基于台架试验的叉车机罩疲劳特性研究

安徽合力股份有限公司 合肥 230601

1 研究背景

机罩是叉车的外观结构件,上方安装座椅,承受驾驶员重力。内部安装气弹簧,承受气弹簧力。叉车使用过程中,机罩会受到动载荷的作用,常年累月存在疲劳破坏的可能,这超出了计算机辅助工程静力学分析的范畴,需要通过疲劳分析进行研究。

叉车机罩疲劳寿命为高周疲劳,分析常使用应力寿命疲劳损伤模型,以材料的应力寿命曲线为基础[1-2]。

2 台架疲劳试验过程

叉车机罩台架疲劳试验的方法是将质量为75 kg的质块提升到设定高度,然后放开使其做自由落体运动落至座椅上。等待设定时间后再重复这一过程,如此循环往复,直至机罩上某处产生疲劳裂纹。台架疲劳试验中,质块下落至座椅上的工况用于模拟驾驶员坐在座椅上的工况。通过台架疲劳试验,可以快速获得叉车机罩薄弱位置的疲劳寿命。

试验对象为小吨位内燃叉车机罩,叉车台架疲劳试验的结果为左前方座椅安装孔附近开裂,具体位置为导轨与机罩的接触面前端。叉车机罩结构及台架疲劳试验开裂位置如图1所示,试验结果照片如图2所示。经过两次台架试验,得到了两种疲劳寿命结果,分别如下:提升高度为80 mm时,疲劳寿命为6.8万次;提升高度为55 mm时,疲劳寿命为22.9万次。

图1 叉车机罩结构

图2 叉车机罩台架疲劳试验结果照片

3 静力学分析

叉车机罩静力学分析是后继研究和疲劳分析的基础,需要建立准确的机罩有限元模型[3-4]。使用HyperMesh软件对叉车机罩进行有限元分析,使用二维壳单元划分网格,使用Spotweld单元模拟焊接,在后方铰链孔与前方支撑垫处施加约束,考虑加载75 kg质块的对应重力载荷,同时考虑座椅导轨与机罩间的作用力分布情况。叉车机罩静力学分析应力云图如图3所示,可以看出,在台架疲劳试验中产生破坏的螺栓孔附近存在较大的应力。

对叉车机罩进行应变测试,选取螺栓孔附近应力梯度较小的两个点为测点,测得一段时间内对应工况下的应变时间曲线,使用nCode软件进行数据处理,即可得到测点的应力时间曲线。

图3 叉车机罩静力学分析应力云图

使用台架疲劳试验中质块落至座椅上保持稳定的应力测试结果与有限元分析结果进行对比,误差约为2%,见表1。造成误差的原因包括实际加载位置差异、螺栓预紧力影响、导轨与机罩接触影响、测点位置偏差等。

表1 静力学分析结果与测试结果对比

4 机罩疲劳分析

4.1 材料应力寿命曲线

机罩的材料为DC06钢,厚度为1.5 mm。nCode软件自带的材料库中没有该材料,笔者使用以下方法自定义并修正得到该材料的应力寿命曲线:自定义应力寿命曲线,使用该曲线进行试验疲劳分析;对比分析的寿命结果与试验的寿命结果,差异较大则调整自定义应力寿命曲线,直至两种结果的差异很小为止。

试验疲劳分析方法为:使用有限元分析结果中螺栓孔附近破坏位置大应力与测点应力的比值1.83作为放大因数,结合两种质块下落高度下测点的应变时间曲线,得到螺栓孔附近大应力点的应变时间曲线;再结合自定义材料应力寿命曲线,便可基于nCode软件试验疲劳分析方法得到对应的疲劳寿命分析结果。

根据已有的两种台架疲劳试验寿命结果,最终调整得到材料的自定义应力寿命曲线如图4所示。使用这一应力寿命曲线得到试验疲劳分析结果:下落高度为80 mm时,疲劳寿命为6.8万次;下落高度为55 mm时,疲劳寿命为22.7万次。

图4 材料应力寿命曲线

材料疲劳寿命数据具有显著的离散性特征,高应力水平条件下,疲劳寿命的离散因数约为2,而在低应力水平条件下,疲劳寿命的离散因数可达100左右[5]。因为疲劳破坏位置的应力较大,疲劳寿命的离散因数较小,所以通过两次试验结果得到的自定义应力寿命曲线具有一定的准确性,可以用于进一步的疲劳分析。

4.2 机罩疲劳寿命预测

线性疲劳累积损伤理论认为,相同应力水平产生的疲劳损伤相同,且与加载顺序无关。构件疲劳损伤为各次循环载荷疲劳损伤的总和,当总损伤等于或大于1时,认为发生疲劳失效[6-8]。

在台架疲劳试验前,直接将已贴好应变片的机罩安装到叉车上,由驾驶员进行强化试验,可得到测点在强化试验过程中的应变时间曲线,这一曲线中包括了驾驶员上下车和跑等强化试验工况。截取强化试验工况对应时间段的应变时间曲线,结合自定义应力寿命曲线,应用nCode软件分析得到驾驶员上下车一次叉车机罩的疲劳损伤为2.9×10-6,驾驶员跑一圈叉车机罩的疲劳损伤为2.09×10-8。

假设叉车的常规使用工况为1 d运行8 h,其间驾驶员上下车50次,完成强化试验335圈。根据Palmgren-Miner线性疲劳损伤累积法则[9-10],计算得到1 d运行8 h的总损伤为1.52×10-4,对应的疲劳寿命为18 a。

5 结束语

基于叉车机罩两次台架疲劳试验结果,结合nCode软件试验疲劳分析,得到机罩材料的应力寿命曲线。结合此应力寿命曲线、测点应变时间曲线及有限元分析结果,得到试验台工况下的疲劳寿命,与试验结果具有较好的一致性。结合叉车强化试验应变时间曲线,分析得到假设工作条件下的疲劳寿命。通过研究,从疲劳的角度对叉车机罩的性能有了进一步认识。应用类似方法研究机罩其它位置,可以得到完整叉车机罩模型的疲劳分析结果。针对叉车机罩的疲劳分析,在以下方面还有改进空间:有限元模型的准确性需要提高,导轨与机罩的接触关系及安装螺栓预紧力的影响有待考虑,应力寿命曲线的准确性能够进一步提高。由于台架疲劳试验只进行了两次,得到的疲劳寿命不具有统计学意义,获得的材料应力寿命曲线难免存在偏差,而更多的试验可以减小这一偏差,因此条件允许时建议进行材料疲劳力学性能试验。