混凝土泵车臂架疲劳载荷谱研究.pdf

混 凝 土 泵 车 臂 架 疲 劳载 荷 谱 研 究 宰 雷新军， 刘永红， 张向阳， 欧耀辉 ( 三一集 团研究总院) 摘要： 混凝土泵车臂架工况繁多， 获取泵车臂架疲劳载荷谱对臂架疲劳分析具有重要意义。 进行混凝土 泵车臂架多工况载荷谱采集试验以获取载荷谱， 并进行雨流分析， 统计处理， 通过假设检验获取载荷谱分布规 律。根据载荷谱对臂架造成的损伤进行整合编制， 同时考虑载荷谱作用顺序效应和相互作用效应， 提出一种全 寿命载荷谱编制的方法。利用该方法编制载荷谱进行疲劳分析计算 ， 并与实际故障信息作对比， 所得计算结果 与实际故障吻合。 关键词： 混凝土泵车； 臂架； 载荷谱： 疲劳验证 混凝 土泵车在泵送工作过程 中受到 多种 载荷 作用 ， 臂架结构在 交变应力 的作用下 ， 易产生疲 劳 裂纹。目前已有多种工程机械结构的可靠性疲劳寿 命的预测方法 ， 其中对疲劳载荷谱的研究更是受到 关注 ， 但是对于混凝土泵车疲劳载荷谱方面的研究 较少。 。本文通过对混凝土泵车的多种工况分析 ， 研 究混凝土泵车疲劳载荷谱的特点和编制方法， 并通 过疲劳仿真与开裂故障进行验证。 1 泵车疲劳载荷谱分析 1 1 疲劳载荷谱工况试验 混凝土泵车的臂架具有伸缩性 ， 泵车工况与臂 架之间的角度直接相关 ， 如图 1 所示。为 了使 载荷 谱具有普遍性 ， 本文选取 6种典型工况 ， 进行混凝 土泵送试验 ， 采集泵车疲劳载荷谱 。载荷谱采集部 位选取原则为 ： 选取疲劳故障开裂发生频次较高点 和应力值最大点 ， 通过试验测试获得所有测点载荷 谱。测点在各节臂架上分帮 睛况如图 2 所示。 混凝土泵车在施工过程 中受到 的载荷类型主 要包括 ： 风载 、 重力 、 末端 冲击及混凝土对布料杆的 冲击等。疲劳载荷谱采集试验选取的 6 种工况中， 臂架之间的夹角值如表 1 所示。 采集混凝 土泵 车在不 同工况下臂架 的应力应 图 1 泵车臂架姿态 表 1 6种试验工况下臂架夹 角值 ( 。 ) 工况 l 工况 1 7 9 1 1 4 5 O 1 6 6 5 1 0 9 6 1 2 9 0 工况 2 7 7 1 7 9 3 1 7 9 2 1 7 6 9 1 4 3 5 工况 3 8 8 0 1 7 9 5 1 0 4 8 1 7 3 8 1 0 2 0 工况 4 7 3 9 1 6 7 0 l 5 3 7 1 3 8 6 l 5 1 0 工况 5 8 6 7 8 6 O 6 1 2 - 9 8 l 2 1 0 工况 6 5 6 - 3 5 5 2 5 0 8 3 8 0 1 8 7 基金项 g t ： 国家“ 8 6 3 ” 计划项目( 2 0 0 8 A A 0 4 2 8 0 2 ) 作者简介： 雷新军( 1 9 8 3 一) ， 男， 湖北武汉人 ， 工程师， 硕士， 研究方向： 工程机械试验测试技术、 动力学及结构疲劳研究。 一 1 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 1 号臂架 2 号臂架 3号臂架 4号臂架 1 3 1 4 1 5 5 号臂架 1 - 1 5表示应变片和应变花 表示倾角传感器 图 2 载荷采集点分布情况 变时间历程 ， 并进行分组整理 ， 共得到 6组载荷谱 数据 ， 分别 为 G ， G ： ， G ， G ， G ， G ， 其 中 G 。 ( 工况 1 ) 中某测点数据经数据处理后结果如图3 所示。 U 900 2U 9 40 960 98 0 时间 s 图 3 工况 1中某测点疲劳载荷谱 1 2 泵车臂架疲劳载荷谱特点 由于试验数据大，本文仅对 G 数据进行分析 ， 载荷谱对疲劳损伤的影响程度与载荷谱的幅值、 平 均值关系密切， 而与频率基本无关。对载荷谱进行 雨流分析 ，以便于分析臂架疲 劳载荷谱 的特点 ， G 中某测点采集 5 0 s 获得 的载荷谱雨流分析 如图 4 和图 5所示。 一 图 4 载荷谱雨流分析直方图 图 5雨流分析二维统计 由雨流分析可知 ， 载荷谱 中最大变程循环的循 环次数为 1 ， 设此循环为 c 同理 G 中其它变程循 环分别为 C C ， ， ， C i 为雨流统计获得 的不 同变程循环的个数 。 由图 4与图 5可知 ， 昆凝土泵车臂架结构的疲 劳载荷谱 主要有以下特点 ： ( 1 ) 分布规律 ： 对任意单一工况 ， 基频载荷基本 上在 同一平均载荷水平上循环 ， 且交变载荷的幅值 具有较好分布规律 ， 大致呈对数正态或正态分布。 ( 2 ) 分散性 ： 由于泵车泵送环境的变化 ， 臂架 固 有 的机动性及驾驶员操纵影响 ， 同一工况 、 不 同工 作 时间的实测载荷 ，不可避免地存 在一定的分散 性。这种分散性可能导致同一状态的载荷会在一些 泵送过程 中造成损伤 ， 而在另一些泵送过程 中不造 成损伤的差异。 豢、 2 疲劳载荷谱的编制 薹 在结构发生疲劳损伤的过程 中， 存在载荷相互 作用效应和顺序效应嘲 ， 其中在裂纹扩展阶段载荷 的相互作用效应明显 。Mi n e r 疲劳累积损伤理论 中 没有考虑载荷谱相互作用效应和载荷顺序效应 ， 为 了提高疲劳寿命分析的准确程度 ， 在载荷谱编制阶 段应尽量消除两种效应造成的寿命误差。 泵车在其整个生命周期内多为循环作业或者 近似循环作业 ， 臂架承受交变循环 载荷 ， 因此用 于 编制载荷谱的实际载荷时间历程必须为典型载荷 循环。 2 1 循环载荷谱的假设检验 1 9一 m 遵 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 由于泵车工况的多样性 ， 且同一工况多次泵送 过程 中臂架应力水平的差异 ，载荷大小常常改变 。 依据经验 ， 只有在同类型载荷状态下的实测数据才 适于作 为取 自一个母体的子样 ， 因此 ， 必须根据不 同的工况分别进行统计处理。另外 ， 在疲 劳寿命计 算中往往希望知道各种工况所构成的损伤， 因此有 必要对各种工况作统计处理 。母体推断采用相关系 数法 ， 并进行 回归分析 ， 以确定母体参数的估计值。 对每种工况的载荷分布类型进行假设检验。现以 G 为例 ， 雨流统计数据 如表 2所示 ， 其 中超值 累计频 数 为超过该幅值范围的循环次数 。 表 2 数据经 雨流统计结果 f 序号 幅值， M P a 频数 超值累计频数 频率 ( ) l 3 57 -7 1 4 2 8 9 9 2 8 28 2 7 1 4 - l 0 7 1 1 9 7 l l 9 1 9 3 1 0 71 1 4- 2 9 1 3 5 2 1 3 1 3 4 1 4 29 1 7 8 6 l 0 3 9 1 0 1 0 5 1 7 8 6 2 1 4 3 9 2 9 9 0 9 6 21 43 2 5 0 0 7 20 707 7 2 5 0 02 8 5 7 3 1 3 303 8 2 8 57 3 2 1 4 4 1 0 4 0 4 9 3 2 1 43 5 71 4 6 4 0 4 1 0 3571 2 2 2 0 2 由于进行试验测试的工况数量有 限， 为了编制 全寿命疲劳载荷谱， 必须借助于统计的方法。假设 泵车臂架载荷谱幅值服从正态分布， 利用偏度系数 和峰度系数进行 t 检验。 设 g l 和 g 2 表示样本量为 n的样本偏度系数和 峰度系数 ： g ： ( ) 3 ； ： j ( 置 ) 4 3 n S n 5 式中： S为样本标准差 ； 为样本平均值 。 f ： ： ( 1 ) 6 n ( n - 1) V ( n 2) ( n + 1) ( n + 3) z ： = = ： ；：一( 2 ) 2 4 n ( 凡 一 1) V ( n 一 3) ( 一 2) ( n + 3) ( n + 5) 式中： t l , t 分别为偏度系数和峰度系数的 t 检验值 。 假定 o t 显著水平下 ， 正态分布判别式为： t l t ( n 一 1 )( 偏度检验) ( 3 ) t 2 t ( 凡 一 1 )( 峰度检验) ( 4 ) 当式( 3 ) 和式( 4 ) 同时满足时 ， 则认为该样本来 一 2 0一 自正态分布总体。取工况 G 中数据进行分析， 样本 容量 n = 1 0 0 ， 样本 内容如表 3 所示。 表 3 样本 内容 序号 时间 s 观察值 M P a 1 0 78 2 2 O 1 7 6 3 3 O 2 8 5 4 4 0 3 6 9 8 9 9 9 8 7 9 7 1 00 99 85 1 经计算得 t l = 0 5 3 0， t 2 = 2 3 0 1 ， 查 表得 ( 一 1 ) = t 0 I ( 9 9 ) = 2 3 6 5 。 f 。 ( 9 9 ) ， t 2 t o 。 ( 9 9 ) ， 可以认为该样本来 自正 态分布总体 ， 因此总体期望 E， 方差 的无偏估计 分别可求 。 肿 唧I _ 晋) 同理可对其它不同工况进行假设检验， 其它工 况载荷谱同样满足正态分布。 因此 G 。 载荷谱符合正态分布 ， G 载荷谱数频 曲线如图 6所示 。通过数频 曲线 图可对雨流统计结 果进行处理 ， 根据小载荷舍弃原则f5 j ， 舍弃幅值较小 的循环载荷。 瘩1 0 罂 频次 l g 图 6 G 的数频 曲线图 2 2 疲劳载荷谱的编制 对实测 的每个工作状态进行统计分析及损伤 计算 ， 比较 同一种工作状态在不 同排量所造成的损 伤大小， 为保证编制的载荷谱偏保守， 选取损伤度 比较大的那个 排量 的实测数据作 为该工况 的代表 数据。若某一工作状态仅出现单种排量 ， 则该工作 状态的数据取它本身。根据疲劳损伤小载荷谱的舍 弃原则 ， 将不造成损伤的工作状态舍弃 ， 将损伤相 同或相近的工作状态进行压缩归并 ， 最后得到对泵 车臂架系统造成损伤比较严重的 种工作状态。根 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 据工况的叠加与合并 ， 考虑到低于结构安全疲劳极 限的载荷不造成损伤 ， 取低载的截除标准为安全疲 劳极 限， 最大载荷截取可按 9 9 9 的概率确定 ， 最终 得到偏保守的实测统计疲劳载荷谱 。 按最小载荷谱舍弃原则对载荷谱处理后 ， G 包 含 12 个不同变程循环载荷 ， 考虑到载荷作用顺序效 应 ， 将大变程循环 置于小变程循环 中间 ， 以减小载 荷作用的相互效应和顺序效应。载荷谱编制结果如 图 7所示 馨 时间 S 图 7 疲劳载荷谱编制 编制全寿命载荷谱时， 对臂架造成损伤的工况 共 i 种，每个工况在其全寿命周期中所占工作时间 的 比例分别为 ： n 1 ， n 2 ， n 3 ， ， n n ， 则全寿命 载荷谱按下式叠加 ： = l G l+ n 2 G z+ n 3 G 3+ + n G 全寿命载荷谱编制， 也应按各工况载荷谱幅值 大小 ， 考虑载荷谱作用顺序效应和相互作用效应。 3疲劳计算验证 按上述方法编制全寿命 载荷谱后 ， 需要对载荷 谱进行验证 ， 首先利用有限元仿真分析获得静态应 力分析结果文件 ( o p 2 ) ， 在 F a t i g u e软件 中对泵车工 况与载荷谱进行关联 ， 然后进行疲劳寿命分析 。通 过 MS C F a t i g u e 软件进行疲劳分析 ，获得泵车臂架 的疲劳寿命云图如图 8所示。 图 8 臂架疲劳寿命云图 通过疲劳寿命云 图可 以清 晰地 了解 泵车臂架 疲劳寿命薄弱部位 ， 泵车臂架出现疲劳开裂 的部位 主要集 中在应力集 中区。由图 8和图 9 对 比可知 ， 顶板 、 液压缸支座及臂架 U形槽等 ， 以及 其它受载 情况恶劣部位如臂架顶板等 的寿命与泵车臂架仿 真寿命趋势一致性非常好。 4 结论 图 9 臂架开裂实物照片 采用编制的疲劳载荷谱对泵车臂架进行寿命 计算，计算结果与泵车臂架故障数据十分吻合， 并 得出如下结论 ： ( 1 ) 混凝土泵车臂架疲劳载荷谱的编制应按单 个工作状态进行统计推断 ， 只有这样才能满足载荷 历程来自同一母体的特性要求。 ( 2 ) 编制泵车臂架疲劳载荷谱时，低载荷按安 全疲劳极限截除，高载荷按 9 9 9 的概率截取 比较 适宜 ， 同时需考虑最小载荷舍弃原则 。 参考 文献 【 1 】H u b e r H， P o l z G S t u d i e s o n b l a d e t o b l a d e a n d r o t o r f u s e l a g e - t a i l i n t e r f e r e n c e 【 C 】 A G A R D C o n f e r e n c e P r o c e e d i n g ， L o n d o n， En g l a n d， No 3 3 4， Ma y 1 9 8 2 【 2 】陆华， 陈亮 全信息代表飞行起落疲劳载荷谱编制方法 研究 J 】 飞机设计 ， 2 0 0 7 ( 6 ) ： 3 8 4 2 3 】张福泽 飞机载荷谱编制的新方法研究 J 】 航空学报， 1 9 9 8 ( 5 ) ： 5 1 8 5 2 3 4 高镇同 疲劳应用统计学 M 】 北京： 国防工业出版社 ， 1 9 8 6 【 5 】王德俊， 平安 ， 徐灏 随机疲劳载荷谱及载荷谱编制准 则 J 东北大学学报( 自然科学版) ， 1 9 9 4 ( 4 ) ： 3 2 7 3 3 1 通信地址： 湖南省长沙市经济技术开发区三一工业城三一 集团研究总院( 4 1 0 1 0 0) ( 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 3 3 1 ) 一 21 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m