载机动臂疲劳寿命的试验研究和评估分析，对实现在役装载机动臂剩余寿命的在线监测，预防疲劳断裂事故的发生，指导装载机动臂的设计、优化和再制造都具有十分重要的意义。

1 装载机动臂疲劳寿命评估方法

1.1 名义应力法

试件和零件在高于104～105次以上载荷循环而产生的疲劳，称为高周疲劳。对于高周疲劳，通常采用名义应力法［2-3］。在几何突变的地方会有应力集中现象，应力集中以应力集中系数表示。如果不考虑应力集中系数，直接用构件弯矩除以构件的剖面模数所得到的力就是名义应力。实际的应力则为名义应力×应力集中系数。名义应力是不能直接用于疲劳分析的，需要考虑应力集中系数后再用S—N曲线计算疲劳寿命。名义应力法是传统的疲劳设计方法，本文利用名义应力法的Mine线性疲劳累积损伤理论对装载机的动臂进行疲劳寿命的估算。

1.2 雨流计数法编制载荷谱

动臂所承受的疲劳载荷或疲劳应力实际上为连续的随机过程，因此在进行疲劳强度计算和寿命评估之前必须先确定其载荷谱。将载荷—时间历程处理为—系列的全循环或半循环的过程叫做计数法，目前国内外广泛采用的是雨流计数法［4-7］。为了编程简单，采用“四峰谷计数法”来实现［8-10］，其步骤如下：

（1）峰谷值提取。

首先，由于现有疲劳分析不考虑加载循环中具体的时间因素影响，只关心均值和幅度值，所以，对于任意的载荷谱，必须进行峰值和谷值提取，减少疲劳分析工作的复杂程度。在程序中使用的是3点判别法，即对于任意顺序的3个点A、B和C，如果其载荷（A-B）×（B-C）＞=0，则说明B点必然不会是最后载荷谱中的峰值或者谷值之一。于是可以将B点从载荷谱中除去，如图1所示。

（2）雨流计数。

图1 3点判别法

对于某个载荷谱的峰值—谷值曲线，假设载荷谱中有顺序的4个顶点S1、S2、S3和S4，设ΔS1=|S2-S3|，ΔS2=|S1-S4|。如果ΔS1<=ΔS2，则说明S2和S3构成了1个载荷循环，将他们从载荷谱中取出。作为1个载荷循环，剩下的载荷谱作为1个新的载荷谱，重新开始使用4点法进行处理，如图2所示。最后剩下的载荷谱，用4点法再也不能提取出新的载荷循环时，将该载荷谱复制1份，添加到该载荷谱尾部，形成1个新的载荷谱，第2次进行4点法处理，直到没法再提取出载荷循环为止。至此，原来2次4点法提取出来的所有载荷循环就是原始载荷谱的所有载荷循环，雨流法顺利结束。

图2 4点法

2 ZL50装载机动臂疲劳寿命评估计算

本文以某公司生产的ZL50装载机为例，按照典型实际工况进行应力测试并进行疲劳寿命评估。由于受到机型、试验设备、场地、工况的再现性等因素制约，在测试和分析过程中进行了较多的假设。

2.1 测点的选定

动臂作为装载机主要承载受力件，是铲斗和摇臂的主要结构支撑件，因此动臂必须有足够的强度储备。从测试必要性、测试成本等方面上考虑，我们将在动臂有限元分析中出现高应力的部位选定几个点作为测试点；同时结合目前所收集到的产品质量反馈信息，在动臂发生过损坏、断裂、失效的位置上选定一些点作为测试点。最后确定的测试点位置如图3所示，其中3#、4#、5#点是本文重点考察对象。

图3 测试点分布示意图

2.2 测试工况

选定的典型作业工况为：装载机按V形，6分段作业方式进行正铲装作业；带表性的物料为：土方（密实土壤）；样本容量为20～30斗。

2.3 装载机动臂疲劳寿命评估计算

2.3.1 雨流法计数及其结果简化

将无线应力测试采集的信号用雨流计数法进行计数处理，得到关于应力循环的均值与幅值的二维联合分布矩阵。这里仅选取应力水平最高的第4测点加以分析。

为了分析问题简单起见，将二维数据简化为在某一固定均值下的一维数据。采用“等损伤简化原则”，即根据材料的等寿命曲线，将不同均值Smj下的应力循环按照疲劳损伤当量的原则，折算成同一总均值Sm的循环。折算后的等效应力幅值Sa′按下式计算

式中 Smj为二维联合分布矩阵中第i组均值；Saj为第i组均值下第j个幅值；Sm为测试点典型工况平均应力；Sb为材料抗拉强度。按照（1）式对雨流结果数据进行简化，结果如表1所示。图4、图5分别为该点幅值与均值的分布直方图。

表1 应力幅值分布与计算数据

图4 应力幅值与频次

2.3.2 疲劳寿命估算

装载机动臂材料采用Q345钢材，查表或手册［2］可得试件的疲劳极限为σ-1=268.4MPa，状态为热轧，材料抗拉强度为σb=586MPa，应力比r=-1。考虑到装载机动臂实际结构尺寸、表面加工状况、载荷性质和平均应力等的影响，且实际构件不是光滑的，因此有必要对材料S-N曲线进行转换。

图5 应力均值与频次

具体方法是，在lgσ-lgN的双对数坐标中，以坐标点（lgN0，lgσ-1/Kod）为起点，分别向左右两端作与材料S—N曲线平行的射线，由这两射线构成的折线即为构件的S—N曲线。其中，N0=107，σ-1为材料的疲劳持久极限，Kod为疲劳强度降低系数，这里取安全系数为2。因此结合经验公式N×Sb=C就可以得出装载机动臂各个应力幅值下的疲劳寿命Ni，这里b参照某汽车公司疲劳设计与台架试验经验值，取为8，C为常数，C=124.28×107。

假设Nf＞107时不产生疲劳损伤，则有限寿命

装载机实际作业20～30斗土方约为15min，因此，装载机动臂有限寿命评估为9259×15/60h，约2315h，假设一天工作8小时，那么动臂的安全寿命约为290天。

3 结束语

本文根据金属构件随机疲劳寿命估算方法中的名义应力法，结合Miner疲劳损伤累积理论，对ZL50装载机动臂进行典型工况的疲劳寿命进行了估算分析，得出其实际有限寿命仅约为设计寿命5000h的46.3%。同时，该分析过程也为在役装载机动臂疲劳寿命的预测研究提供了新的评估方法。