某移動水泵車舉升翻轉機構可靠性分析

楊　陽，韓　勇，闕彬元（.廈門理工學院機械與汽車工程學院，福建廈門3604；.福建僑龍專用汽車有限公司，福建龍巖364099）

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某移動水泵車舉升翻轉機構可靠性分析

楊陽1，韓勇1，闕彬元2
（1.廈門理工學院機械與汽車工程學院，福建廈門361024；2.福建僑龍專用汽車有限公司，福建龍巖364099）

摘要：為了驗證某移動水泵車舉升翻轉機構的可靠性，本文采用有限元方法建立其有限元模型，分析機構在15毅和90毅垂直工況下的應力分布，并根據疲勞強度基本理論、可靠性理論，綜合水的流量、流速、重力等參數的影響，有效的評價舉升翻轉機構的疲勞特性和可靠性。分析結果表明，機構最容易出現疲勞失效的部位在翻轉機構的固定底座上，最危險節點ID為node 11304，其循環次數、相對壽命和疲勞損傷度分別是2.344E5、5.392和4.274E-6；舉升翻轉機構的Von Mises應力最大為120.8 MPa，應力遠低于材料本身的屈服強度，完全能滿足可靠性強度要求。

關鍵詞：舉升翻轉機構；有限元；疲勞強度；可靠性

1引言

為解決傳統固定泵站基建投資高、使用受限制、使用時間短、管理維修費用高等問題，某公司開發了投資小、使用范圍廣、機動性強、設備人員利用率高的專業移動水泵車，適用緊急排澇、清理污水、消防應急、農業灌溉、應急抽排水、抗旱供水等多領域[1-5]。其配備的自主研發設計的舉升翻轉機構裝置，改變原來的工作機構缺限，在機構中選用舉升油缸，合理設計可多角度翻轉的翻轉架機構總成,不僅解決了險地縱深推進的問題，而且翻轉機構裝置可以隨回轉平臺向后推移，使原本底盤緊湊的布置空間得到緩解，再通過固定于上平臺翻轉機構的翻轉架翻角，簡化傳統需借助人力的吊裝機構,實現多角度險地供搶排取水的技術創新[6-10]。

本文以該公司的舉升翻轉機構為研究對象，在研究和了解其工作原理的基礎上，基于該機構的三維模型建立了有限元模型，綜合考慮水的流量、流速、重力等參數的影響，對兩種極限工況下的應力分布情況進行仿真。最后根據疲勞強度理論、可靠性理論和仿真結果，分析驗證該機構的疲勞特性和可靠性。

2舉升翻轉機構的工作原理及模型的建立

2.1工作原理

舉升翻轉機構主要由翻轉下支架、翻轉上支架、舉升油缸、翻轉支座組成。圖1為該公司的移動水泵車舉升翻轉機構裝置的結構簡圖。

圖1　僑龍移動泵車舉升翻轉機構示意圖

舉升翻轉機構的工作原理是當移動水泵車在險地需成角度或垂直取水時，先讓油缸平移機構把回轉平臺推向車尾端所需位置，然后通過舉升油缸7、舉升翻轉下支架9，使之繞著翻轉支座4與車體成角度勻速向車后端方向旋轉，當翻轉上支架1翻轉至所需取水位置的角度時，舉升油缸7停止工作，再由拖鏈支柱2、軸承3完成伸縮升降機構的工作流程，最終將帶有排水管的潛水泵移至積水處完成險地取水。

取水工作完畢后，伸縮升降機構將帶有潛水泵的排水管在翻轉上支架的輔助機構配合下，進行回升收縮，再通過舉升油缸7的收縮，使翻轉下支架9繞著翻轉支座4與車體成角度勻速向車前端方向旋轉，當翻轉下支架9降至縱向水平的初始位置時，舉升油缸7停止工作，整個舉升翻轉的工作流程結束。

2.2仿真模型的建立及參數

本文在CAD三維模型的基礎上，對舉升翻轉機構進行有限元網格劃分。網格主要采用四面體實體單元和四邊形殼單元進行模擬，其單元質量嚴格控制在行業標準內。最終，有限元模型的節點總數為168 604個，單元總數為317 833個。其中實體單元數為212 182個，殼單元數為104 737個。圖2為舉升翻轉機構的有限元模型。

圖2　舉升翻轉機構的有限元模型

該機構主要采用Q235鋼，材料特性如表1所示，其真實應力-應變曲線如圖3所示。

表1　Q235材料參數

圖3　Q235鋼真實應力-應變曲線

2.3邊界條件

由于本文考量的主要是舉升翻轉機構為15° 和90°垂直這兩種極限工況，其主要動力來源于工作時水流的速度。根據工作時的水流量和伸縮管的橫截面積算出水流速度，計算公式如下：

其中，Q為水的流量，A為伸縮管的橫截面積。

經過計算得出水流速度為4.2 m/s，將舉升翻轉機構的底座固定，將速度賦予在伸縮管上，賦予整個模型重力。圖4為邊界條件示意圖，其中圖（a）為15°工況，圖（b）為90°垂直工況

圖4　邊界條件示意圖

2.4疲勞分析理論

由于本文研究的舉升翻轉機構疲勞破壞時材料仍處于彈性區域，屬于高周疲勞[11]的范疇，故采用名義應力法對舉升翻轉機構進行疲勞分析[12、13]。

使用名義應力法進行疲勞壽命計算時，主要步驟如下：

（1）確定結構中的疲勞危險部位；

（2）求出位點部位的名義應力和應力集中系數；

（3）根據載荷譜確定危險部位的名義應力譜；

（4）應用疲勞累積損傷理論，求出危險部位的疲勞壽命。

疲勞分析的關鍵就是確定S-N模型。因為本文研究的舉升翻轉機構采用的是Q235材料，利用數值統計理論，經假設檢驗，可確定其分布為正態分布。從而確定其應力型S-N關系為：

式中：Nf-疲勞壽命，S-疲勞應力幅，A、SC-材料常數。Q235的S-N曲線如圖5所示。

圖5　Q235 S-N曲線

3結果分析與討論

3.1有限元應力分析

從仿真結果看出最大應力出現在翻轉裝置的固定底座處（如圖6所示），圖7是舉升翻轉機構的Von Mises等效應力圖。其中，圖7（a）是15°工況下VonMises等效應力圖，圖7（b）是90°工況下Von Mises等效應力圖。

圖6　最大應力出現處

從圖7可以看出，在重力和載荷的共同作用下，舉升翻轉機構在90°垂直工況下的Von Mises等效應力大于15°工況，發生位置在翻轉裝置上。舉升翻轉機構的Von Mises等效應力最大值為120.8 MPa，位置為鉸鏈位置的37 824號單元上。

3.2疲勞強度分析

根據參考文獻[14]，材料Q235對應存活率為95% 的p-S-N關系為：

根據線性疲勞累積損傷理論的知識，舉升翻轉機構在每受到一次載荷循環的疲勞損傷是一樣的[15-17]。本文采用載荷譜為常幅譜[18]，運用專業軟件，根據S-N曲線，結合仿真結果中各個零部件內所有點的應力應變信息，求得每一點的疲勞壽命，對整個結構的損傷度分布進行評估。經過分析，最危險節點的循環次數和疲勞損傷度情況如表2所示：

圖7　舉升翻轉機構的Von Mises等效應力圖

表2　最危險節點的循環次數和疲勞損傷度情況

從表2中可以看出，最危險節點為11304號節點，其循環次數最少，為2.344E5；同時它的損傷度為4.274E-6，相對壽命是5.392,是所列的單元列表中損傷度最大的一個。該節點位于后排翻轉裝置的固定結構上，原因是該處為整個伸縮管和滑移機構的支撐點，同時支座與平臺接觸面積較小，容易受力集中。用疲勞損傷度來判斷，此處是疲勞強度最低的地方。

3.3可靠性分析

舉升翻轉機構設計時要求在極限工況下，最大應力小于材料的極限應力。由仿真分析可知翻轉裝置固定位置受力最大，最容易失效。由于該位置使用的是Q235材料，基于此，定義舉升翻轉機構的可靠性的功能函數為：

其中，Fmax——機構在極限位置工作的最大應力；F0——Q235材料的極限應力。如果Fmax超過極限應力，則機構將會失效，如果Fmax遠小于極限應力，則機構安全。

從仿真結果分析結合可靠性功能函數可以得出，舉升翻轉機構的米澤斯等效最大應力值僅為120.8 MPa，機構的應力水平較低，在現有要求下強度完全能滿足。

4結論

本文基于彈性力學有限單元法理論、相關可靠性及疲勞強度理論，建立了某移動水泵車舉升翻轉機構的有限元模型，運用疲勞強度理論計算，以及相關的可靠性和疲勞強度理論知識，對舉升翻轉機構的可靠性和疲勞強度進行了分析、評價。主要結論如下：

（1）經過有限元計算，該舉升翻轉機構的翻轉裝置由于受力面積小，應力集中等因素的原因，某些區域應力較大，疲勞壽命較低。11304號節點的循環次數最少，為2.344E5，相對壽命是5.392。

（2）由于舉升翻轉機構的Von Mises等效最大應力值僅為120.8 MPa，遠小于材料的極限屈服應力，因此機構可以有效安穩的運行。

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作者簡介：楊陽（1990-），男，研究方向：車輛工程。

收稿日期：2015-07-21

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.03.014

中圖分類號：U463.92

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2016）03-0047-04