基于臺架試驗的叉車機罩疲勞特性研究

安徽合力股份有限公司 合肥 230601

1 研究背景

機罩是叉車的外觀結構件,上方安裝座椅,承受駕駛員重力。內部安裝氣彈簧,承受氣彈簧力。叉車使用過程中,機罩會受到動載荷的作用,常年累月存在疲勞破壞的可能,這超出了計算機輔助工程靜力學分析的范疇,需要通過疲勞分析進行研究。

叉車機罩疲勞壽命為高周疲勞,分析常使用應力壽命疲勞損傷模型,以材料的應力壽命曲線為基礎[1-2]。

2 臺架疲勞試驗過程

叉車機罩臺架疲勞試驗的方法是將質量為75 kg的質塊提升到設定高度,然后放開使其做自由落體運動落至座椅上。等待設定時間后再重復這一過程,如此循環往復,直至機罩上某處產生疲勞裂紋。臺架疲勞試驗中,質塊下落至座椅上的工況用于模擬駕駛員坐在座椅上的工況。通過臺架疲勞試驗,可以快速獲得叉車機罩薄弱位置的疲勞壽命。

試驗對象為小噸位內燃叉車機罩,叉車臺架疲勞試驗的結果為左前方座椅安裝孔附近開裂,具體位置為導軌與機罩的接觸面前端。叉車機罩結構及臺架疲勞試驗開裂位置如圖1所示,試驗結果照片如圖2所示。經過兩次臺架試驗,得到了兩種疲勞壽命結果,分別如下:提升高度為80 mm時,疲勞壽命為6.8萬次;提升高度為55 mm時,疲勞壽命為22.9萬次。

圖1 叉車機罩結構

圖2 叉車機罩臺架疲勞試驗結果照片

3 靜力學分析

叉車機罩靜力學分析是后繼研究和疲勞分析的基礎,需要建立準確的機罩有限元模型[3-4]。使用HyperMesh軟件對叉車機罩進行有限元分析,使用二維殼單元劃分網格,使用Spotweld單元模擬焊接,在后方鉸鏈孔與前方支撐墊處施加約束,考慮加載75 kg質塊的對應重力載荷,同時考慮座椅導軌與機罩間的作用力分布情況。叉車機罩靜力學分析應力云圖如圖3所示,可以看出,在臺架疲勞試驗中產生破壞的螺栓孔附近存在較大的應力。

對叉車機罩進行應變測試,選取螺栓孔附近應力梯度較小的兩個點為測點,測得一段時間內對應工況下的應變時間曲線,使用nCode軟件進行數據處理,即可得到測點的應力時間曲線。

圖3 叉車機罩靜力學分析應力云圖

使用臺架疲勞試驗中質塊落至座椅上保持穩定的應力測試結果與有限元分析結果進行對比,誤差約為2%,見表1。造成誤差的原因包括實際加載位置差異、螺栓預緊力影響、導軌與機罩接觸影響、測點位置偏差等。

表1 靜力學分析結果與測試結果對比

4 機罩疲勞分析

4.1 材料應力壽命曲線

機罩的材料為DC06鋼,厚度為1.5 mm。nCode軟件自帶的材料庫中沒有該材料,筆者使用以下方法自定義并修正得到該材料的應力壽命曲線:自定義應力壽命曲線,使用該曲線進行試驗疲勞分析;對比分析的壽命結果與試驗的壽命結果,差異較大則調整自定義應力壽命曲線,直至兩種結果的差異很小為止。

試驗疲勞分析方法為:使用有限元分析結果中螺栓孔附近破壞位置大應力與測點應力的比值1.83作為放大因數,結合兩種質塊下落高度下測點的應變時間曲線,得到螺栓孔附近大應力點的應變時間曲線;再結合自定義材料應力壽命曲線,便可基于nCode軟件試驗疲勞分析方法得到對應的疲勞壽命分析結果。

根據已有的兩種臺架疲勞試驗壽命結果,最終調整得到材料的自定義應力壽命曲線如圖4所示。使用這一應力壽命曲線得到試驗疲勞分析結果:下落高度為80 mm時,疲勞壽命為6.8萬次;下落高度為55 mm時,疲勞壽命為22.7萬次。

圖4 材料應力壽命曲線

材料疲勞壽命數據具有顯著的離散性特征,高應力水平條件下,疲勞壽命的離散因數約為2,而在低應力水平條件下,疲勞壽命的離散因數可達100左右[5]。因為疲勞破壞位置的應力較大,疲勞壽命的離散因數較小,所以通過兩次試驗結果得到的自定義應力壽命曲線具有一定的準確性,可以用于進一步的疲勞分析。

4.2 機罩疲勞壽命預測

線性疲勞累積損傷理論認為,相同應力水平產生的疲勞損傷相同,且與加載順序無關。構件疲勞損傷為各次循環載荷疲勞損傷的總和,當總損傷等于或大于1時,認為發生疲勞失效[6-8]。

在臺架疲勞試驗前,直接將已貼好應變片的機罩安裝到叉車上,由駕駛員進行強化試驗,可得到測點在強化試驗過程中的應變時間曲線,這一曲線中包括了駕駛員上下車和跑等強化試驗工況。截取強化試驗工況對應時間段的應變時間曲線,結合自定義應力壽命曲線,應用nCode軟件分析得到駕駛員上下車一次叉車機罩的疲勞損傷為2.9×10-6,駕駛員跑一圈叉車機罩的疲勞損傷為2.09×10-8。

假設叉車的常規使用工況為1 d運行8 h,其間駕駛員上下車50次,完成強化試驗335圈。根據Palmgren-Miner線性疲勞損傷累積法則[9-10],計算得到1 d運行8 h的總損傷為1.52×10-4,對應的疲勞壽命為18 a。

5 結束語

基于叉車機罩兩次臺架疲勞試驗結果,結合nCode軟件試驗疲勞分析,得到機罩材料的應力壽命曲線。結合此應力壽命曲線、測點應變時間曲線及有限元分析結果,得到試驗臺工況下的疲勞壽命,與試驗結果具有較好的一致性。結合叉車強化試驗應變時間曲線,分析得到假設工作條件下的疲勞壽命。通過研究,從疲勞的角度對叉車機罩的性能有了進一步認識。應用類似方法研究機罩其它位置,可以得到完整叉車機罩模型的疲勞分析結果。針對叉車機罩的疲勞分析,在以下方面還有改進空間:有限元模型的準確性需要提高,導軌與機罩的接觸關系及安裝螺栓預緊力的影響有待考慮,應力壽命曲線的準確性能夠進一步提高。由于臺架疲勞試驗只進行了兩次,得到的疲勞壽命不具有統計學意義,獲得的材料應力壽命曲線難免存在偏差,而更多的試驗可以減小這一偏差,因此條件允許時建議進行材料疲勞力學性能試驗。