Drive axle housing failure analysis of a mining dump truck based on the load spectrum

Abstract

One of the key components in a mining dump truck is the drive axle housing. Failure of this component during normal use is unacceptable. Recently, early fatigue fracture became a problem during the normal working process of these machines. However, it is difficult to calculate exactly the fatigue failure life of the drive axle housing based on bench testing or pure computer simulation due to the differences between practical road conditions (such as slope and roughness) and simplified boundary conditions. To increase the reliability of analysis results a new analysis method based on dynamic strain measurement from practical mine road surface conditions combined with finite element analysis is proposed in this paper. The dynamic strain and stress on the drive axle housing is obtained by strain measurements while the truck travels over normal mine road surface conditions. The dynamic stress was analyzed using the rain-flow counting method, which can determine the amplitudes and mean values of counted cycles. The influence of the stress mean value was taken into consideration with the Morrowrsquo;s model. According to the assumption of a linear Palmgren–Miner hypothesis of damage accumulation and using typical fatigue characteristics of the material, the fatigue failure life was calculated. Analysis of the measurements showed that the dynamic stress experienced by the axle housing was far greater than expected. In order to find the factors affecting the dynamic stress of the drive axle housing, the slope of the road surface, any uneven loading and eccentricities were analyzed using the finite element method. This paper shows that the new analysis methods described are valuable tools for analyzing the reasons behind the failure of these truck axle housings.

Keywords

Mining dump truck; Drive axle housing; Failure analysis; Load spectrum

1. Introduction

The drive axle housing is the main load bearing component in vehicles. As a result, dynamic forces caused by the road surface roughness produce dynamic stresses and these forces may lead to fatigue failure of the housing during the vehicle service life [1]. Although drive axle housings are generally designed with a high safety margin (factor of safety) in order to not exceed the fatigue strength of the material, large number and high amplitude cyclic loading and local stress concentrations allow cracks to grow even when fatigue strength exceeds the average load value.

A significant amount of research work has been published on the analysis and prediction of fatigue failure in axle housings [1], [2], [3], [4], [5], [6] and [7]. Bradley and Bradley [2] analyzed failure in the rear axle housing of a crane truck using fracture mechanics and experimental tests over three typical service conditions. They found, using macrofractographic examination, that the failure was by fatigue. They combined theoretical fracture mechanics with the experimental data for calculating crack growth life and size. Baggerly [3] analyzed failure of steel castings welded to heavy truck axles by using a scanning electron microscope. It was found that underbead cracks had formed in the HAZ of the casting. These cracks subsequently propagated by fatigue mechanisms and resulted in detachment of the casting from the axle housing. Topac et al. [1] predicted fatigue failure of a rear axle housing prototype using finite element analysis and bench tests. They proposed some design enhancement solutions based on their results. Wu et al. [4] developed a multifunction indoor drive-axle road simulation system based on a large diameter roll wheel. The method used a series of protruding blocks on the roll wheel face to simulate impact vibrations from a cracked road surface. Jing et al. [5] and [6] predicted fatigue life of a vehicle axle housing under random loading based on finite element analysis and testing. However, the bench test and finite element analysis were both static analyses. Although they completed the dynamic analysis, the loading conditions were acquired based on multi-body simulation using SIMPACK. Nan et al. [7] presented a new method to acquire the reduced load spectrum, which they used to conduct accelerated fatigue bench testing of a drive axle housing. They completed fatigue life prediction, strain history acquisition and time correlated damage analysis after static strength analysis by finite element method. The reduced load spectrum for the accelerated fatigue bench test of the axle housing was acquired using FE simulation.

Most research on the fatigue failure of drive axle housings is limited to bench type testing [4], [5], [6] and [7], static strength analysis [5], [6] and [7], scanning electron microscope image analysis[3], or dynamic analysis based on simulation [1], [5] and [6]. Although some research considered the influence of typical service conditions [2], these were not typical, normal service conditions. Hence it is necessary to take account of the practical service conditions for fatigue failure analysis of drive axle housings.

This paper is focused on a failure analysis method of the drive axle housing of a mining dump truck based on dynamic strain measurement from practical mine road surface conditions combined with finite element analysis. The failure type was determined via fracture section analysis. The fatigue life of the drive axle housing used in this case was predicted based on dynamic stress measured from testing over a practical mine road surface profile and using the assumption of the linear Palmgren–Miner hypothesis of damage accumulation. Normal fatigue characteristics of the material were used. The reasons for the failure of the housing were studied using finite element based method

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基于负载谱的驱动桥壳故障分析

摘要：

驱动桥壳是采矿自卸车中的关键部件之一。在正常使用期间此组件的故障是不可接受的。最近，早期疲劳断裂在这些机器的正常工作过程中成为一个问题。然而，由于实际道路条件（例如坡度和粗糙度）和简化的边界条件之间的差异，难以准确地计算基于台架测试或纯计算机模拟的驱动桥壳体的疲劳失效寿命。为了提高分析结果的可靠性，本文提出了一种基于实际矿山路面条件结合有限元分析的动态应变测量的新分析方法。当车辆在正常的矿山路面条件下行驶时，通过应变测量获得驱动桥壳体上的动态应变和应力。使用雨流计数方法分析动态应力，其可以确定计数周期的幅度和平均值。用Morrow模型考虑应力平均值的影响。根据假设损伤积累的线性Palmgren-Miner假设和使用材料的典型疲劳特性，计算疲劳失效寿命。测量结果的分析表明，轴箱经受的动态应力远大于预期。为了找到影响驱动桥壳体的动态应力的因素，使用有限元方法分析路面的坡度，任何不均匀的载荷和偏心率。本文表明，所描述的新的分析方法是分析这些卡车轴壳体故障背后的原因的有价值的工具。

关键词

矿山自卸车; 驱动桥壳; 故障分析; 负载谱

1. 介绍

驱动桥壳是车辆中的主要承重部件。因此，由路面粗糙度产生的动态力产生动态应力，并且这些力可能导致在车辆使用寿命期间壳体的疲劳失效。虽然驱动桥壳体通常设计为具有高安全裕度（安全系数）以便不超过材料的疲劳强度，但是大数量和高振幅循环加载和局部应力集中允许裂纹增长，甚至疲劳强度超过平均负载值。

已经发表了大量关于轴壳疲劳失效的分析和预测的研究工作。Bradley使用断裂力学和三个典型工作条件下的实验测试分析了起重车后桥壳体的故障。他们发现，使用宏观分析检查，失败是疲劳。他们将理论断裂力学与实验数据结合起来计算裂纹扩展寿命和尺寸。Baggerly使用扫描电子显微镜分析了焊接到重型卡车车轴的钢铸件的故障。在铸件的HAZ中形成了底珠裂纹被发现。这些裂纹随后由疲劳机理传播并导致铸件从轴壳脱离。Topac等人使用有限元分析和台架试验预测后桥壳体原型的疲劳失效。他们基于他们的结果提出了一些设计增强解决方案。Wu等人开发了一种基于大直径辊轮的多功能室内驱动桥路仿真系统。该方法在辊轮表面上使用一系列突出块以模拟来自裂纹路面的冲击振动。Jing等人基于有限元分析和测试在随机负载下预测车桥轴壳的疲劳寿命。然而，台架试验和有限元分析都是静态分析。虽然他们完成了动态分析，装载条件是基于使用SIMPACK的多体模拟获得的。Nan等人提出了一种新的方法来获取减载荷频谱，他们用于进行加速疲劳台架测试驱动桥壳。他们通过有限元方法完成了静态强度分析后的疲劳寿命预测，应变历史采集和时间相关损伤分析。使用FE模拟获得轴壳的加速疲劳台架试验的减小的载荷谱。

大多数关于驱动桥壳疲劳失效的研究限于台式试验静力强度分析[图像分析或基于模拟的动态分析。虽然一些研究考虑了典型的服务条件的影响，这些不是典型的，正常的服务条件。 因此，必须考虑驱动桥壳体的疲劳失效分析的实际使用条件。

本文着重于基于实际矿山路面条件结合有限元分析的动态应变测量的矿用自卸车驱动桥壳的故障分析方法。通过断裂部分分析确定破坏类型。在这种情况下使用的驱动桥壳体的疲劳寿命基于通过在实际的矿山路面轮廓上的测试测量的动态应力以及使用线性Palmgren-Miner假设的损伤累积的假设来预测。使用材料的正常疲劳特性。 使用基于有限元的方法研究壳体故障的原因。

1. 驱动桥壳体的故障描述

作为矿用自卸车的主要承载部件，驱动桥壳体承载由矿路引起的动态力。这些动态力可能导致在叉车使用寿命期间轴壳体的疲劳失效。实际上，驱动桥壳体中的断裂位置起源于如图1所示的班车车拐弯过渡区R1或R2。断裂面的一个实例如图2所示。图2显示初始裂纹开始于班卓蓬过渡区域底部的圆角。断裂面积具有海滩痕迹，其中渐进裂纹已经传播到大约一半的横截面。这些观察结果表明疲劳失效可以被认为是高周期，低应力类型。因此，存在通常出现在具有起始点，具有海滩标记的低速区域和高速断裂区域的疲劳断裂中的断裂面。

图 1 驱动桥壳体的几何尺寸（mm）

图 2 部分R1（图1）中驱动桥壳体的断裂面。

3.载荷谱及其结果的测量

3.1 实验设计

使用矿山自卸车进行应变测量。 满载卡车的总重量为62吨。 数据收集系统包括应变仪和杜威龙数据收集器。通过使用安装在测量点1和测量点2处的轴箱底部的应变仪来测量应变，以测量如图3所示的横向应变。实际的矿山路面用于本实验，如图4所示。实验过程分为两部分。在这两个部分中，矿山自卸车在同一矿山路面上测量了完整的使用条件，包括卸载，装载，满载和卸载。采样频率为2000Hz。卡车的速度约为5公里/小时。

图 3 应变测量位置

图 4 实际矿山路面路线

3.2 实验结果

用多通道数字应变计记录轴壳的应变，如图5所示。通过使用动态应变值和胡克定律获得动态应力。动应力如图6所示，这称为轴壳的负载谱。

图 5 用于在实际矿山路面上测量的应变数据输出：（a）来自壳体上的测量点1的应变数据，以及（b）来自壳体上的测量点2的应变数据。

图 6 使用胡克定律转换应变仪数据后的应力数据：（a）来自外壳上的测量点1的应力数据，以及（b）来自外壳上的测量点2的应力数据。

图6a示出了测试过程可以划分为四个阶段。第一阶段是空载阶段，从0 s开始，持续1500 s。该期间的最大应力为138.9MPa。第二阶段是装载期，其在1500s开始并持续300s。该期间的最大应力为122.7MPa。第三阶段是满负荷期，从1800秒开始，持续1260秒。该期间的最大应力为393.7MPa。第四阶段为卸载期，开始于3060s，持续540s。该期间的最大应力为162.7MPa。

图6b还示出了测试过程可以划分为四个阶段。第一阶段又是空载阶段，从0 s开始，持续1800 s，最大应力为162.7 MPa。第二阶段是装载期，其开始于1800s，持续420s，最大应力为232.8MPa。第三阶段是满负荷期，开始于2220 s，持续1140 s，最大应力为375.5 MPa。第四阶段为卸载阶段，开始于3360s，持续640s，最大应力为183.8MPa。

1. 疲劳寿命预测

基于损伤积累的线性Palmgren-Miner假设和轴壳材料的疲劳特性的假设，基于实际矿山路面条件下的动态应力计算壳体的疲劳失效寿命。

4.1 雨流计数

使用雨流计数法分析了实际矿山路面条件下应变测量的动态应力，可用于确定计数周期的幅度和平均值。根据桥壳上的测量确定的应力历史的雨流矩阵如图7所示。

图 7 外壳应力数据的雨流矩阵：（a）外壳上第1点的数据的雨流矩阵，（b）外壳上第2点的数据的雨流矩阵。

4.2 疲劳寿命预测

使用Miners理论，每个周期或半周期的损伤Di的特定值定义为 方程（1）

其中n_i对于一个周期等于1，对于半周期等于0.5，N_i是从单轴疲劳特性计算的材料失效的周期数，k是从历史使用周期确定的周期数和半周期 计数算法。当考虑平均值时，疲劳破坏寿命可以使用Morrow应力寿命特性。方程（2）

因此，方程（3）

其中sigma;ai是使用雨流算法从壳体上的应力历史确定的周期振幅，sigma;mi是使用雨流算法从壳体的应力历史确定的周期平均值，是疲劳强度系数，b 是疲劳强度指数。根据Palmgen-Miner假说，总损伤可以表示为由不同个体周期引起的所有特定损害的总和。方程（4）

其中k是使用循环计数算法从应力历史确定的循环数。然后壳体的预期疲劳寿命，T可以由累积损伤计算，D由每个不同周期在应力历史的时间间隔T0中产生。方程（5）

假定壳体的疲劳性能由应力 - 寿命关系和材料常数描述，用于Morrow特性。 根据桥壳的材料特性，疲劳强度系数等于450 MPa，疲劳强度指数等于-0.14。根据Morrow应力寿命特性和疲劳损伤累积假设计算壳体的疲劳寿命。

根据疲劳预测结果，点1的疲劳寿命等于95天，点2等于135天。这些都低于矿山自卸车的轴壳的预期疲劳寿命。然而，从疲劳预测获得的结果与实际故障时间一致。

5. 影响因素对轴壳应力水平的估计

通过对测量结果的分析发现，动态应力值远大于预期值。为了找到影响轴壳动态应力的因素，开发了有限元（FE）模型。

5.1 有限元模型

为有限元分析准备了壳体的CAD模型，如图8所示。这里，支撑件A和B代表由每个车轮提供的支撑。半轴和轴箱之间的组件是过盈配合。元件C和D表示弹簧座。

图 8 CAD模型的外壳

应力分析中使用的完整模型如图9所示。该模型由轴壳和半轴组成。有限元模型是使用ANSYS V11.0开发的。使用SOLID185（在每个节点处具有三个自由度的八节点四面体实体元件）来对壳体进行网格化，其通常用于固体结构的3-D建模。CONTA174和TARGE170元件用于模拟半轴和壳体之间的接触。整个有限元模型有281,650个元素和68,514个节点。

图 9 有限元模型的壳体

5.2 外壳材料

外壳由铸钢ZG40Gr制成，半轴由合金钢ZG40Gr制成。在每个部件中使用的材料的物理性质在表1中给出。

表格1 ZG40Gr和40Gr的物理性能

材料	密度(kg/m3)	弹性模量 (GPa)	剪切模量(GPa)	泊松比	屈服强度 (MPa)	极限强度 (MPa)
ZG40Gr	7720	215	84.2	0.27	345	630
40Gr	7870	211	82.8	0.277	785	981

5.3 装载条件

根据设计载荷，将37,500 kg双向对称载荷（F1和F2）应用于FE模型的弹簧座。固定位移约束被应用于由车轮提供支撑的区域。 在Y和Z方向上的位移和围绕Y和Z轴的旋转在支撑件A处被限制，并且在X，Y和Z方向上的位移以及围绕Y和Z轴的旋转在支撑件B处被限制。FE的边界和负载条件模型如图10所示。

图 10 FEA的边界和载荷条件

5.4 有限元分析结果

来自FE分析的冯米塞斯应力分布示于图11中。根据结果，在壳体下部的班卓尔过渡区域处，在H1和H2处存在拉伸应力集中区域。 这与图2所示的实际中的壳体的故障区域相同。 在区域H1中计算的最大冯米塞斯应力等于260.38MPa，为材料屈服点的75.5％; 并且在区域H2中等于267.01MPa，77.4％的材料屈服点。这意味着该壳体满足在正常条件下如果静态施加的最大负载的安全条件。然而，应力水平显示其足够高以导致疲劳。因此，除了强度要求外，设计应该考虑疲劳作为主要失效机理的问题。

图 11 FE静态强度分析的轮廓图

然而，驱动桥壳体在正常操作条件期间显示早期断裂问题。为了找到影响轴壳失效的因素，通过有限元法研究了不均匀荷载，外壳坡度和偏心率的影响。这些附加因素如图12所示。

图 12 考虑了额外的负载因素

通过有限元分析获得轴壳H1区和H1区最大应力，如表2所示。根据表2的数据，结果表明，路面斜率和房屋偏心率对静应力几乎没有影响，而不均匀载荷条件对静应力有显着影响。

表2 有限元分析结果

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