羅天洪，周軍超，黃興剛，鐘智，李春宏

(1.重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車(chē)工程學(xué)院，重慶 400074;

2.重慶大江信達(dá)車(chē)輛股份有限公司，重慶401320)

應(yīng)用載荷譜的寬體礦用車(chē)驅(qū)動(dòng)橋殼壽命預(yù)估

羅天洪1，周軍超1，黃興剛2，鐘智2，李春宏2

(1.重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車(chē)工程學(xué)院，重慶 400074;

2.重慶大江信達(dá)車(chē)輛股份有限公司，重慶401320)

驅(qū)動(dòng)橋殼是寬體礦用車(chē)重要的承載部件，在日常行駛時(shí)出現(xiàn)疲勞失效是不可避免的。由于實(shí)際路況的差異和簡(jiǎn)化邊界條件等原因，通過(guò)驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)或純粹依靠計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)驅(qū)動(dòng)橋疲勞壽命是很困難的。通過(guò)將試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力結(jié)果作為驅(qū)動(dòng)橋疲勞壽命的載荷譜，結(jié)合Miner線性損傷累積法，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋的疲勞壽命進(jìn)行分析與對(duì)比，并與準(zhǔn)靜力學(xué)的壽命值進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)驗(yàn)證表明:基于載荷譜的壽命值更符合實(shí)際工況。

寬體礦用車(chē);驅(qū)動(dòng)橋殼;道路載荷譜;疲勞壽命

驅(qū)動(dòng)后橋殼作為主要的承載部件，在保證驅(qū)動(dòng)橋正常行駛下應(yīng)具備長(zhǎng)時(shí)間的使用壽命。由于礦用車(chē)行駛的道路比較惡劣，其疲勞壽命的大小將影響整個(gè)主機(jī)的使用壽命，因此研究驅(qū)動(dòng)橋殼的疲勞壽命具有實(shí)際工程意義［1－4］。Ajay Guddeti［5］對(duì)比分析了制動(dòng)工況下車(chē)橋橋殼的疲勞壽命，驗(yàn)證了模型預(yù)期裂紋方向的正確性。M.M. Topac［6］通過(guò)對(duì)橋殼樣品進(jìn)行垂直載荷疲勞試驗(yàn)并結(jié)合有限元提出了增加殼體疲勞壽命的方案。Yimin Shao［7］結(jié)合道路試驗(yàn)載荷譜和有限元分析方法，研究了坡度對(duì)于橋殼壽命的影響。文獻(xiàn)［8－10］通過(guò)有限元及動(dòng)力學(xué)方法，結(jié)合試驗(yàn)道路模擬垂直彎曲疲勞試驗(yàn)的疲勞壽命，研究了載荷變化對(duì)后橋殼壽命的靈敏性。唐應(yīng)時(shí)、高晶［11－12］等針對(duì)某越野車(chē)建立模型，并進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，得出危險(xiǎn)工況沖擊載荷下橋殼的受力情況，并進(jìn)行了臺(tái)架疲勞試驗(yàn)的橋殼失效對(duì)比分析。

本文以公司提供的驅(qū)動(dòng)橋殼三維模型作為研究對(duì)象，首先通過(guò)試驗(yàn)得到了鋼板彈簧處的載荷譜和基于載荷譜的載荷歷程;然后對(duì)驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行準(zhǔn)靜力學(xué)分析以及模態(tài)分析;再結(jié)合材料的S－N曲線和載荷譜中得到的驅(qū)動(dòng)橋的疲勞壽命周期以及疲勞分布情況，分析對(duì)比基于測(cè)點(diǎn)應(yīng)力的壽命值以及基于靜力學(xué)的疲勞壽命值，以便在產(chǎn)品階段優(yōu)化疲勞設(shè)計(jì)方案。

1 寬體礦用車(chē)橋殼疲勞壽命理論

驅(qū)動(dòng)橋殼是動(dòng)態(tài)加載的過(guò)程，對(duì)于變幅循環(huán)載荷進(jìn)行疲勞分析時(shí)，實(shí)際疲勞壽命需要考慮設(shè)計(jì)、制造以及環(huán)境等因素［5］。

式(1)中:Se代表材料疲勞極限;κa代表表面光潔度;κb代表尺寸效應(yīng);κc代表載荷形式;κd代表環(huán)境和溫度因子;S'e代表極限強(qiáng)度。其中，

由于橋殼類似于熱沖壓后的熱軋板，故采用文獻(xiàn)［6］的推薦值:a=57.7，b=－0.718。同時(shí)噴丸經(jīng)過(guò)熱沖壓后，通過(guò)引入材料表面的殘余應(yīng)力可得:κa=0.959，κb=0.75，κc=1，κd=1，κe= 0.846。

根據(jù)名義應(yīng)力法的基本假設(shè)，把名義應(yīng)力參數(shù)和應(yīng)力集中系數(shù)作為控制參數(shù)。由線性疲勞累計(jì)損傷理論——Miner理論可知:變幅載荷下，n個(gè)循環(huán)造成的損傷為

式(3)中:Di表示經(jīng)歷ni次循環(huán)的損傷;70×104表示一個(gè)周期時(shí)等于1(或半個(gè)周期時(shí)等于0.5)。根據(jù)疲勞損傷累計(jì)假說(shuō)，疲勞當(dāng)損傷等于1時(shí)，零件發(fā)生破壞。

由式(4)得到式(5)。

式(4)、(5)中:σmi表示采用雨流統(tǒng)計(jì)的循環(huán)均值; Ni表示循環(huán)次數(shù);b為疲勞強(qiáng)度指數(shù);σ'f為疲勞延性指數(shù)。

式(6)中:Gq( n0)為參考空間頻率;n為空間頻率; n0為參考頻率下路面功率譜密度值;w為頻率指數(shù)。

作為底盤(pán)的主要承載部件，驅(qū)動(dòng)橋殼的失效主要由在礦井道路上的動(dòng)應(yīng)力造成，從而影響驅(qū)動(dòng)橋的疲勞壽命。在實(shí)際中，驅(qū)動(dòng)橋的斷裂主要來(lái)源于驅(qū)動(dòng)橋殼的圓形過(guò)渡區(qū)。初始裂紋開(kāi)始于橋殼底腳處的圓形過(guò)渡區(qū)。驅(qū)動(dòng)橋的失效類型為高周期、低疲勞失效［10］。圖1為應(yīng)變測(cè)量位置。

圖1 應(yīng)變測(cè)量位置示意圖

礦用自卸車(chē)在同一礦道的道路載荷譜測(cè)試試驗(yàn)流程包括空載、裝載、滿載和卸載，如圖2所示。整個(gè)測(cè)試卡車(chē)的速度約為5 km/h。公司提供的某寬體礦用車(chē)車(chē)橋道路載荷譜如圖3所示。試驗(yàn)過(guò)程共分4個(gè)階段:卸載、裝載、完全負(fù)載以及卸載，總共持續(xù)時(shí)間為4 000 s，如圖3(a)所示。第1階段從0到1 500 s，最大應(yīng)力是138 MPa;第2階段從1 500 s到1 800 s，最大應(yīng)力是232 MPa;第3階段從1 800 s開(kāi)始持續(xù)420 s，最大應(yīng)力為393 MPa;卸載階段從2 220 s持續(xù)540 s，這個(gè)階段最大應(yīng)力為162 MPa。

如圖3(b)所示，整個(gè)測(cè)試分為4個(gè)階段，第1階段是空載階段，從0到1 800 s，最大應(yīng)力是162 MPa;第2階段是加載階段，從1 800 s持續(xù)420 s最大應(yīng)力是232 MPa;第3階段是滿載階段，從2 220 s到3 360 s，最大應(yīng)力是375 MPa;第4階段卸載階段最大的應(yīng)力是183 MPa。

圖2 道路載荷譜測(cè)試試驗(yàn)流程

圖3 驅(qū)動(dòng)橋殼各測(cè)量點(diǎn)的最大主應(yīng)力－時(shí)間歷程

2 驅(qū)動(dòng)橋殼危險(xiǎn)區(qū)域仿真分析

2.1 有限元模型

寬體礦用車(chē)驅(qū)動(dòng)橋殼由橋殼邊和輪邊支撐軸構(gòu)成。后橋殼的CAD模型如圖4所示，半軸和后軸橋殼是過(guò)盈配合，橋殼材料為QT600－3(性能參數(shù)見(jiàn)表1)。本文建立其有限元模型，并對(duì)該模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，包括不必要的圓角、倒角以及油道等細(xì)節(jié)特征。采用solid185八節(jié)點(diǎn)四面體單元，有限元模型如圖4所示，共有331 201個(gè)單元，166 923個(gè)節(jié)點(diǎn)，動(dòng)載系數(shù)為3.5，安全系數(shù)為1.5。

圖4 橋殼有限元模型

表1 材料的特性參數(shù)

根據(jù)準(zhǔn)靜力學(xué)有限元結(jié)果分析，應(yīng)力集中區(qū)域集中在圓弧過(guò)渡區(qū)。#1的等效應(yīng)力為270 MPa，#2的等效應(yīng)力為265 MPa，均小于屈服應(yīng)力370 MPa。雖然滿足強(qiáng)度要求，但是高應(yīng)力依然會(huì)導(dǎo)致疲勞失效。

2.2 模態(tài)分析

寬體礦用車(chē)在工作的過(guò)程中，橋殼由于外部的激勵(lì)作用會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)路面的固有頻率與橋殼的受迫振動(dòng)頻率接近時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振。在建立的有限元的基礎(chǔ)上，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋的橋殼進(jìn)行模態(tài)分析，分析結(jié)果如表2所示。模態(tài)分析為深入開(kāi)展動(dòng)力學(xué)分析提供了參考，計(jì)算橋殼的后6階固有頻率以及相應(yīng)的振型見(jiàn)表2。

表2 驅(qū)動(dòng)橋的后6階模態(tài)

從表2可以看出:前6階的模態(tài)為0，說(shuō)明橋殼剛體位移;7～12階段的模態(tài)振型最小為199.25 Hz。而車(chē)輛在正常行駛過(guò)程中系統(tǒng)主要承受的振動(dòng)頻率為1～50 Hz［13］，與橋殼的固有頻率差距很大，在理論上不會(huì)引起橋殼的共振，可認(rèn)為橋殼的設(shè)計(jì)合理。進(jìn)一步研究橋殼厚度固有頻率的影響。從圖5可以看出:減少橋殼的厚度，橋殼的固有頻率也開(kāi)始降低，橋殼的剛度也相應(yīng)地下降。

圖5 不同厚度橋殼固有頻率

3 驅(qū)動(dòng)橋殼疲勞壽命評(píng)價(jià)

圖6是測(cè)點(diǎn)1的雨流直方圖，它反映了循環(huán)均值、變程值和循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。疲勞損傷是由于較大的循環(huán)造成的，主要取決于循環(huán)應(yīng)力的幅度［9］。測(cè)點(diǎn)2與測(cè)點(diǎn)1結(jié)果相似。

圖6 測(cè)點(diǎn)1雨流直方圖

忽略橋殼焊縫，將橋殼作為整體進(jìn)行疲勞分析。通過(guò)設(shè)置S－N曲線和載荷譜，將平均應(yīng)力修正定義為Goodman法，定義成活率95%。采用橋殼材料的S－N曲線［14－16］，忽略其他材料的影響，考慮應(yīng)力均值載荷以及疲勞強(qiáng)度系數(shù)的影響，通過(guò)分析得到橋殼的安全系數(shù)(圖8)。從圖8可以看出:橋殼安全系數(shù)最小的區(qū)域?yàn)闃驓ぶ行膱A弧區(qū)和鋼板彈簧附近的圓弧過(guò)渡區(qū)，橋殼的安全系數(shù)最低為1.65，滿足強(qiáng)度以及安全性要求。但是橋殼除了強(qiáng)度要求外還應(yīng)滿足疲勞壽命要求。

圖7 修正的S－N曲線

圖8 橋殼安全系數(shù)

從表3可以看出:在#1位置發(fā)生萌生裂紋，此處的疲勞壽命值為62×104，滿足最低壽命40× 104的要求。為了進(jìn)一步研究動(dòng)應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響，分析對(duì)比準(zhǔn)靜力學(xué)的有限元疲勞壽命值(見(jiàn)表4)。

表3 基于測(cè)點(diǎn)的估算壽命結(jié)果

表4 準(zhǔn)靜力學(xué)有限元壽命結(jié)果

對(duì)比表3和表4發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)靜力學(xué)有限元的疲勞壽命值大于基于測(cè)估算壽命結(jié)果。因?yàn)樵谄谑茐闹?，?dòng)應(yīng)力的破壞比靜應(yīng)力的破壞更大，因此基于測(cè)點(diǎn)的壽命值會(huì)低于基于準(zhǔn)靜力學(xué)有限元壽命評(píng)價(jià)的結(jié)果，動(dòng)應(yīng)力幅度大的容易產(chǎn)生疲勞失效，與實(shí)際的情況相符合。因此，基于測(cè)點(diǎn)的估算壽命結(jié)果更加準(zhǔn)確，但是相對(duì)于靜力學(xué)有限元壽命的試驗(yàn)費(fèi)用也相應(yīng)地有所增加。

4 結(jié)論

本文通過(guò)將試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力結(jié)果作為驅(qū)動(dòng)橋疲勞壽命的載荷譜，結(jié)合Miner線性損傷累積法，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋的疲勞壽命進(jìn)行分析，并得到以下結(jié)論:

1)通過(guò)CAD/CAE軟件建立了寬體礦用車(chē)驅(qū)動(dòng)橋殼的三維模型，并對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行虛擬臺(tái)架試驗(yàn)分析及模態(tài)分析，滿足驅(qū)動(dòng)橋殼的強(qiáng)度以及剛度要求。

2)結(jié)合礦井路面的采集點(diǎn)道路載荷譜，根據(jù)Miner線性理論對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼的疲勞安全系數(shù)以及疲勞壽命進(jìn)行預(yù)估，增加了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的靈活度，對(duì)于最終產(chǎn)品的疲勞設(shè)計(jì)與試驗(yàn)具有一定的借鑒意義?？蓪?duì)其優(yōu)化以進(jìn)一步提高橋殼的強(qiáng)度和壽命。

3)找出了潛在的危險(xiǎn)位置并結(jié)合有限元分析得到驅(qū)動(dòng)橋殼的疲勞壽命，滿足了疲勞可靠性的要求。下一步研究的目標(biāo)是在滿足疲勞可靠性的同時(shí)滿足輕量化的要求。

［1］朱茂桃，奚潤(rùn)，李偉.某輕型汽車(chē)后橋殼體疲勞壽命分析［J］.汽車(chē)技術(shù)，2009(1):34－37.

［2］謝峰，張婷.驅(qū)動(dòng)橋橋殼疲勞壽命預(yù)測(cè)與試驗(yàn)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010(10):186－188.

［3］楊志卿，王良模，榮如松，等.基于Hypermesh的汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋殼有限元分析與疲勞壽命預(yù)測(cè)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012(5):51－53.

［4］李劍敏，史永偉，張磊濤，等.輪式裝載機(jī)濕式驅(qū)動(dòng)橋殼有限元?jiǎng)恿Ψ治觯跩］.工程機(jī)械，2010(5):18－21.

［5］Ajay Guddeti，Abhijit Nilangekar.Simulation and Correlation of Commercial Axle Banjo Housing Fracture Under Braking Fatigue Test［C］//SAE－China and FISITA (eds.)，Proceedings of the FISITA 2012 World Automotive Congress，Lecture Notes in Electrical Engineering，2012，196:1287－1299.

［6］Topac M M，Günal H，Kuralay N S.Fatigue failure prediction of a rear axle housing prototype by using finite element analysis［J］.Engineering Failure Analysis，2009，16(5):1474－1482.

［7］Yimin shao，jiangliu.Drive axle housing failure analysis of amining dump truck based on the load spectrum［J］. Engineering Failure Analysis，2011，18(3):1049－1057.

［8］Wang X，XuW.Simulation of the vertical bending fatigue test of a five－link rear axle housing［J］.International Journal of Automotive Technology，2012，13(6):923－932.

［9］李劍敏，裴中濤，聞步正，等.裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)橋殼的載荷譜與疲勞壽命分析［J］.汽車(chē)工程，2012，34(11):1020－1023.

［10］米承繼，谷正氣，伍文廣，等.隨機(jī)載荷下礦用自卸車(chē)后橋殼疲勞壽命分析［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，48 (12):103－109.

［11］唐應(yīng)時(shí)，張武，段心林，等.基于整車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真的后橋殼疲勞壽命分析與改進(jìn)［J］.汽車(chē)工程，2009，31 (2):114－117.

［12］高晶，宋健，朱濤.隨機(jī)載荷作用下汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋殼疲勞壽命預(yù)估［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2008，3(6):982－987.

［13］陶亮，李惠林.基于ABAQUS的某重型載貨車(chē)驅(qū)動(dòng)橋橋殼有限元分析［J］.煤礦機(jī)械，2012，33(8):103－105.

［14］Jimenez Espadafor F，Becerra Villanueva J，Torres Garcia M.Analysis of a diesel generator crankshaft failure［J］. Eng Fail Anal，2009(16):2333.

［15］羅天洪，李德山，黃興剛，等.輪式裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)橋殼疲勞時(shí)效分析［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，27(5):1－5.

［16］李舜酩.機(jī)械疲勞與可靠性設(shè)計(jì)［M］.北京:科學(xué)出版社，2006.

(責(zé)任編輯 劉舸)

Fatigue Life Prediction of Drive Axle Housing of M ining Dum p Truck Based on Load Spectrum

LUO Tian－h(huán)ong1，Zhou Jun－chao1，HUANG Xing－gang2，ZHONG Zhi2，LIChun－h(huán)ong2

(1.College of Mechanics＆Automobile Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;2.Chongqing Dajiang Xinda Vehicle Company Limited，Chongqing 401320，China)

Drive axle housing is one load－bearing parts of themining dump truck，and fatigue of this component during normal use is inevitable.Because of the differences between the actual road conditions and simplified boundary conditions，it is difficult to predict the fatigue life of drive axle housing rely on the test of drive axle housing or just computer simulation.Through the stressmeasured in experiment results of drive axle load spectrum，combined with the Miner linear damage accumulation method，fatigue life of drive axlewas calculated.According to contrastof the life of the statics values，the results show that the life based on the load spectrum values ismore in line with the actualworking condition.

mining dump truck;drive axle housing;road spectrum;fatigue life

U463.218

A

1674－8425(2014)01－0023－05

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.01.005

2013－06－28

羅天洪(1975—)，男，四川樂(lè)至人，博士，教授，主要從事復(fù)合傳動(dòng)、工程機(jī)械設(shè)計(jì)、多領(lǐng)域仿真等方面的研究。

羅天洪，周軍超，黃興剛，等.應(yīng)用載荷譜的寬體礦用車(chē)驅(qū)動(dòng)橋殼壽命預(yù)估［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014(1):23－27.

format:LUO Tian－h(huán)ong，Zhou Jun－chao，HUANG Xing－gang，etal.Fatigue Life Prediction of Drive Axle Housing of Mining Dump Truck Based on Load Spectrum［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(1):23－27.