基于实际载荷谱的矿用自卸车后桥壳疲劳寿命分析

70 建设机械技术与管理 2021.06

设计计算

矿用自卸车是年产能千万吨级以上露天矿山的主要物

料运输设备，全年平均运行6000小时以上，其承载量大、

运行环境恶劣、工况复杂，对整车的使用可靠性和经济性能

要求很高。后桥壳作为整车后桥的主要承载构件，既要考虑

结构可靠性，又要考虑使用经济性，因此后桥壳应具有足够

的强度、刚度和抗疲劳寿命。通常在三维设计阶段就可以通

过仿真软件分析后桥壳结构的应力状态和疲劳寿命，为产品

优化和改进提供方向，从而缩短产品设计周期，提升结构可

靠性，避免结构早期故障的发生[1]。

1 实际工况载荷谱采集

1.1 载荷谱采集方案

根据载荷谱数据计算需求以及矿用自卸车整机运行数

据特征，确定需要实时采集的整机CAN信号，获取发动机、

电机及整车状态数据信息。具体包括：发动机转速，制动信

号、压力，电机转矩、转速，悬挂、转向阀压力，实时载重

等数据。

1.2 载荷数据测试

经过市场调研采用某公司CAN总线报文记录与无线数据

传输设备。此记录仪自带存储，可脱离PC运行，长时间存储

CAN报文数据，同时也支持4G通信和GPS/北斗定位，允

许用户采用网络远程获取SD存储卡中的数据，便于用户获取

数据进行统计分析和故障排查（图1）。对江西某露天矿矿用

自卸车运行载荷谱数据进行采集设备安装并测试（图2）。2 有限元分析

2.1 典型工况分析

矿用自卸车在行驶过程中会频繁执行启动、制动、转向、

举升等动作，综合考虑自卸车在实际运行过程中的典型工况，

本文分析中选用2倍负载、启动、制动、举升、转弯、倒车

障碍、右前轮抬起150mm、右前轮降低150mm、右后轮抬

起150mm、右后轮降低150mm等10种典型工况进行仿真

分析计算。基于实际载荷谱的矿用自卸车后桥壳疲劳寿命分析

摘　要：矿用自卸车通常应用于大型露天煤矿、金属矿山及水利水电工程，运行环境恶劣、行驶路况复杂多变。

为探究某大吨位矿车后桥壳的疲劳寿命，建立了后桥壳有限元分析模型，分析了十种典型工况下后桥壳的

应力状态，各工况下安全系数均达到2倍以上。实际采集了江西某露天矿山的实际工况载荷谱数据，并根

据实际测试数据，分析了后桥壳的疲劳使用寿命，明确了最小疲劳寿命点，最小疲劳寿命91000小时以上，

满足结构设计要求。

关键词：载荷谱；后桥壳；疲劳寿命

中图分类号：TH132+.4 文献标识码：AFatigue Life analysis of Rear Axle Housing of Mining Dump Truck Based on Actual

Load Spectrum

 杨旭辉/YANG Xuhui 张少健/ZHANG Shaojian 谢和平/XIE Heping 张珂/ZHANG Ke（徐州徐工矿业机械有限公司，江苏 徐州 221000）

图1 矿车载荷谱数据传输方案

图2 矿车载荷谱数据基金项目：国家重点研发计划资助，工程机械大扭矩轮毂驱动关键技术及应用示范，2019YFB2006400

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71设计计算

2.2 后桥壳建模及网格划分

后桥壳整体采用A型架结构+圆筒的焊接形式，材料

采用屈服强度400MPa级钢板和500MPa级铸钢件。有限元

仿真模型根据三维模型进行结构简化，同时建立圆筒两边的

轮边轴简化模型和所有焊缝模型（图3）。根据结构布置和

部件重要程度，网格大小控制在10～50mm之间，采用三

维二阶四面体修正单元C3D10M，单元总数689881个。D=1

𝑁𝑁𝑖𝑖𝑛𝑛

𝑖𝑖=1 ∑

式中,Ni为对应于当前载荷水平的疲劳寿命，可以根据

材料的S-N曲线确定，总损伤D=1对应于构件完全损坏，

疲劳破坏将发生[2]。

3.2 后桥壳材料及算法

在fe-safe中提供了丰富的材料库，查阅相关文献和资

料，钢板及铸件根据强度等级选择对应的材料和默认算法，

焊缝采用BS5400weld并根据接头形式选择焊缝等级。

3.3 随机载荷

根据ISO《8608-2016 机械振动 道路路面谱测量》标

准中对于A、B、C、D、E、F、G、H等级路面参数的定义，

生成A-H等级路面高程数据，根据功率谱密度产生随机路

面原理知识可知，通过计算两轮高程差可以得到路面起伏程

度，同时根据露天矿山工况实际测试结果，判定class E适

合测试场路面。

基于有限元模态分析、子结构生成、模态应力恢复，

生成模态柔性体中性文件，替换多刚体动力学模型中车架和

后桥壳柔性体结构文件和随机路面文件，形成整车柔性多体

动力学随机路面模型，通过PID控制使整车沿直线30km/

h行驶，输出后桥壳各铰点载荷，开展后桥壳各铰点单位载

荷惯性释放分析，输出单位载荷应力。

3.4 疲劳寿命分析

将后桥壳应力分析结果、载荷谱输入到fe-safe软件，

同时设置材料和算法等参数，E级路面随机载荷下桥壳寿命图3 后桥壳有限元模型

2.3 边界条件加载

根据矿车车架和后桥壳边界条件特点，将车架和后桥

壳作为整体约束进行分析，便于边界条件的确定和载荷的施

加。在ABAQUS有限元分析软件中以inp形式导入车架和

后桥壳网格模型，以SI（mm）制设置材料弹性参数：弹性

模量206800，泊松比0.3，密度7.85e-9；以connector连

接器中cylinder油缸副和link连杆副等连接单元建立前悬

架和转向系统，使用join连接单元铰接约束车架抗扭管桥

壳支座与桥壳前部支座，以cylinder连接单元连接车架油

缸支座与桥壳后悬挂油缸支座，以link连接单元建立车架

与桥壳横拉杆约束，固定物体均以mass point质量点形式

distribute coupling与结构耦合约束（图4）。

2.4 分析结果

仿真结果显示，2倍负载工况下最大应力227MPa，

启动工况下最大应力155MPa，制动工况下最大应力132

MPa，举升工况下最大应力230MPa，转弯工况下最大应力

241MPa，倒车障碍工况下最大应力140MPa，右前轮抬起

150mm工况下最大应力217MPa，右前轮降低150mm工

况最大应力121MPa，右后轮抬起150mm工况下最大应力

201MPa，右后轮降低150mm工况最大应力210MPa，结合

最大应力点位置，分析判断各工况下钢板和铸件最大mises

应力均满足至少2倍安全系数的设计要求（图5）。

3 后桥壳疲劳寿命分析

3.1 线性疲劳累积损伤理论

线性疲劳累积损伤理论是指在循环载荷作用下，疲劳

损伤是可以线性地累加的，各个应力之间相互独立，当构件

经历N此损伤后完全损伤，构件将发生疲劳破坏。该理论

中最典型的是Palmgren-Miner 理论，可以定量评价不同

水平的载荷循环带来的损伤。即在变幅载荷下，n个循环造

成的总损伤可表示为：图4 车架和桥壳约束

图6 

 随机路面高程数据图7 双轮高程差数据

图8 500米

E级随机路面侧视图起伏路面 图9 疲劳分析有限元模型

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设计计算

如下图所示，其中后桥壳最小疲

劳寿命为104.961=91411.32小

时，位于后桥壳尾部维修孔下端，

其余疲劳寿命较小位置为桥壳圆

筒与横拉杆铸件交接面位置焊

缝、后悬挂油缸支座与圆筒交接

面上部焊缝，三角架与圆筒交接

面下部焊缝处，疲劳寿命总体满

足结构设计要求[3]。

4 结 论

建立了载荷谱数据采集方

案，并实施采集了某露天矿山的

实际工况载荷谱数据。

建立了后桥壳有限元分析模

型，并分析了10种典型工况下

后桥壳的应力状态，验证了材料

选型合理性，各工况下结构安全

系数均在2倍以上。

建立了后桥壳疲劳寿命分析

模型，将实际载荷谱和后桥壳应

力分析结果作为疲劳分析的随机

载荷谱，得出了后桥壳的疲劳寿

命分布云图，找到了最小疲劳寿

命点，最小疲劳寿命91000小时

以上，后桥壳设计疲劳寿命满足

露天矿山使用要求。

参考文献

[1] 修孝廷，等.大型矿用自

卸车后桥壳强度分析和设

计[J].世界有色金属，2018

（11）：231-232.

[2] 米承继，等.随机载荷下矿用自卸车后桥壳疲劳寿命分

析[J].机械工程学报，2012（06）：130-108.

[3] 姚卫星．结构疲劳寿命分析[M]．北京：国防工业出版社，

2003.

收稿日期：2021-10-25

作者简介：杨旭辉，男，本科，工程师，研究方向为大型矿

用自卸车总体及结构设计。图10 铰点载荷-力

图

11 铰点载荷-

轮心扭矩图12 后桥壳疲劳寿命图 2g负载 启动工况

制动工况 举升工况

转弯工况 倒车障碍工况

右前轮抬起工况 右前轮降低工况

右后轮抬起工况 右后轮降低工况图5 各工况下应力云图

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