陳 光，呂彭民，李 瑤，李 欣

CHEN Guang, LYU Peng-min, LI Yao, LI Xin

（長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710064）

0 引言

挖掘機(jī)的工作載荷復(fù)雜多變，在交變載荷的長期作用下，各工作裝置容易產(chǎn)生疲勞損傷，當(dāng)累積損傷達(dá)到一定程度就會導(dǎo)致疲勞破壞[1]。隨著測試技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，提高疲勞壽命不可或缺的方法就是進(jìn)行臺架試驗(yàn)。通過臺架試驗(yàn)?zāi)軌驕?zhǔn)確反映產(chǎn)品的實(shí)際受力狀況，從而快速、準(zhǔn)確的評估產(chǎn)品的可靠性[5]。

高月華等[2]研究了一種采用和試驗(yàn)樣機(jī)尺寸相同的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的方法和步驟，在載荷譜編制過程中，提出一種加載力與構(gòu)件應(yīng)力響應(yīng)之間傳遞關(guān)系的標(biāo)定方法；高月華等[3]單獨(dú)進(jìn)行了R961型挖掘機(jī)斗桿的全尺寸結(jié)構(gòu)的疲勞試驗(yàn)，對于等效點(diǎn)的選擇，則選取工作裝置危險(xiǎn)點(diǎn)中應(yīng)力值最大的位置作為等效位置，這種方法對于工作裝置其他大應(yīng)力點(diǎn)缺乏通用性。本文基于實(shí)測載荷時間歷程，通過統(tǒng)計(jì)確定出臺架試驗(yàn)姿態(tài)，依據(jù)有限元結(jié)果確定出加載方向，提出鏟斗斗尖載荷等效方法，用這種方法加載所獲得的各大應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力-時間歷程與實(shí)測應(yīng)力-時間歷程相當(dāng)吻合，從而證明該方法的合理性。

1 工作裝置載荷測試與信號處理

1.1 載荷測試試驗(yàn)

以某大型液壓挖掘機(jī)為試驗(yàn)對象，通過壓力傳感器和位移傳感器分別測量各油缸的油壓和位移信號，采用電阻應(yīng)變片測量各測點(diǎn)應(yīng)變，以銷軸傳感器測量計(jì)算斗尖載荷。各測點(diǎn)的貼片（應(yīng)變片）位置是通過有限元分析得到的（如圖1所示）。挖掘物料選取粘土、重粘土、密實(shí)硬土三類介質(zhì)。分別對三類介質(zhì)進(jìn)行挖掘試驗(yàn)，測得各油缸油壓與位移信號以及各測點(diǎn)應(yīng)變-時間歷程信號，現(xiàn)場試驗(yàn)如圖2所示，圖3為某測點(diǎn)的一段應(yīng)變-時間歷程。

由圖3可知，挖掘機(jī)作業(yè)過程具有明顯的周期性變化，在挖掘時刻產(chǎn)生的載荷明顯大于其他時刻，與實(shí)際施工作業(yè)時載荷的變化保持一致，表明該試驗(yàn)測得的載荷反映了挖掘機(jī)工作裝置實(shí)際作業(yè)過程中的真實(shí)受載情況。

圖1 測點(diǎn)分布圖

圖2 現(xiàn)場試驗(yàn)

圖3 實(shí)測應(yīng)變-時間歷程

1.2 載荷信號處理

在挖掘測試過程中，由于各類傳感器、測量儀器本身的精度原因、試驗(yàn)環(huán)境的影響以及人工操作的誤差等影響，造成實(shí)測原始信號中存在干擾信號，從而使原始信號與真實(shí)信號之間存在差異，因此需對其信號進(jìn)行預(yù)處理，剔除其中無用的干擾信號。信號處理主要包括去零漂、去奇異值、濾波等。

同時由實(shí)測載荷可得，每一作業(yè)階段的載荷差別很大，分段作業(yè)的特征十分明顯[4]。因此，將挖掘機(jī)的作業(yè)過程依據(jù)載荷特性可分為挖掘，提升回轉(zhuǎn)，卸載和空斗返回四個階段。以基本作業(yè)段為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)的平穩(wěn)性檢驗(yàn)。分段的依據(jù)如表1所示。

表1 分段的依據(jù)

表中：L1，L2，L3分別為動臂，斗桿和鏟斗油缸的位移，θ角為轉(zhuǎn)臺角度。

依據(jù)該分段規(guī)則，通過MATLAB對所有通道數(shù)據(jù)進(jìn)行分段處理，利用輪次法對分段后載荷進(jìn)行平穩(wěn)性檢驗(yàn)后可得，各作業(yè)段載荷數(shù)據(jù)符合平穩(wěn)性要求，說明可以用試驗(yàn)樣本來代替母體進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 挖掘機(jī)工作裝置臺架疲勞試驗(yàn)方法

挖掘機(jī)工作裝置的臺架試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室將各零部件組裝到特定姿態(tài)，通過特定設(shè)計(jì)的工裝，由疲勞試驗(yàn)機(jī)作動器將載荷加載在鏟斗斗齒位置進(jìn)行的。但是，由于每一個作業(yè)循環(huán)過程中，鏟斗斗尖部位所受的的作業(yè)載荷不同，即每一個循環(huán)作業(yè)過程中作業(yè)載荷最大時刻對應(yīng)的挖掘姿態(tài)也是不盡相同的，同時所受合力的方向也是改變的，因此，要進(jìn)行挖掘機(jī)工作裝置臺架試驗(yàn)，首先需確定試驗(yàn)姿態(tài)與加載力方向。

2.1 試驗(yàn)姿態(tài)的確定

由于挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中溢流閥的存在，使得其作業(yè)過程中實(shí)際最大挖掘力不會超過溢流閥限制壓力形成的挖掘力。當(dāng)溢流閥打開時鏟斗斗尖載荷達(dá)到最大，在后期整理載荷譜時，極值載荷的求取也是與溢流閥的開關(guān)有關(guān)[6]，因此，選取測試中所有溢流閥打開時刻對應(yīng)的姿態(tài)，求其均值作為工作裝置臺架疲勞試驗(yàn)的初始姿態(tài)。

通過MATLAB軟件編程，提取挖掘階段溢流閥打開時刻對應(yīng)的各液壓油缸位移，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。

圖4 液壓油缸位移統(tǒng)計(jì)

對統(tǒng)計(jì)的各液壓油缸求取均值，作為工作裝置疲勞試驗(yàn)的初始姿態(tài)，結(jié)果如表2所示。

表2 工作裝置疲勞試驗(yàn)初始姿態(tài)（mm）

以該姿態(tài)作為挖掘機(jī)工作裝置的初始姿態(tài)，進(jìn)行工作裝置的臺架疲勞試驗(yàn)。通過后續(xù)的損傷一致性對其進(jìn)行修正，使其能夠正確反映挖掘機(jī)工作裝置疲勞試驗(yàn)的可靠性。

2.2 臺架試驗(yàn)加載方式的確定

以鏟斗為研究對象對其進(jìn)行受力分析，鏟斗主要受到X方向的切向挖掘阻力、Y方向的法向挖掘阻力以及Z方向的側(cè)向力。在施工作業(yè)時，三個方向的挖掘阻力是分散的，為了便于研究，假設(shè)其作用于同一點(diǎn)，偏距為e，受力如圖5所示。

為了便于研究及疲勞試驗(yàn)時便于加載，將各方向的分力集中到鏟斗中間斗齒部位，則將力簡化為FX，F(xiàn)Y，F(xiàn)Z，MX，MY，MZ。通過對銷軸傳感器所測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到鏟斗斗尖各個方向的分力和力矩。部分?jǐn)?shù)據(jù)的結(jié)果如圖6所示。

圖5 斗尖載荷示意圖

由實(shí)測各分力和力矩可得，挖掘機(jī)在施工過程中，主要受到切向和徑向的挖掘阻力以及側(cè)向力矩的作用，受到的側(cè)向力、切向力矩及徑向力矩較小。因此，斗尖的主要作用載荷可簡化為FX，F(xiàn)Y，MZ。對于MZ可以將彎矩的作用等效成力的作用，與FX，F(xiàn)Y的合力處于同一挖掘平面內(nèi)的同一方向，在后續(xù)求等效載荷時使最大彎矩截面處測點(diǎn)的應(yīng)力與實(shí)際相一致。

在工作裝置姿態(tài)不變、加載力方向已知時，加載力與工作裝置各測點(diǎn)的應(yīng)力存在一定的比例關(guān)系，結(jié)構(gòu)各測點(diǎn)之間的應(yīng)力值也成一定的比例?？紤]造成損傷的因素，提取各測點(diǎn)挖掘階段挖掘力最大時刻對應(yīng)的應(yīng)力值，然后求均值作為實(shí)測危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力值。為了確定疲勞試驗(yàn)時斗尖處載荷的加載方向，在有限元模型中通過改變加載力的方向，找到使實(shí)測與仿真各測點(diǎn)均值應(yīng)力具有相同比例關(guān)系的某一方向，將該方向作為實(shí)驗(yàn)加載方向。

圖6 斗尖載荷各方向分力

求取測點(diǎn)的均值應(yīng)力，以測點(diǎn)中應(yīng)力值最大點(diǎn)作為基數(shù)，用基數(shù)點(diǎn)應(yīng)力值除以其他測點(diǎn)的應(yīng)力值，得到基數(shù)點(diǎn)與各測點(diǎn)的比例關(guān)系，將該比例關(guān)系作為實(shí)測危險(xiǎn)點(diǎn)之間的應(yīng)力響應(yīng)比例關(guān)系。實(shí)測應(yīng)力比例關(guān)系如表3所示。

將有限元模型裝配到初始姿態(tài)下，通過改變加載力的方向，讀取不同方向的應(yīng)力值，計(jì)算出各測點(diǎn)之間的應(yīng)力關(guān)系，通過有限元仿真得到的各方向加載后的測點(diǎn)應(yīng)力如表4所示。

為了求得最佳加載角度，將實(shí)測比例系數(shù)和仿真比例系數(shù)相減，比較兩者之間的差值，將系數(shù)差值繪制成線圖，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，對于10#、13#測點(diǎn)，加載角度對系數(shù)的影響不是很大，2#、3#、5#測點(diǎn)受加載角度的影響很大。因此，主要考慮動臂上三個測點(diǎn)的最優(yōu)加載角度。對動臂上三測點(diǎn)系數(shù)差值曲線分別進(jìn)行擬合，得到對應(yīng)的方程為：

表3 實(shí)測應(yīng)力比例關(guān)系（MPa）

表4 不同角度各測點(diǎn)應(yīng)力比例關(guān)系（MPa）

圖7 差值圖

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，迭代計(jì)算使三個等式同時達(dá)到最小值，通過計(jì)算，當(dāng)x=15時，可使方程都達(dá)到最小值，即取加載力方向與水平方向夾角為15°。

2.3 鏟斗斗尖載荷的等效

挖掘機(jī)工作裝置臺架試驗(yàn)是在固定姿態(tài)和加載力條件下進(jìn)行的，將實(shí)測載荷等效到試驗(yàn)姿態(tài)和加載方向下，作為疲勞試驗(yàn)機(jī)作動器施加的外載荷。選取最大彎矩截面危險(xiǎn)點(diǎn)實(shí)測載荷等效得到用于試驗(yàn)加載的斗尖載荷，其計(jì)算公式為：

式中：σ實(shí)測為測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)力時間歷程，k等效是在試驗(yàn)姿態(tài)和加載方向下鏟斗所加載的斗尖載荷與測點(diǎn)應(yīng)力值的比值。

該方法能夠保證加載力傳遞到最危險(xiǎn)點(diǎn)處的應(yīng)力與實(shí)測值幾乎一致。由有限元仿真結(jié)果可知，在試驗(yàn)姿態(tài)和試驗(yàn)加載方向?yàn)?5°的條件下，選取最大彎矩截面處實(shí)測位置均值應(yīng)力最大的12#作為基點(diǎn)，各危險(xiǎn)點(diǎn)對應(yīng)的比例關(guān)系如表5所示。

表5 加載力與應(yīng)力響應(yīng)系數(shù)

以黏土數(shù)據(jù)為例，等效載荷時間-歷程如圖8所示。

圖8 等效載荷時間歷程

為了驗(yàn)證該等效方法的有效性，可以利用等效載荷計(jì)算出的工作裝置各測點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)與對應(yīng)測點(diǎn)各應(yīng)力數(shù)據(jù)實(shí)測值進(jìn)行比較。比較結(jié)果如圖9所示。

圖9 各測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)力與等效應(yīng)力時間歷程對比結(jié)果

由圖9可知，各測點(diǎn)等效應(yīng)力與實(shí)測應(yīng)力吻合良好，從而驗(yàn)證了該方法的合理性。

3 結(jié)論

本文提出了一種挖掘機(jī)工作裝置臺架疲勞試驗(yàn)加載方法。即以挖掘階段溢流閥打開時刻對應(yīng)的實(shí)測油缸位移均值作為挖掘機(jī)工作裝置臺架疲勞試驗(yàn)的加載姿態(tài)，通過調(diào)整斗尖當(dāng)量載荷方向使各大應(yīng)力點(diǎn)當(dāng)量應(yīng)力與實(shí)測應(yīng)力誤差最小的方法確定加載方向。

提出了以工作裝置最大彎矩截面危險(xiǎn)點(diǎn)實(shí)測載荷等效計(jì)算試驗(yàn)加載的斗尖載荷的方法。該方法使得到的加載方案和載荷譜更具有通用性。

該試驗(yàn)載荷等效方法可實(shí)現(xiàn)用一個作動器完成挖掘機(jī)工作裝置載荷譜疲勞可靠性試驗(yàn)。