CN103217307B - 一种液压挖掘机工作装置的荷载谱测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液压挖掘机工作装置的荷载谱测试方法，包括：（a）在其动臂液压缸和铲斗液压缸的活塞杆上分别设置应变片；（b）将动臂液压缸和斗杆液压缸闭锁仅铲斗液压缸活塞杆伸缩，以此方式推动铲斗执行挖掘运动，然后在该工况下分别测得动臂液压缸和铲斗液压缸的活塞杆各自沿其杆长方向的应变-时间响应数据；（c）利用所测的应变-时间响应数据，得出挖掘机铲斗斗齿的受力响应谱并将其作为工作装置的荷载谱。本发明中还公开了基于受力分析构建的受力响应谱简化运算公式。通过本发明，能够以简单快捷、便于操控的方式实现挖掘机工作装置的荷载谱测试过程，而且所测得的荷载谱不仅可应用于寿命评估，还可为其结构优化设计提供有效依据。

Description

一种液压挖掘机工作装置的荷载谱测试方法

技术领域

本发明属于挖掘技术领域，更具体地，涉及一种液压挖掘机工作装置的荷载谱测试方法。

背景技术

挖掘机是利用铲斗挖掘高于或低于承机面的物料，并装入运输车辆或卸至堆料场的土方机械。目前常规的液压挖掘机的结构主要包括动力装置、工作装置、回转机构、操纵机构、传动机构、行走机构以及其他辅助设备等。如图1中所示，工作装置作为直接执行挖掘任务的关键结构，它由动臂2、斗杆10和铲斗5三部分相互铰接而成，并通过各自配备的往复式双作用液压缸实现各种动作的操控：其中动臂2在动臂液压缸4的驱动下执行起落动作，斗杆10在斗杆液压缸1的驱动下执行伸缩动作，而铲斗液压缸10将驱动力传递给共同铰接在其一端的连杆7和摇杆8，进而使得安装有斗齿的铲斗5执行转动，以便挖掘物料。

考虑到液压挖掘机的工作载荷复杂多变，工作装置作为主要的受力部件，在随机荷载长期作用下容易产生疲劳损伤，因此有必要需要对其执行荷载谱测试，并作为结构疲劳寿命分析和估计的基础。所谓荷载谱，是设备的整机结构或零部件所承受的典型荷载时间历程，经数理统计处理后所得到的表示荷载大小与出现频次之间关系的图形、表格、矩阵和其他概率特征值的统称。目前挖掘机的荷载谱测试方法通常是对工作装置危险部位或主要受力部位进行测量，由此得到应力谱。例如，CN100582725C中提出了一种液压挖掘机工作装置疲劳试验方法，其中通过各个检测位置贴上传感应力片，并给铲斗交错施加横向回转扭矩负载和纵向挖掘力负载，由此可实现对整个工作装置应变状况的监测分析。然而，该方法的操作过程复杂、实施周期长；而且当对挖掘机工作装置进行结构优化设计后，工作装置的结构形状等发生变化，此应力谱就无法应用于受力分析。此外，滕毅敏在“挖掘机工作装置的载荷谱测试研究”（浙江大学硕士论文，全国硕博士论文数据库）中提出了通过测量工作装置各油缸的应变-时间响应数据来拟定载荷谱的思路，然而并未提供具体的铲斗斗齿受力公式和详细完整的测试方法，因此在实践操作中存在适应性不强、难以操作的问题。相应地，在相关领域中亟需开发更为完善可靠的荷载谱测试方法，以适用液压挖掘机的结构疲劳寿命分析及结果设计优化等用途。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种液压挖掘机工作装置的荷载谱测试方法，其中通过对液压挖掘机工作装置的典型工况及其受力状态进行分析，能够以简单快捷、便于操控的方式实现挖掘机铲斗斗齿的荷载谱测试过程，所测得的荷载谱不仅可应用于工作装置的寿命评估，而且还可为其结构优化设计提供有效依据。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种液压挖掘机工作装置的荷载谱测试方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

（a）在液压挖掘机工作装置的动臂液压缸和铲斗液压缸各自的活塞杆上分别设置应变片；

（b）将工作装置的动臂液压缸和斗杆液压缸闭锁，仅铲斗液压缸的活塞杆伸缩，以此方式推动铲斗执行挖掘运动，然后在该工况下分别测得动臂液压缸活塞杆和铲斗液压缸活塞杆各自沿其杆长方向的应变-时间响应数据σ_b(t)、σ_d(t)；

（c）利用步骤（b）所测得的应变-时间响应数据σ_b(t)、σ_d(t)，相应获得挖掘机斗齿在上述工况下所受挖掘阻力的受力响应谱，并将其作为整个液压挖掘机工作装置的荷载谱，由此完成整体测试过程。

作为进一步优选地，在步骤（a）中，所述应变片分别粘贴在动臂液压缸和铲斗液压缸各自的活塞杆邻近其支座铰接点位置。

作为进一步优选地，在步骤（b）中，通过动静态应变仪来测得动臂液压缸活塞杆和铲斗液压缸活塞杆各自沿其杆长方向的应变-时间响应数据。

作为进一步优选地，在步骤（b）中，挖掘运动的样本长度被设定为挖掘500斗至1000斗。

作为进一步优选地，在步骤（c）中，结合以下表达式，计算得出挖掘机斗齿在上述工况下所受挖掘阻力的切向分力和法向分力的受力响应谱，并将其作为整个工作装置的荷载谱：

$W_1\left(t\right)=[\frac{l_5}{l_6}\sin {\mathrm{\α}}_5-\frac{\sin ({\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\α}}_3)}{\sin ({\mathrm{\α}}_3-{\mathrm{\α}}_1)}\frac{l_1}{l_6}\cos {\mathrm{\α}}_1]{\mathrm{\σ}}_d\left(t\right)A_d+G_d\frac{l_7}{l_6}\cos ({\mathrm{\α}}_4+{\mathrm{\α}}_7-{\mathrm{\α}}_6)$

$W_2\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\σ}}_b\left(t\right)A_b{l}_{18}\sin {\mathrm{\α}}_{11}-W_1\left(t\right)\left\{l_{19}\cos \right[{\mathrm{\α}}_9-({\mathrm{\α}}_{12}+{\mathrm{\α}}_4+{\mathrm{\α}}_6-\frac{\mathrm{\π}}{2})]-l_{13}\cos ({\mathrm{\α}}_{12}+{\mathrm{\α}}_4+{\mathrm{\α}}_6-\frac{\mathrm{\π}}{2})-l_6\}+[G_b{L}_{\mathrm{Gb}}+G_g{L}_{\mathrm{Gg}}+G_d{L}_{\mathrm{Gd}}]}{\{l_{13}\sin ({\mathrm{\α}}_{12}+{\mathrm{\α}}_4+{\mathrm{\α}}_6-\frac{\mathrm{\π}}{2})+l_{19}\sin [{\mathrm{\α}}_9-({\mathrm{\α}}_{12}+{\mathrm{\α}}_4+{\mathrm{\α}}_6-\frac{\mathrm{\π}}{2})\left]\right\}}$

其中，W₁(t)是斗齿所受挖掘阻力的切向分力的受力响应谱，W₂(t)是斗齿所受挖掘阻力的法向分力的受力响应谱，σ_b(t)、σ_d(t)分别是动臂液压缸活塞杆和铲斗液压缸活塞杆各自沿其杆长方向的应力-时间值，G_b、G_g、G_d分别是动臂、斗杆、铲斗的重量，L_Gb、L_Gg、L_Gd分别是用于联接动臂和转台的铰接点到动臂、斗杆、铲斗各自重力的力臂，l₁是斗杆分别与铲斗和摇杆实现相互联接的两个铰接点C、D之间的距离，l₅是用于联接斗杆和铲斗液压缸的铰接点F与铰接点C之间的距离，l₆是铰接点C与斗齿齿尖A之间的距离，l₇是铰接点C与铲斗重心之间的距离，l₁₃是用于联接斗杆和动臂的铰接点G与铰接点C之间的距离，l₁₈是用于联接动臂和转台的铰接点K与用于联接动臂液压缸和转台的铰接点L之间的距离，l₁₉是两个铰接点K、G之间的距离，A_b、A_d分别是动臂液压缸和铲斗液压缸各自活塞杆的截面积，α₁、α₂和α₃分别是摇杆、铲斗液压缸和连杆各自与垂直于斗杆方向之间的夹角，α₄是斗齿所受挖掘阻力在铰接点C处沿着垂直于斗杆方向的分力与用于联接连杆和铲斗的铰接点B和铰接点C的连线所形成的夹角；α₅是两个铰接点C、F的连线与铲斗液压缸所形成的夹角，α₆是斗杆与竖直方向之间的夹角，α₇是两个铰接点B、C的连线与竖直方向所形成的夹角，α₉是动臂与斗杆之间形成的夹角，α₁₁是两个铰接点L、K的连线与动臂液压缸所形成的夹角，α₁₂是铰接点D、C的连线与铰接点G、C的连线所形成的夹角。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过对液压挖掘机各类工况的统计分析，并选择挖掘过程作为典型工况来执行荷载谱测试过程，相应能够在简化荷载谱测试操作的同时，与挖掘机实际工作时造成装置构件损伤的主要因素相符合；

2、通过采用动臂液压缸活塞杆和铲斗液压活塞杆的应变-时间响应来求解斗齿的受力响应谱，可以避免对斗齿这类直接工作部件进行受力测量，由此提高整体测试的便利性和准确性；尤其是，基于铲斗挖掘工况下的受力分析，提出了相应的转化计算公式，能够简单、实用地计算铲斗斗齿受力响应谱，测试表明与实际的荷载状态基本一致；

3、由于最终获得的荷载谱为受力响应谱，这样不仅可应用于挖掘机工作装置的寿命评估，还可以为其结构优化设计时在设计计算和结构验证等方面提供重要的依据；

4、按照本发明的荷载谱测试方法操作简便、实用性强，其中通过对动臂液压缸和铲斗液压缸各自的活塞杆设置应变片、在典型工况下测得动臂液压缸活塞杆和铲斗液压缸的应变-时间响应，以及得出斗齿受力响应谱等技术手段，相应可解决现有技术中挖掘机斗齿难以直接执行荷载谱测试等技术问题，并获得便于操控、可为结构优化设计提供有效依据的技术效果，因而适用于各类液压挖掘机的荷载谱测试用途。

附图说明

图1是常规液压挖掘机的工作装置的结构示意图；

图2是按照本发明的液压挖掘机工作装置荷载谱测试方法的工艺流程图；

图3是按照本发明当液压挖掘机处于典型挖掘工况时，其工作装置简化结构的受力分析示意图；

图4是按照本发明当液压挖掘机处于典型挖掘工况时其工作装置简化结构的示意图，其中给出了一些相关参数的示范说明。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-斗杆液压缸  2-动臂  3-液压管路  4-动臂液压缸  5-铲斗  6-斗齿  7-连杆  8-摇杆  9-铲斗液压缸  10-斗杆

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是常规液压挖掘机的工作装置的结构示意图。如图1中所示，常规液压挖掘机的工作装置由动臂2、斗杆10和铲斗5三部分相互铰接而成，并各自配备有往复式双作用液压缸。具体而言，其中动臂2的一端通过铰接点K联接在转台上，另外一端通过铰接点G与斗杆10一端相联接，斗杆10的另外一端则通过铰接点C继续与铲斗5相联接。动臂液压缸4譬如设置在动臂的下侧，其两端分别通过铰接点J、L联接在动臂2和转台上，由此驱动促使动臂2执行起落动作。斗杆液压缸1譬如设置在动臂2的上侧，其两端分别通过铰接点I、H联接在动臂2和斗杆10上，由此驱动促使斗杆10执行伸缩动作。斗杆10上还设置有铲斗液压缸9，该铲斗液压缸9的一端通过铰接点F联接在斗杆10上，另外一端作为公用铰接点E分别联接有连杆7和摇杆8，其中连杆7的另外一端通过铰接点B联接在铲斗5上，摇杆8的另外一端通过铰接点D联接在斗杆10上，由此将铲斗液压缸9的驱动力传递给安装有斗齿6的铲斗5，以便挖掘物料。

考虑到铲斗斗齿是直接工作部件，不便直接对其实际荷载进行测量，本发明中通过对挖掘机工作装置典型工况下铲斗斗齿及其他相关结构的受力状态进行分析和推导，将斗齿的受力响应谱转换为对动臂液压缸和铲斗液压缸的应变-时间响应的测量，由此提高整体测试的便利性和准确性。下面将参照图2来具体描述按照本发明用于液压挖掘机工作装置的荷载谱测试过程：

首先，需要在液压挖掘机工作装置的动臂液压缸和铲斗液压缸各自的活塞杆上分别设置应变片；该应变片譬如分别粘贴在动臂液压缸和铲斗液压缸各自的活塞杆邻近其支座铰接点位置，以便准确获得反映应变状态的数据；

接着，选择将工作装置的动臂液压缸和斗杆液压缸闭锁，仅铲斗液压缸的活塞杆伸缩，以此方式推动铲斗执行挖掘运动，挖掘运动的样本长度优选被设定为500斗至1000斗，然后在该典型工况下例如通过动静态应变仪来测得动臂液压缸活塞杆和铲斗液压缸活塞杆各自沿其杆长方向的应变-时间响应数据σ_b(t)、σ_d(t)；

最后，利用所测得的应变-时间响应数据σ_b(t)、σ_d(t)，相应获得挖掘机斗齿在上述工况下所受挖掘阻力的受力响应谱，并将其作为整个液压挖掘机工作装置的荷载谱，由此完成整体测试过程。

为了简化挖掘机斗齿受力响应谱的运算过程，按照本发明的一个优选实施方式，结合以下表达式来计算得出挖掘机斗齿在上述工况下所受挖掘阻力的切向分力和法向分力的受力响应谱：

$W_1\left(t\right)=[\frac{l_5}{l_6}\sin {\mathrm{\α}}_5-\frac{\sin ({\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\α}}_3)}{\sin ({\mathrm{\α}}_3-{\mathrm{\α}}_1)}\frac{l_1}{l_6}\cos {\mathrm{\α}}_1]{\mathrm{\σ}}_d\left(t\right)A_d+G_d\frac{l_7}{l_6}\cos ({\mathrm{\α}}_4+{\mathrm{\α}}_7-{\mathrm{\α}}_6)$

$W_2\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\σ}}_b\left(t\right)A_b{l}_{18}\sin {\mathrm{\α}}_{11}-W_1\left(t\right)\left\{l_{19}\cos \right[{\mathrm{\α}}_9-({\mathrm{\α}}_{12}+{\mathrm{\α}}_4+{\mathrm{\α}}_6-\frac{\mathrm{\π}}{2})]-l_{13}\cos ({\mathrm{\α}}_{12}+{\mathrm{\α}}_4+{\mathrm{\α}}_6-\frac{\mathrm{\π}}{2})-l_6\}+[G_b{L}_{\mathrm{Gb}}+G_g{L}_{\mathrm{Gg}}+G_d{L}_{\mathrm{Gd}}]}{\{l_{13}\sin ({\mathrm{\α}}_{12}+{\mathrm{\α}}_4+{\mathrm{\α}}_6-\frac{\mathrm{\π}}{2})+l_{19}\sin [{\mathrm{\α}}_9-({\mathrm{\α}}_{12}+{\mathrm{\α}}_4+{\mathrm{\α}}_6-\frac{\mathrm{\π}}{2})\left]\right\}}$

其中，W₁(t)是斗齿所受挖掘阻力的切向分力的受力响应谱，W₂(t)是斗齿所受挖掘阻力的法向分力的受力响应谱，σ_b(t)、σ_d(t)分别是动臂液压缸4活塞杆和铲斗液压缸9活塞杆各自沿其杆长方向的应力-时间值，G_b、G_g、G_d分别是动臂2、斗杆10、铲斗5的重力，L_Gb、L_Gg、L_Gd分别是用于联接动臂2和转台的铰接点到动臂2、斗杆10、铲斗5各自重力的力臂，l₁是斗杆10分别与铲斗5和摇杆8实现相互联接的两个铰接点C、D之间的距离，l₅是用于联接斗杆10和铲斗液压缸9的铰接点F与铰接点C之间的距离，l₆是铰接点C与斗齿齿尖A之间的距离，l7是铰接点C与铲斗重心之间的距离，l₁₃是用于联接斗杆10和动臂2的铰接点G与铰接点C之间的距离，l₁₈是用于联接动臂2和转台的铰接点K与用于联接动臂液压缸4和转台的铰接点L之间的距离，l₁₉是两个铰接点K、G之间的距离，A_b、A_d分别是动臂液压缸4和铲斗液压缸9各自活塞杆的截面积，G₁是铲斗5自身的重量，α₁、α₂和α₃分别是摇杆8、铲斗液压缸9和连杆7各自与垂直于斗杆10方向之间的夹角，α₄是斗齿6所受挖掘阻力在铰接点C处沿着垂直于斗杆10方向的分力与用于联接连杆7和铲斗5的铰接点B和铰接点C的连线所形成的夹角；α₅是两个铰接点C、F的连线与铲斗液压缸9所形成的夹角，α₆是斗杆10与竖直方向之间的夹角，α₇是两个铰接点B、C的连线与竖直方向所形成的夹角，α₉是动臂2与斗杆10之间形成的夹角，α₁₁是两个铰接点L、K的连线与动臂液压缸4所形成的夹角，α₁₂是铰接点D、C的连线与铰接点G、C的连线所形成的夹角。

下面将参照图3来更进一步地解释说明本发明以上荷载谱测试方法的机理及其公式推导过程。图3中给出了当液压挖掘机处于典型挖掘工况时，其工作装置简化结构的受力分析示意图。如图3中所示，当铲斗5处于典型的挖掘工况时，铲斗接触被挖掘的物料譬如土壤，动臂液压缸4和斗杆液压缸1闭锁不动作，仅铲斗液压缸9的活塞杆伸缩来进行正常挖掘；此时工作装置上的作用力仅为工作装置的自重及斗齿6上所受挖掘阻力的切向分力W₁和法向分力W₂。取铲斗5及与其相连的BCDE四杆机构作为隔离体进行受力分析，并以沿着斗杆10的方向为X轴建立坐标系，则可对各个铰接点B、C、D、E的受力平衡方程如下：

$B:\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{wBx}}=F_{\mathrm{EB}}\sin {\mathrm{\α}}_3\\ F_{\mathrm{wBy}}=F_{\mathrm{EB}}\cos {\mathrm{\α}}_3\end{array}\right.$

$C:\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{wcx}}=N_{\mathrm{cx}}\\ F_{\mathrm{wcy}}=N_{\mathrm{cy}}\end{array}\right.$

$D:\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{ED}}\cos {\mathrm{\α}}_1+N_{\mathrm{Dy}}=0\\ F_{\mathrm{ED}}\sin {\mathrm{\α}}_1+N_{\mathrm{Dx}}=0\end{array}\right.$

$E:\left\{\begin{array}{c}{P}_d\cos {\mathrm{\α}}_2+F_{\mathrm{BE}}\cos {\mathrm{\α}}_3=F_{\mathrm{DE}}\cos {\mathrm{\α}}_1\\ P_d\sin {\mathrm{\α}}_2+F_{\mathrm{DE}}\sin {\mathrm{\α}}_1=F_{\mathrm{BE}}\sin {\mathrm{\α}}_3\end{array}\right.$

其中，F_wBx表示挖掘阻力在铰接点B处沿着X轴方向的分力，F_wBy表示挖掘阻力在铰接点B处沿着Y轴方向的分力，F_EB表示连杆7对铰接点B的作用力，F_ED表示摇杆8对铰接点D的作用力，F_BE表示连杆7对铰接点E的作用力，F_DE表示摇杆8对铰接点E的作用力，F_wcx表示挖掘阻力在铰接点C处沿着X轴方向的分力，F_wcy表示挖掘阻力在铰接点C处沿着Y轴方向的分力，N_cx表示铰接点C处的支撑力沿着X轴方向的分力，N_cy表示铰接点C处的支撑力沿着Y轴方向的分力，N_Dx表示铰接点D处的支撑力沿着X轴方向的分力，N_Dy表示铰接点D处的支撑力沿着Y轴方向的分力，α₁、α₂和α₃分别表示摇杆8、铲斗液压缸9和连杆7各自与Y轴方向之间的夹角，P_d表示铲斗液压缸9的受力。

对铲斗5及与其相连的BCDE四杆机构进行隔离，并由铰接点C的力矩平衡∑M_C=0可得：

W₁(t)l₆=P_d(t)l₅sinα₅+N_Dyl₁+G_dl₇cos(α₄+α₇-α₆)

其中，W₁(t)表示斗齿6所受挖掘阻力的切向分力的受力响应谱，P_d(t)表示铲斗液压缸9的受力-时间响应，N_Dy表示铰接点D处的支撑力沿着Y轴方向的分力，l₁表示铰接点CD之间的距离，l₅表示铰接点FC之间的距离，l₆表示铰接点C与斗齿齿尖A之间的距离，l₇表示铰接点C与铲斗重心之间的距离，α₄表示挖掘阻力在铰接点C处沿着垂直于斗杆方向的分力相对于两个铰接点BC的连线所形成的夹角，α₅表示铰接点CF的连线与铲斗液压缸9所形成的夹角，α₆表示斗杆10与竖直方向之间的夹角，α₇表示铰接点CB的连线与竖直方向所形成的夹角，G_d表示铲斗5自身的重量。

根据以上表达式以及挖掘机工作装置自身结构的几何关系，可推导得出斗齿在上述典型工况条件下所受挖掘阻力的切向分力的受力响应谱如下：

$W_1\left(t\right)=[\frac{l_5}{l_6}\sin {\mathrm{\α}}_5-\frac{\sin ({\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\α}}_3)}{\sin ({\mathrm{\α}}_3-{\mathrm{\α}}_1)}\frac{l_1}{l_6}\cos {\mathrm{\α}}_1]P_d\left(t\right)+G_d\frac{l_7}{l_6}\cos ({\mathrm{\α}}_4+{\mathrm{\α}}_7-{\mathrm{\α}}_6)$

其中，P_d(t)表示铲斗液压缸的受力-时间响应，可通过以下表达式计算：

P_d(t)=σ_d(t)×A_d

其中A_d表示铲斗液压缸9活塞杆的截面积，σ_d(t)表示铲斗液压缸9的活塞杆沿其杆长方向的应变-时间响应，其他符号的含义如上，经过换算，也即：

$W_1\left(t\right)=[\frac{l_5}{l_6}\sin {\mathrm{\α}}_5-\frac{\sin ({\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\α}}_3)}{\sin ({\mathrm{\α}}_3-{\mathrm{\α}}_1)}\frac{l_1}{l_6}\cos {\mathrm{\α}}_1]{\mathrm{\σ}}_d\left(t\right)A_d+G_d\frac{l_7}{l_6}\cos ({\mathrm{\α}}_4+{\mathrm{\α}}_7-{\mathrm{\α}}_6)$

此外，取液压挖掘机的整个工作装置为隔离体，对动臂和转台的铰接点K的力矩平衡方程可得：

W₂(t)L₂+W₁(t)L₁=P_b(t)L_b+(G_bL_Gb+G_gL_Gg+G_dL_Gd)

根据以上表达式以及挖掘机工作装置自身结构的几何关系，可推导得出斗齿在上述典型工况条件下所受挖掘阻力的法向分力的受力响应谱如下：

$W_2\left(t\right)=\frac{P_b\left(t\right)l_{18}\sin {\mathrm{\α}}_{11}-W_1\left(t\right)\left\{l_{19}\cos \right[{\mathrm{\α}}_9-({\mathrm{\α}}_{12}+{\mathrm{\α}}_4+{\mathrm{\α}}_6-\frac{\mathrm{\π}}{2})]-l_{13}\cos ({\mathrm{\α}}_{12}+{\mathrm{\α}}_4+{\mathrm{\α}}_6-\frac{\mathrm{\π}}{2})-l_6\}+[G_b{L}_{\mathrm{Gb}}+G_g{L}_{\mathrm{Gg}}+G_d{L}_{\mathrm{Gd}}]}{\{l_{13}\sin ({\mathrm{\α}}_{12}+{\mathrm{\α}}_4+{\mathrm{\α}}_6-\frac{\mathrm{\π}}{2})+l_{19}\sin [{\mathrm{\α}}_9-({\mathrm{\α}}_{12}+{\mathrm{\α}}_4+{\mathrm{\α}}_6-\frac{\mathrm{\π}}{2})\left]\right\}}$

其中，W₂(t)表示斗齿6所受挖掘阻力的法向分力的受力响应谱，P_b(t)表示动臂液压缸4的受力-时间响应，l₁₃表示铰接点CG之间的距离，l₁₈表示铰接点LK之间的距离，l₁₉表示铰接点GK之间的距离，L_Gb、L_Gg、L_Gd铰接点K到动臂2、斗杆10、铲斗5各自重力的力臂，α₉表示动臂2与斗杆10之间形成的夹角，α₁₁是两个铰接点L、K的连线与动臂液压缸4所形成的夹角，α₁₂是铰接点D、C的连线与铰接点G、C的连线所形成的夹角。其他符号的含义如上。

此外，动臂液压缸的受力-时间响应P_b(t)可通过以下表达式计算：

P_b(t)=σ_b(t)×A_b

其中A_b表示动臂液压缸4活塞杆的截面积，σ_b(t)表示动臂液压缸活塞杆沿其杆长方向的应变-时间响应数据，经过换算，也即：

$W_2\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\σ}}_b\left(t\right)A_b{l}_{18}\sin {\mathrm{\α}}_{11}-W_1\left(t\right)\left\{l_{19}\cos \right[{\mathrm{\α}}_9-({\mathrm{\α}}_{12}+{\mathrm{\α}}_4+{\mathrm{\α}}_6-\frac{\mathrm{\π}}{2})]-l_{13}\cos ({\mathrm{\α}}_{12}+{\mathrm{\α}}_4+{\mathrm{\α}}_6-\frac{\mathrm{\π}}{2})-l_6\}+[G_b{L}_{\mathrm{Gb}}+G_g{L}_{\mathrm{Gg}}+G_d{L}_{\mathrm{Gd}}]}{\{l_{13}\sin ({\mathrm{\α}}_{12}+{\mathrm{\α}}_4+{\mathrm{\α}}_6-\frac{\mathrm{\π}}{2})+l_{19}\sin [{\mathrm{\α}}_9-({\mathrm{\α}}_{12}+{\mathrm{\α}}_4+{\mathrm{\α}}_6-\frac{\mathrm{\π}}{2})\left]\right\}}$

相应地，通过在典型挖掘工况下分别测得动臂液压缸活塞杆和铲斗液压缸活塞杆各自沿其杆长方向的应变-时间响应数据σ_b(t)、σ_d(t)；然后结合以上表达式即可简单、实用地获得挖掘机斗齿在上述工况下所受挖掘阻力的受力响应谱，由此完成整体测试过程。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种液压挖掘机工作装置的荷载谱测试方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)在液压挖掘机工作装置的动臂液压缸(4)和铲斗液压缸(9)各自的活塞杆上分别设置应变片，并且该应变片分别粘贴在所述动臂液压缸(4)和所述铲斗液压缸(9)各自的活塞杆邻近其支座铰接点的位置；

(b)将所述动臂液压缸(4)和液压挖掘机工作装置的斗杆液压缸(1)闭锁，仅所述铲斗液压缸(9)的活塞杆伸缩，以此方式推动铲斗执行挖掘运动，然后在该工况下分别测得所述动臂液压缸的活塞杆和所述铲斗液压缸的活塞杆各自沿其杆长方向的应变-时间响应数据σ_b(t)、σ_d(t)；

(c)利用步骤(b)所测得的应变-时间响应数据σ_b(t)、σ_d(t)，结合以下表达式，计算得出挖掘机斗齿(6)在上述工况下所受挖掘阻力的切向分力和法向分力的受力响应谱W₁(t)和W₂(t)，并将其作为整个液压挖掘机工作装置的荷载谱以及结构优化设计的基础，由此完成整体测试过程：

$W_1\left(t\right)=[\frac{l_5}{l_6}\sin {\mathrm{\α}}_5-\frac{\sin ({\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\α}}_3)}{\sin ({\mathrm{\α}}_3-{\mathrm{\α}}_1)}\frac{l_1}{l_6}\cos {\mathrm{\α}}_1]{\mathrm{\σ}}_d\left(t\right)A_d+G_d\frac{l_7}{l_6}\cos ({\mathrm{\α}}_4+{\mathrm{\α}}_7-{\mathrm{\α}}_6)$

$W_2\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\σ}}_b\left(t\right)A_b{l}_{18}\sin {\mathrm{\α}}_{11}-W_1\left(t\right)\left\{l_{19}\cos \right[{\mathrm{\α}}_9-({\mathrm{\α}}_{12}+{\mathrm{\α}}_4+{\mathrm{\α}}_6-\frac{\mathrm{\π}}{2})]-l_{13}\cos ({\mathrm{\α}}_{12}+{\mathrm{\α}}_4+{\mathrm{\α}}_6-\frac{\mathrm{\π}}{2})-l_6\}+[G_b{L}_{\mathrm{Gb}}+G_g{L}_{\mathrm{Gg}}+G_d{L}_{\mathrm{Gd}}]}{\{l_3\sin ({\mathrm{\α}}_{12}+{\mathrm{\α}}_4+{\mathrm{\α}}_6-\frac{\mathrm{\π}}{2})+l_{19}\sin [{\mathrm{\α}}_9-({\mathrm{\α}}_{12}+{\mathrm{\α}}_4+{\mathrm{\α}}_6-\frac{\mathrm{\π}}{2})\left]\right\}}$

其中，W₁(t)是所述斗齿(6)所受挖掘阻力的切向分力的受力响应谱，W₂(t)是所述斗齿(6)所受挖掘阻力的法向分力的受力响应谱，σ_b(t)、σ_d(t)分别是所述动臂液压缸(4)的活塞杆和所述铲斗液压缸(9)的活塞杆各自沿其杆长方向的应变-时间响应数据，G_b、G_g、G_d分别是挖掘机的动臂(2)、斗杆(10)、铲斗(5)的重力，L_Gb、L_Gg、L_Gd分别是用于联接所述动臂(2)和转台的铰接点到所述动臂、斗杆、铲斗各自重力的力臂，l₁是所述斗杆(10)分别与所述铲斗(5)和摇杆(8)实现相互联接的两个铰接点C、D之间的距离，l₅是用于联接所述斗杆(10)和所述铲斗液压缸(9)的铰接点F与铰接点C之间的距离，l₆是铰接点C与所述斗齿(6)齿尖之间的距离，l₇是铰接点C与所述铲斗(5)重心之间的距离，l₁₃是用于联接所述斗杆(10)和所述动臂(2)的铰接点G与铰接点C之间的距离，l₁₈是用于联接所述动臂(2)和转台的铰接点K与用于联接所述动臂液压缸(4)和转台的铰接点L之间的距离，l₁₉是两个铰接点K、G之间的距离，A_b、A_d分别是所述动臂液压缸(4)和所述铲斗液压缸(9)各自活塞杆的截面积，α₁、α₂和α₃分别是所述摇杆(8)、铲斗液压缸(9)和连杆(7)各自与垂直于所述斗杆(10)方向之间的夹角，α₄是所述斗齿(6)所受挖掘阻力在铰接点C处沿着垂直于所述斗杆(10)方向的分力与用于联接所述连杆(7)和铲斗(5)的铰接点B和铰接点C的连线所形成的夹角；α₅是两个铰接点C、F的连线与所述铲斗液压缸(9)所形成的夹角，α₆是所述斗杆(10)与竖直方向之间的夹角，α₇是两个铰接点B、C的连线与竖直方向所形成的夹角，α₉是所述动臂(2)与所述斗杆(10)之间形成的夹角，α₁₁是两个铰接点L、K的连线与所述动臂液压缸(4)所形成的夹角，α₁₂是铰接点D、C的连线与铰接点G、C的连线所形成的夹角。

2.如权利要求1所述的荷载谱测试方法，其特征在于，在步骤(b)中，通过动静态应变仪来测得所述动臂液压缸活塞杆和所述铲斗液压缸活塞杆各自沿其杆长方向的应变-时间响应数据。

3.如权利要求1或2所述的荷载谱测试方法，其特征在于，在步骤(b)中，挖掘运动的样本长度被设定为挖掘500斗至1000斗。