挖掘机工作装置疲劳分析方法.pdf

第4 6 卷第1 期 吉林大学学报 X - 学版 V 0 1 ．4 6N o ．1 2 0 1 6 年1 月J o u r n a lo fJ i l i nU n i v e r s i t y E n g i n e e r i n ga n dT e c h n o l o g yE d i t i o n J a n ．2 0 1 6 挖掘机工作装置疲劳分析方法 邱清盈1 ，魏振凯1 ，高宇1 ，冯培恩1 ，殷鹏龙2 1 ．浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，杭州3 1 0 0 2 7 ；2 ．国机重工 常州 挖掘机有限公司，江苏 常州，2 1 3 1 3 6 摘要针对挖掘机载荷谱难以实测获取，从而难以对其工作装置进行疲劳分析的问题，提出 一种新的解决方法首先通过对铲斗挖掘土壤过程进行仿真，获得挖掘阻力的完整变化过程， 即挖掘阻力载荷谱；然后通过整机作业过程仿真，获得与上述挖掘阻力载荷谱相对应的工作装 置各铰点载荷谱，并通过实测油缸压力进行对比验证；最后以经过验证的各铰点载荷谱实现工 作装置的动臂和斗杆疲劳寿命分析。以某2 3t 液压反铲挖掘机为例，详述了采用上述方法对 其工作装置进行疲劳分析的过程，计算出动臂和斗杆在典型作业循环工况下的最低疲劳寿命 分别为1 05 ’9 7 8 和1 0 64 7 次，验证了所提方法的有效性。 关键词矿山机械工程；疲劳分析；任意拉格朗日一欧拉算法；液压挖掘机；工作装置 中图分类号T D 4 2文献标志码A文章编号1 6 7 1 5 4 9 7 2 0 1 6 0 1 0 1 5 9 0 7 D O I 1 0 ．1 3 2 2 9 ／j ．c n k i ．i d x b g x b 2 0 1 6 0 1 0 2 4 F a t i g u ea n a l y s i sm e t h o do fw o r k i n gd e v i c e so fh y d r a u l i ce x c a v a t o r O i uQ i n g y i n 9 1 ，W E IZ h e n k a i l ，G A OY u l ，F E N GP e i e n l ，Y I NP e n g l o n 9 2 1 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fF l u i dP o w e rT r a n s m i s s i o na n dC o n t r o l ，Z h e j i a n gU n i v e r s i t y ，H a n g z h o u3 1 0 0 2 7 ，C h i n a ； 2 ．S I N O M A C H - H I C h a n g z h o u E x c a v a t o rC o ，L t d ，C h a n g z h o u2 1 3 1 3 6 ，C h i n a A b s t r a c t I ti sh a r dt om e a s u r et h el o a dh i s t o r yo ft h ew o r k i n gd e v i c eo fh y d r a u l i ce x c a v a t o ri nf a t i g u e a n a l y s i s ．T os o l v et h i sp r o b l e ma n o v e lf a t i g u ea n a l y s i sm e t h o di sp r o p o s e d ．F i r s t ，t h ec o m p l e t e c h a n g ep r o c e s so fd i g g i n gr e s i s t a n c e ，n a m e dD i g g i n gR e s i s t a n c eL o a dS p e c t r u m D R L S ，i so b t a i n e d b ys i m u l a t i n gt h ed i g g i n gp r o c e s so fs o i lw i t ht h eb u c k e to fh y d r a u l i ce x c a v a t o r ．S e c o n d ，a c c o r d i n gt o t h eD R L S ，t h el o a dh i s t o r yo fe a c hh i n g eo ft h ew o r k i n gd e v i c ei sc a l c u l a t e d b yt h eo p e r a t i o n s i m u l a t i o no faf u l lt y p i c a lw o r k i n gc y c l eo ft h ee x c a v a t o r ．T h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r et h e nv e r i f i e db y c o m p a r i n gw i t ht h ea c t u a lc y l i n d e rp r e s s u r em e a s u r e df r o mt h ee x p e r i m e n ts i m i l a rt ot h ew o r k i n g c o n d i t i o ni nt h es i m u l a t i o n ．F i n a l l y ，t h ef a t i g u ea n a l y s i so ft h eb o o ma n da r mo ft h ew o r k i n gd e v i c e a r ea c c o m p l i s h e dw i t ht h ev e r i f i e dl o a dh i s t o r i e so ft h eh i n g e s ．T h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e d m e t h o di sd e m o n s t r a t e dw i t ht h ef a t i g u ea n a l y s i sp r o c e s so ft h ew o r k i n gd e v i c eo fa2 3th y d r a u l i c b a c k h o ee x c a v a t o r ．T h er e s u l t sc o m eo u tt h a tt h em i n i m u ml i v e so ft h eb o o ma n da r ma r e1 0 59 7 8a n d 1 0 6 ”c y c l e sr e s p e c t i v e l y ． 收稿日期2 0 1 4 0 4 1 6 ． 基金项目国家科技支撑计划项目 2 0 1 3 B A F 0 7 8 0 4 ． 作者简介邱清盈 1 9 7 0 一 ，男，副教授，博士．研究方向机械优化设计和创新设计方法，挖掘机优化设计、结构强度 分析和测试．E m a i l m e d e s l a b z j u ．e d u ．c n 万方数据 1 6 0 吉林大学学报 工学版第4 6 卷 K e yw o r d s m i n em e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ；f a t i g u ea n a l y s i s ；a r b i t r a r yL a g r a n g i a n - E u l e r i a n A L E ； h y d r a u l i ce x c a v a t o r ；w o r k i n gd e v i c e 0引言 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 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 “] 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。 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F E S A F E 中完成挖 掘机工作装置的疲劳寿命计算。 图1挖掘机工作装置疲劳分析流程 F i g ．1F a t i g u ea n a l y s i sp r o c e s so fw o r k i n g d e v i c eo fe x c a v a t o r 1 挖掘机工作装置疲劳分析流程 2 基于挖掘过程仿真的挖掘阻力载 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L S D Y N A 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A D A M S 中 荷谱获取 2 ．1 铲斗挖掘土壤模型的建立 土壤是挖掘机的工作对象，土壤模型的优劣 对于通过仿真获取挖掘阻力载荷谱的正确性有重 要影响。目前公认具有较高精度和稳定性的土壤 模型是显式动力学软件L S D Y N A 中的* M A T M O H R C O U L O M B 土壤本构模型[ 5 ] ，该模型采 用经典摩尔库伦屈服准则[ 6 ] ，可适用于土壤、混凝 土等类似特性材料的模拟。 由于目前在挖掘机挖掘土壤仿真方面的研究 几乎没有，因此在参考作用机理相似的刀具切削 万方数据 第1 期 邱清盈，等挖掘机工作装置疲劳分析方法 1 6 1 土壤研究的基础上口曲] ，为了兼顾计算效率和求解 精度的要求，在建立铲斗挖掘土壤模型时，可采取 如下处理策略 1 考虑铲斗挖掘土壤时的应力传播，土壤模 型应尽可能大，但是在相同网格密度情况下，过大 的土壤模型将使有限元计算量大幅增加，因此在 实际建模时，可根据铲斗尺寸，将土壤模型设置为 铲斗尺寸的4 ～5 倍左右。 2 由于铲斗尺寸远小于土壤模型，因此可对 其抽取中面，以壳单元代替实体单元；同时考虑到 挖掘过程中铲斗变形很小，可以将铲斗定义为刚 性体，这样可以显著提高求解效率。 3 考虑到铲斗斗齿过尖，当其作用于土壤时 容易引起负体积等问题而造成求解错误甚至失 败，同时挖掘过程中主要是铲斗斗缘起到决定性 作用，因此在建模时可以将斗齿简化掉。 4 网格划分时，因为土壤及其流动域是主要 关心对象，所以它们的网格相较铲斗应该划分得 更为细密。 以江苏省常州市某挖掘机厂家的2 3t 挖掘 机挖掘常州地区的粘土为例，根据该型号挖掘机 铲斗尺寸将土壤模型尺寸设置为5m 4m 2 ．5 m ，将用作土壤网格大变形流动的流动域设置为5 m 4m X1m ，最终形成的土壤挖掘初始模型如 图2 所示。 圈2 土壤挖掘初始模型 F i g ．2 I n i t i a lm o d e lo fd i g g i n gs o i l 2 ．2 挖掘过程仿真 参照与江苏省常州市粘土特性基本相同的昆 山地区土壤[ 1 。| ，仿真中土壤材料属性取值如表1 所示。铲斗材料为Q 3 4 5 ，其材料参数为弹性模 量为2 ．0 6 l O 5 M P a ，密度为7 ．8 5 1 0 3k g ／m 3 ， 泊松比为0 ．3 ，屈服极限为6 0 0M P a 。 表1 粘土关键参数取值 T a b l e1 K e yp a r a m e t e rv a l u e so fc l a y 土壤密度／ k g m - 3 1 8 5 0 体积模量／M P a 2 1 ．3 泊松比0．32内摩擦角／r a d 0 ．3 剪切模量／M P a 8 ．7 内聚力／k P a 2 2 由于在仿真过程中土壤网格会发生大变形， 是一个典型的几何非线性、材料非线性以及接触 非线性的复杂分析问题，因此应采用L S - D Y N A 中的任意拉格朗日一欧拉 A L E 算法，以有效地解 决网格大变形问题[ 1 1 ’1 2 ] 。 图3 为挖掘机铲斗挖掘土壤的仿真过程首 先斗杆挖掘，即铲斗在斗杆的带动下切人土壤，与 铲斗接触的土壤受到挤压，然后斗杆一铲斗复合动 作进行挖掘，随着转动角度的增大，铲斗开始推送 土壤产生土壤积屑瘤；最后铲斗挖掘，将土壤积屑 瘤慢慢装入斗中。 经过仿真得到全局坐标下挖掘阻力三向分力 如图4 所示，因忽略偏载作用，故Z 向受力为0 ， 而X 、y 向合力从0 开始增大至9 2k N 后再减小， 变化趋势与实际挖掘规律相符。 图3 挖掘过程仿真 F i g ．3 D i g g i n gp r o c e s ss i m u l a t i o n 图4 挖掘阻力三问曲线图 F i g ．4 T h r e ec o m p o n e n t so fd i g g i n gr e s i s t a n c e 3 基于作业过程仿真的铰点载荷谱 获取与验证 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 d3 | ，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A d a m s 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 万方数据 1 6 2 吉林大学学报 工学版 第4 6 卷 图5 挖掘机整机模型 F i g ．5 W h o l em a c h i n em o d e lo fe x c a v a t o r 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。 为了验证仿真获得的载荷谱的准确性，对该 厂家的某型2 3t 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 载荷验证试验 F i g ．6 L o a dv e r i f i c a t i o nt e s t ．A 九。 j 。。。。。。。。。 ㈣／■三二主i 薹 ／“ ’V ／t 嘉j 磊簇荔戛 j1 ．．，．M t ．i 铲斗油缸实测曲线 删矿X ．煅八 伊’W 一1 l 魄蒯躐 f ／S 图7 油缸压力实测与模拟曲线 F i g ．7 A c t u a la n ds i m u l a t i o np r e s s u r e so f “ c ，l i n d e r 图8工装主要铰点载荷时间历程 F i g ．8 L o a dh i s t o r yo fs o m em a i nh i n g e so f w l w k i n gd e v i c e 6 5 4 3 2●8 乞．o_【一＼R出耳攥 万方数据 第1 期 邱清盈，等挖掘机工作装置疲劳分析方法 ‘1 6 3 4 工作装置的疲劳分析 ． 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口4 ] 。在疲 劳分析软件F E S A F E 中集成了临界面准则法， 但F E S A F E 需要借助A N S Y S 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A N S Y S 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F E S A F E 中完成工作装置的疲劳寿命计算，最后在 A N S Y S 中进行疲劳结果的后处理显示。 4 ．1 工作装置静力分析 在A N S Y S 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Q 3 4 5 。 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。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。 a 1 动臂 臀躐 ■馘≯。一豢0 一；气 ，嘉 【b J 斗杆 图9 动臂和斗杆的有限元模型 F i g ．9 F i n i t ee l e m e n tm o d e lo fb o o ma n da r m 4 ．2 工作装置疲劳寿命计算 在F E S A F E 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 S e e g e r ’材料数据估算方法，用Q 3 4 5 材料的抗拉 强度与弹性模量建立其S N 曲线，采用 B r o w n M i l l e r 临界面算法完成疲劳寿命计算，将 计算结果导入A N S Y S 中，最终得到动臂和斗杆 的疲劳寿命如图1 0 所示。 f b 斗杆 图1 0 动臂和斗杆疲劳寿命 F i g ．1 0F a t i g u el i f eo fb o o ma n da r m 4 ．3 结果分析 由图1 0 可以看出在典型作业循环工况下工 作装置的损坏情况对于动臂，最早在动臂耳板处 发生损坏，最低寿命为1 05 ’9 7 8 次，经分析该部位是 斗杆油缸作用力的直接承受者，局部有应力集中 且耳板厚度较薄，故而最早损坏；对于斗杆，最早 在其与动臂铰接的销轴四周及销轴内部发生损 坏，最低寿命为1 0 6 4 7 次，经分析该部位是斗杆箱 体边缘与销轴的连接位置，容易产生应力集中，同 时也是斗杆承受交变载荷的位置，故而最早损坏。 万方数据 1 6 4 吉林大学学报 工学版第4 6 卷 该2 3t 挖掘机一次作业过程时间约为1 4s ， 假设挖掘机一天工作8h ，一年工作3 6 5 天，则经 过计算得出该挖掘机工作装置在连续工作4 6 2 天 后动臂首先发生损坏，经过3 ．9 3 年后斗杆发生损 坏，而其余位置基本可工作1 3 ．3 年。这说明该挖 掘机工作装置的局部结构设计还不够合理，可以 在疲劳分析的基础上作进一步的结构优化改进。 5 结论 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2 3t 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～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。 参考文献 [ 1 ] 张卫国，权龙，程珩，等．真实载荷驱动下挖掘机工 作装置疲劳寿命研究I - 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D Y N Ak e y w o r du s e r 7 Sm a n u a l [ R ] ．L i v e r m o r eS o f t w a r eT e c h n o l o g yC o r p o r a t i o n ，U S A ， 2 0 1 3 ． [ 6 ] 刘英，于立宏．M o h r - C o u l o m b 屈服准则在岩土工程 中的应用E J 3 ．世界地质，2 0 1 0 ，2 8 4 6 3 3 6 3 9 ． L i uY i n g ．Y uI 。i h o n g ．A p p l i c a t i o no fM o h r C o u l o m by i e l dc r i t e r i o ni ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g [ J ] ． G l o b a lG e o l o g y ，2 0 1 0 ，2 8 4 6 3 3 6 3 9 ． [ 7 ] D iY ，S a t oT ．C o m p u t a t i o n a lm o d e l i n go fl a r g ed e f o r m a t i o no fs a t u r a t e ds o i l su s i n ga nA I ，Ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d [ R ] ．K y o t oU n i v e r s i t y ，N o ．4 7 C ， 2 0 0 4 ． [ 8 ] S u s i l aE ，H r y c i wRD ．L a r g ed i s p l a c e m e n tF E M m o d e l i n go ft h ec o n ep e n e t r a t i o nt e s t C P T i nn o r m a l l yc o n s o l i d a t e ds a n d [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a l f o rN u m e r i c a la n dA n a l y t i c a lM e t h o d si nG e o m e c h n i c s ，2 0 0 3 ，2 7 7 5 8 5 - 6 0 2 ． [ 9 ] K a r m a k a r aS ，A s h r a f i z a d e hSR ，K u s h w a h aRL ． E x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o n o fc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sm o d e l i n gf o rn a r r o wt i l l a g et o o ld r a f t [ J ] ． J o u r n a lo fT e r r aM e c h a n i c s ，2 0 0 9 ，4 6 6 2 7 7 2 8 3 ． [ 1 0 ] 上海岩土工程勘察设计研究院有限公司．昆山花桥 国际商务城F 地块酒店公寓岩土工程勘察报告 [ R ] ．2 0 0 7 ． E 1 1 3 丁峻宏，金先龙，郭毅之．土壤切削大变形的三维数 值仿真[ J ] ．农业机械学报，2 0 0 7 ，3 6 4 1 1 8 1 2 1 ． D i n gJ u n - h o n g ，J i nX i a n l o n g ，G u oY i z h i ．S t u d yo n 3 一Dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rs o i lc u t t i n gw i t hl a r g e d e f o r m a t i o n [ J ] ．T r a n s a c t i o n so ft h eC h i n e s eS o c i e t y f o rA g r i c u l t u r a lM a c h i n e r y ，2 0 0 7 ，3 6 4 1 1 8 1 2 1 ． [ 1 2 ] 沈建奇，金先龙，工吉云，等．基于并行计算的盾构 机过大堤三维数值模拟[ J ] ．上海交通大学学报， 万方数据 第1 期邱清盈，等挖掘机工作装置疲劳分析方法 ‘1 6 5 ‘ 2 0 0 9 ，4 3 6 1 0 1 7 1 0 2 0 ． S h e nJ i a n q i ，J i nX i a n - l o n g ，W a n gJ i y u n ，e ta 1 ． T h r e ed i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs h i e l d t u n n e l i n gt h r o u g hf l o o dl e v e eb a s e do np a r a l l e lc o r n p u t i n g [ - 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