李凱　吳書男

摘? 要：起重機(jī)底盤在復(fù)雜載荷作用下，造成底盤關(guān)鍵承載部件出現(xiàn)疲勞斷裂事故，直接影響了結(jié)構(gòu)可靠性和操作安全性，故需對底盤結(jié)構(gòu)的疲勞耐久性進(jìn)行系統(tǒng)的分析和研究。文章根據(jù)底盤結(jié)構(gòu)所承受載荷的不同、把底盤結(jié)構(gòu)分為吊裝作業(yè)承載結(jié)構(gòu)件、行駛結(jié)構(gòu)承載結(jié)構(gòu)件和非承載安裝結(jié)構(gòu)件三類，分別介紹了這三類結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和疲勞耐久仿真計(jì)算分析方法。所研究成果對起重機(jī)底盤結(jié)構(gòu)耐久性能的研究有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：起重機(jī)底盤;疲勞耐久;振動(dòng)疲勞;仿真分析

中圖分類號(hào)：U463.82 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）14-0042-02

Abstract： Under the action of complex loads， the key bearing parts of the crane chassis suffer from fatigue fracture accident， which directly affects the structure reliability and operation safety. Therefore， the fatigue durability of the chassis structure needs to be systematically analyzed and studied. In this paper， according to the different loads borne by the chassis structure， the chassis structure is divided into three categories： lifting operation bearing structure， traveling structure bearing structure and non-bearing installation structure. The results of the research have certain guiding significance for the research on the durability of crane chassis structure.

Keywords： Crane chassis; Fatigue endurance; Vibration fatigue; The simulation analysis

1 概述

起重機(jī)底盤所承受載荷十分復(fù)雜，不光承受吊裝作業(yè)工況的載荷，還承受行駛工況的路面的激勵(lì)載荷。在復(fù)雜載荷的作用下，造成底盤結(jié)構(gòu)的疲勞耐久問題突出、市場上經(jīng)常出現(xiàn)底盤關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)疲勞斷裂的事故。這些事故直接影響了起重機(jī)的作業(yè)性能和操作安全性，造成后期市場的維護(hù)成本增加、嚴(yán)重影響了產(chǎn)品口碑和聲譽(yù)。

對于起重機(jī)底盤的結(jié)構(gòu)疲勞耐久性問題，傳統(tǒng)的做法在產(chǎn)品試制階段，用樣車進(jìn)行吊裝和路試試驗(yàn)，這種方法雖然可以直接驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的耐久性，但試驗(yàn)周期長、成本大，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題的產(chǎn)品設(shè)變成本和難度也都十分大。目前汽車行業(yè)結(jié)構(gòu)的疲勞耐久性能仿真技術(shù)越來越成熟，起重機(jī)底盤可借鑒汽車行業(yè)的仿真經(jīng)驗(yàn)，但相關(guān)研究主要為汽車行駛工況承載結(jié)構(gòu)的疲勞耐久[1-6]，不能完全覆蓋起重機(jī)底盤的全部使用工況和特點(diǎn)。故吸收借鑒汽車行業(yè)成熟仿真經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合起重機(jī)底盤的具體使用工況和特點(diǎn)，開展起重機(jī)底盤結(jié)構(gòu)疲勞耐久性研究對提升產(chǎn)品研發(fā)水平有一定指導(dǎo)意義。

2 底盤結(jié)構(gòu)疲勞耐久性仿真技術(shù)研究

起重機(jī)底盤結(jié)構(gòu)承受的載荷主要分為以下三類：一是作為起重機(jī)，在進(jìn)行吊裝作業(yè)時(shí)，從吊臂、轉(zhuǎn)臺(tái)和回轉(zhuǎn)支撐傳遞到底盤結(jié)構(gòu)件的吊裝作業(yè)載荷;二是底盤在行駛工況時(shí)承受路面的激勵(lì)載荷;三是發(fā)動(dòng)機(jī)等旋轉(zhuǎn)零部件產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì)。這三種載荷交替作用在底盤的不同結(jié)構(gòu)件上。根據(jù)這三類載荷，底盤結(jié)構(gòu)件也可主要分為以下三類：

（1）吊裝作業(yè)載荷承載結(jié)構(gòu)件：此類結(jié)構(gòu)主要承受起重機(jī)吊裝作業(yè)載荷，主要結(jié)構(gòu)件為底盤車架和支腿。

（2）行駛機(jī)構(gòu)承載結(jié)構(gòu)件：此類結(jié)構(gòu)主要承受底盤在行駛過程中路面激勵(lì)載荷的作用，主要包括底盤的車架、行駛機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等系統(tǒng)及其安裝支架。

（3）非承載安裝結(jié)構(gòu)件：此類結(jié)構(gòu)主要為其他系統(tǒng)的安裝結(jié)構(gòu)件，起到安裝作用和使用功能，其不承受吊裝作業(yè)和行駛工況產(chǎn)生的直接載荷作用，但承受路面和發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)載荷激勵(lì)的影響。此類結(jié)構(gòu)件包括動(dòng)力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的安裝支架，駕駛室、機(jī)棚覆蓋件和油箱等。

此三類不同承載結(jié)構(gòu)件所受的載荷不同，所表現(xiàn)出來的結(jié)構(gòu)性能也不同，下面對這三種結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和疲勞耐久性能分別進(jìn)行分析，給出具體的仿真計(jì)算分析方法。

2.1 吊重作業(yè)承載結(jié)構(gòu)疲勞耐久分析

起重機(jī)在吊裝過程中主要時(shí)間為吊裝作業(yè)的準(zhǔn)備時(shí)間，在準(zhǔn)備時(shí)間中底盤車架和支腿不承受吊裝載荷，僅承受起重機(jī)自身的重力作用，結(jié)構(gòu)的載荷形式為靜載。在吊裝過程中，其吊重物是緩慢提升和移動(dòng)的，結(jié)構(gòu)承受的載荷由于變化緩慢，可認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)載荷。由于在吊裝的整個(gè)過程中，底盤的車架和支腿僅承受靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)載荷的作用，對結(jié)構(gòu)疲勞耐久性能影響大的交變載荷影響較小，所以相關(guān)結(jié)果僅需進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核，而不需進(jìn)行疲勞耐久性能分析。

在進(jìn)行底盤車架和支腿在吊裝工況的靜強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，根據(jù)起重機(jī)上車吊重性能表，篩選出最大載荷工況，把工況載荷簡化為最大垂直載荷和最大彎矩兩種載荷形式，施加在底盤車架的回轉(zhuǎn)座圈上，進(jìn)行360°回轉(zhuǎn)工況的結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度和穩(wěn)定性能計(jì)算并進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果根據(jù)《GB/T 3811-2008起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》的強(qiáng)度準(zhǔn)則和穩(wěn)定性要求進(jìn)行判斷是否滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 行駛機(jī)構(gòu)承載結(jié)構(gòu)件疲勞耐久分析

行駛機(jī)構(gòu)承載結(jié)構(gòu)件主要承受行駛過程中的路面載荷的激勵(lì)作用，主要為輪胎承受的軸荷和路面摩擦力的作用影響。其載荷形式為隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)載荷，在動(dòng)態(tài)載荷的作用下，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷進(jìn)而產(chǎn)生疲勞破壞，故對行駛機(jī)構(gòu)的承載結(jié)構(gòu)件需進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞分析。

起重機(jī)底盤的行駛機(jī)構(gòu)承載結(jié)構(gòu)件的分析方法主要有以下兩種分析方法：一為疲勞極限法，即在最大載荷工況下，底盤的各軸施加最大加速度載荷，根據(jù)這最大加速度計(jì)算出各結(jié)構(gòu)件承受的載荷，進(jìn)而對各結(jié)構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度校核。所得的最大應(yīng)力小于結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度即可判斷結(jié)構(gòu)的疲勞性能滿足設(shè)計(jì)要求。結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度為經(jīng)驗(yàn)總結(jié)值，一般為0.75倍的屈服極限。各軸施加的最大加速度載荷一般為在行駛過程中不同工況出現(xiàn)的最大加速度值，汽車行業(yè)一般采用加速度值如表1所示。在進(jìn)行起重機(jī)底盤計(jì)算過程中，可先參照汽車行業(yè)的加速度值進(jìn)行計(jì)算，再根據(jù)具體工況情況進(jìn)行修正。此種方法簡單易學(xué)，適合在沒有路譜之前對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行初步校核，但不能真實(shí)計(jì)算出結(jié)構(gòu)的具體疲勞壽命。

第二種方法為基于載荷譜的疲勞耐久仿真分析法，第一步采用車輪力傳感器，測量作用在車輪軸上的六個(gè)分力的載荷譜，接著經(jīng)過多體動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算出各個(gè)零部件上作用的載荷譜，再通過有限元分析結(jié)合結(jié)構(gòu)材料和焊縫的S-N曲線計(jì)算出該結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，此種方法真實(shí)的采集起重機(jī)底盤的使用載荷譜，可以真實(shí)的模擬行駛系統(tǒng)承載結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。但計(jì)算的準(zhǔn)確性依賴所采集載荷譜的準(zhǔn)確性，所以基于載荷譜采集的疲勞耐久仿真工作的主要重點(diǎn)和難點(diǎn)為載荷路譜的采集。

2.3 非承載安裝結(jié)構(gòu)件疲勞耐久分析

其它非承載安裝結(jié)構(gòu)件，包括動(dòng)力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的安裝支架，駕駛室、機(jī)棚覆蓋件和油箱等、不直接承受吊裝作業(yè)和行駛工況產(chǎn)生的直接載荷作用，在車輛靜止?fàn)顟B(tài)其只承受其與安裝部件的重力作用;在吊裝作業(yè)工況下，其承受發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)載荷的激勵(lì)作用;在底盤行駛狀態(tài)，其同時(shí)承受路面激勵(lì)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的振動(dòng)載荷激勵(lì)作用。相關(guān)結(jié)構(gòu)由于交變載荷作用引起共振而產(chǎn)生共振破壞現(xiàn)象，比如底盤經(jīng)常出現(xiàn)棚覆蓋件、駕駛室和動(dòng)力系統(tǒng)安裝支架斷裂破壞事故。

吊裝作業(yè)載荷和行駛工況載荷雖然載荷在變化，但其載荷形式可簡化成準(zhǔn)靜態(tài)載荷，而非承載安裝結(jié)構(gòu)件所承受的是振動(dòng)載荷，振動(dòng)載荷作用下各頻率的響應(yīng)應(yīng)力分布和薄弱位置與靜力計(jì)算不同，這就造成動(dòng)態(tài)疲勞分析和靜態(tài)疲勞分析的實(shí)際結(jié)果不同，為了得到更準(zhǔn)確的結(jié)果，需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)疲勞分析。

在進(jìn)行振動(dòng)疲勞仿真分析前，首先應(yīng)采集不同工況下所分析結(jié)構(gòu)件的安裝部位的振動(dòng)加速度載荷譜，對采集的載荷譜進(jìn)行處理，得到振動(dòng)疲勞計(jì)算的PSD功率譜密度，根據(jù)PSD功率譜密度和結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)計(jì)算出結(jié)構(gòu)應(yīng)力頻率響應(yīng)結(jié)果，在此基礎(chǔ)上采用Drink算法結(jié)合材料和焊縫的S-N曲線開展結(jié)構(gòu)的隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析，計(jì)算出結(jié)構(gòu)各部分的疲勞壽命情況。PSD功率譜密度的準(zhǔn)確性直接決定計(jì)算結(jié)果的正確性，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期還未開展載荷譜測試時(shí)，先參照《GBT 28046.3-2011 道路車輛 電氣及電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗(yàn) 第3部分 機(jī)械負(fù)荷》中商用車的PSD功率譜密度進(jìn)行計(jì)算，后期根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對其進(jìn)行修正，進(jìn)而提升仿真計(jì)算分析的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)束語

起重機(jī)底盤結(jié)構(gòu)所承受載荷不同，其疲勞耐久的分析方法也不同，本文對起重機(jī)底盤的吊裝承載結(jié)構(gòu)件、行駛機(jī)構(gòu)承載結(jié)構(gòu)件和非承載安裝結(jié)構(gòu)件的仿真分析方法和手段進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，在進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)件仿真分析時(shí)，根據(jù)載荷形式選取相應(yīng)的疲勞仿真手段進(jìn)行研究分析。研究成果對起重機(jī)底盤結(jié)構(gòu)耐久性能的研究有一定的指導(dǎo)意義。

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