剪叉式高空作业平台剪叉臂疲劳寿命分析及预测

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　　【摘 要】疲劳破坏是剪叉式高空作业平台剪叉臂的主要失效形式之一。用有限元分析软件建立剪叉臂的有限元模型，对其进行静力强度分析，得出剪叉臂在服役中的应力集中区域，再通过设置监测点测试剪叉臂不同位置处的应力状态。
　　【关键词】剪叉臂；疲劳寿命；分析
　　高空作业机械是一种将操作人员举升到高处位置进行高处作业的机械。随着经济的发展，高空作业机械在中国得到广泛应用。众多厂家纷纷以剪叉式高空作业平台作为进入高空作业机械领域的突破口。
　　一、“平台”的整车结构研究
　　1.工作平台结构方案研究。工作平台主要承载作业人员、物品器材等，既要安全可靠、防滑防水、宜人，又要操作简便、可快速更换，主要工作附件有延伸平台、平台、平台脚踏锁、坚实耐用的控制盒、不锈钢材质的操作面板及安全带等。操作者的作业区域取决于工作平台的空间大小，其结构方面应满足国标GB/T9465-2008要求。在传统“平台”的基础上，采用模块化设计了双向可延伸、单向可延伸和不可延伸三种工作平台实现快速更换，以适应不同的作业区域要求，大大提高了“平台”的适用场所。
　　2.伸展结构方案研究。伸展结构是“平台”实现升降的主要结构，也是升降的执行结构，主要结构附件有4组剪叉臂、1个升降液压缸、2对液压缸支架、4个铰链支座、滑块及销轴等。剪叉式伸展结构采用液压缸双铰布置的液压缸，工作时液压缸活塞杆逐渐伸出，使剪叉臂的初始夹角逐渐增大，从而实现工作平台起升到目标位置。
　　3.工作底盘结构方案研究。工作底盘主要视为“平台”提供驱动力和举升动力，实现自动行走、原地回转、坑洞保护等功能，比拖车式和车载式“平台”更加机动灵活，主要结构有坑洞保护、转向机构、电机、整体式抽屉、蓄电池、液压油箱及爬梯等。工作底盘的转向系统采用了转向液压缸驱动平行四边形转向机构，可实现原地回转，液压助力可操控性好；坑洞保护系统是一种新型防护装置，设置于工作底盘轮廓内部，结构紧凑提高了整车的机动灵活性，“平台”在伸展状态行驶到坑洞等危险场所时实现自动展开，提高了“平台”行走在道路崎岖不平工况时的作业安全。另外，工作底盘的蓄电池、液压油箱、控制电路等附件采用整体抽屉结构，有效提高了工作底盘的防水性能。
　　二、剪叉臂疲劳寿命分析与预测
　　1.剪叉臂疲劳寿命分析方法。零件长时间受到脉动循环载荷的作用，其局部位置的应力仍小于极限强度，但零件的局部会产生疲劳缺陷，局部疲劳缺陷的位置会产生疲劳裂纹并逐渐扩展，直至零件突然失效并发生疲劳破坏。运用疲劳分析方法能够预知疲劳缺陷产生的位置，因此该方法也是用来评估零件疲劳寿命的基本方法。目前，通常使用以下几种方法来估算机械零件的剩余疲劳寿命，广泛应用的有：概率疲劳设计法、局部应力应变法、名义应力法以及损伤容限设计法。通过前文对内剪叉臂的有限元分析可知，平台处于最低举升位置时，剪叉臂最大应力值小于其材料的屈服强度，材料属于弹性范围内，因此把内剪叉臂的疲劳问题归属于机械高周疲劳问题，通常选用名义应力法进行疲劳寿命分析。采用名义应力法进行疲劳寿命预测估算时，以材料和零件的疲劳寿命曲线为估算依据。零件在脉动疲劳载荷下发生疲劳破坏产生裂纹直至零件失效所承受的循环应力次数为零件的疲劳寿命，用N表示。表示应力幅与断裂时的循环次数之间关系的曲线称为疲劳寿命曲线。其表达式为：NSm=C（1），式中：S———疲劳应力大小，MPa；N———零件的疲劳寿命，次数；m、C———材料常数。将式（1）两边取对数得：lgN=lgC-mlgS。（2）通过ANSYSWorkbench内置的材料属性，可设置内剪叉臂材料的疲劳寿命曲线，见图1
　　当零件承受的应力大于疲劳极限时，每一次循环会产生微量损伤，当损伤叠加超过材料的极限应力，零件会发生破坏。因此还需要运用疲劳累积理论来估算剪叉臂的疲劳寿命。累积理论主要包括3种形式，即Miner理论、Levy理论和Dolan理论。其中Miner理论可以线性地累计损伤结果，可在不同应力下单独进行，具有良好的评估精度，广泛应用于实际工况中。
　　2.剪叉臂疲劳寿命影响因素。剪叉臂材料的疲劳寿命曲线数据由各向同性材料试验所得，因此剪叉臂结构的疲劳强度与材料的疲劳强度不同。影响剪叉臂疲劳强度的主要因素包括材料尺寸、应力集中问题、材料表面加工状况（包括表面磨光度、表面粗糙度、表面強化度、表面腐蚀度）、载荷环境（包括载荷类型、频率、峰值）等。在ANSYS/Workbench中可通过设置疲劳强度因子Kf来体现这些因素的影响，设置Kf=0.9。有平均应力时会产生不对称循环应力，对机构寿命影响很大，因此需对其修正。ANSYS/Workbench可选择修正理论有Goodman、Gerber和Soderberg理论。Goodman理论计算可用于耐久性分析，适用于本文平均应力修正，Goodman直线修正模型将平均应力为σm的循环载荷等效成幅值为σeq的对称循环载荷，其表达式为： 式中：σa———应力幅，MPa；σb———强度极限，MPa。
　　3.剪叉臂疲劳寿命有限元分析。由有限元静力学分析结果可知，在起升初始位置由于升降液压缸的推力作用，此时剪叉臂上应力最大，故对剪式平台起升瞬间进行疲劳寿命分析。平台从最低位置运动到最高位置然后停止，在这个过程中，测试得到剪叉臂各铰接孔表面的应力变化是脉动的，由此设置疲劳载荷为余弦载荷。在ANSYS/Workbench中载荷类型设置成常幅对称循环载荷（FullyReversed）。确保驱动系统在正常工况下不发生故障的前提下，剪式平台每日升降次数按50次计算，平台设计寿命设置为20年，该剪叉式高空作业平台的设计寿命为3.65×105次。
　　4.剪叉臂疲劳寿命结果分析。内剪叉臂的寿命云图见图2，数值表示在剪叉臂常幅对称循环载荷作用下发生疲劳损伤所经历的循环次数。由图1可知，其无线循环寿命为1×106次。图2中显示其最大寿命为1×106次，剪叉臂整体都位于蓝色区域，其对应寿命大于3.65×105次，故当前状况下剪叉臂不发生疲劳破坏。图2红色标识处为最大疲劳损伤发生区域，最大疲劳损伤发生在剪叉臂的铰接孔A处的中心轴上。
　　疲劳仿真计算得出剪叉臂最大应力位置发生疲劳损伤最大，损伤区域为内剪叉臂与底盘铰接的铰接孔处。可在该位置剪叉臂上焊接加强板进行强化。
　　参考文献：
　　[1]冉敏.剪叉式机动平台的设计与结构优化[D].理工大学，2015：1-4.
　　（作者单位：诺力智能装备股份有限公司）
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