面向再制造的挖掘机工作装置剩余疲劳寿命预测研究综述

曹露露，刘 奎，王 严，樊 浩

（长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安710064）

0 引言

挖掘机作为广泛应用的工程机械，在城市建设、交通运输、能源开发、农田水利和国防建设中发挥着巨大作用。工作装置是挖掘机主要的受载部件，也是挖掘机制造过程中消耗钢材最多的部件，生产厂商从产品可靠性的角度出发对其采用偏保守的设计以确保在服役期内不发生疲劳破坏，这使得挖掘机工作装置的制造成本增加且很多在退役时依然完好。因此，对挖掘机工作装置实施再制造对经济性、环保性都具有重要意义。

废旧挖掘机一般都是经历过一次或多次服役周期，由于其服役工况和服役环境不同，其寿命特征也不一样。徐滨士院士指出，寿命评估是判断废旧零部件是否具有再制造价值的基础[1]。对于废旧挖掘机工作装置来说，判断其是否具有剩余使用寿命，其剩余使用寿命能否维持下一个寿命周期直接影响着其资源化策略。因此，开展面向再制造的挖掘机工作装置剩余疲劳寿命预测研究是非常必要的。

1 研究现状

1.1 疲劳寿命预测

美国、德国、日本等发达国家将疲劳损伤累积理论、断裂力学、有限元法以及疲劳强度分析方法等先进技术应用于工程机械疲劳寿命的研究。疲劳寿命预测问题的复杂程度因结构、材料、使用工况等的不同而不尽相同[2]。美国提出了考核动强度的预测产品失效的理论。日本制定了液压挖掘机构件的强度评定程序，研制了可靠性处理系统，并借助于大量试验提高了其可靠性和耐久性。例如，液压挖掘机的运转率达到85%～95%，使用寿命超过1万小时。国内徐工集团工程机械股份有限公司、三一重工、中联重科、柳工、山河智能等知名工程机械企业都建立了各自的研发机构，开始着手挖掘机等工程机械疲劳耐久性研究。近年来，越来越多的国内外学者在液压挖掘机工作装置疲劳强度计算和寿命预测领域进行了相关研究[3]，并取得了长足的进步。目前对液压挖掘机工作装置疲劳寿命预测的相关研究主要集中在以下几个方面：

（1）基于试验方法的挖掘机工作装置疲劳寿命研究：天津工程机械研究所的科研人员对液压挖掘机工作装置的疲劳强度进行试验研究，较好地模拟了现场挖掘的情况[4]；太原理工大学[5]科研人员通过实测载荷历程，结合名义应力法估算危险点疲劳寿命。

（2）基于模拟载荷及疲劳仿真软件的挖掘机工作装置疲劳寿命研究：计算机仿真技术的不断发展使得在仿真软件中模拟载荷进行结构的疲劳寿命预测成为可能。如山东大学[6]科研人员通过挖掘机工作装置的有限元分析建立疲劳危险点的近似应力应变时间历程并采用软件的疲劳模块进行疲劳寿命估算；同济大学科研人员利用各液压缸压力和位移结合平衡方程得到动臂各铰点的工作载荷，再用Fatigue软件对动臂进行疲劳分析[7]；吉林大学科研人员通过铲斗挖掘土壤过程仿真获得工作装置各铰点的载荷时间历程以编制载荷谱实现工作装置的疲劳寿命计算[8]。

（3）基于信息技术的挖掘机工作装置疲劳寿命研究：将人工智能技术和传统的疲劳可靠性分析结合起来，在确定随机变量的基础上，使用神经网络响应面法来模拟不能用显式表达的结构功能函数，通过模拟的功能函数来计算结构的可靠度，为结构的服役时间提供参考[9]。

1.2 面向再制造的寿命预测

针对废旧产品可再制造性评估中的寿命特征，国内外学者从不同的角度展开了以下研究：Darisuren S，Amanov A，Kim J等人对调心滚子轴承的再制造过程及其寿命预测精度的提高进行了研究[10]；国防科技大学的研究者采用加速寿命试验数据和现场数据相融合的办法提高对废旧产品剩余寿命评估的精度[11]；上海交通大学的研究者使用有限元理论对汽车发动机曲轴进行寿命预测，并对发动机产品的可再制造性进行了研究[12]；华中科技大学的研究者提出采用CAE工况仿真和BP神经网络算法预测工程机械再制造剩余疲劳寿命的方法[13]。

1.3 工程机械再制造

国外，以欧洲、美国和日本为代表的国外工程机械厂商，其再制造产业起步早、技术成熟，现已形成规模化生产，成为循环经济的重要组成部分。卡特彼勒公司再制造业务在2009年已成为公司的支柱产业，全年的再制造销售总额超过该公司全部业务销售总额的一半。日本在机械装备再制造领域的发展也取得了较大的成绩，2008年单工程机械再制造数量就高达9万台，其中将近一半出口其他区国家。

与欧美发达国家相比，我国再制造产业发展得比较晚。“再制造”概念是由徐滨士院士于1999年6月在西安召开的“先进制造技术”国际会议上首次提出的。2009年，国家工信部启动了包括工程机械、矿采机械、机床、船舶、再制造产业集聚区等在内的8大领域35家企业参加的再制造试点工作，并取得了显著的成效，其中济南复强动力有限公司形成了以再制造斯太尔发动机为主的二十多个再制造发动机产品，已达到年生产各类再制造发动机20000台的能力[14]。还有一些国内企业是跟国外企业合作成立专门从事工程机械再制造的公司如玉柴和卡特彼勒合作建立玉柴再制造工业（苏州）有限公司。

2 现有研究存在问题

（1）疲劳寿命预测方面。针对挖掘机工作装置疲劳寿命的研究很多，但都是针对单一作业介质工况进行的，而在挖掘机的全寿命周期内，会遇到多种作业对象，工作装置所承受的实际载荷是因作业介质工况的不同而不同的；另外，已有研究大多未考虑焊缝的影响，将焊缝的材料处理为与母材相同，这与工作装置的实际性能存在一定的差别。一般通过实测载荷历程，采用雨流计数法推导S-N曲线，结合名义应力法估算危险点疲劳寿命；或通过对液压挖掘机工作装置的疲劳强度进行试验研究，较好地模拟了现场挖掘的情况；但是，实测方法由于测点数较少不能反映整个工作装置的应力应变变化过程。

而对于单纯利用虚拟仿真技术进行模拟的方法来说，虽然克服了测点数目的局限性，但是由于挖掘机实际工作载荷具有随机性和不确定性，仿真软件中很难模拟出复杂的真实载荷。如通过挖掘机工作装置的有限元分析建立疲劳危险点的近似应力应变时间历程并采用软件的疲劳模块进行疲劳寿命估算；利用虚拟样机技术，通过动力学仿真获得载荷谱，在Msc.Fatigue中计算出挖掘机动臂的疲劳寿命云图。虽然这些尝试通过试验和仿真相结合的方法进行分析，但在研究中也未考虑实际作业工况下不同作业对象的影响以及焊缝对工作装置疲劳寿命的影响。

（2）面向再制造的寿命预测方面。虽然已有学者尝试通过不同研究对象，如调心滚子轴承、汽车发动机曲轴等。如以45#钢为对象，应用金属磁记忆无损检测技术分别对光滑试件和缺口试件检测，尝试建立磁记忆信号峰值与再制造毛坯剩余寿命的关系模型；基于废旧零部件剩余使用寿命的可再制造决策模型，对剩余使用寿命采用平均寿命与实际使用寿命相减得到；这些从面向再制造的寿命预测方面进行研究，但是针对挖掘机工作装置再制造剩余疲劳寿命进行研究却鲜有报道。

（3）工程机械再制造方面。在理论研究方面，国内外学者对再制造的研究主要集中在关于再制造的发展和对再制造的认识、再制造技术（包括生产组织管理、工艺流程、逆向物流等）、面向再制造的设计等，针对再制造机械零部件剩余寿命的研究非常少。在实践方面，国外企业已取得了许多令人羡慕的成就，国内企业仍处于再制造的探索阶段，且关注更多的是再制造工艺技术方面，如：如何保证再制造产品的质量和可靠性、如何建立完善的旧件检测质量控制体系、如何提高再制造技术等，而对废旧零部件的剩余寿命没有进行深入研究。

3 研究工作发展的趋势

针对面向再制造的寿命预测研究偏少，从面向挖掘机工作装置再制造的角度出发，后续的研究工作应包括以下几个方面：

（1）以服役历程清楚的中型挖掘机为研究对象，建立挖掘机工作装置运动学和动力学模型。

（2）结合实际作业工况下不同作业对象以及焊缝对工作装置疲劳寿命的影响，着手测试不同介质工况下挖掘机工作装置现场试验数据，并通过试验数据与理论计算、软件仿真相结合的方法，得到挖掘机工作装置各铰点的真实工作载荷。

（3）考虑在焊缝影响下，研究多工况真实载荷驱动下，挖掘机工作装置再制造剩余疲劳寿命预测方法，为挖掘机工作装置中动臂、斗杆等关键部件再制造性决策提供依据。

4 结束语

本文提出进行挖掘机工作装置疲劳寿命预测时考虑焊缝的影响，借助试验、理论计算、虚拟仿真多种分析手段，获得挖掘机工作装置各铰点力在整个工作过程中的真实变化历程，探索面向挖掘机工作装置再制造的剩余疲劳寿命预测方法，为挖掘机工作装置剩余疲劳寿命的准确计算打下基础。在后续的研究中，针对挖掘机工作装置疲劳分析中由于复杂载荷难以模拟而导致结果误差大的问题，拟采取一种完全由真实载荷驱动的工作装置剩余疲劳寿命预测方法，该方法需要根据传感器记录的挖掘过程中动臂液压缸、斗杆液压缸、铲斗液压缸压力和位移的数据推导出工作装置上各铰点的真实工作载荷。这些试验数据为基于真实载荷驱动的工作装置剩余疲劳寿命预测方法的实现提供了必要条件。