基于疲勞壽命分析的挖掘機挖斗結構優化

張晴晴 史良馬

(巢湖學院，安徽 巢湖 238000）

基于疲勞壽命分析的挖掘機挖斗結構優化

張晴晴 史良馬

(巢湖學院，安徽 巢湖 238000）

為研究和優化挖掘機的挖斗在實際工作過程中耳板處焊縫容易受到疲勞破壞而開裂的問題，以市場上某型號的挖掘機為研究對象，采用有限元分析的方法對挖掘機的挖斗進行了疲勞壽命分析。并結合分析結果在原有模型的基礎上，提出改進措施來優化挖斗焊縫處的疲勞壽命。通過原有模型與優化模型的疲勞壽命分析結果進行對比分析，證實優化模型可以顯著提高挖斗的疲勞壽命。因此本研究可以為提高挖掘機挖斗的使用壽命提供一定的理論基礎。

挖斗；焊縫；疲勞壽命分析

1 引言

在實際調查中發現，某型號的挖斗使用一個多月后，在耳板與挖斗背板的焊接部位就會出現開裂現象，最終導致其無法正常工作。焊接技術作為機械連接的一種重要手段，在實際的加工過程中被大量使用。研究焊接結構時，必須把重點放在焊縫上，因為在焊縫上容易出現應力集中現象，導致該處的強度降低，所以焊接結構的疲勞破壞總是從焊縫開始[1]。據統計在現代工業領域中，約有90%的焊接結構破壞都是由焊接接頭的疲勞斷裂所引發的。因此發展和建立準確的焊接接頭疲勞強度與壽命的評定方法是工程界關注的重要問題之一[2]。

所謂疲勞是指在循環應力和應變作用下，在某些部位產生局部永久性積累損傷，經一定的循環次數后產生裂紋或斷裂的過程。1871年，德國人Wahler A.系統地論述疲勞壽命與循環應力關系，提出了S-N(應力幅疲勞強度-循環次數）曲線和疲勞極限的概念，確定了循環應力是疲勞破壞的主要因素，奠定了金屬疲勞研究的基礎。當前分析焊接疲勞的方法很多：傳統的整體分析方法——名義應力評定方法是目前各種疲勞設計規范中廣泛使用的方法，該方法用簡單公式進行計算來判斷母材受載橫截面積上的名義應力是否小于疲勞斷裂時的持久名義應力[3]；PINGSHA DONG采用了美國ASME標準中的《網格不敏感的結構應力法及主S-N曲線法》，對焊縫進行了有限元分析[4]；張強軍等對單斗液壓挖掘機的工作裝置進行了有限元分析和疲勞壽命分析，計算出了整個工作裝置的允許使用次數和在工作中所受到的最大應力[5]。

通常來說，可以通過以下兩方面的努力來提高焊縫處的壽命。一方面，通過優化影響焊接接頭結構疲勞壽命的因素，如接頭的幾何形狀、載荷特性、熱處理狀態、焊接方法以及焊接過程中產生的各類焊接缺陷(裂紋、未溶合、未焊透、氣孔、夾雜等）來實現[6]；另一方面，從結構優化角度出發，通過減小焊縫處的循環應力大小來實現。

本文從實際挖斗工作裝置的疲勞壽命分析出發，以挖斗焊縫處的疲勞壽命為著力點，研究挖斗的疲勞破壞現象并提出優化措施提高其疲勞壽命。首先在Solid works中建立挖掘機部分工作裝置(斗桿、挖斗）的三維幾何模型，然后計算挖斗工作時的挖掘力和挖掘阻力，最后根據有限元分析法，利用ANSYS的協同仿真環境Workbench中的疲勞分析模塊進行挖斗的疲勞壽命分析，通過對原有模型與優化模型的疲勞壽命分析結果進行對比分析，證實優化模型可以顯著提高挖斗的疲勞壽命，為提高挖掘機挖斗的使用壽命提供一定的理論基礎。

2 幾何模型的建立

根據實際產品的測繪尺寸，在Solid works軟件中建立挖掘機簡易工作裝置的幾何模型(圖1）。模型主要有由五部分組成：挖斗、斗桿、連桿、擺桿和液壓缸。本研究的重點是挖斗的背板與耳板焊接處的受力與疲勞壽命分析。根據焊接材料與母材相匹配的原則，材料連接處的焊接材料的強度不應與母材強度相差過大[7]。因此，在建模過程中，我們把挖斗連同耳板進行整體建模，填角焊縫用圓角代替。但是焊接后的耳板與挖斗背板之間的接觸面不是固接，因此，在模型建立后，再將耳板底部每間隔10 mm，切除厚度0.1 mm，寬20 mm的縫隙以模擬實際情況，如圖2所示。

3 挖掘力和挖掘阻力的分析

挖掘力是衡量挖斗裝置挖掘性能的重要指標之一，可分為液壓缸的理論挖掘力、整機的理論挖掘力和整機的實際挖掘力三類[8]。實際挖掘力牽涉到坡度、風力等外在因素以及機構的工作效率等內在因素，在本次研究中忽略不計。本研究中的模型只是簡易的工作裝置，只考慮液壓缸的理論挖掘力。

液壓缸的理論挖掘力是指工作液壓缸外伸時由該液壓缸理論推力所能產生的斗齒切向挖掘力[9]。由該型號挖掘機的技術參數可知挖斗的最大挖掘力是136 KN。為模擬耳板焊縫的受力，需計算出液壓缸通過擺桿作用在耳板上的力。挖斗挖掘時，挖斗液壓缸理論挖掘力的示意圖如圖3所示，計算公式如公式(1）：

式中：FB：挖斗液壓缸理論挖掘力(136 KN）；

F3：挖斗液壓缸理論推力；

s1，s2，s3，s4：作用力臂(挖掘力最大時：s1=75 mm，s2=67 mm，s3=42 mm，s4=285 mm），其中，s1、s2、s3均是液壓缸瞬時長度L3的函數，s4為挖斗切削刃至鏟斗鉸軸的直線矩離。計算得出液壓缸通過擺桿作用在耳板上的力F為490 KN。

切削過程中，土壤作用在斗齒上的力稱為切削阻力。土壤被切離后，將向挖斗內流動，流動過程中，土壤與土壤和土壤與斗齒之間產生摩擦力。同時，土壤的流動受到斗后壁的阻礙還會產生附加壓力。因此，機器的切削裝置除克服上述切削力之外，還要克服這些摩擦力和附加壓力。挖斗工作時，這些附加力形成裝土阻力，切削阻力和裝土阻力之和就是挖掘阻力[9]。

挖斗在挖掘時，土壤切削阻力隨挖掘深度的增加而增加，切削阻力與切削深度基本成正比，但總的來說，前半程的切削阻力比后半程大，因為前半過程的切削較困難，產生的切削阻力較大[8]，切向切削阻力W1(圖4）如公式(2）所示。裝土阻力的切向分力W1′[10]可以用公式(3）表示：

挖斗裝土阻力的切向分力為：

經初步估算知，W1′與W1相比很小，可以忽略不計。當φmax=90°；φ=0時，出現挖斗最大切向分力W1max：

C：土壤硬度的系數，對II級土壤C=50～80；

R：轉斗切削半徑，取R=L3，單位為m；

B：斗齒寬度影響系數，B=1+2.6b，b為挖斗平均寬度，單位為m；

φ：挖斗瞬時轉角；

φmax：挖掘過程中挖斗總轉角的一半；

A：切削角變化影響系數，一般取A=1.3；

Z：斗齒系數，有齒時，Z=0.75；無齒時，Z=1；

X∶斗側壁厚影響系數，X=1+0.03s，其中s為側壁厚度，單位為m；

D：斗齒擠壓土壤的力，根據斗量大小，D=10000～17000，本文中D取15000。

實驗表明法向挖掘阻力W2的方向是變化的，數值也較小，一般取W2=0～0.2W1[8]。計算得出W1=95 KN，W2=15 KN。

4 ANSYS Workbench中焊縫的疲勞壽命分析

疲勞壽命是在給定循環載荷條件下，試件或結構由開始加載至出現可檢測裂紋時的載荷循環數。ANSYS Workbench中集成有疲勞壽命分析模塊，分析的基本流程如圖5所示：

將在Solid works中建立的挖斗幾何模型導出或保存為X_T格式的文檔，在ANSYS Workbench中直接導入此文檔，并編輯模型。由于所選挖斗研究對象的材料為16Mn鋼(Q345），因此選擇模型的材料類型為Structural Steel，彈性模量220 GPa，泊松比0.3；以P=95%時的情況設置標準試件S-N曲線[11]。有限元網格類型采用Solid 187單元，網格大小為20 mm。劃分網格生成如圖6所示的有限元模型。

挖斗在挖掘的過程中會遇到雜物，各斗齒受力并非總是均勻的，為此在本研究中分三種工況來進行分析。工況一：最外面的一個斗齒受力；工況二：最外面的兩個斗齒受力；工況三：五個斗齒均勻受力。前兩種工況為載荷偏置情況，第三種工況為正常工作情況。當斗桿固定，只有挖斗在工作時，在挖掘阻力最大的瞬間(φmax=90°），液壓缸通過擺桿作用在耳板上的力為F，斗齒受到切向阻力W1和法向阻力W2。

應力是影響疲勞壽命的主要因素。圖7給出了挖斗應力分析結果。從圖中我們可以看出：焊縫處的應力要比它周圍的應力大些；焊縫的一端受力較大，即產生應力集中現象。三種工況所受的應力隨受力齒數的增加而減小。在應力、應變分析結果的基礎上分析焊縫的疲勞壽命如圖8所示。

由圖7和圖8的對比可以看出，應力越大的部位，達到疲勞極限所需的動載荷的循環次數越少。即在同等載荷循環工作下，最先出現疲勞裂紋或斷裂的部位是在應力最大的部位。在圖8中，紅色的部位疲勞壽命最短，在三種工況下都出現在焊縫的末端。由圖8可得到挖斗在不同工況下焊縫的最小壽命，如表1所示。

假設挖掘過程中，三種工況出現的概率相同，那么耳板焊縫最小疲勞壽命應為三種工況下的平均壽命19374次。按每天工作8小時，每分鐘挖掘1次，則挖斗耳板出現裂痕的時間為40天。這與實際調查的情況相似。

5 耳板處的結構優化及分析

上一節分析了挖斗的應力、應變以及焊縫的疲勞壽命，得知應力集中的區域焊縫的疲勞壽命最小。因此，如何消除應力集中現象，將是提高焊縫壽命的根本問題之所在。研究表明：焊接區與其它應力集中區會發生應力耦合效應，進而降低結構的疲勞壽命；焊縫位置越遠離其它應力集中區，焊縫應力越小[12]。為了讓焊縫偏離耳板與背板之間的應力集中區，采取的具體的方法是在耳板底部的加一塊固定板，固定板焊接在背板上，厚度為20 mm。再把耳板焊接在固定板上。具體結構如圖9所示。

把優化后的幾何模型導入ANSYS Workbench中分析，得到應力圖10和疲勞壽命圖11。

將優化前(圖7）和優化后(圖10）的應力分析進行對比，如表2所示。

從表中的數據對比可以看出，優化前焊縫處的應力比優化后的明顯減小，應力的減小必將提高焊縫的壽命。圖11為優化后焊縫的疲勞壽命圖，與圖8對比數據如表3。

假設挖掘過程中，三種工況出現的概率相同，耳板焊縫最小疲勞壽命為51181次。按每天工作8小時，每分鐘挖掘1次，則挖斗耳板出現裂痕的時間為107天，比優化前提高了2.7倍，即說明這種優化方案可以提高焊縫的壽命。

結束語

本文利用ANSYS Workbench中的疲勞分析模塊進行焊縫的疲勞壽命分析，結合分析結果在原有模型的基礎上，提出改進措施來延長挖斗焊縫處的壽命，達到了預期的效果。本文的不足之處是優化后的方案未在實際使用中得以檢驗；在研究中忽略了平均應力等因素對焊縫疲勞壽命的影響。因此，只能是近似地估計了縫的疲勞壽命。后續還要進行更多工況和更多次數的模擬，并在實際生產中檢驗其可靠性。

[1]梁樹林，等.焊縫疲勞壽命預測新方法及其在焊接構架上的應用[J].大連交通大學學報，2010，（6）∶29-34.

[2]霍立興.焊接結構的斷裂行為及評定[M].北京：機械工業出版社，2000.

[3]（德）D.拉達伊.焊接結構疲勞強度[M].鄭朝云，張式程，譯.北京：機械工業出版社，1994.

[4]Pingsha Dong.Fatigue of Welded Structures：Finite Element Based Design and Analysis Methods[R].Lecture Report，Dalian Jiaotong University，2009.

[5]張強軍，蔡安江.單斗液壓挖掘機工作裝置的有限元分析及疲勞強度分析[J].洛陽理工學院學報（自然科學版），2014，（2）∶46-49.

[6]陶治.材料成型技術基礎[M].北京：機械工業出版社，2002.

[7]孫晉峰，雷宏剛.鋼結構焊接缺陷及角焊縫超標淺析[J].科學之友，2007，（2）∶13-15.

[8]同濟大學.單斗液壓挖掘機[M].北京：中國建筑工業出版社，1986.

[9]閻書文.機械式挖掘機設計[M].北京：機械工業出版社，1984.

[10]任友良.液壓挖掘機工作裝置結構性能分析[M].杭州：浙江大學，2010.

[11]方向威.機械工程材料性能數據手冊[M].北京：機械工業出版社，1995.

[12]康建雄，岳珠峰，等.焊接區位置對焊接結構疲勞性能影響的定量分析[J].熱加工工藝，2010，（7）∶107-109.

THE STRUCTURE OPTIMIZATION OF EXCAVATOR BUCKET BASED ON THE FATIGUE LIFE ANALYSIS

ZHANG Qing-qing SHI Liang-ma
（Chaohu College，Chaohu Anhui 238000）

In order to research and optimize the problem that the ear plate weld of the excavator bucket are subject to fatigue damage in the process of practical work，this paper adopts the finite element analysis method to analyze the fatigue life of the excavator bucket，taking one type of excavator in the market as the research object.And this paper also proposes some improvement measures to optimize the fatigue life of the bucket weld based on the original model combined with the results of the analysis.The comparative analysis results of the fatigue life of the original model and the optimization model confirm that the optimization model can significantly improve the fatigue life of the bucket.Therefore this research can provide certain theoretical basis to improve the service life of the excavator bucket.

bucket；weld；fatigue life analysis

TH122

A

1672-2868（2015）06-0076-06

責任編輯：陳小舉

2015-09-27

卓越人才教育培養計劃(項目編號：2012zjjh042）

張晴晴(1989-），女，安徽懷遠人。巢湖學院機械與電子工程學院，助教。研究方向：機械結構設計。