CN106197801B - 一种挖掘机工作装置载荷谱测试方法 - Google Patents

一种挖掘机工作装置载荷谱测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种挖掘机工作装置载荷谱测试方法，该方法首先在挖掘机工作装置的各液压缸处布设位移传感器、压力传感器以获取液压缸伸缩量数据、液压缸力数据，然后在斗杆上采用虚拟平面进行截切，获取脱离体，计算脱离体的重心位置，继而在斗杆上截切面所在处布置应变花，推导出截面的内力分量，结合工作装置的结构尺寸，由截面内力根据力的平衡关系得到挖掘机铲斗斗尖载荷时间历程，由载荷时间历程即可编制工作装置载荷谱。利用本发明方法得到的载荷谱不仅包含了挖掘过程中受到的正载的影响，而且包含了偏载和侧载的影响，与实际情况更加吻合；该方法适用于各类挖掘机工作装置载荷谱的测试，也可用于其它承受动载作用的结构载荷谱测试。

Description

一种挖掘机工作装置载荷谱测试方法
技术领域
本发明涉及工程机械技术领域，具体涉及一种挖掘机工作装置载荷谱测试方法。
背景技术
挖掘机作业工况恶劣、载荷复杂，在随机载荷长期作用下工作装置容易产生疲劳破坏。载荷谱是进行结构疲劳设计和疲劳试验的基础数据，对挖掘机而言，其斗尖力和工作装置各铰点力的准确测试是编制整机载荷谱和工作装置零部件载荷谱的关键。
由于挖掘机挖掘过程中，铲斗经常受到偏载和侧载，一般很难直接在斗尖上安装传感器测取斗尖载荷谱。目前，挖掘机载荷谱测试方法通常有两种，其一，通过直接测量铰点销轴力换算斗尖载荷谱。例如，申请号为：201510438599.1的中国专利申请中设计了一种销轴传感器，可以完整地测得铰点处的载荷，包括偏载和侧载，但这种方法需要设计加工专门的销轴传感器，且需要对铲斗结构做出较大的改造。其二，是对工作装置危险部位或主要受力部位布置应变片或应变花，由此得到应力谱，也可应用危险点应力与斗尖载荷的关系，换算斗尖载荷谱。例如，文献“R961型液压挖掘机斗杆载荷谱”提出了当量位置的概念，利用在当量位置下标定的斗尖载荷与危险测点应力的关系，将测点应力时间历程换算成当量位置下的斗尖载荷谱；文献“单斗液压挖掘机模型模拟试验加载谱的研究”通过测量挖掘过程中各油缸压力和伸缩量，计算出任意构件在挖掘过程中某点的应力时间历程，而后换算成特定加载位置下的加载载荷时间历程。这种方法在挖掘机细部结构发生变化后，由于危险点发生变化，换算的载荷谱无法推广应用，另外，目前这种方法也没有考虑挖掘过程中侧载和偏载的影响。此外，申请号为201310098680.0的中国专利申请提出了一种液压挖掘机工作装置载荷谱测试方法，该方法通过对工作装置的一种典型姿态及其受力状态进行分析实现斗尖载荷谱的测试。该方法测得的载荷谱只是在特定挖掘姿态下的载荷谱，缺乏普遍意义，且该方法未考虑侧载和偏载的影响。
因此，需要寻找更完善可靠的载荷谱测试方法，为挖掘机疲劳可靠性及耐久性分析等提供数据。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于，提供一种挖掘机工作装置载荷谱测试方法，能够在不改变挖掘机工作装置结构的前提下，对挖掘机工作过程中的受到的实际挖掘阻力进行间接测量。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
一种挖掘机工作装置载荷谱测试方法，包括以下步骤：
步骤一，在挖掘机的动臂液压缸、斗杆液压缸和铲斗液压缸上分别布置位移传感器，在动臂液压缸、斗杆液压缸和铲斗液压缸的大腔和小腔中分别布置压力传感器；位移传感器分别用于测取三个液压缸的伸缩量数据，而压力传感器分别用于测取三个液压缸的大腔、小腔的压力数据；
步骤二，利用一个虚拟平面对挖掘机的斗杆进行截切，计算截切下来的脱离体的重力，并通过测量挖掘机工作装置的姿态参数来计算脱离体的重心位置；
步骤三，在斗杆上布设三个应变花，应变花的布设位置与所述的虚拟平面对斗杆进行截切而形成的截切面位于同一个平面；通过三个应变花测试的应变来推导出截切面的内力分量；
步骤四，在挖掘机整个工作循环过程中，实时采集以上位移传感器、压力传感器以及应变花的测量数据，然后结合挖掘机工作装置的结构尺寸，由所述的截切面内力分量根据力的平衡关系计算出铲斗斗尖载荷时间历程，由载荷时间历程即可编制工作装置载荷谱。
进一步地，所述的位移传感器采用拉线式位移传感器，位移传感器的一端固定在动臂液压缸、斗杆液压缸和铲斗液压缸的缸筒上，另一端固定在与液压缸活塞杆铰接的销轴轴心处，安装时调整位移传感器的位置使位移传感器的拉线与动臂液压缸、斗杆液压缸和铲斗液压缸平行。
进一步地，所述的截切面位于斗杆上无应力集中处，且截切面垂直于斗杆纵向的中心轴线。
进一步地，所述的步骤二中，截切下来的脱离体包括铲斗、连杆、摇杆和部分斗杆，其中铲斗、连杆和摇杆的重力可直接测得，重心通过吊重法测得；所述的部分斗杆的重力和重心通过软件计算得到；得到铲斗、连杆、摇杆和部分斗杆的重力、重心后，再通过质心定理，可确定脱离体的总质心位置。
进一步地，所述的应变花包括1号应变花、2号应变花和3号应变花，其中1号应变花、2号应变花分别布置在斗杆左右腹板外表面，并通过所述的截切面水平中性轴；3号应变花布置在斗杆下翼缘板外表面，并通过截切面的垂直中性轴。
进一步地，所述的内力分量有六个，分别为轴向力Fx，水平平面内外力Fy，垂直平面内外力Fz，轴向力矩Mx，水平面内力矩My，垂直平面内力矩Mz；截切面内力通过以下表达式计算：
[Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz]T＝N-1[σ1,τ1,σ2,τ2,σ3,τ3]T
式中，N为截切面应力与截切面内力的关系矩阵，通过有限元分析软件拟合得到；σi和τi为第i号应变花测得的应变合成的轴向正应力和横向剪应力，i＝1,2,3。
进一步地，所述的步骤四中铲斗斗尖载荷时间历程的计算公式为：
上式中，Fx0,Fy0,Fz0,Mx0,My0,Mz0为斗尖力六个分量在基础坐标系下的表达参数；基础坐标系为设置在挖掘机基座上的坐标系，x方向为水平方向，z方向为竖直方向；β2为斗杆坐标系与基础坐标系的夹角，斗杆坐标系为设置在斗杆上的坐标系，斗杆坐标系的原点与斗杆、斗杆液压缸的铰接点重合，x方向与斗杆纵向中心轴线重合，指向铲斗；Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz为测试截切面内的六个内力分量在斗杆坐标系下的表达参数；FLx，FLz为铲斗液压缸力在斗杆坐标系下沿x，z方向的分量；Grx，Grz为脱离体总重力在斗杆坐标系下沿x，z方向的的分量；QR1X,QR1Z为斗尖与截切面中心的距离在斗杆坐标系下沿x，z方向的分量；R1R2为截切面中心与铲斗液压缸在斗杆坐标系下z方向的距离；X，Z为脱离体重心与截切面中心的距离在斗杆坐标系下沿x，z方向的分量。
本发明与现有技术相比具有以下技术特点：
1.利用本发明方法得到的载荷谱不仅包含了挖掘机挖掘过程中受到的正载的影响，而且包含了偏载和侧载的影响，与实际情况更加吻合，则获得的载荷谱更加准确，具有更好的参考价值和实际意义；
2.该方法以测试截切面的内力为基础，所得到的载荷谱不受测试样机细部结构的影响，具备很好的通用性；因此，该方法得到的载荷谱对同一类型的挖掘机均适用；
3.该方法仅通过在特定位置布置3个应变花即可求得截切面6个内力分量，测试方法简单可靠；
4.该方法不需要对挖掘机结构进行任何改造，容易实现，成本低。该方法适用于各类挖掘机工作装置载荷谱的测试，也可用于其它承受动载作用的结构载荷谱测试。
附图说明
图1是一种反铲挖掘机工作装置结构及附着于各部件上的坐标系示意图；
图2是挖掘机斗杆测试截切面应变花布置原理图；
图3是挖掘机工作装置由斗杆测试截切面所截脱离体受力分析示意图；
图1中的标号分别代表：1—基座，2—动臂液压缸，3—动臂，4—斗杆，5—铲斗液压缸，6—铲斗，7—连杆，8—摇杆，9—斗杆液压缸。
具体实施方式
遵从上述技术方案，如图1至图3所示，为了使本发明的技术方案更加清楚，以下结合附图以及实施例对本方案进一步说明。
如图1所示，挖掘机工作装置包括动臂3、斗杆4和铲斗6三部分，动臂3一端与基座1铰接于O点，另一端与斗杆4铰接于D点；斗杆4与铲斗6铰接于K点。动臂液压缸2设置在动臂3下侧，其两端分别通过铰接点A和B与基座1和动臂3连接，动臂液压缸2驱动动臂3绕O点执行起落动作。斗杆液压缸9设置在动臂3上侧，其两端分别通过铰接点C和E与动臂3和斗杆4连接，斗杆液压缸9驱动斗杆4绕D点转动。斗杆4上侧设置有铲斗液压缸5，铲斗液压缸5一端通过铰接点F与斗杆4连接，另一端通过铰接点H连接有连杆7和摇杆8，连杆7另一端通过铰接点G与斗杆4连接，摇杆8另一端通过铰接点M与铲斗6连接，铲斗液压缸5通过铲斗连杆机构驱动铲斗6绕点K转动。
由于挖掘机工作装置是具有3个自由度的多刚体系统，为了表述清楚，在工作装置上设置四个坐标系，其中，{O0}为基础坐标系，原点与O点重合；{O1}为固定在动臂上的旋转坐标系，原点也与O点重合；{O2}为固定在斗杆上的旋转坐标系，原点与E点重合；{O3}为固定在铲斗上的旋转坐标系，原点与K点重合。
由于挖掘机斗齿直接与工作介质接触，无法在斗齿上安装传感器直接测取斗尖挖掘阻力来编制载荷谱，本发明通过间接测取选定的斗杆测试截切面特定测点的应变，结合姿态参数来推导计算斗齿尖的挖掘阻力。由此，将斗齿的斗尖挖掘阻力时间历程的测试转换为斗杆测试截切面特定测点应变时间历程的测量。下面结合图1来说明本发明用于挖掘机工作装置载荷谱测试的具体步骤。
步骤一，准备工作：在挖掘机的动臂液压缸、斗杆液压缸和铲斗液压缸上分别布置位移传感器，在动臂液压缸、斗杆液压缸和铲斗液压缸的大腔和小腔中分别布置压力传感器；位移传感器分别用于测取三个液压缸的伸缩量数据，用于确定工作装置的瞬时姿态；位移传感器采用拉线式位移传感器，位移传感器的一端固定在动臂液压缸、斗杆液压缸和铲斗液压缸的缸筒上，另一端固定在与液压缸活塞杆铰接的销轴轴心处，安装时调整位移传感器的位置使位移传感器的拉线与动臂液压缸、斗杆液压缸和铲斗液压缸平行。而压力传感器分别用于测取三个液压缸的大腔、小腔的压力数据，用于确定液压缸力；
步骤二，利用一个虚拟平面对挖掘机的斗杆进行截切，计算截切下来的脱离体的重力，并通过测量挖掘机工作装置的姿态参数来计算脱离体的重心位置；这里的虚拟平面是一个假想的平面，假想以该平面对斗杆截切，截切下来的部分即为脱离体。脱离体包括铲斗、连杆、摇杆和部分斗杆，其中铲斗、连杆和摇杆的重力可直接测得，重心通过吊重法测得；所述的部分斗杆的重力和重心通过Pro/E三维软件计算得到；得到铲斗、连杆、摇杆和部分斗杆的重力、重心后，再通过质心定理，可确定脱离体的总质心位置。
步骤三，在斗杆上布设三个应变花，应变花的布设位置与所述的虚拟平面对斗杆进行截切而形成的截切面位于同一个平面；通过三个应变花测试的应变来推导出截切面的内力分量；
作为本实施例来讲，应变花包括1号应变花、2号应变花和3号应变花，其中1号应变花、2号应变花分别布置在斗杆左右腹板外表面，并通过所述的截切面水平中性轴；3号应变花布置在斗杆下翼缘板外表面，并通过截切面的垂直中性轴；这里的截切面的水平中性轴是指在截切面中，与铲斗上表面、下表面平行且位于中部的轴，如图2所示的Y方向。在试验过程中，用动态应变仪采集应变时间历程。
步骤四，在挖掘机整个工作循环过程中，实时采集以上位移传感器、压力传感器以及应变花的测量数据，然后结合挖掘机工作装置的结构尺寸，由所述的截切面内力分量根据力的平衡关系计算出铲斗斗尖载荷时间历程，由载荷时间历程即可编制工作装置载荷谱。
本方案进一步给出了一种铲斗斗尖载荷时间历程的计算方法：
步骤四中铲斗斗尖载荷时间历程的计算公式为：
其中：
[Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz]T＝N-1[σ1,τ1,σ2,τ2,σ3,τ3]T
式中，N为截切面应力与截切面内力的关系矩阵，通过ANSYS有限元分析软件拟合得到；σi和τi为第i号应变花测得的应变合成的轴向正应力和横向剪应力，i＝1,2,3。
上式中，Fx0,Fy0,Fz0,Mx0,My0,Mz0为斗尖力六个分量在基础坐标系{O0}下的表达参数；基础坐标系为设置在挖掘机基座上的坐标系，x方向为水平方向，z方向为竖直方向；β2为斗杆坐标系{O2}与基础坐标系{O0}的夹角，斗杆坐标系为设置在斗杆上的坐标系，斗杆坐标系的原点与斗杆、斗杆液压缸的铰接点重合，x方向与斗杆纵向中心轴线重合，指向铲斗；Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz为截切面内的六个内力分量在斗杆坐标系{O2}下的表达参数；FLx，FLz为铲斗液压缸力在斗杆坐标系{O2}下沿x，z方向的分量；Grx，Grz为脱离体总重力在斗杆坐标系{O2}下沿x，z方向的的分量；为斗尖与截切面中心的距离在斗杆坐标系{O2}下沿x，z方向的分量；为截切面中心与铲斗液压缸在斗杆坐标系{O2}下z方向的距离；X，Z为脱离体重心与截切面中心的距离在斗杆坐标系{O2}下沿x，z方向的分量；基于运动学原理，根据D-H法可确定任意时刻工作装置上任意点的空间位置及坐标，即可求得以上各长度尺寸和角度。
下面参照图2和图3来说明本发明提出的挖掘机工作装置载荷谱测试方法的机理及推导公式。在斗杆上无应力集中的部位选取适当的虚拟平面假想地截开工作装置，并以斗杆和铲斗部件为脱离体，该脱离体受到的外力分别为铲斗液压缸力，测试截切面内力，挖掘阻力以及重力。由于挖掘过程中受到的挖掘阻力是一组空间力系，将其向斗尖中心合成为水平方向挖掘阻力，竖直方向挖掘阻力，侧向挖掘阻力，以及水平方向挖掘阻力矩，竖直方向挖掘阻力矩及侧向挖掘阻力矩，统称为斗尖力。若已知液压缸力，测试截切面内力和重力，对脱离体建立力学平衡方程，即可求得斗尖力。
1)铲斗液压缸力可通过下式计算得到：F'＝(Pd×Sd-Px×Sx)×10-5，式中，F’—铲斗液压缸力，N；Pd—铲斗液压缸大腔压力，bar；Sd—铲斗液压缸大腔有效面积，m2；Px—铲斗液压缸小腔压力，bar；Sx—铲斗液压缸小腔有效面积，m2；
2)如图2所示，将斗杆简化成薄壁箱梁，假设斗杆某截切面同时受到六个内力分量，即，轴向力Fx，水平平面内外力Fy，垂直平面内外力Fz，轴向力矩Mx，水平面内力矩My，垂直平面内力矩Mz。根据箱型梁截切面在不同内力下的应力分布的分析，可知测试截切面应力与内力的对应关系。因此，测试截切面内力可通过测量截切面应力得到。本发明采用直接拟合的方式确定关系矩阵N中的参数。利用ANSYS有限元分析软件建立一定长度的挖掘机实际斗杆的有限元模型，在斗杆模型的一端施加全约束，在另一端分别施加6种载荷(Fx，Fy，Fz，Mx，My，Mz)，每种载荷设置递增的5个等级，每次加载求解后，记录斗杆测试截切面上的内力和测试截切面内3个测点处的应力分量。通过拟合，确定矩阵N中的参数。
3)测试截切面三个测点的正应力和剪应力分量，可由应变花测得的三个应变分量按下式求得，应变花布置方向如图2所示。
其中，εi-x，εi-z和εi-45°分别为第i个测点的x，z，45°方向的应变，E为弹性模量，μ为泊松比。
4)铲斗斗杆脱离体在{O2}坐标系下的受力分析如图3所示。对其建立力学平衡方程：
式中，
Fx',Fy',Fz',Mx',My',Mz'为斗尖力在{O2}坐标系下的六个分量，其它符号含义与上文一致；再将斗尖力通过矢量旋转定理转换到基础坐标系{O0}下：
其中各符号含义如上。将上述过程整理后即得表达式：
可将上述计算过程用计算机语言编程，输入参数为挖掘机工作装置的结构参数，各测点的应变，3个液压缸位移和油压数据等，输出即为挖掘机斗尖力的时间历程。该数据可作为挖掘机工作装置载荷谱编制的基础数据。

Claims (7)

1.一种挖掘机工作装置载荷谱测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，在挖掘机的动臂液压缸、斗杆液压缸和铲斗液压缸上分别布置位移传感器，在动臂液压缸、斗杆液压缸和铲斗液压缸的大腔和小腔中分别布置压力传感器；位移传感器分别用于测取三个液压缸的伸缩量数据，而压力传感器分别用于测取三个液压缸的大腔、小腔的压力数据；
步骤二，利用一个虚拟平面对挖掘机的斗杆进行截切，计算截切下来的脱离体的重力，并通过测量挖掘机工作装置的姿态参数来计算脱离体的重心位置；
步骤三，在斗杆上布设三个应变花，应变花的布设位置与所述的虚拟平面对斗杆进行截切而形成的截切面位于同一个平面；通过三个应变花测试的应变来推导出截切面的内力分量；
步骤四，在挖掘机整个工作循环过程中，实时采集以上位移传感器、压力传感器以及应变花的测量数据，然后结合挖掘机工作装置的结构尺寸，由所述的截切面内力分量根据力的平衡关系计算出铲斗斗尖载荷时间历程，由载荷时间历程即可编制工作装置载荷谱。
2.如权利要求1所述的挖掘机工作装置载荷谱测试方法，其特征在于，所述的位移传感器采用拉线式位移传感器，位移传感器的一端固定在动臂液压缸、斗杆液压缸和铲斗液压缸的缸筒上，另一端固定在与液压缸活塞杆铰接的销轴轴心处，安装时调整位移传感器的位置使位移传感器的拉线与动臂液压缸、斗杆液压缸和铲斗液压缸平行。
3.如权利要求1所述的挖掘机工作装置载荷谱测试方法，其特征在于，所述的截切面位于斗杆上无应力集中处，且截切面垂直于斗杆纵向的中心轴线。
4.如权利要求1所述的挖掘机工作装置载荷谱测试方法，其特征在于，所述的步骤二中，截切下来的脱离体包括铲斗、连杆、摇杆和部分斗杆，其中铲斗、连杆和摇杆的重力可直接测得，重心通过吊重法测得；所述的部分斗杆的重力和重心通过软件计算得到；得到铲斗、连杆、摇杆和部分斗杆的重力、重心后，再通过质心定理，可确定脱离体的总质心位置。
5.如权利要求1所述的挖掘机工作装置载荷谱测试方法，其特征在于，所述的应变花包括1号应变花、2号应变花和3号应变花，其中1号应变花、2号应变花分别布置在斗杆左右腹板外表面，并通过所述的截切面水平中性轴；3号应变花布置在斗杆下翼缘板外表面，并通过截切面的垂直中性轴。
6.如权利要求1所述的挖掘机工作装置载荷谱测试方法，其特征在于，所述的内力分量有六个，分别为轴向力Fx，水平平面内外力Fy，垂直平面内外力Fz，轴向力矩Mx，水平面内力矩My，垂直平面内力矩Mz；截切面内力通过以下表达式计算：
[Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz]T＝N-1[σ1,τ1,σ2,τ2,σ3,τ3]T
式中，N为截切面应力与截切面内力的关系矩阵，通过有限元分析软件拟合得到；σi和τi为第i号应变花测得的应变合成的轴向正应力和横向剪应力，i＝1,2,3。
7.如权利要求1所述的挖掘机工作装置载荷谱测试方法，其特征在于，所述的步骤四中铲斗斗尖载荷时间历程的计算公式为：
上式中，Fx0,Fy0,Fz0,Mx0,My0,Mz0为斗尖力六个分量在基础坐标系下的表达参数；基础坐标系为设置在挖掘机基座上的坐标系，x方向为水平方向，z方向为竖直方向；β2为斗杆坐标系与基础坐标系的夹角，斗杆坐标系为设置在斗杆上的坐标系，斗杆坐标系的原点与斗杆、斗杆液压缸的铰接点重合，x方向与斗杆纵向中心轴线重合，指向铲斗；Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz为测试截切面内的六个内力分量在斗杆坐标系下的表达参数；FLx，FLz为铲斗液压缸力在斗杆坐标系下沿x，z方向的分量；Grx，Grz为脱离体总重力在斗杆坐标系下沿x，z方向的的分量；为斗尖与截切面中心的距离在斗杆坐标系下沿x，z方向的分量；为截切面中心与铲斗液压缸在斗杆坐标系下z方向的距离；X，Z为脱离体重心与截切面中心的距离在斗杆坐标系下沿x，z方向的分量。
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