張國(guó)文，郭維昭

(江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，萍鄉(xiāng) 337055)

0 引言

在可靠性工程中，一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)往往由大量的分系統(tǒng)或單元組成，而單元是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，同時(shí)系統(tǒng)也可看作是一個(gè)單元，因此要研究系統(tǒng)的綜合可靠性問(wèn)題與不同的壽命分布模型。對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品其失效形式主要有結(jié)構(gòu)完整性破壞，包括產(chǎn)品零部件強(qiáng)度降低、斷裂破壞、疲勞破壞和磨擦損傷等[1～3]。疲勞破壞是引起產(chǎn)品構(gòu)件失效的重要原因。疲勞定義為[4]：在某點(diǎn)或某些點(diǎn)承受擾動(dòng)應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動(dòng)作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部的、永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過(guò)程。本文研究了裝載機(jī)的結(jié)構(gòu)模型及壽命分析模型，對(duì)裝載機(jī)使用可靠性最差的搖臂進(jìn)行了壽命預(yù)算。

1 裝載機(jī)的結(jié)構(gòu)模型

裝載機(jī)工作裝置主要有以下幾部分組成：1鏟斗，2連桿，3搖臂，4動(dòng)臂，5銷軸。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 構(gòu)件疲勞壽命分析模型

圖1 裝載機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)

針對(duì)構(gòu)件疲勞失效形式，建立疲勞壽命分析模型。模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。本文將UG與有限元分析軟件結(jié)合，進(jìn)行有限元模型的建立，首先在UG中創(chuàng)建三維實(shí)體模型，再將模型以Parasol格式傳送給非線性有限元分析軟件ABAQUS。進(jìn)行幾何修復(fù)后，得到有限元實(shí)體模型。

3 使用疲勞壽命預(yù)估

圖2 疲勞壽命分析模型

疲勞是在循環(huán)荷載下，材料局部發(fā)生損傷的累積過(guò)程。在每一次應(yīng)力作用下，零件壽命就要受到微量的疲勞損傷，當(dāng)疲勞損傷積累到一定程度達(dá)到疲勞壽命極限時(shí)便發(fā)生疲勞斷裂。利用相似構(gòu)件在實(shí)際載荷譜下的使用理論和損傷的相對(duì)Miner理論能進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。圖3為一零件的規(guī)律性非穩(wěn)定變應(yīng)力直方圖，圖中是當(dāng)循環(huán)特性為r時(shí)各個(gè)循環(huán)的最大應(yīng)力，N1，N2，…Nn為與各應(yīng)力相對(duì)應(yīng)的積累循環(huán)次數(shù)。如圖4所示為應(yīng)力—循環(huán)次數(shù)關(guān)系圖，N1'， N2',…,Nn'為與各應(yīng)力對(duì)應(yīng)的材料發(fā)生疲勞破壞時(shí)的極限循環(huán)次數(shù)。

圖3 規(guī)律性非穩(wěn)定變應(yīng)力直方圖

圖4 應(yīng)力—循環(huán)次數(shù)關(guān)系圖

Miner線性疲勞損傷積累理論指出:應(yīng)力每循環(huán)一次，造成零件的一次壽命損傷，故其總壽命損傷率：

零件達(dá)到疲勞極限時(shí)，理論上總壽命損傷率為1，即

在估算疲勞壽命時(shí)，假設(shè)認(rèn)為：應(yīng)力小于疲勞極限應(yīng)力 對(duì)疲勞壽命無(wú)影響。工程機(jī)械構(gòu)件所受應(yīng)力經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)都是隨機(jī)應(yīng)力，隨機(jī)應(yīng)力的時(shí)間歷程不能用一個(gè)明確的數(shù)學(xué)關(guān)系式來(lái)描述和確定在未來(lái)某一瞬間的應(yīng)力準(zhǔn)確值，而應(yīng)用有限元分析軟件可以準(zhǔn)確得到工作循環(huán)隨機(jī)載荷譜，根據(jù)此載荷譜可以進(jìn)行疲勞壽命預(yù)估。首先將載荷轉(zhuǎn)換為當(dāng)量對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力氏，然后代入疲勞曲線方程式進(jìn)行求解。根據(jù)Goodman疲勞極限圖進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下[5,6]:

m—指數(shù)；

則構(gòu)件疲勞工作循環(huán)次數(shù)為：

4 搖臂使用壽命的估算

根據(jù)搖臂的實(shí)體模型建立有線元模型，材料屬性設(shè)定：搖臂材料為Q345(16Mn)，彈性模量E=2.07xl011，泊松比μ=0.3。單元類型選擇：由于搖臂結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，這里采用適應(yīng)性較好的4節(jié)點(diǎn)實(shí)體C3D4。邊界條件加載：根據(jù)裝載機(jī)工作裝置的實(shí)際工作狀況，約束搖臂銷軸內(nèi)孔平面的X、Y、Z三個(gè)方向的自由度。網(wǎng)格劃分：設(shè)定單元大小并對(duì)搖臂模型進(jìn)行了單元?jiǎng)澐?。運(yùn)用ABAQUS進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，計(jì)算得到隨時(shí)間變化搖臂應(yīng)力的分布情況，搖臂有限元實(shí)體模型如圖5所示。

圖5 搖臂有限元實(shí)體模型

由于載荷方向、大小在不斷變化，所以搖臂上不可能有某個(gè)點(diǎn)始終處于最大應(yīng)力狀態(tài)，但總有一個(gè)區(qū)域應(yīng)力處于較高水平。為了數(shù)據(jù)提取的方便，假設(shè)這個(gè)區(qū)域內(nèi)有一點(diǎn)A，應(yīng)力始終處于最大值，如果這一點(diǎn)的強(qiáng)度、壽命等指標(biāo)達(dá)到要求，整個(gè)搖臂也就達(dá)到要求了。

表1 當(dāng)量對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力 的計(jì)算結(jié)果

與當(dāng)量對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力 和 對(duì)應(yīng)的材料疲勞破壞的極限循環(huán)次數(shù)分別為：

極限正載工況下?lián)u臂的工作循環(huán)次數(shù)：

假設(shè)裝載機(jī)每次完成鏟掘時(shí)間2分鐘，每天不間斷工作8小時(shí)，每年工作300天，這樣裝載機(jī)每年的工作循環(huán)次數(shù)為72000次，裝載機(jī)搖臂疲勞失效前的工作時(shí)間約為一年零六個(gè)月，本實(shí)例考慮的是極限正載工況，而在實(shí)際工作中，裝載機(jī)所受外載荷比極限正載時(shí)小，但工況較為復(fù)雜，包括各種各樣的偏載。

5 結(jié)論

通過(guò)UG與有限元分析軟件模型的建立，分析得出：裝載機(jī)每次完成鏟掘時(shí)間2分鐘，每天不間斷工作8小時(shí)，每年工作300天，這樣裝載機(jī)每年的工作循環(huán)次數(shù)為72000次，裝載機(jī)搖臂疲勞失效前的工作時(shí)間約為一年零六個(gè)月。

[1] Grant Ireson W,Coombs C.E, Moss R.Y.Handbook of Reliability Engineering and Management[M]. McGraw-Hill.New York,1996.

[2] Doyle R.L.Mechanical-system reliability[J].Tutorial Notes,Annu.Reliability Maintainability Symp,1992.

[3] Chunghun Ha,Way Kuo. Approach for Reliability-Redundancy Allocation Using a Scaling Method[J].Journal of Heuristics,2005,(11):201-217.

[4] 陳傳堯.疲勞與斷裂[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社.2002.

[5] 邱宣懷.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社,1997.

[6] 姚衛(wèi)星.結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2004.

[7] 馮秀玲.王永軍.杜紅英.提高壓力機(jī)搖擺軸疲勞強(qiáng)度的技術(shù)措施[J].鍛壓裝備與制造技術(shù),2006,(5).

[8] 李舜酩.機(jī)械疲勞與可靠性設(shè)計(jì),2006.

[9] 李哲林.裝載機(jī)的工作性能分析,2008(3).

[10] 楊先勇.橋式起鶯機(jī)主梁疲勞壽命研究[D].2005.

[11] 王德俊.疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì).中國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)大典,2002.

[12] 莊茁,蔣持平.工程斷裂與損傷,2004.

[13] 《機(jī)械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊(cè)》編委會(huì).機(jī)械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊(cè),1994.

[14] 魏良模,朱新榕,孫友松,魏航.變速驅(qū)動(dòng)曲柄壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù),2004,(3).