起重机底盘结构疲劳耐久仿真技术研究

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　　摘  要：起重机底盘在复杂载荷作用下，造成底盘关键承载部件出现疲劳断裂事故，直接影响了结构可靠性和操作安全性，故需对底盘结构的疲劳耐久性进行系统的分析和研究。文章根据底盘结构所承受载荷的不同、把底盘结构分为吊装作业承载结构件、行驶结构承载结构件和非承载安装结构件三类，分别介绍了这三类结构的强度和疲劳耐久仿真计算分析方法。所研究成果对起重机底盘结构耐久性能的研究有一定的指导意义。
　　关键词：起重机底盘;疲劳耐久;振动疲劳;仿真分析
　　中图分类号：U463.82 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）14-0042-02
　　Abstract： Under the action of complex loads， the key bearing parts of the crane chassis suffer from fatigue fracture accident， which directly affects the structure reliability and operation safety. Therefore， the fatigue durability of the chassis structure needs to be systematically analyzed and studied. In this paper， according to the different loads borne by the chassis structure， the chassis structure is divided into three categories： lifting operation bearing structure， traveling structure bearing structure and non-bearing installation structure. The results of the research have certain guiding significance for the research on the durability of crane chassis structure.
　　Keywords： Crane chassis; Fatigue endurance; Vibration fatigue; The simulation analysis
　　1 概述
　　起重机底盘所承受载荷十分复杂，不光承受吊装作业工况的载荷，还承受行驶工况的路面的激励载荷。在复杂载荷的作用下，造成底盘结构的疲劳耐久问题突出、市场上经常出现底盘关键承载结构件出现疲劳断裂的事故。这些事故直接影响了起重机的作业性能和操作安全性，造成后期市场的维护成本增加、严重影响了产品口碑和声誉。
　　对于起重机底盘的结构疲劳耐久性问题，传统的做法在产品试制阶段，用样车进行吊装和路试试验，这种方法虽然可以直接验证结构的耐久性，但试验周期长、成本大，发现设计问题的产品设变成本和难度也都十分大。目前汽车行业结构的疲劳耐久性能仿真技术越来越成熟，起重机底盘可借鉴汽车行业的仿真经验，但相关研究主要为汽车行驶工况承載结构的疲劳耐久[1-6]，不能完全覆盖起重机底盘的全部使用工况和特点。故吸收借鉴汽车行业成熟仿真经验，结合起重机底盘的具体使用工况和特点，开展起重机底盘结构疲劳耐久性研究对提升产品研发水平有一定指导意义。
　　2 底盘结构疲劳耐久性仿真技术研究
　　起重机底盘结构承受的载荷主要分为以下三类：一是作为起重机，在进行吊装作业时，从吊臂、转台和回转支撑传递到底盘结构件的吊装作业载荷;二是底盘在行驶工况时承受路面的激励载荷;三是发动机等旋转零部件产生的振动激励。这三种载荷交替作用在底盘的不同结构件上。根据这三类载荷，底盘结构件也可主要分为以下三类：
　　（1）吊装作业载荷承载结构件：此类结构主要承受起重机吊装作业载荷，主要结构件为底盘车架和支腿。
　　（2）行驶机构承载结构件：此类结构主要承受底盘在行驶过程中路面激励载荷的作用，主要包括底盘的车架、行驶机构、转向系统等系统及其安装支架。
　　（3）非承载安装结构件：此类结构主要为其他系统的安装结构件，起到安装作用和使用功能，其不承受吊装作业和行驶工况产生的直接载荷作用，但承受路面和发动机产生的振动载荷激励的影响。此类结构件包括动力系统、电气系统和液压系统的安装支架，驾驶室、机棚覆盖件和油箱等。
　　此三类不同承载结构件所受的载荷不同，所表现出来的结构性能也不同，下面对这三种结构的强度和疲劳耐久性能分别进行分析，给出具体的仿真计算分析方法。
　　2.1 吊重作业承载结构疲劳耐久分析
　　起重机在吊装过程中主要时间为吊装作业的准备时间，在准备时间中底盘车架和支腿不承受吊装载荷，仅承受起重机自身的重力作用，结构的载荷形式为静载。在吊装过程中，其吊重物是缓慢提升和移动的，结构承受的载荷由于变化缓慢，可认为是准静态载荷。由于在吊装的整个过程中，底盘的车架和支腿仅承受静态和准静态载荷的作用，对结构疲劳耐久性能影响大的交变载荷影响较小，所以相关结果仅需进行结构静强度和稳定性校核，而不需进行疲劳耐久性能分析。
　　在进行底盘车架和支腿在吊装工况的静强度和稳定性计算时，根据起重机上车吊重性能表，筛选出最大载荷工况，把工况载荷简化为最大垂直载荷和最大弯矩两种载荷形式，施加在底盘车架的回转座圈上，进行360°回转工况的结构静强度和稳定性能计算并进行结构强度和稳定性计算分析。计算结果根据《GB/T 3811-2008起重机设计规范》的强度准则和稳定性要求进行判断是否满足设计要求。 　　2.2 行驶机构承载结构件疲劳耐久分析
　　行驶机构承载结构件主要承受行驶过程中的路面载荷的激励作用，主要为轮胎承受的轴荷和路面摩擦力的作用影响。其载荷形式为随时间变化的动态载荷，在动态载荷的作用下，结构会产生疲劳损伤进而产生疲劳破坏，故对行驶机构的承载结构件需进行结构疲劳分析。
　　起重机底盘的行驶机构承载结构件的分析方法主要有以下两种分析方法：一为疲劳极限法，即在最大载荷工况下，底盘的各轴施加最大加速度载荷，根据这最大加速度计算出各结构件承受的载荷，进而对各结构件进行强度校核。所得的最大应力小于结构的疲劳强度即可判断结构的疲劳性能满足设计要求。结构的疲劳强度为经验总结值，一般为0.75倍的屈服极限。各轴施加的最大加速度载荷一般为在行驶过程中不同工况出现的最大加速度值，汽车行业一般采用加速度值如表1所示。在进行起重机底盘计算过程中，可先参照汽车行业的加速度值进行计算，再根据具体工况情况进行修正。此种方法简单易学，适合在没有路谱之前对设计方案进行初步校核，但不能真实计算出结构的具体疲劳寿命。
　　第二种方法为基于载荷谱的疲劳耐久仿真分析法，第一步采用车轮力传感器，测量作用在车轮轴上的六个分力的载荷谱，接着经过多体动力学分析，计算出各个零部件上作用的载荷谱，再通过有限元分析结合结构材料和焊缝的S-N曲线计算出该结构的疲劳寿命，此种方法真实的采集起重机底盘的使用载荷谱，可以真实的模拟行驶系统承载结构的疲劳寿命。但计算的准确性依赖所采集载荷谱的准确性，所以基于载荷谱采集的疲劳耐久仿真工作的主要重点和难点为载荷路谱的采集。
　　2.3 非承载安装结构件疲劳耐久分析
　　其它非承载安装结构件，包括动力系统、电气系统和液压系统的安装支架，驾驶室、机棚覆盖件和油箱等、不直接承受吊装作业和行驶工况产生的直接载荷作用，在车辆静止状态其只承受其与安裝部件的重力作用;在吊装作业工况下，其承受发动机产生的振动载荷的激励作用;在底盘行驶状态，其同时承受路面激励和发动机转动而产生的振动载荷激励作用。相关结构由于交变载荷作用引起共振而产生共振破坏现象，比如底盘经常出现棚覆盖件、驾驶室和动力系统安装支架断裂破坏事故。
　　吊装作业载荷和行驶工况载荷虽然载荷在变化，但其载荷形式可简化成准静态载荷，而非承载安装结构件所承受的是振动载荷，振动载荷作用下各频率的响应应力分布和薄弱位置与静力计算不同，这就造成动态疲劳分析和静态疲劳分析的实际结果不同，为了得到更准确的结果，需要对结构进行振动疲劳分析。
　　在进行振动疲劳仿真分析前，首先应采集不同工况下所分析结构件的安装部位的振动加速度载荷谱，对采集的载荷谱进行处理，得到振动疲劳计算的PSD功率谱密度，根据PSD功率谱密度和结构的频响函数计算出结构应力频率响应结果，在此基础上采用Drink算法结合材料和焊缝的S-N曲线开展结构的随机振动疲劳分析，计算出结构各部分的疲劳寿命情况。PSD功率谱密度的准确性直接决定计算结果的正确性，在产品设计初期还未开展载荷谱测试时，先参照《GBT 28046.3-2011 道路车辆 电气及电子设备的环境条件和试验 第3部分 机械负荷》中商用车的PSD功率谱密度进行计算，后期根据试验结果对其进行修正，进而提升仿真计算分析的准确性。
　　3 结束语
　　起重机底盘结构所承受载荷不同，其疲劳耐久的分析方法也不同，本文对起重机底盘的吊装承载结构件、行驶机构承载结构件和非承载安装结构件的仿真分析方法和手段进行了详细的介绍，在进行相关结构件仿真分析时，根据载荷形式选取相应的疲劳仿真手段进行研究分析。研究成果对起重机底盘结构耐久性能的研究有一定的指导意义。
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