混凝土泵分配阀驱动轴疲劳寿命预测

吴士平，王 静 乔志华

（徐州徐工施维英机械有限公司，江苏 徐州 221004）

分配阀是混凝土泵的关键部件之一，安装在料斗中，一端连接输送缸，另一端与输送管相连，主要负责协调各部件的动作。

如图1所示为换向系统结构，由驱动油缸、摆臂、轴承、料斗、分配阀组成。分配阀安装在料斗轴承座中，分配阀驱动轴通过摆臂与驱动油缸相连，通过摆臂传递动力，实现分配阀在2个输送缸之间切换，实现混凝土的连续泵送。

图1 换向系统示意图

混凝土泵的泵送次数一般在（13～30）次/min，完成一次泵送动作需（2～6）s的时间，为了防止泵送时混凝土倒流，特别是高压泵送，要求换向动作必须迅速、有力。由于负载质量大、运动速度快，因此摆动过程中驱动机构受到较大的惯性力冲击，对驱动机构可靠性有较大影响。

换向过程中驱动机构反复摇摆，结构承受交变冲击载荷的作用，特别是驱动轴，若驱动轴设计、工艺不合理，容易引起驱动轴的早期失效。本文对驱动系统换向过程进行研究，对换向过程进行受力分析，得到换向过程中最大载荷，进而对驱动轴进行静力分析和寿命预测。

1 驱动系统工况分析

1.1 驱动机构受力分析

如图2所示，换向驱动机构主要由分配阀、摆臂、左右驱动油缸及摆缸固定座（料斗）等几部分组成，通过摆动油缸交替进油，2摆缸交替动作完成分配阀的换向。

为了研究摆动系统受力，将驱动机构简化成2个偏置的曲柄滑块机构，摆缸作为主动力简化为滑块，摆臂简化为三力杆，驱动机构受力简图如图3所示。

图2 换向系统简化示意图

图3 驱动机构受力简图

分配阀在摆动换向过程中受力十分复杂［5］，换向时需克服惯性力、摩擦阻力、混凝土剪切力，具体如下式所示：

式中 P——驱动缸压力；

D——驱动缸直径；

F1——料斗中混凝土阻力；

F2——料斗中混凝土的剪切力；

F3——分配阀的空载静力矩；

F4——分配阀的惯性力矩；

F5——分配阀的摩擦阻力距；

F6——切断混凝土的剪切力矩；

F7——分配阀中混凝土惯性力矩。

尽管能对作用在分配阀上的摆动阻力做出定性分析，由于阻力的变量较多，如混凝土的流动性、强度、锁紧螺母的预紧力、摩擦配合面的光滑度等，很难将阻力定量的计算出来。

因此本文从驱动力入手进行研究，研究驱动油缸换向压力变化曲线及换向时间，借助测量仪器（如图4所示）测得油缸伸、缩及蓄能器的压力变化曲线，测得单次摆动换向时间。如图5所示，由于瞬间冲击，伸出缸的压力从190bar，降到0bar，然后又升到25bar；收缩缸的压力从0bar升到140bar，然后又降到45bar左右；蓄能器的压力从190bar降到140bar；整个换向时间为200ms。

图4 压力测试设备

图5 换向压力变化曲线

根据蓄能器和油缸压力变化曲线，可知换向过程中驱动力不是一直保持190bar不变；由收缩缸的压力曲线可知，收缩缸有一定的背压，可减小换向过程的冲击。假设液压驱动系统换向过程中换向驱动压力P保持不变，收缩缸换向背压为0bar，则可认定此种工况为最大载荷工况。

如图6所示为驱动油缸换向时力臂变化曲线，可知当摆臂旋转β=44°时，力臂最大，驱动力矩M达到最大，则M：

以上M为静态最大力矩，由于分配阀换向迅速对结构冲击较大，计算时需考虑动荷系数，设动荷系数为Kd，则最大力矩Mmax为：

图6 摆柄换向力矩变化

1.2 动荷系数确定

如图7所示，无线动态应变测试系统主要有采集系统（应变片、动态应变采集仪）、无线通信系统（无线路由器）和存储分析控制系统（电脑）三大组成部分。

图7 无线动态测试系统

借助无线动态测试系统，对驱动油缸、摆臂进行试验，如图8所示，测得如图9所示的应变变化曲线图。

图8 应变测试

由应变变化曲线图可得在冲击载荷的作用下应变的变化，根据应变变化值，由动荷系数计算公式：

图9 应变变化曲线

测得动载系数Kd=1.5。

2 驱动轴寿命预测

2.1 材料S-N曲线

1种方法，S-N曲线直接通过对零部件进行疲劳试验来获取；另1种方法，S-N曲线通过材料在试验的条件下获取。

以上2种获得S-N曲线的方法都是通过试验的方式获得的，本文则是通过经验方程法获取S-N曲线。常见的S-N数学表达式有指数函数公式、幂函数公式和Weibull公式3种形式［6］，本文采用经常用的幂函数公式：

其中，m、C为与加载方式和应力比等有关的材料常数，对公示两边取对数得：

其中，A=lgC/m；B=-1/m为公式斜率，由此可知，应力与寿命之间呈对数线性关系。

本文采用的材料为38CrMoAl，其材料特性如表1所示，材料38CrMoAl的各项属性均已知，可利用幂函数公式获得S-N曲线。

表1 38CrMoAl力学性能

S-N曲线主要描述高周疲劳，高周疲劳的下线一般为103～104，为了保守估计，假定下线为103，此时材料的静强度与抗拉强度为σb是一一对应的［6］，因此将抗拉强度及其循环次数带入公式（2）可得：

对于金属材料，疲劳极限所对应的循环次数一般为106，因此将疲劳极限和循环次数带入公式（3-2）可得［6］：

联立3-3及3-4可得38CrMoAl的S-N双对数公式如下：

根据双对数公式得到38CrMoAl的双对数型S-N曲线，如图10所示。

图10 材料S-N曲线

2.2 建立仿真模型

如图11所示为分配阀结构，将驱动轴和阀体之间的连接进行简化，将分配阀总成的驱动轴、阀体和楔形块分离出来，将阀体简化为两轴承座，以摆臂、驱动轴、驱动油缸缸杆、楔形块及轴承座组成的模型作为有限元计算的初始模型，如图12所示为离散后的计算模型。

图11 分配阀结构示意图

图12 有限元模型

根据分配阀换向过程受力进行加载，载荷如图13所示，A为固定约束，B为轴向位移约束，C为驱动油缸的驱动力。

图13 载荷示意图

2.3 静力分析结果

如图14所示为摆动载荷最大时的应力云图，驱动轴最大应力达到414MPa，位于驱动轴和楔形块接触位置，属于挤压应力；如图15所示除去挤压区域其余最大应力为均匀应力区的应力为270MPa，远小于屈服强度835MPa/抗拉强度980MPa，驱动轴的最小安全系数为3.6，满足设计要求。

图14 驱动轴整体应力云图

图15 驱动轴局部应力云图

2.4 疲劳寿命预测

根据以往驱动轴损坏形式，如图16所示，由静力分析可知断裂区域最大的应力为240MPa，下面对故障区进行疲劳寿命预测。

在3.3节中静力分析的基础上利用Fatigue tools模块对驱动轴进行疲劳寿命预测。由第3.1中可知材料的S-N曲线，根据驱动轴受力特点，在Fatigue tools模块进行如下设置：

（1）采用Goodman方法对平均应力进行修正；

（2）设置载荷类型为Fully Rveversed；

图16 驱动轴断裂故障

（3）比例因子设置为动荷系数1.5；

（4）疲劳强度因子取0.8；

（5）设计寿命取0.9×106次；

（6）一个循环周期对应4次摆动。

进行疲劳寿命计算，得到驱动轴的寿命云图和疲劳安全系数云图如图17、图18所示。由云图可知，之前故障区域寿命6.39×106，安全系数为1.2，满足设计要求。

图17 驱动轴寿命曲线

图18 驱动轴安全系数

3 结束语

（1）利用ANSYS Fatigue tools模块对驱动轴寿命进行预测，结合故障实例分析，疲劳寿命安全系数为1.2，满足设计要求。

（2）借助测试设备测得驱动系统压力变化曲线和动荷系数，为后期解决冲击问题提供了一种思路。