推土机推土铲大臂疲劳寿命分析

大臂作为推土机推土铲的主要承载结构件，决定着整机的安全性能。随着国内许多推土机的工作年限不断增加及不同程度的疲劳裂纹的出现，推土机推土铲大臂的安全性日益提到日程上来。文中为此具体探讨了煤矿用轮式推土机推土铲大臂疲劳寿命分析。

由于疲劳破坏是现代工业设备最常见的一种破坏现象，所以目前在所有工程构件和航空结构的设计中，除了要考虑必要的静强度外，最主要的是考虑疲劳强度，也就是说结构必须进行疲劳分析和按疲劳观点进行设计。MSC Fatigue 软件是基于有限元法的疲劳寿命分析工具，可以预测各种结构不同疲劳破坏形式的疲劳寿命。它可以在产品的初期设计阶段，利用有限元法预测构件的疲劳寿命，因此可以用来指导产品的疲劳设计。

Goodman 疲劳极限图只能用来校核结构危险点是否能满足强度安全，而不能够估算出结构的疲劳寿命。Goodman 疲劳极限图是一种疲劳破坏应力包络线，当任何应力点处于封闭折线之上或之外，表示在指定循环N 次之后材料都将发生断裂。结果见表1。

分析表明测试值与仿真值最大应力均值和幅值接近，仿真结果基本可以用于推土机推土铲大臂结构疲劳强度评估。测点11， 14 应力处于封闭折线内，这2 点的疲劳强度是安全的。其它测点都可以用Goodman 疲劳极限图来校核其强度。

同时煤矿用轮式推土机大臂疲劳寿命的预测主要通过试验研究方法和计算机仿真方法。文中试验研究方法是通过实测危险点的应力时间历程，采用一定的计数方法得到其应力普，结合材料的疲劳特性，按照一定的疲劳累积损伤法则预测其疲劳寿命。这种方法首先要明确危险点的应力时间历程，还要知道典型焊接接头的疲劳特征。这些实验的特点是数据多，要耗费大量的人力和物力。计算机仿真方法是利用有限元方法获得推土机推土铲大臂的应力时间历程，然后结合材料和典型焊接接头的疲劳性能进行寿命估算，通过对混凝土推土机推土铲大臂进行动力学仿真来实现的。文中选择了名义应力法对推土机推土铲大臂进行疲劳寿命分析。在MSC Fatigue 的总体设置中选择全寿命来定义疲劳分析类型。煤矿用轮式推土机在工作过程中，大臂的平均应力不为零，因此需要将实际工作循环应力水平等寿命转换为对称循环下的应力水平。对于实测的应力数据，在MSC Fatigue 中可以直接加载，程序会自动进行雨流计数，然后进行疲劳计算。实测应力数据需要转换为.DAC 格式输入到MSC Fatigue。而以水平工况为代表，仿真分析结果与对比可见表2，寿命为输入载荷的循环次数。

分析结果实测应力估算寿命要大于仿真寿命，为实测应力估算寿命的62%与40%左右。其产生的主要原因在于动力仿真过程中没有考虑混凝土与布料管之间的流固耦合现象，流固耦合现象在大臂振动过程中起到阻碍大臂振动的作用。但是对混凝土推土机推土铲大臂的疲劳寿命分布基本不产生影响，因此仿真结果可以作为推土机推土铲大臂的结构优化的依据。

煤矿用轮式推土机大臂大部分结构都处于无限寿命状态下，大臂强度薄弱部位的疲劳寿命基本都在1.0×105-1.0×106 次之间。与实际估算寿命比较吻合，而且寿命较小的位置也是疲劳裂纹容易出现的部位。部分强度薄弱环节都发生在焊缝位置，而且都有应力集中现象。因此，可以通过采用更好的焊接工艺，提高焊接质量，使结构在焊缝处的疲劳强度得到提高。改进泵车大臂结构，减小应力集中，同样可以提高泵车大臂的疲劳强度。

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