陳 澤 ,吳斌興 ,吳德志 ,,萬(wàn)民順 ,
(1.中聯(lián)重科股份有限公司泵送事業(yè)部研發(fā)中心,湖南長(zhǎng)沙410205;2.國(guó)家混凝土機(jī)械工程技術(shù)研究中心技術(shù)研究院,湖南長(zhǎng)沙410205)
混凝土泵車在布料作業(yè)時(shí),液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊、臂架運(yùn)動(dòng)的慣性沖擊、混凝土在砼管中流動(dòng)引起的流固耦合振動(dòng),以及風(fēng)載等沖擊激勵(lì)直接作用在泵車底架結(jié)構(gòu)上,引發(fā)底架系統(tǒng)顯著的動(dòng)態(tài)應(yīng)力、位移響應(yīng)、整機(jī)振動(dòng),使混凝土泵車底架結(jié)構(gòu)承受交變動(dòng)載荷。振動(dòng)沖擊在隨著時(shí)間的積累內(nèi)所表現(xiàn)出的破壞力,對(duì)底架結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生的惡劣影響將不斷地暴露出來,大大降低泵車的使用壽命、安全及可靠性。李建濤等[1]研究了泵車臂架結(jié)構(gòu)有限元壽命優(yōu)化及疲勞試驗(yàn)方法。楊平等[2]采用Dirlik概率模型的頻域法,能較好地反映隨機(jī)載荷下泵車臂架結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。張洋洋等[3]研究了變幅載荷下有限壽命疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià),結(jié)合跑車實(shí)測(cè)載荷譜,進(jìn)行了結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析。王正等[4-5]建立了隨機(jī)載荷循環(huán)作用下,基于材料疲勞壽命與應(yīng)力之間關(guān)系的結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)模型。劉瀟然等[6]建立了一種疲勞壽命的概率計(jì)算方法,反映材料損傷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力下降。Kim 等[7-8]提出了高周疲勞雙尺度損傷模型及數(shù)值模擬方法,基于損傷演化進(jìn)行了疲勞蠕變壽命預(yù)測(cè)。向東等[9]依據(jù)線性累積損傷理論,提出了在隨機(jī)風(fēng)載下的疲勞損傷模型計(jì)算齒輪彎曲和接觸疲勞損傷。王文濤等[10]引入橡膠元件線性疲勞累計(jì)損傷原理,進(jìn)行有限元分析及疲勞試驗(yàn),對(duì)疲勞壽命進(jìn)行評(píng)估。李鋒等[11-12]將結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和隨機(jī)有限元法相結(jié)合,提出了結(jié)構(gòu)疲勞壽命穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
綜上,業(yè)內(nèi)對(duì)沖擊載荷下泵車底架的疲勞壽命研究較少。本文以某型號(hào)泵車底架為研究對(duì)象,基于疲勞線性累積損傷理論,建立底架柔性多體有限元模型,對(duì)底架進(jìn)行有限元分析與結(jié)構(gòu)應(yīng)力試驗(yàn),核算底架的結(jié)構(gòu)靜態(tài)可靠性;再進(jìn)行全工況工地采集載荷譜,確定疲勞試驗(yàn)的加載載荷,利用雨流計(jì)數(shù)法將所得到的有效數(shù)據(jù)文件進(jìn)行處理,以計(jì)算疲勞試驗(yàn)臺(tái)加載次數(shù);然后對(duì)底架進(jìn)行交變載荷下疲勞試驗(yàn),預(yù)測(cè)底架結(jié)構(gòu)的疲勞壽命,通過疲勞試驗(yàn)臺(tái)考核替代原工地實(shí)際服役車輛疲勞破壞,降低成本與縮短試驗(yàn)周期,為底架系統(tǒng)的減振、抗疲勞設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
斷裂是結(jié)構(gòu)件破壞的最終形式,在低于其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度極限值或裂紋產(chǎn)生臨界應(yīng)力的靜載荷作用下含有初始裂紋的結(jié)構(gòu)件不會(huì)發(fā)生斷裂[13],但反復(fù)的低強(qiáng)度載荷加載,結(jié)構(gòu)由于累積損傷使裂紋萌生到裂紋擴(kuò)展,最終導(dǎo)致斷裂的現(xiàn)象就是疲勞斷裂。對(duì)于混凝土機(jī)械的底架金屬結(jié)構(gòu),疲勞斷裂會(huì)引起泵車傾翻,一旦出現(xiàn)可靠性問題將引發(fā)災(zāi)難性事故發(fā)生。
損傷累積理論是指在變幅載荷循環(huán)作用下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷累積規(guī)律,相互獨(dú)立、互不相關(guān)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)與損傷呈線性積累的關(guān)系,當(dāng)損傷累積至極限臨界值時(shí),結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞[14-15]。Miner 準(zhǔn)則是在變幅載荷作用下,計(jì)算疲勞累積規(guī)律與疲勞破壞應(yīng)用最廣的規(guī)則。基于Miner 疲勞累積損失理論,進(jìn)行疲勞壽命分析,首先選取設(shè)計(jì)載荷以確定結(jié)構(gòu)壽命周期的載荷譜,再考慮結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用工況,對(duì)通過試驗(yàn)獲取結(jié)構(gòu)材料和焊縫材料準(zhǔn)確的S-N 曲線,再基于 S-N 曲線與 p-S-N 曲線,進(jìn)行計(jì)算結(jié)構(gòu)的疲勞損傷積累與壽命預(yù)測(cè),疲勞過程累積損傷D為
式中:(Nf)i為在應(yīng)力范圍產(chǎn)生結(jié)構(gòu)疲勞破壞的循環(huán)數(shù)量;ni為應(yīng)力幅值和應(yīng)力均值循環(huán)計(jì)數(shù)。
當(dāng)結(jié)構(gòu)在承受隨機(jī)變幅載荷時(shí),根據(jù)修正S-N曲線與Miner 法則,對(duì)n個(gè)應(yīng)力范圍的應(yīng)力循環(huán)造成的損傷進(jìn)行累積計(jì)算,總損傷數(shù)學(xué)公式為
式中:C為結(jié)構(gòu)承受最大應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)乘積的疲勞參數(shù);k為應(yīng)力幅值水平的級(jí)數(shù);ni為應(yīng)力范圍的應(yīng)力幅值Sai和應(yīng)力均值Smi循環(huán)計(jì)數(shù)矩陣;(Nf)i為在應(yīng)力幅值Sai和應(yīng)力均值Smi的恒幅交變應(yīng)力范圍使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞破壞的循環(huán)數(shù)量;Smei為應(yīng)力幅值水平的級(jí)數(shù)為i時(shí)的等效應(yīng)力,有
設(shè)D=X時(shí),結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,則結(jié)構(gòu)的疲勞壽命Y為
有限元疲勞壽命設(shè)計(jì)要求機(jī)械結(jié)構(gòu)的工作應(yīng)力在材料的許用應(yīng)力內(nèi),在使用期限內(nèi)不產(chǎn)生疲勞失效,因此,首先對(duì)泵車底架建立模型進(jìn)行有限元分析,并進(jìn)行應(yīng)力試驗(yàn)判斷結(jié)構(gòu)是否可靠。底架安裝在副車架之上,底架上部安裝回轉(zhuǎn)支承和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),其左右兩側(cè)安裝有前、后支腿。回轉(zhuǎn)支承、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用螺栓與底架相連,前支腿則用鏈條和擋塊與底架相連,而后支腿則用銷軸與底架相連,底架結(jié)構(gòu)為X 箱型結(jié)構(gòu)。上蓋板厚10 mm、下蓋板厚12 mm 的 WELDOX700E 鋼板,腹板采用厚 7 mm的WELDOX700E 鋼板,圓筒主體部分采用厚15 mm 的WELDOX700E 鋼板。模型上的載荷來自臂架載荷和底架支腿自重,將等效的載荷施加在模型上。等效載荷包括剪力、彎矩和扭矩,載荷施加在坐標(biāo)系的原點(diǎn)位置??紤]動(dòng)載系數(shù)1.1,按臂架結(jié)構(gòu)自重載荷、臂架工作混凝土載荷計(jì)算彎矩和剪力,載荷條件根據(jù)臂架的位置不同而不同。選取典型工況弓形施工工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元靜力校核,剔除各部件局部畸點(diǎn),左右后支腿鉸點(diǎn)應(yīng)力、左右后支腿鉸點(diǎn)變形等部件的計(jì)算應(yīng)力小于焊縫許用應(yīng)力,如圖1 所示,均未超過所用材料的最大許用應(yīng)力。
圖1 底架強(qiáng)度校核Fig.1 Baseframe strength checking
根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)QCT 718—2013《混凝土泵車》規(guī)定的試驗(yàn)載荷進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力,試驗(yàn)中采用中航電測(cè)應(yīng)變花布置測(cè)試點(diǎn),通過多通道、共點(diǎn)單臂橋、帶溫度補(bǔ)償塊的信號(hào)線傳輸?shù)絋ML 靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀,測(cè)試中的應(yīng)變信號(hào)經(jīng)過放大、濾波及A/D 轉(zhuǎn)換等呈數(shù)字量傳輸至便攜計(jì)算機(jī)進(jìn)行應(yīng)力分析。底架應(yīng)力試驗(yàn)載荷將0.2倍自重載荷與1.3 倍施工載荷之和等效為砼缸上部布置200 kg 重物、走臺(tái)版300 kg 重物、混凝土泵送油缸上部445 kg重物進(jìn)行加載,臂架可以從正前方順時(shí)針或逆時(shí)針270°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng),在支腿上安裝壓力傳感器與配重,臂架以恒速在支腿跨距和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)范圍進(jìn)行驗(yàn)證,如圖2所示。
圖2 底架結(jié)構(gòu)應(yīng)力試驗(yàn)Fig.2 Stress test of baseframe structure
結(jié)構(gòu)應(yīng)力試驗(yàn)在底架受力位置上布置9 個(gè)測(cè)點(diǎn),貼片花示意圖如圖3 所示,按標(biāo)準(zhǔn)支腿跨距、單側(cè)支承、V型支承3種工況進(jìn)行試驗(yàn),臂架以額定速度在工作區(qū)域內(nèi)(臂架可以從車的正前方向前左、右各轉(zhuǎn)動(dòng)30°)回轉(zhuǎn),在回轉(zhuǎn)過程中,懸掛重物不得接觸地面,試驗(yàn)重復(fù)三次。
圖3 貼片花示意圖Fig.3 Schematic diagram of patch flower
測(cè)試過程中確認(rèn)采集測(cè)點(diǎn)信號(hào)狀態(tài),核對(duì)應(yīng)片花采集測(cè)點(diǎn)型號(hào)數(shù)量,試驗(yàn)完成后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,應(yīng)片花測(cè)得3個(gè)方向的等效應(yīng)力計(jì)算如下:
式中:σmax為最大主應(yīng)力;σmin為最小主應(yīng)力;σtest為等效應(yīng)力;εa為 a 應(yīng)變片的應(yīng)變;εb為 b 應(yīng)變片的應(yīng)變;εc為c應(yīng)變片的應(yīng)變;E為材料彈性模量。
整理記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,結(jié)構(gòu)測(cè)試應(yīng)力值、有限元計(jì)算應(yīng)力值及偏差如表1所示。
底架結(jié)構(gòu)測(cè)試應(yīng)力值及偏差3 顯示,在測(cè)點(diǎn)1~9的測(cè)試偏差中,底架右后側(cè)上蓋板貼板圓弧位置處應(yīng)變片偏差值最大為8.27%,略去其中少量貼片質(zhì)量問題引起的誤差,測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算結(jié)果基本一致。底架結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)應(yīng)變片等效應(yīng)力值最大為461.19 MPa,未超過許用應(yīng)力值[σ]=465 MPa,說明底架結(jié)構(gòu)有限元模型分析比較準(zhǔn)確,邊界條件與約束施加合理,底架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足可靠性要求。
表1 底架結(jié)構(gòu)測(cè)試應(yīng)力值及偏差Tab.1 Tested stress values and deviations of baseframe structures
隨機(jī)載荷譜采用含應(yīng)變數(shù)據(jù)采集功能、控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)總線數(shù)據(jù)采集功能、模擬量數(shù)據(jù)采功能的設(shè)備同步采集上述試驗(yàn)所需的各類數(shù)據(jù),并按指定格式存儲(chǔ)。通過CAN 總線從泵車控制器上獲取其余信號(hào),獲取整車工況數(shù)據(jù)。試驗(yàn)采集頻率應(yīng)設(shè)置為5~10倍臂架固有頻率。被試驗(yàn)的泵車應(yīng)在工地上采集不少于泵送0.4萬(wàn)方混凝土的試驗(yàn)數(shù)據(jù),如圖4 所示。載荷譜應(yīng)采集各節(jié)臂應(yīng)變值、傾角值、轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)角度值、大臂油缸壓力值、泵送壓力值、累計(jì)正泵方量值、本次工作方量值、本次工作小時(shí)和分鐘值、累計(jì)工作小時(shí)值、累計(jì)正泵小時(shí)值、泵送次數(shù)、排量檔位和泵送狀態(tài)等數(shù)據(jù)。按上述要求采集并保存試驗(yàn)數(shù)據(jù),計(jì)算分析編制載荷譜,確定各節(jié)臂、底架、支腿等疲勞試驗(yàn)的加載載荷。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理前,應(yīng)對(duì)所采集到的載荷數(shù)據(jù)文件的數(shù)據(jù)有效性進(jìn)行判斷。需將每節(jié)臂貼片截面處的彎矩最大值,分別與最大理論動(dòng)態(tài)彎矩(1.2 倍的結(jié)構(gòu)件質(zhì)量+1.3 倍的混凝土質(zhì)量)、最大理論靜態(tài)彎矩(1.0 倍的結(jié)構(gòu)件質(zhì)量+1.0 倍的混凝土質(zhì)量)相比較。
圖4 全工況載荷譜采集Fig.4 Load spectrum acquisition under full operating conditions
單節(jié)臂的彎矩比定義為在合并后的單節(jié)臂的時(shí)間-彎矩的所有數(shù)據(jù)中的最小彎矩值與最大彎矩值的比值。實(shí)施試驗(yàn)加載時(shí),應(yīng)在保證彎矩比R基礎(chǔ)上進(jìn)行加載。在疲勞試驗(yàn)中,因試驗(yàn)臺(tái)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)使剛度產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化,從而引起彎矩比R動(dòng)態(tài)的波動(dòng)。當(dāng)動(dòng)態(tài)彎矩比與理論彎矩比偏差達(dá)5%時(shí),應(yīng)調(diào)整加載方案以保證動(dòng)態(tài)彎矩比與理論彎矩比一致。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的載荷畫出測(cè)試截面的靜態(tài)理論彎矩值、動(dòng)態(tài)理論彎矩值和動(dòng)態(tài)彎矩值,如圖5所示。對(duì)彎矩值進(jìn)行濾波處理,濾波處理后的載荷譜再利用雨流計(jì)數(shù)法將所得到的有效數(shù)據(jù)文件進(jìn)行處理,將所有的幅值范圍分為500 等份,得到單節(jié)臂的彎矩幅值與對(duì)應(yīng)循環(huán)次數(shù)的關(guān)系圖(彎矩譜圖),如圖6所示。
根據(jù)miner 累積疲勞損傷理論,結(jié)構(gòu)所加彎矩與次數(shù)的計(jì)算公式為
式中:T為泵車每年額定泵送時(shí)間;Y為額定工作年限;Ts為實(shí)際所采集樣本的泵送小時(shí)數(shù);k為結(jié)構(gòu)件所要求的安全系數(shù);m為與結(jié)構(gòu)件相關(guān)的常數(shù);ΔMi為第i級(jí)彎矩幅值大??;Ni為對(duì)應(yīng)于第i級(jí)彎矩幅值的作用次數(shù);ΔM0為施加在截面的彎矩大小。
圖5 采集的隨機(jī)載荷Fig.5 Random loads collected
圖6 彎矩譜圖Fig.6 Baseframe bending moment spectrum
經(jīng)過計(jì)算和載荷譜處理后,得出實(shí)驗(yàn)過程中底架所承受的動(dòng)態(tài)載荷剪力421 125.6 N,最大傾翻彎矩2 080 779 N·m,附加力矩466 050 N·m。
為驗(yàn)證底架結(jié)構(gòu)件的疲勞性能,實(shí)驗(yàn)過程中所施加的載荷為恒幅載荷。實(shí)驗(yàn)臺(tái)的加載裝置由3個(gè)相互呈120°的作動(dòng)油缸和三叉戟力臂組成,作動(dòng)油缸通過油缸支座與地基預(yù)埋件導(dǎo)軌相連接,如圖7所示。實(shí)驗(yàn)過程中底架處于實(shí)際工作狀態(tài)即支腿全展開狀態(tài),3 個(gè)油缸力能合成出的力矩通過三叉戟力臂傳遞到泵車底架轉(zhuǎn)臺(tái)。此外配置了副油缸,以副油缸的拉力來模擬泵送單元和底盤質(zhì)量對(duì)底架的影響。
通過3 個(gè)加載油缸的協(xié)同作用產(chǎn)生預(yù)設(shè)的載荷施加于底架上,故3 個(gè)作動(dòng)油缸均安裝有力傳感器、位移傳感器和兩腔壓力傳感器。底架的4 個(gè)支腿油缸的有桿、無(wú)桿腔均布置了壓力傳感器,將壓力信號(hào)采集至RT3 試驗(yàn)臺(tái)采集及控制系統(tǒng),如圖8所示。實(shí)驗(yàn)過程中通過這些傳感器的采集數(shù)據(jù),可以計(jì)算任何時(shí)刻的油缸力,并得出底架支腿的受力情況,如圖9所示。
圖7 底架結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)Fig.7 Fatigue test of the baseframe structure
圖8 RT3試驗(yàn)臺(tái)采集及控制系統(tǒng)Fig.8 RT3 test bench acquisition and control system
圖9 底架支腿反力Fig.9 Baseframe outrigger reaction force
貼片區(qū)域試驗(yàn)累積損傷計(jì)算,根據(jù)等效彎矩幅計(jì)算測(cè)試系統(tǒng)所反饋的截面彎矩幅,等效彎矩幅取最大彎矩減去最小彎矩的平均值。在試驗(yàn)過程中,當(dāng)截面一側(cè)貼片失效時(shí),只選擇數(shù)據(jù)有效一側(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。試驗(yàn)總疲勞壽命年限計(jì)算,根據(jù)如下公式評(píng)估貼片截面處的疲勞壽命Y,疲勞壽命計(jì)算公式為
式中:Ytest為測(cè)試壽命;Ytarget為目標(biāo)壽命;n0Ctest為測(cè)試次數(shù);n0Ctarget為目標(biāo)次數(shù);m為應(yīng)力系數(shù);Mtest為等效彎矩幅值;Mtarget為目標(biāo)彎矩幅值。
疲勞試驗(yàn)設(shè)計(jì)壽命總年數(shù)為10 a,載荷循環(huán)次數(shù)11 545次。依照載荷譜統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù),確定各工況的分布比例和目標(biāo)循環(huán)次數(shù),試驗(yàn)中以正前方打料典型工況進(jìn)行測(cè)試,試驗(yàn)過程中載荷總力矩1 040 389.65 N·m,點(diǎn)頭力矩686 658.9 N·m,翻滾力矩-781 607.43 N·m,目標(biāo)試驗(yàn)次數(shù)1 718,目標(biāo)壽命1.5 a,目標(biāo)年限與試驗(yàn)壽命如表2所示。
表2 目標(biāo)年限與試驗(yàn)壽命Tab.2 Target years and test life
通過試驗(yàn)累積損傷計(jì)算對(duì)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析,評(píng)估底架支腿的疲勞壽命1.64 a,達(dá)到1.5 目標(biāo)年限。對(duì)正前、左前、左、左后、右后、右、右前等8 種工況試驗(yàn)計(jì)算可得,試驗(yàn)總加載次數(shù)為30 148 次,折算成底架支腿的等效壽命為12.6 a,大于10 a 設(shè)計(jì)壽命考核指標(biāo),結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)裂紋,滿足結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度要求,結(jié)構(gòu)件平均首次故障方量大幅提高。同時(shí)相對(duì)于工地實(shí)際服役車輛工業(yè)考核期,試驗(yàn)周期縮短30%以上,加快了產(chǎn)品研發(fā)周期。
本文針對(duì)泵車底架長(zhǎng)期處于高應(yīng)力幅值的交變沖擊載荷下,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞破壞從而引發(fā)泵車傾翻的安全問題,以產(chǎn)品壽命為設(shè)計(jì)目標(biāo),研究大型復(fù)雜焊接鋼結(jié)構(gòu)件疲勞測(cè)試和試驗(yàn)技術(shù),提出了基于有限元分析與應(yīng)力試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?;谌r載荷譜采取處理與疲勞累積損傷試驗(yàn)驗(yàn)證評(píng)估技術(shù)的精細(xì)耐久性設(shè)計(jì)的驗(yàn)證方法,為提升了焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞和耐久性設(shè)計(jì)水平,提供了理論與試驗(yàn)依據(jù)。通過有限元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與疲勞累積損傷試驗(yàn),泵車底架壽命為12.6 a,達(dá)到10 a 設(shè)計(jì)壽命考核指標(biāo)。相比實(shí)際服役車輛工業(yè)考核,對(duì)產(chǎn)品的抗疲勞性能進(jìn)行驗(yàn)證評(píng)估的試驗(yàn)周期縮短30%以上,大大節(jié)約產(chǎn)品開發(fā)成本,加快產(chǎn)品開發(fā)速度,提高產(chǎn)品可靠性,提升了我國(guó)工程機(jī)械產(chǎn)品大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的疲勞設(shè)計(jì)以及試驗(yàn)?zāi)芰?,為進(jìn)軍國(guó)際化市場(chǎng)奠定基礎(chǔ)。