基于熱點(diǎn)應(yīng)力法的液壓挖掘機(jī)斗桿疲勞壽命評估

龐利葉，呂彭民，向清怡，黃炳雷，李 瑤

（長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710064）

0 引言

挖掘機(jī)是工程機(jī)械中從事土方工程施工的最主要的機(jī)械裝備之一，廣泛應(yīng)用于房屋建設(shè)、筑路工程、水利建設(shè)、礦山等領(lǐng)域。由于挖掘機(jī)的工作載荷復(fù)雜多變，在交變載荷的長期作用下，工作裝置產(chǎn)生疲勞損傷，當(dāng)累積損傷達(dá)到一定程度就會(huì)導(dǎo)致疲勞破壞[1]，特別是作為工作裝置的主要構(gòu)件之一的斗桿，由于其結(jié)構(gòu)為箱型梁結(jié)構(gòu)，存在較多焊縫連接，更容易出現(xiàn)應(yīng)力集中和開裂的情況。文獻(xiàn)[2]利用實(shí)體、板殼以及梁單元對液壓挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行了限元分析和疲勞強(qiáng)度評估；文獻(xiàn)[3]利用名義應(yīng)力法對挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行了基于實(shí)測載荷的疲勞壽命分析；文獻(xiàn)[4]為了提高挖掘機(jī)工作裝置焊接部位的整體質(zhì)量，考慮不同的載荷條件和焊接殘余應(yīng)力時(shí)，焊接參數(shù)對挖掘機(jī)工作裝置焊接疲勞壽命的影響。本文以某中型液壓挖掘機(jī)斗桿為研究對象，通過有限元仿真結(jié)果，采用熱點(diǎn)應(yīng)力法選取斗桿危險(xiǎn)部位的油缸座焊趾處疲勞熱點(diǎn)位置進(jìn)行疲勞壽命評估，并通過疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證評估方法對評估結(jié)果的合理性。

1 斗桿整體強(qiáng)度分析

1.1 有限元模型

依據(jù)某中型液壓挖掘機(jī)斗桿的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，在ANSYS軟件建立中型斗桿的整體有限元模型來模擬臺(tái)架疲勞試驗(yàn)載荷狀態(tài)。斗桿結(jié)構(gòu)材料為Q345，其屈服極限345MPa，油缸座焊縫處采用E50型號焊條焊接，焊條的最小抗拉強(qiáng)度500MPa。斗桿整體采用solid185六面體實(shí)體單元離散，除了銷軸處均采用Free自由網(wǎng)格劃分的方法。圖1是劃分網(wǎng)格后的斗桿有限元模型，共劃分節(jié)點(diǎn) 65548個(gè)，實(shí)體單元233433個(gè)。

圖1 中型挖掘機(jī)斗桿有限元模型

1.2 有限元計(jì)算與分析

為了有效地模擬斗桿臺(tái)架疲勞試驗(yàn)，在斗桿整體模型中約束斗桿與動(dòng)臂油缸的鉸接點(diǎn)D以及斗桿與動(dòng)臂的鉸接點(diǎn)E，來模擬試驗(yàn)臺(tái)架支撐的約束狀態(tài)，而在斗桿與鏟斗的鉸接點(diǎn)K處施加載荷是為了模擬試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)器施加載荷情況，如圖2所示。試驗(yàn)載荷譜如表1所示。每個(gè)載荷塊由5級載荷組成，臺(tái)架疲勞實(shí)驗(yàn)時(shí)，從低到高再到低進(jìn)行循環(huán)加載，并且每個(gè)載荷塊當(dāng)量的實(shí)際挖掘機(jī)工作時(shí)間為1000小時(shí)。本文選用每級載荷中的載荷上限和下限在鉸點(diǎn)K處施加載荷。有限元結(jié)果如圖3所示。

圖2 挖掘機(jī)斗桿約束與載荷施加示意圖（臺(tái)架試驗(yàn)姿態(tài)）

表1 中型挖掘機(jī)斗桿疲勞試驗(yàn)載荷譜

從圖3可以看出，斗桿在臺(tái)架試驗(yàn)姿態(tài)下，斗桿上翼板鏟斗油缸支座端焊趾處應(yīng)力較大，且應(yīng)力分布不均勻，在實(shí)際作業(yè)過程中，鏟斗油缸座為主要受力位置之一，在此處會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，該處為疲勞危險(xiǎn)部位。

2 斗桿油缸座疲勞壽命評估

2.1 熱點(diǎn)應(yīng)力法

在焊接結(jié)構(gòu)中，焊趾處容易發(fā)生疲勞開裂，此處結(jié)構(gòu)應(yīng)力的最大值即是熱點(diǎn)應(yīng)力，目前普遍接受的熱點(diǎn)應(yīng)力的定義是焊趾表面膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力之和[5]。熱點(diǎn)應(yīng)力只能用于評估從焊趾開始穿透母材厚度方向的疲勞開裂模式，并且熱點(diǎn)應(yīng)力考慮了焊接接頭的類型和尺寸引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的影響因素，可以使用較少的S-N曲線表征多種不同的焊縫類型[6]。目前確定焊趾熱點(diǎn)應(yīng)力的方法是基于表面外推的兩點(diǎn)線性或三點(diǎn)二次差值外推。一般在距離焊趾0.4t（t為板的厚度）處，非線性應(yīng)力基本消失，本文斗桿油缸支座處的焊縫屬于a型焊縫，故使用國際焊接協(xié)會(huì)推薦的a型兩點(diǎn)線性外推方法[7]，公式如下：

圖3 中型挖掘機(jī)斗桿Von Mises云圖（臺(tái)架疲勞姿態(tài)下）

2.2 子模型

子模型是得到模型部分區(qū)域中更加精確解的有限單元技術(shù)。該技術(shù)是基于圣維南原理，在原模型上截取部分區(qū)域，并細(xì)化網(wǎng)格，整體模型切割邊界的計(jì)算位移為子模型的邊界條件，用等效載荷代替實(shí)際分布載荷，從而獲得截取區(qū)域更精確的計(jì)算分析結(jié)果[8]。本文運(yùn)用子模型技術(shù)，將斗桿上翼板鏟斗油缸座焊趾區(qū)域的實(shí)體單元長度劃分為2mm，得到鏟斗油缸座支撐板前端焊趾處細(xì)分網(wǎng)格下的應(yīng)力分布云圖，如圖4所示。

通過有限元分析可得各級載荷作用下的焊趾區(qū)應(yīng)力分布云圖，由于篇幅的限制，以第5級載荷下的結(jié)果為例進(jìn)行說明。由應(yīng)力分析結(jié)果可知，斗桿油缸座耳板在焊趾處出存在顯著的應(yīng)力集中，并且應(yīng)力分布不均。

圖4 斗桿油缸座焊趾區(qū)Von Mises 應(yīng)力分布云圖

2.3 熱點(diǎn)應(yīng)力評估

圖5 斗桿油缸座焊趾處熱點(diǎn)位置及差值軌跡分布示意圖

通過分析5種載荷下的應(yīng)力云圖，從疲勞熱點(diǎn)位置選取了5個(gè)熱點(diǎn)，并且沿油缸支撐板厚方向取5條差值軌跡進(jìn)行熱點(diǎn)應(yīng)力的計(jì)算，如圖5所示。按式(1)計(jì)算得到的焊趾熱點(diǎn)應(yīng)力如表2所示。根據(jù)文獻(xiàn)[9]，考慮沿板厚分布的應(yīng)力梯度的影響，表面外推的熱點(diǎn)應(yīng)力法常利用式(2)計(jì)算等效熱點(diǎn)應(yīng)力，其計(jì)算結(jié)果如表3所示。

式中：σhsm是熱點(diǎn)膜應(yīng)力。實(shí)體模型中取為熱點(diǎn)處板厚中節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值。

在實(shí)際中常用的變幅疲勞壽命預(yù)測，一般是基于Miner線性累計(jì)疲勞損傷法則，式(3)為累計(jì)損傷及壽命預(yù)測的計(jì)算式，ni、Ni是第i級應(yīng)力范圍對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)和失效循環(huán)次數(shù)；∑D為累積損傷和；NL為焊縫預(yù)測疲勞壽命[5]。

表2 焊趾熱點(diǎn)應(yīng)力幅計(jì)算結(jié)果（單位：MPa）

表3 焊趾等效熱點(diǎn)應(yīng)力幅計(jì)算結(jié)果（單位：MPa）

IIW給出了95%可靠度、75%可靠度的FAT90、FAT100的焊接結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)應(yīng)力疲勞等級，對照規(guī)范細(xì)節(jié)選取IIW中細(xì)節(jié)等級100，當(dāng)壽命N＜1× 107時(shí)，S-N的曲線方程為：

式中，N是常數(shù)應(yīng)力幅Δσ時(shí)的循環(huán)次數(shù)。

由表3中焊趾等效熱點(diǎn)應(yīng)力幅計(jì)算結(jié)果以及式(3)、式(4)，可得各軌跡處的焊趾在一個(gè)載荷塊下的疲勞損傷和壽命預(yù)測，結(jié)果如表4所示。

表4 焊趾處疲勞損傷及等效工作壽命計(jì)算結(jié)果

由表可知，在子模型分析技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用熱點(diǎn)應(yīng)力方法計(jì)算獲得的焊趾處最薄弱位置的疲勞壽命等效時(shí)間為4970小時(shí)，各熱點(diǎn)位置處的等效時(shí)間從中間到兩邊逐漸增大。

2.4 熱點(diǎn)應(yīng)力結(jié)果與試驗(yàn)對比

本文對該中型液壓挖掘機(jī)斗桿進(jìn)行的疲勞臺(tái)架試驗(yàn)如圖6所示，試驗(yàn)載譜如表1所示，表中：負(fù)號表示載荷豎直向下。

圖6 中型挖掘機(jī)斗桿臺(tái)階疲勞試驗(yàn)

當(dāng)裂紋出現(xiàn)后，則停止試驗(yàn)并計(jì)算斗桿疲勞試驗(yàn)總循環(huán)次數(shù)以及等效工作時(shí)間。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)斗桿的疲勞裂紋發(fā)生在斗桿上翼板鏟斗油缸左支撐板前端焊趾處，如圖7所示，且斗桿整體的等效工作時(shí)間為9870小時(shí)。

圖7 中型挖掘機(jī)斗桿臺(tái)架疲勞試驗(yàn)破壞位置圖

通過斗桿疲勞臺(tái)架試驗(yàn)可知，疲勞破壞位置與分析位置相一致，其疲勞試驗(yàn)壽命當(dāng)量工作小時(shí)為9870小時(shí)。采用熱點(diǎn)應(yīng)力分析方法計(jì)算獲得了斗桿上翼板鏟斗油缸焊趾處最薄弱位置為熱點(diǎn)位置3，其疲勞壽命等效時(shí)間為4970小時(shí)，并且焊趾從中間到兩邊的等效壽命逐漸增大。焊趾處最外側(cè)熱點(diǎn)位置1和熱點(diǎn)位置5的等效時(shí)間分別為8250小時(shí)和8190小時(shí)，與臺(tái)架試驗(yàn)油缸座焊趾處兩側(cè)出現(xiàn)可見裂紋的時(shí)間基本一致。因此，采用熱點(diǎn)應(yīng)力法對斗桿疲勞壽命評估具有一定合理性且精度較高。

3 結(jié)論

1）在有限元軟件中建立了斗桿在臺(tái)架疲勞姿態(tài)下的有限元模型，經(jīng)過分析計(jì)算，確定了斗桿上翼板鏟斗油缸焊趾處為危險(xiǎn)部位，并利用子模型分析技術(shù)得到了焊趾處的應(yīng)力分布。

2）由疲勞臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果可知，疲勞破壞位置與有限分析位置相一致，并且焊趾最薄弱部位為熱點(diǎn)位置3，各熱點(diǎn)位置處的等效時(shí)間從中間到兩邊逐漸增大。焊趾處最外側(cè)熱點(diǎn)位置1和熱點(diǎn)位置5的等效時(shí)間分別為8250小時(shí)和8190小時(shí)，與臺(tái)架試驗(yàn)油缸座焊趾處兩側(cè)出現(xiàn)可見裂紋的時(shí)間9870小時(shí)基本一致。

3）采用熱點(diǎn)應(yīng)力方法對焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命評估具有較好的適用性且精度較高。