履帶車輛行星傳動裝置疲勞壽命的仿真及預測

杜秀菊, 賈長治, 董兆偉

(1. 河北師范大學 機械工程系，石家莊 050031；2. 軍械工程學院 火炮工程系，石家莊 050003；3.河北電視大學，石家莊 050080)

履帶車輛具有較強的越野通過性，因而在軍事、農業及建筑工程領域得到了廣泛的應用。行星傳動裝置因傳動比大、結構緊湊、傳動效率高、承載能力大等優點被應用在履帶車輛的底盤傳動系統中，同時也在履帶車輛底盤中占著舉足輕重的作用[1-2]。

據統計，履帶車輛行星傳動裝置在工作過程中故障率較多。由于行星傳動裝置故障等級也較高，因此直接導致履帶車輛可靠性降低，對工作和維修都帶了困難[11]。對行星傳動裝置故障的可靠性機理分析可得，行星傳動裝置關重件的主要失效形式為疲勞斷裂，然而對關重件進行失效機理分析發現，關重件在疲勞斷裂時所承受載荷遠遠小于在設計時所施加的靜態載荷。這也是靜強度設計的機械系統存在的突出問題之一。這種現象的主要原因是靜載荷設計不能代替行星傳動裝置在實際工作時所真正承受的工作載荷，從而導致設計壽命與實際壽命之間存在很大差距，嚴重影響了整車性能的發揮，因此確定實際工作載荷也就是確定行星傳動裝置隨工作任務剖面和環境變化而變化的動載荷，這成為解決行星傳動裝置可靠性的關鍵。現在獲得履帶車輛所承受隨機載荷的方法有試驗測定法和數學分析法。這兩種方法獲得隨機動載荷的方法都是基于車輛行駛試驗。試驗數據固然可靠，但需要耗費大量人力物力和財力，勞神費力，研究周期長[3]。這就導致設計初期階段往往沒有進行試驗就加工生產，而在使用階段暴露出設計階段的問題，造成設計壽命與實際壽命相差甚遠，給履帶車輛使用和維護造成很大影響。隨著計算機仿真技術、復雜系統建模方法、復雜算法以及多學科解決問題的環境及平臺在工程上的進一步應用，結合工程中出現的問題，采用先進的仿真技術，建立某履帶車輛行駛仿真試驗平臺，獲得行星傳動裝置動載荷，從根源上解決設計壽命與實際壽命不符合的難題[4-7]。

1 基于MSC.ADAMS/ATV行駛仿真試驗

ATV(ADAMS Tracked Vehicle)模塊是MSC公司開發的履帶車輛模塊，可以快速建立履帶車輛的動力學仿真分析模型，研究不同行駛工況、不同任務剖面下的履帶車輛受力分析，這樣大大縮短車輛設計周期，節省大量設計經費。基于ATV工具箱建立履帶車輛行駛動力學模型，通過仿真計算可以獲得不同任務剖面車輛可靠性較低的部位的動載荷，查找設計過程中存在的缺陷，對履帶車輛的各項設計指標進行修正和動態優化設計。應用MSC.ADAMS/ATV所建立的某型履帶車輛模型如圖1所示[1,6,9]。

為進一步驗證MSC.ADAMS/ATV所建立履帶車輛模型的可信度，特進行了履帶車輛實際行車試驗，在秋后耕地上以8.1m/s左右的速度勻速行駛某任務工況進行行駛試驗，如圖2所示，將車輪測得的振動信號進行信號處理，得到履帶車輛的時域和頻域相應圖如圖3(a)所示，而通過MSC.ADAMS/ATV構建的行駛仿真試驗平臺在同樣速度和任務工況所得到的時域和頻域圖如圖3(b)所示。通過圖3(a)與圖3(b)對比發現，實際行車試驗和行駛仿真試驗所得到的功率譜基本一致，這充分證明了所構建的履帶車輛模型數據是可信的，可以代表實車行駛試驗。

圖1 MSC.ADAMS/ATV履帶車輛模型

圖2 履帶車輛在耕地上穩態行駛

圖3(a) 車輛行駛垂直加速度時域響應及功率譜圖

圖3(b) 車輛仿真的垂直加速度時域響應及功率譜圖

2 履帶車輛行星傳動裝置虛擬樣機及疲勞壽命預測流程

2.1 行星傳動裝置的FMECA(Fault Mode Effect Criticality Analysis)分析表

圖4 2K-H(A)型行星排工作原理

履帶車輛的行星傳動裝置結構簡圖如圖4所示[2]。據對某使用單位調查，履帶車輛行星傳動裝置的主要失效形式是各主要組成部件的疲勞斷裂和裂紋。本文對行星傳動裝置出現的故障進行了可靠性數據收集與分析，建立了關鍵重要部件的FMECA分析表，如表1所示。

表1 行星傳動裝置的FMECA分析表

由表1可以看出，履帶車輛行星傳動裝置在使用過程中關重件為行星框架和行星輪軸。這些關重要件從某種程度上來說可以決定系統的可靠性，所以有必要對其進行動力學分析，獲得這些關重件所承受的載荷，在進一步對其進行故障機理分析，從根本上解決行星傳動裝置可靠性低的難題。

2.2 構建履帶車輛行星傳動裝置的虛擬樣機模型

采用MSC.ADAMS軟件構建了履帶車輛虛擬樣機模型，如圖5所示。通過模型驗證確保所構建的模型與物理樣機具有高度一致性，確保仿真結果的真實可信[4-6]。

圖5 行星傳動裝置虛擬樣機模型

2.3 行星傳動裝置疲勞壽命預測分析流程圖

在確保所構建的虛擬樣機模型正確的基礎上對其進行仿真分析，必須結合行星傳動裝置的FMECA分析表即表1在實際應用過程中暴露的問題進行，這樣確保仿真分析是緊密結合工程實際應用。在表1的基礎上，對行星傳動裝置出現的故障頻率和事故等級進行充分的數據搜集與分析，確定行星傳動裝置的系統薄弱環節，薄弱環節的可靠性提高了，整個系統的可靠性也就相應得到提高。本文構建基于行駛仿真試驗的行星傳動裝置疲勞壽命預測流程如圖6所示，可以實現對履帶車輛行星傳動裝置進行動力學仿真分析、疲勞壽命分析及動態優化設計，從根本上解決可靠性低的問題。

圖6 行星傳動裝置疲勞壽命預測分析流程圖

3 履帶車輛行星傳動裝置疲勞壽命預測仿真

3.1 行星框架危險斷面靜載下扭轉強度驗算

履帶車輛行星傳動裝置載荷設計條件為：在30°側傾坡上，與土壤的附著力作為載荷數據進行計算，一側力矩按0.6倍的車重計算，計算力矩式為

Mφ=0.6GRk=46 491.2 N·m

(1)

式中:G為履帶車輛重量，N；Rk為主動輪半徑，m。

履帶車輛行星架材料是45CrNi，σs=8 000 kg/cm2。由靜強度設計理論可知，行星框架的薄弱環節是其零件表面形狀突變的部位。由實際可靠性數據可知，行星架最先出現疲勞斷裂是在軸頸部位，由靜強度設計理論計算行星架軸頸處的扭轉應力為[12]：

(2)

式中:σs為極限應力，kg/cm2；[τ]為扭轉許用應力，MPa；n為安全系數，取n=2。

靜強度設計理論計算得出的扭轉應力如式(3)所示

109.51 MPa

(3)

其中:τ為扭轉應力，MPa；r為行星架軸徑半徑值，m；t為行星架軸徑厚度，m。

3.2 基于行駛仿真試驗的行星架動載荷

基于MSC.ADAMS/ATV所構建的行駛仿真試驗得到不同行駛工況各零部件所承受載荷如圖7所示，將此載荷作為工作載荷作用到行星傳動裝置的各零部件，并按照圖6進行行星傳動裝置的動力學分析、壽命預測分析和動態優化設計。圖7所涉及到的各種行駛工況分類參見參考文獻[9]，這里不再贅述。

圖7 不同任務工況行星框架所承受動載荷

3.3 交變動載荷作用下行星框架軸頸最大扭轉應力

在圖7給出的行星框架動載荷作用下，取每一工況所承受交變載荷的最大絕對值計算，在某一行駛仿真工況內行星架的危險斷面的最大扭轉應力應用式(3)可得，圖5給出的4種任務工況所對應行星框架薄弱環節最大扭轉應力對比如表2所列。

表2 不同任務工況行星框架所承受最大扭轉應力對比

由表2所示的各任務工況下分析可得，行星框架最大扭轉應力遠遠小于扭轉許用應力235.368 MPa。行星架在理論設計上應該是絕對安全的，但是在實際使用過程中依然頻頻出現了疲勞斷裂和裂紋的故障。這充分證明了在靜強度設計絕對安全可靠的結構在實際動態載荷的作用下滿足不了要求。這些實際承受的載荷不見得數值有多大，但是作用的頻率很高，且載荷交替變化幅值非常大。因此這些交替變化的動態載荷不見得大的突然對零部件進行毀滅性破壞，但到一定時期會使零件損傷進行累積疊加，就會產生疲勞損壞。故對動載荷作用下行星傳動裝置疲勞壽命預測具有十分重要的現實意義。

3.4 行星框架疲勞壽命預測仿真分析研究

應用MSC.Patran對行星架進行有限元分析，在圖6流程圖指引下應用疲勞仿真分析軟件對履帶車輛行星傳動裝置中的行星架進行了疲勞壽命預測，在圖7所獲得的載荷的作用下疲勞壽命仿真結果如圖8所示。

圖8 不同任務工況行星框架疲勞壽命預測云圖

3.5 行星架疲勞壽命仿真結果分析

將圖8中的疲勞壽命預測結果進行分析比較，對比結果如表3所列。

表3 不同行駛工況的行星架疲勞壽命仿真分析表

在表3所提供的不同行駛工況下行星架對應的行駛里程S為

(4)

式中：S′——行駛仿真試驗所對應行駛路程，km;S——零部件疲勞時對應行駛里程，km;N——疲勞壽命循環次數

由表3可知，在履帶車輛行駛仿真試驗中，通過所提供的不同任務工況，確定所承受的隨機動載荷，通過疲勞損傷仿真分析，可以得到行星框架發生疲勞破壞時間對應的載荷循環次(行駛里程)。根據履帶車輛的實際行駛工況，依據履帶車輛駕駛員經驗分別初步賦予不同任務剖面的權重系數[10]，結果如表4所示。

表4 不同任務工況的加權系數分配比例

由表4可知，履帶車輛行星傳動裝置行星框架的疲勞壽命為5 769.255 km。由可靠性數據收集與分析可知，履帶車輛行星框架在行駛于7 889 km和7 651 km時在行星框架軸頸處出現過裂紋斷裂的失效現象。基于行駛仿真試驗的行星框架疲勞壽命預測與現場統計數據雖有一些差距，但相差不多，且不同工況行星框架的動載荷又差異很大，所以出現以上偏差也是合理的。

4 結 論

(1) 基于行駛仿真試驗獲得某履帶車輛關鍵重要部件在不同行駛工況的動載荷，解決了設計壽命與實際使用壽命不符的問題。

(2) 在行駛仿真試驗動載荷的作用下對履帶車輛行星傳動裝置行星架進行疲勞壽命預測分析，并與行星架的實際使用壽命進行對比分析，具有較好的一致性，可以應用行駛仿真試驗獲得的載荷進行疲勞壽命預測分析。

(3) 基于虛擬行駛試驗的疲勞壽命預測方法，為行星框架動態設計及結構優化提供了重要的載荷數據。

[1] A multi-resolution mesh representation for deformable objects in collaborative virtual environments[J]. 1865-0929 (Print) 1865-0937 (Online). Volume 21, 2009,

[2] 漸開線齒輪行星傳動的設計與制造編委會．漸開線齒輪行星傳動的設計與制造[M]．北京：機械工業出版社，2002:5-100.

[3] Zha X F. A knowledge intensive multi-agent framework for cooperative collaborative design modeling and decision support of assemblies[J]. Knowledge-Based Systems,2002,15:493-5062,

[4] Currana,Gomisa G, Castagnea S, et al. Edgar ntegrated digital design for manufacture for reduced life cycle cost[J]. Int. J. Production Economics,2007, 109:27-40.

[5] 廖伯瑜，周新民，尹志宏.現代機械動力學及其工程應用[M]．北京：機械工業出版社，2004: 1-200.

[6] 熊光楞，郭斌，陳曉波.協同仿真技術與虛擬樣機技術[M]．北京：清華大學出版社，2004: 1-50.

[7] 賈長治，殷軍輝，薛文星．MD ADAMS虛擬樣機從入門到精通[M]. 北京：機械工業出版社，2010.

[8] 杜秀菊，賈長治，董兆偉，等. 基于接口的協同仿真技術在動態優化設計中的應用[J].機械工程學報，2008, 44(8): 123-131.

DU Xiu-ju,JIA Chang-zhi,DONG Zhao-wei,et al.Application of collaborative simulation based on interfaces used in dynamic optimization design[J].Chinese Jourmal of Mechanical Engineering, 2008, 44(8): 123-131.

[9] 杜秀菊．某型自行火炮傳動系統動力學仿真及壽命預測分析[D]．石家莊：軍械工程學院，2006.

[10] 吳大林．自行火炮行駛仿真試驗研究[D]．石家莊：軍械工程學院，2004.

[11] 張慶霞．自行火炮傳動件疲勞壽命分析與結構改進研究[D]．石家莊：軍械工程學院，2007.

[12] 項生田 ，李劍敏 ，黃俊,等.輪邊減速器行星架結構強度和疲勞壽命分析[J].汽車工程，2011，33(5):417-422.

XIANG Sheng-tian, LI Jian-min, HUANG Jun, et al. An analysis on the structural strength and fatigue life of the planet carrier in a hub reductor[J]. Automotive Engineerin,2011, 33(5): 417-422.