劉本學(xué)，張三川，張 軍

（鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鄭州450001）

礦用汽車車橋推拉桿壽命預(yù)測(cè)分析

劉本學(xué)，張三川，張 軍

（鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鄭州450001）

為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)礦用汽車車橋推拉桿的疲勞壽命，研究了路譜載荷與多軸疲勞理論相結(jié)合的有限元壽命分析方法．在實(shí)測(cè)路譜載荷下分析得出推拉桿的仿真壽命為354．98 d，與實(shí)際使用壽命（270～540 d）較為接近，表明應(yīng)用該預(yù)測(cè)模式來估算推拉桿壽命的方法是可行的．

礦用汽車；推拉桿；疲勞壽命預(yù)測(cè)；路譜載荷

礦用汽車由于具有卸載快捷、裝車容量大、轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸靈活方便、效率高等顯著特點(diǎn)，成為大型露天礦的主要運(yùn)輸工具．但由于路況極差，以及車輛起步、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向頻繁，且多數(shù)車輛經(jīng)常是滿載連續(xù)上坡和連續(xù)制動(dòng)下坡，使得一些礦用汽車關(guān)鍵承載部件（如車橋及其相連的推拉桿等）在服役期內(nèi)斷裂失效，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重．圖1所示為某型礦用汽車推拉桿斷口實(shí)物照片．因此，研究該類零部件的失效機(jī)制和壽命預(yù)測(cè)，具有重要的工程價(jià)值．

圖1 推拉桿實(shí)物斷口圖片

疲勞壽命估算方法可歸結(jié)為4類：Miner損傷法則、相對(duì)Miner損傷法則、雙線性累積損傷理論、非線性累積損傷理論［1－5］．但是，到目前為止，疲勞分析基本上還是基于經(jīng)驗(yàn)公式，并沒有完全統(tǒng)一的理論能夠包含所有類型及材料的疲勞壽命估算．本文擬引入Miner損傷法則，采用有限元分析手段，對(duì)推拉桿承受的最大應(yīng)力和路譜載荷下的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)．

1 推拉桿應(yīng)力分析

礦用汽車推拉桿在汽車制動(dòng)、起步加速、爬坡等過程中，將受到交變的拉應(yīng)力，這也正是引起推拉桿疲勞破壞的主要原因．經(jīng)計(jì)算（由于篇幅所限，車橋及推拉桿受力在此不作敘述）發(fā)現(xiàn)，上推拉桿在上坡時(shí)受力最大，達(dá)到96．39 k N．利用靜強(qiáng)度可得此時(shí)的壓應(yīng)力為：

圖2所示為推拉桿的有限元分析圖．其中，圖2（a）為推拉桿模型及其網(wǎng)格劃分結(jié)果．由于推拉桿是通過鉸接與車橋相連，因此，對(duì)推拉桿進(jìn)行CAE分析時(shí)，采用約束一端的軸向力及徑向力并釋放旋轉(zhuǎn)方向力來模擬鉸接．有限元法計(jì)算表明：其最大應(yīng)力出現(xiàn)在推拉桿中部，達(dá)到68．739 MPa，應(yīng)力云圖如圖2（b）所示．2種方法計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差僅為0．29%．

2 路譜載荷下疲勞壽命計(jì)算

2．1 疲勞壽命的分析流程

Miner損傷法則由于計(jì)算簡(jiǎn)單，精度也基本能夠滿足工程需要，因此在工程上得到廣泛應(yīng)用．Miner損傷法則可表示為：

式中：D表示累積損傷值，當(dāng)D＝1時(shí)，表示結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞損壞；ni、N i分別表示應(yīng)力幅值σi在載荷譜中曾出現(xiàn)的次數(shù)及造成零件完全失效需要出現(xiàn)的次數(shù)；l表示應(yīng)力幅值的級(jí)別．

由于不同的應(yīng)力幅值和平均應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的壽命影響較大，因此，在Miner損傷法則的應(yīng)用中，往往還需采用適當(dāng)?shù)钠骄鶓?yīng)力來修正．此外，結(jié)構(gòu)材料的特性（S－N曲線，如圖3所示）［4］、缺口形狀、尺寸效應(yīng)、表面狀態(tài)等都影響結(jié)構(gòu)的壽命．因此，在對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命估算時(shí)，需按如下步驟進(jìn)行：工作過程的載荷譜采集；利用雨流法把隨機(jī)載荷處理成不同的應(yīng)力幅值及循環(huán)次數(shù)；結(jié)合結(jié)構(gòu)材料的S－N曲線，利用應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行修正；對(duì)單位載荷下的CAE模型進(jìn)行計(jì)算，將結(jié)果與路譜載荷相結(jié)合，利用Miner損傷法則估算不同路譜載荷下結(jié)構(gòu)中各個(gè)部位的疲勞壽命．整個(gè)估算過程的流程框圖如圖4所示．

2．2 實(shí)驗(yàn)工況的路譜采集

在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，利用LMS數(shù)據(jù)采集儀對(duì)某礦用車的推拉桿進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集．礦用車滿載工況下2周時(shí)間推拉桿的載荷時(shí)程曲線如圖5所示．

圖5 載荷時(shí)程曲線

對(duì)該載荷時(shí)程曲線進(jìn)行雨流計(jì)算，相應(yīng)的雨流矩陣如圖6和圖7所示．

2．3 結(jié)果與分析

設(shè)定材料參數(shù)、表面狀態(tài)、應(yīng)力影響系數(shù)、缺口狀態(tài)等參數(shù)，加載實(shí)測(cè)路譜載荷，結(jié)合有限元分析結(jié)果對(duì)推拉桿進(jìn)行疲勞壽命分析，其結(jié)果如圖8所示．可以看出，推拉桿在路譜載荷作用下，其最大疲勞壽命為3．52×105次，最小疲勞壽命為57 051次．由實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的距離0．7 km可得，載荷的時(shí)程曲線代表車輛在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地行走2圈所經(jīng)歷的時(shí)間，即相當(dāng)于1．4 km的距離．推拉桿最危險(xiǎn)處的壽命為114 102 km．按照礦用汽車工作時(shí)平均速度25 km／h、每天工作9 h推算，該推拉桿的壽命為354．98 d．而推拉桿在工地使用過程中，基本上也是在270～540 d之間發(fā)生斷裂，與車輛使用時(shí)間呈密切的正相關(guān)．由此可見，仿真壽命和實(shí)際使用壽命較為接近，說明用路譜載荷與多軸疲勞理論相結(jié)合的有限元壽命分析方法來估算推拉桿壽命是可行的．

圖8 推拉桿疲勞壽命計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 語

本文以某礦用車推拉桿為分析對(duì)象，利用有限元法得到推拉桿的應(yīng)力結(jié)果．在充分考慮材料的屬性、表面狀態(tài)、缺口形狀及表面屬性等特性下，經(jīng)過實(shí)測(cè)載荷與有限元模型的結(jié)合，得出了推拉桿的疲勞壽命值，與實(shí)際使用工況反饋相比，結(jié)果較為吻合，說明預(yù)測(cè)計(jì)算方法正確，這為推拉桿結(jié)構(gòu)的壽命判斷及改進(jìn)提供了新的方法．

［1］Nihei M，Heuler P，Boller Chr，et al．Evaluation of Mean Stress Effects on Fatigue Life by use of Damage Parameters［J］．Int．J．Fatigue，1986，8（3）：119－126．

［2］趙少汴．抗疲勞設(shè)計(jì)－－方法與數(shù)據(jù)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997．

［3］曾正明．機(jī)械工程材料手冊(cè)金屬材料［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003．

［4］Barkey M E，Socie D F，Hsia K J．A Yield Surface Approach to the Estimation of Notch Strains for Proportional and Nonproportional Cyclic Loading［J］．ASME Journal of Engineering Materials and Technology，1994，116：173－180．

［5］徐灝．疲勞強(qiáng)度［M］．北京：高等教育出版社，1988．

The Fatigue Life Predicting of Vehicle－bridge Push－pull Rod in the Mine Truck

LIU Ben－xue，ZHANG San－chuan，ZHANG Jun
（Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China）

For better predicting the fatigue life of push－pull rod in the mine truck vehicle－bridge，the finite element life analysis method that the load spectrum and the mult－axle fatigue theory were used together was studied．By the load spectrum of monitoring，the analysis result is that the calculating fatigue life of push－pull rod is 354．98 days，which is close to actual life（270 to 540 days），it is known that this kind of life prediction is practicable to calculate life of push－pull rod．

mine truck；push－pull rod；fatigue life prediction；load spectrum

TP309

A

10．3969／j．issn．1671－6906．2011．02．014

1671－6906（2011）02－0051－04

2011－03－07

劉本學(xué)（1977－），男，河南新蔡人，講師，博士．