当前以挖掘机为特定对象进行疲劳分析的研究非常少, 其主要难点在于很难通过实测获取载荷谱, 因此现有研究多采取简化或其他替代方式。例如:张卫国等^[1]在对挖掘机进行疲劳分析时, 采用实测油缸压力反推挖掘阻力的最大值作为铲斗载荷驱动, 但将变化的油缸压力作用简化为单一的挖掘阻力作用导致求出的铰点载荷历程无法体现出油缸压力变化带来的影响, 而仅与挖掘位姿变化有关, 故而无法真实反应挖掘机所受载荷的变化过程; 周宏兵等^[2]在通过动力学获取挖掘机铰点载荷历程时采用传统经验公式处理挖掘阻力, 虽然经验公式能大致反映铲斗挖掘阻力大小, 但无法真实反映出土壤与斗侧壁及斗底之间的摩擦阻力、土壤与土壤之间的剪切力等作用力的综合变化过程, 从而导致最终获取的载荷变化过程偏离实际; 朱连双、白瑞等^{[3, 4]}则通过测试得到挖掘机工作装置几个危险点在典型工况下的应力时间历程, 然后经滤波和计数后参照光滑构件的S-N曲线推导疲劳寿命, 该方法由于工况数和测点数较少不能反应整机应力应变的变化过程。

针对现有研究的不足, 本文提出一种新的进行挖掘机工作装置疲劳分析的思路:通过铲斗挖掘土壤过程仿真和整机作业过程仿真, 获得工作装置各铰点的载荷时间历程, 经过验证后作为载荷谱实现工作装置的疲劳寿命计算。

如上所述, 进行挖掘机工作装置疲劳分析的难点在于载荷谱的获取。为了解决这一问题, 提出了如图1所示的挖掘机工作装置疲劳分析流程, 其主要步骤为:

(1)挖掘过程仿真:建立挖掘机铲斗挖掘土壤过程的有限元仿真模型, 在显式动力学软件LS-DYNA中通过数值模拟计算, 求得整个挖掘过程中铲斗上所受挖掘阻力的完整变化过程, 即挖掘阻力载荷谱。

(2)整机作业过程仿真:建立挖掘机整机作业过程仿真模型, 以第一步中获得的挖掘阻力载荷谱作为载荷驱动, 在动力学仿真软件ADAMS中通过仿真获得典型作业循环工况下工作装置各铰点的载荷谱。

(3)载荷谱验证:由于挖掘过程的载荷变化会直接反映到工作装置三组油缸的压力波动, 即挖掘阻力变化与油缸压力变化之间存在对应关系, 因此虽然无法对上述仿真获得的挖掘阻力载荷谱和各铰点载荷谱进行直接验证, 但是可以通过对比实测油缸压力与仿真获得的油缸压力之间的误差来间接判断仿真获得的载荷谱是否准确可信。如果通过验证, 则可以用作后续的疲劳寿命计算, 否则需要返回第一步对挖掘过程仿真模型进行修正。

(4)工作装置疲劳寿命计算:以验证后的各铰点载荷谱, 在疲劳分析软件FE-SAFE中完成挖掘机工作装置的疲劳寿命计算。

图1

Fig.1

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	图1 挖掘机工作装置疲劳分析流程Fig.1 Fatigue analysis process of working device of excavator

考虑到目前对工程机械作业过程仿真的研究已经很多且相对比较成熟^{[2, 13]}, 因此这里不再作赘述。挖掘机作业过程仿真的步骤主要包括:首先在Adams中建立如图5所示的挖掘机整机模型, 包括机构模型、液压系统模型和控制模型; 然后将图4挖掘阻力载荷曲线作用于铲斗尖, 并在三组油缸中设置压力传感器、在各铰点上设置力传感器以便获得仿真数据; 最后通过控制液压系统驱动三组油缸完成一个完整的作业过程仿真。

图5

Fig.5

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	图5 挖掘机整机模型Fig.5 Whole machine model of excavator

为了验证仿真获得的载荷谱的准确性, 对该厂家的某型23 t挖掘机挖掘常州地区的粘土进行了试验(见图6), 实测了作业循环过程中油缸的压力变化曲线。图7为实测与仿真获得的斗杆和铲斗油缸压力变化曲线的对比情况, 可以看到仿真与实测曲线基本一致, 只是在铲斗开始挖掘土壤阶段、挖掘满斗阶段以及卸载阶段实测值会有一定变化的冲击载荷, 其余阶段斗杆和铲斗油缸的压力平均误差分别小于7%和5%, 因此可以认为仿真获得的挖掘阻力载荷谱具有较好的准确性。这样, 可将作业过程仿真获得的各铰点载荷谱(见图8)用于后续疲劳分析。

图6

Fig.6

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	图6 载荷验证试验Fig.6 Load verification test

图7

Fig.7

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	图7 油缸压力实测与模拟曲线Fig.7 Actual and simulation pressures of cylinder

图8

Fig.8

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	图8 工装主要铰点载荷时间历程Fig.8 Load history of some main hinges of working device

挖掘机工作装置的损坏属于高周多轴疲劳, 目前关于高周多轴疲劳的损伤累积和寿命估算主要有三种方法:应力准则法、临界面准则法和能量准则法, 其中临界面准则法因建立在裂纹萌生和扩展机理之上而具有一定物理意义, 并被认为是一种较有效的高周多轴疲劳分析方法^[14]。在疲劳分析软件FE-SAFE中集成了临界面准则法, 但FE-SAFE需要借助ANSYS等其他有限元软件完成前后处理工作。因此在对工作装置进行疲劳分析时, 首先在ANSYS中对工作装置进行单位铰点载荷下的静力分析, 然后将静力分析的应力结果和上文获得的铰点载荷谱导入FE-SAFE中完成工作装置的疲劳寿命计算, 最后在ANSYS中进行疲劳结果的后处理显示。

4.1 工作装置静力分析

在ANSYS中分别建立液压挖掘机的动臂和斗杆有限元模型, 如图9所示, 材料均为Q345。依次在各铰点加载单位载荷分量并定义好约束后即可完成静力分析求解。

图9

Fig.9

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	图9 动臂和斗杆的有限元模型Fig.9 Finite element model of boom and arm

求解的结果文件包含了进行疲劳分析所需要的工装在各单位力作用下的应力张量等信息。

4.2 工作装置疲劳寿命计算

在FE-SAFE中将上述静力分析结果与相应的各铰点载荷时间历程关联, 依据软件提供的Seeger’ 材料数据估算方法, 用Q345材料的抗拉强度与弹性模量建立其S-N曲线, 采用BrownMiller临界面算法完成疲劳寿命计算, 将计算结果导入ANSYS中, 最终得到动臂和斗杆的疲劳寿命如图10所示。

图10

Fig.10

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	图10 动臂和斗杆疲劳寿命Fig.10 Fatigue life of boom and arm

(1)通过挖掘过程仿真、整机作业过程仿真以及实测油缸压力进行验证等步骤, 有效地解决了挖掘机工作装置疲劳分析的载荷谱难以获取的问题。

(2)在此基础上, 提出了一种新的挖掘机工作装置疲劳分析流程, 以某23 t挖掘机为例, 说明了上述载荷谱获取方法和疲劳分析流程的有效性。

(3)建立的挖掘过程仿真模型, 既考虑了土壤性质、土壤与铲斗摩擦等关键因素, 又对土壤作用区域、铲斗模型等一些次要因素进行了必要的简化, 兼顾了求解精度和计算效率的要求, 为深入研究挖掘机与土壤之间的作用机理提供了一个较好的模型基础。

(4)提出的挖掘机工作装置的载荷谱获取方法和整个疲劳分析流程, 对其他工程机械或产品的疲劳分析也具有参考价值。

(5)由于挖掘机的动臂和斗杆尺寸较大、结构复杂, 直接或制作局部结构样件进行疲劳试验验证较为困难, 因此如何验证理论计算的疲劳寿命以及如何分析和修正流程中各环节的误差将是后续需要进一步深入研究的问题。