WK-75型挖掘机动臂裂纹萌生寿命分析

摘要

据国家统计局发布的数据，我国在2016年全年的能源消耗总量为43.6亿吨标准煤。其中煤炭的消耗量占据了能源消耗总量的62%。在目前及未来的相当长的一段时期内，煤炭仍为我国能源的主要来源。国家能源局也再次强调，在未来相当长的一段时期内煤炭的主体能源地位保持不变。这一发展形势对煤炭开采设备的性能提出了更高要求。 本文以太原重型机械集团有限公司研发的WK-75型矿用挖掘机动臂为研究对象，研究了动臂的裂纹萌生寿命，即对动臂疲劳强度进行了分析，进一步保证了动臂的强度、可靠性。弥补了仅仅利用强度理论研究动臂静强度的不足，为动臂的设计提供了一定的理论依据，保证了工作人员的安全。论文的主要内容包括以下几个方面： 1）首先对裂纹的萌生寿命计算方法进行介绍。在工程实际中，结构的疲劳往往属于应力疲劳。但如果结构的几何形状比较复杂，即使结构的外载荷较小，也容易在结构的某个局部产生应力集中，在该处发生应变疲劳。本文介绍了应力疲劳裂纹萌生寿命、应变疲劳裂纹萌生寿命的计算方法，为动臂疲劳强度的研究打下了基础。 2）对WK-75型挖掘机的一个工作循环过程进行了刚柔耦合动力学仿真，获得了动臂在推压轴孔、天轮轴孔处的载荷谱，为疲劳分析提供了所需的载荷谱。由于绷绳与动臂的连接属于超静结构，而刚体动力学在分析结构时，仅仅考虑了结构的平衡方程，忽略了结构的物理方程、变形协调方程，不能解决超静定问题。因此，需要对绷绳进行柔性化，通过建立挖掘机的刚柔耦合模型来保证载荷谱的准确性。 3）对动臂进行了动态静力有限元分析。由于动臂在回转过程中具有一定的速度，本文根据达朗贝尔原理，通过对动臂施加惯性力，使动臂处于静止状态。然后对动臂进行有限元分析计算出动臂的最大等效应力，以此为依据来判别动臂的疲劳类型。 4）估算动臂的裂纹萌生寿命。由于动臂的疲劳属于应力疲劳，采用S-N曲线来估算动臂的裂纹萌生寿命。本文采用fe-safe软件估算动臂的裂纹萌生寿命，求得动臂的裂纹萌生寿命为425天。 企业可以以本文求得的动臂裂纹萌生寿命为参考，定期对动臂进行探伤，处理掉动臂上萌生的微小裂纹，延长动臂的疲劳寿命，保证工作人员的安全。

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