CN107356445B - 装载机工作装置疲劳试验谱整理方法、加载方法及装置 - Google Patents

装载机工作装置疲劳试验谱整理方法、加载方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及装载机工作装置疲劳试验谱整理方法、加载方法及装置，先将装载机工作装置简化为一个平面结构，建立动臂坐标系xoy，获得铲斗与动臂的铰点A、摇臂与动臂的铰点D、动臂油缸与动臂的铰点I在动臂坐标系下的铰点力载荷时间历程；再在动臂板的中性面上选取结构点，计算动臂坐标系下动臂板上结构点的弯矩Mi；固定铲掘姿态下，装载机工作装置受到等效外力F、动臂油缸对动臂的作用力FI和摇臂油缸对摇臂的作用力FE，求解得到等效外力F的位置和方向参数，再获取等效外力F的载荷时间历程，编制装载机工作装置疲劳试验谱。本发明建立动臂截面弯矩与等效外力的当量关系来绘制试验谱，能同时考虑铲斗底板垂向载荷和水平载荷的作用。

Description

装载机工作装置疲劳试验谱整理方法、加载方法及装置
技术领域
本发明属于疲劳试验领域，具体涉及装载机工作装置疲劳试验谱整理方法、加载方法及装置。
背景技术
工作装置是装载机主要的工作部件，也是装载机的直接受力部件，其结构性能及疲劳性能的好坏直接影响装载机的使用可靠性和寿命。装载机工作装置结构的疲劳断裂是装载机工作装置结构破坏的主要原因，对装载机工作装置进行疲劳寿命试验是制定结构维修保养计划以及保证结构基本使用时间的重要基础。而且疲劳台架试验时需要固定装载机工作装置姿态，因此，装载机工作装置疲劳试验载荷谱整理与加载方法是疲劳寿命预测领域的一个重要研究方向。
目前，还没有一种适用于装载机工作装置的疲劳试验载荷谱整理与加载方法，这是因为工作装置在装载机铲装作业过程中的姿态不断发生变化，二疲劳试验时需要将装载机工作装置固定在某个姿态下，两者之间的矛盾难以协调。这里利用动臂截面弯矩等效原则，将不同作业姿态下装载机工作装置的试验实测外载荷当量至固定姿态下，并采用数理统计的方法编制了装载机工作装置疲劳试验载荷谱。现有的装载机工作装置疲劳试验加载装置是标准“JB/T5958-1991装载机工作装置疲劳试验方法”提出的在铲斗中心斗尖处加载垂向载荷，这种加载方法与加载装置只考虑了装载机工作装置所受垂向载荷的作用，没有考虑装载机工作装置水平载荷的作用，并且只适用于单一机型。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供装载机工作装置疲劳试验谱整理方法、加载方法及装置，适用于不同型号的装载机工作装置疲劳试验。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
包括以下步骤：
(1)将装载机工作装置简化为一个平面结构，建立动臂坐标系xoy，并通过销轴传感器获得铲斗与动臂的铰点A、摇臂与动臂的铰点D、动臂油缸与动臂的铰点I在动臂坐标系下的铰点力载荷时间历程；
(2)在动臂板的中性面上选取结构点，计算动臂坐标系下动臂板上结构点的弯矩Mi；
(3)固定铲掘姿态下，装载机工作装置受到等效外力F、动臂油缸对动臂的作用力FI和摇臂油缸对摇臂的作用力FE，求解得到等效外力F的位置和方向参数；
(4)根据等效外力F的位置和方向参数获取等效外力F的载荷时间历程；
(5)根据等效外力F的载荷时间历程编制装载机工作装置疲劳试验谱。
进一步地，步骤(1)中动臂坐标系xoy以动臂两端铰接点连线为x轴，指向铲斗一端为x轴正方向，垂直x轴向上为y轴正方向，以动臂与前车架铰接点为原点。
进一步地，步骤(1)中在动臂坐标系下获得的铰点力载荷时间历程包括：铰点A在x轴方向的分力FAx，在y轴方向的分力FAy；铰点I在x轴方向的分力FIx，在y轴方向的分力FIy；铰点D在x轴方向的分力FDx，在y轴方向的分力FDy；
步骤(2)中在动臂板前段、中间和后段的中性面上分别选取结构点，记为O1～O8，其弯矩Mi的计算公式如下：
M1＝FAx·yA1-FAy·xA1 (1)
M2＝-FAx·yA2-FAy·xA2 (2)
M3＝-FAx·yA3-FAy·xA3 (3)
M4＝-FAx·yA4-FAy·xA4 (4)
M5＝-FAx·yA5-FAy·xA5+FDx·yD5-FDy·xD5 (5)
M6＝-FAx·yA6-FAy·xA6+FDx·yD6-FDy·xD6 (6)
M7＝-FAx·yA7-FAy·xA7+FDx·yD7-FDy·xD7-FIx·yI7-FIy·xI7 (7)
M8＝-FAx·yA8-FAy·xA8+FDx·yD8-FDy·xD8-FIx·yI8-FIy·xI8 (8)
式中，xAi和yAi分别为Oi点到力FAy和FAx作用线的垂直距离，xDi和yDi分别为Oi点到力FDy和FDx作用线的垂直距离，xIi和yIi分别为Oi点到力FIy和FIx作用线的垂直距离，其中i＝1，2，…，8。
进一步地，步骤(3)具体包括：
(301)设等效外力的位置和方向参数h和l和ξ；其中，h为等效外力作用点到铲斗与动臂的铰点之间距离在水平X轴上的投影长度，l为等效外力作用点到铲斗与动臂的铰点之间距离在竖直Y轴上的投影长度，ξ为等效外力作用线与水平X轴的夹角；
(302)动臂油缸对动臂的作用力FI和摇臂油缸对摇臂的作用力FE用等效外力F表示，
FE＝α·F (9)
FI＝β·F (10)
α和β均为系数；
(303)在铰点I的前后两段各取两个点的弯矩值得到n个作业循环下铲掘姿态时弯矩最大值的均值Mmax，设选取的点分别为O2、O3、O6和O7，则
和分别为O2点到铰点A距离在水平X轴和竖直Y轴的投影；和分别为O3点到铰点A距离在水平X轴和竖直Y轴的投影；和分别为O6点到铰点A距离在水平X轴和竖直Y轴的投影；和分别为O7点到铰点A距离在水平X轴和竖直Y轴的投影；和分别为O6点到力FI和FE作用线的垂直距离；和分别为O7点到力FI和FE作用线的垂直距离；
(304)联立式(9)～式(11)，解得等效外力F的位置和方向参数h、l和ξ。
进一步地，步骤(4)具体包括：根据等效外力F的位置和方向参数h、l和ξ绘制动臂截面弯矩图，从动臂截面弯矩图中得出最大弯矩截面，利用该最大弯矩截面的结构点的弯矩得到等效外力F：如最大弯矩截面为过点O5的截面，则：
根据不同时间下等效外力F值得到等效外力F的载荷时间历程。
本发明加载方法的技术方案是：还包括以下步骤：
在保持装载机工作装置整体处于铲掘姿态下，将装载机工作装置整体绕当量外力作用线与铲斗底板交点顺时针旋转，旋转后施加装载机工作装置疲劳试验谱的液压作动器相对于地面呈垂直姿态，将装载机工作装置疲劳试验谱加载在装载机工作装置上。
本发明加载装置的技术方案是：包括铲斗，铲斗的后侧通过动臂与刚性墙相铰接，动臂的中部连接动臂油缸；动臂铰接摇臂，且摇臂的一端与连杆相铰接，连杆与铲斗的后侧中部相铰接，摇臂的另一端与摇臂油缸相连；摇臂油缸、动臂、动臂油缸分别与刚性墙相铰接；铲斗的铲斗底板与辅助工装下端端面平行且固定连接，辅助工装上端连接液压油缸。
进一步地，液压油缸通过螺栓固定在液压油缸支架的上部，液压油缸支架固定在地面上。
进一步地，摇臂油缸通过第一铰接支架与刚性墙相铰接；动臂通过第二铰接支架与刚性墙相铰接；动臂油缸通过第三铰接支架与刚性墙相铰接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明根据装载机铲装作业时工作装置受力特点，建立动臂截面弯矩与等效外力的当量关系，获得了集中外载荷的作用位置和作用方向，利用动臂最大弯矩截面弯矩的时间历程得到等效外力的时间历程，实现了工作装置所受复杂载荷简化至固定姿态下铲斗的一个集中外载荷。本发明将随姿态变化的装载机工作装置所受外力当量至固定姿态下一个方向的力，提出的载荷等效方法解决了装载机工作装置外载荷难以表述的问题，根据载荷当量结果编制了装载机工作装置疲劳试验谱，克服了现有行业标准中只考虑铲斗底板垂向载荷而忽略水平载荷的弊端。
利用本发明试验谱进行的加载方法能够同时考虑装载机工作装置所受垂向载荷和水平载荷的作用，并且适用于多种机型。
本发明设计的装载机工作装置疲劳试验谱加载装置，各结构间距可调节，适用于不同型号的装载机工作装置疲劳试验。
附图说明
图1是装载机工作装置结构示意图。
图2是装载机工作装置动臂坐标系与结构弯矩计算点位置。
图3是固定铲掘姿态下基于动臂结构点弯矩的外力当量模型。
图4是装载机工作装置疲劳试验谱编制流程。
图5是装载机工作装置疲劳试验谱加载装置示意图。
图6(a)是动臂坐标系下工作装置动臂结构弯矩计算结果，图6(b)是图6(a)中A处的局部放大图。
图7是铲掘作业姿态下被选取点弯矩最值。
图8(a)是ZL50G装载机大石方物料当量外载荷时间历程示意图；图8(b)是ZL50G装载机黏土物料当量外载荷时间历程示意图；图8(c)是ZL50G装载机砂子物料当量外载荷时间历程示意图；图8(d)是ZL50G装载机小石方物料当量外载荷时间历程示意图。
其中：1.铲斗；2.连杆；3.摇臂；4.摇臂油缸；5.动臂；6.动臂油缸；7.液压油缸；8.液压油缸支架；9.辅助工装；10.刚性墙；11.第一铰接支架；12.第二铰接支架；13.第三铰接支架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明的目的在于提供一种基于动臂截面弯矩等效的装载机工作装置疲劳试验谱整理方法和一种使用于不同型号装载机工作装置的疲劳试验谱加载方法。
如图1所示：装载机工作装置包括铲斗1，铲斗1的后侧通过两个平行的动臂5与前车架相铰接，动臂5的中部连接动臂油缸6；前车架还铰接摇臂3的中部，摇臂3位于两个动臂5中间，且摇臂3的一端与连杆2相铰接，连杆2与铲斗1的后侧中部相铰接，摇臂3的另一端与摇臂油缸4相连，摇臂油缸4和动臂油缸6均连接前车架。
1)将装载机工作装置简化为一个平面结构，通过销轴传感器获得铲斗与动臂、摇臂与动臂、动臂油缸与动臂铰接点在动臂坐标系下的铰点力载荷时间历程，动臂坐标系以动臂两端铰接点连线为x轴，指向铲斗一端为x轴正方向，垂直x轴向上为y轴正方向，以动臂后端和刚性墙的铰接点为原点。
FAx、FAy、FIx、FIy、FDx和FDy为动臂坐标系下动臂结构上动臂和铲斗的铰点A、动臂和动臂油缸的铰点I、动臂和摇臂的铰点D在动臂坐标系x和y方向上的分力。
2)在动臂板前段、中间和后段中性面上选取结构截面弯矩计算点，简称结构点，分别标记为O1～O8，计算动臂坐标系下动臂板上所选取点的弯矩，动臂上8个点的弯矩分别如式(1)～(8)所示。
M1＝FAx·yA1-FAy·xA1 (1)
M2＝-FAx·yA2-FAy·xA2 (2)
M3＝-FAx·yA3-FAy·xA3 (3)
M4＝-FAx·yA4-FAy·xA4 (4)
M5＝-FAx·yA5-FAy·xA5+FDx·yD5-FDy·xD5 (5)
M6＝-FAx·yA6-FAy·xA6+FDx·yD6-FDy·xD6 (6)
M7＝-FAx·yA7-FAy·xA7+FDx·yD7-FDy·xD7-FIx·yI7-FIy·xI7 (7)
M8＝-FAx·yA8-FAy·xA8+FDx·yD8-FDy·xD8-FIx·yI8-FIy·xI8 (8)
式中，xAi和yAi分别为Oi点到力FAy和FAx作用线的垂直距离，xDi和yDi分别为Oi点到力FDy和FDx作用线的垂直距离，xIi和yIi分别为Oi点到力FIy和FIx作用线的垂直距离，其中i＝1，2，…，8。
采用图2和式(1)～(8)的模型计算得到的动臂上结构点弯矩，在动臂坐标系下进行弯矩计算，因而消除了装载机工作装置作业时的姿态影响。
3)在铲装作业段，工作装置承受的外载荷最大，因此选定工作装置铲掘姿态为等效外力F的当量姿态。装载机工作装置受到等效外力F、动臂油缸和摇臂油缸的支反力FI和FE，如图3所示。
图3中，F为等效外力，h和l分别为等效外力作用点到铰点A的距离在相对于水平地面的水平X轴和竖直Y轴上的投影长度，ξ为等效外力作用线与X轴的夹角，
4)固定铲掘作业姿态下，动臂油缸对动臂的作用力FI和摇臂油缸对摇臂的作用力FE可以用等效外力F来表示，如式(9)和式(10)所示。
FE＝α·F (9)
FI＝β·F (10)
系数α可以通过铲斗受力对铰点A取合力矩平衡以及摇臂受力对铰点D取合力矩平衡求得；系数β可以通过动臂受力对动臂与刚性墙的铰点G取合力矩平衡求得。
5)固定铲装作业姿态时，动臂结构上点的弯矩可以用等效外力F来表示，此时与等效外力F作用位置和方向有关的3个未知参数为h、l和ξ，可以由动臂坐标系下铲掘姿态下求得的动臂上铰点I前后两段各取2个点共计4个点的弯矩值计算获取。
其中，点O1、O2、O3、O4、O5中可以任选两点，O6、O7、O8中可以任选两点，通过如式(11)所示的四个点的弯矩计算公式求解与等效外力F相关的未知参数。
这里选取O2、O3、O6和O7共4个点的由图2所示模型得到的n个作业循环下铲掘姿态时弯矩最大值的均值Mmax，利用该均值求解等效外力F的位置和方向参数，求解方程组如式(11)所示。
和分别为O2点到铰点A距离在X和Y轴的投影；和分别为O3点到铰点A距离在X和Y轴的投影；和分别为O6点到铰点A距离在X和Y轴的投影；和分别为O7点到铰点A距离在X和Y轴的投影；和分别为O6点到力FI和FE作用线的垂直距离；和分别为O7点到力FI和FE作用线的垂直距离。
6)此时，联立式(9)～式(11)即可解得等效外力F的位置和方向参数h、l和ξ，根据等效外力F的位置和方向参数h、l和ξ绘制动臂截面弯矩图，从动臂截面弯矩图中得出最大弯矩截面，本实施例中确定装载机工作装置动臂最大弯矩截面为过点O5的截面，因此利用点O5的弯矩即可得到等效外力F。
7)根据不同时间下等效外力F值得到等效外力F的载荷时间历程，然后，对载荷时间历程进行奇异值去除处理，然后进行峰谷抽取和小波处理，对处理后的载荷数据进行雨流计数，得到载荷均值幅值和频次的分布关系，对均值频次分布和幅值频次分布进行独立性检验，在符合均值频次分布和幅值频次分布相互独立的基础上，按照不同铲装物料的时间比例进行工况合成，采用参数外推法进行试验谱的编制，对编制的试验谱进行损伤一致性检验，从而得到疲劳试验谱；如下流程图4所示，即可编制装载机工作装置疲劳试验谱。
8)得到装载机工作装置疲劳试验谱后，在保持装载机工作装置整体处于铲掘姿态下，将装载机工作装置整体绕当量外力作用线与铲斗底板交点顺时针旋转角度数(90-ξ)，旋转后施加试验谱的液压作动器相对于地面呈垂直姿态，便于加载，装载机工作装置疲劳试验谱加载装置如图5所示。
图5中，液压油缸支架8与水平地面通过螺栓连接固定在地面上；刚性墙10与水平地面通过螺栓连接固定在地面上；液压油缸7通过螺栓连接固定在液压油缸支架8的上部，液压油缸7的下端与辅助工装9铰接，辅助工装9下端端面与铲斗底板平行并且与铲斗底板固定连接；第一铰接支架11、第二铰接支架12和第三铰接支架13的一端分别通过螺栓与刚性墙10固定连接，在刚性墙10上设置不同位置的螺栓孔，可以实现3个铰接支架之间相对位置的调整；第一铰接支架11另一端与摇臂油缸4铰接；第二铰接支架12另一端与动臂5铰点G相铰接；第三铰接支架13另一端与动臂油缸6铰接。
案例分析：
以徐工ZL50G装载机为试验样机，实测得到大石方、黏土、砂子和小石方4种物料下的动臂铰接点处的载荷时间历程，根据式(1)～(8)计算得到8个点的弯矩时间历程如图6(a)所示，图6(b)为弯矩峰值时刻的放大图。根据各点的弯矩时间历程可以确定铲掘姿态下各点的弯矩最值，同时利用O5点的弯矩时间历程可以得到等效外力F的时间历程。
在四种铲装作业物料中分别选取30斗铲掘作业姿态下M2、M3、M6和M7的值，不同铲掘作业姿态下被选取点弯矩大小如图7所示。由图7可知，铲装相同或者不同作业物料时，铲掘姿态下同一个点的弯矩最值也不相同，因而需要用各点弯矩最值的均值来计算等效外力F相关的未知参数。
根据表4个点的弯矩最值的均值和式(11)可求得ZL50G装载机工作装置等效外力F的作用点位置参数l、h和ξ分别为1149mm、674mm、58°。
进而利用O5点的弯矩载荷时间历程求得当量外力的载荷时间历程，大石方、黏土、砂子和小石方四种物料的当量载荷时间历程分别如图8(a)、图8(b)、图8(c)、图8(d)所示。
对实测样本数据分物料进行雨流计数，并外推至10e6频次，得到ZL50装载机工作装置8级试验谱：
表1 ZL50G装载机工作装置8级二维试验谱
变均值一维谱为：
表2 ZL50G装载机工作装置8级一维试验谱
级数 级均值(KN) 幅值(KN) 频次 级最小值(KN) 级最大值(KN)
1 40.48 16.49 905543 23.99 56.97
2 63.93 36.28 46717 27.65 100.21
3 69.93 56.06 11532 13.87 125.99
4 75.66 75.86 15032 -0.20 151.52
5 86.76 95.64 15699 -8.88 182.4
6 105.55 112.13 5204 -6.58 217.68
7 106.69 125.32 162 -18.63 232.01
8 106.69 131.92 1 -25.23 238.61
利用图5所示疲劳试验加载装置，通过液压油缸将表2中的8级试验谱加载在工作装置上。

Claims (5)

1.装载机工作装置疲劳试验谱整理方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将装载机工作装置简化为一个平面结构，建立动臂坐标系xoy，并通过销轴传感器获得铲斗与动臂的铰点A、摇臂与动臂的铰点D、动臂油缸与动臂的铰点I在动臂坐标系下的铰点力载荷时间历程；
(2)在动臂板的中性面上选取结构点，计算动臂坐标系下动臂板上结构点的弯矩Mi；
(3)固定铲掘姿态下，装载机工作装置受到等效外力F、动臂油缸对动臂的作用力FI和摇臂油缸对摇臂的作用力FE，求解得到等效外力F的位置和方向参数；
(4)根据等效外力F的位置和方向参数获取等效外力F的载荷时间历程；
(5)根据等效外力F的载荷时间历程编制装载机工作装置疲劳试验谱；
步骤(1)中动臂坐标系xoy以动臂两端铰接点连线为x轴，指向铲斗一端为x轴正方向，垂直x轴向上为y轴正方向，以动臂与前车架铰接点为原点。
2.根据权利要求1所述的装载机工作装置疲劳试验谱整理方法，其特征在于：步骤(1)中在动臂坐标系下获得的铰点力载荷时间历程包括：铰点A在x轴方向的分力FAx，在y轴方向的分力FAy；铰点I在x轴方向的分力FIx，在y轴方向的分力FIy；铰点D在x轴方向的分力FDx，在y轴方向的分力FDy；
步骤(2)中在动臂板前段、中间和后段的中性面上分别选取结构点，记为O1～O8，其弯矩Mi的计算公式如下：
M1＝FAx·yA1-FAy·xA1 (1)
M2＝-FAx·yA2-FAy·xA2 (2)
M3＝-FAx·yA3-FAy·xA3 (3)
M4＝-FAx·yA4-FAy·xA4 (4)
M5＝-FAx·yA5-FAy·xA5+FDx·yD5-FDy·xD5 (5)
M6＝-FAx·yA6-FAy·xA6+FDx·yD6-FDy·xD6 (6)
M7＝-FAx·yA7-FAy·xA7+FDx·yD7-FDy·xD7-FIx·yI7-FIy·xI7 (7)
M8＝-FAx·yA8-FAy·xA8+FDx·yD8-FDy·xD8-FIx·yI8-FIy·xI8 (8)
式中，xAi和yAi分别为Oi点到力FAy和FAx作用线的垂直距离，xDi和yDi分别为Oi点到力FDy和FDx作用线的垂直距离，xIi和yIi分别为Oi点到力FIy和FIx作用线的垂直距离，其中i＝1，2，…，8。
3.根据权利要求2所述的装载机工作装置疲劳试验谱整理方法，其特征在于：步骤(3)具体包括：
(301)设等效外力的位置和方向参数h和l和ξ；其中，h为等效外力作用点到铲斗与动臂的铰点之间距离在水平X轴上的投影长度，l为等效外力作用点到铲斗与动臂的铰点之间距离在竖直Y轴上的投影长度，ξ为等效外力作用线与水平X轴的夹角；
(302)动臂油缸对动臂的作用力FI和摇臂油缸对摇臂的作用力FE用等效外力F表示，
FE＝α·F (9)
FI＝β·F (10)
α和β均为系数；
(303)在铰点I的前后两段各取两个点的弯矩值得到n个作业循环下铲掘姿态时弯矩最大值的均值Mmax，设选取的点分别为O2、O3、O6和O7，则
和分别为O2点到铰点A距离在水平X轴和竖直Y轴的投影；和分别为O3点到铰点A距离在水平X轴和竖直Y轴的投影；和分别为O6点到铰点A距离在水平X轴和竖直Y轴的投影；和分别为O7点到铰点A距离在水平X轴和竖直Y轴的投影；和分别为O6点到力FI和FE作用线的垂直距离；和分别为O7点到力FI和FE作用线的垂直距离；
(304)联立式(9)～式(11)，解得等效外力F的位置和方向参数h、l和ξ。
4.根据权利要求3所述的装载机工作装置疲劳试验谱整理方法，其特征在于：步骤(4)具体包括：根据等效外力F的位置和方向参数h、l和ξ绘制动臂截面弯矩图，从动臂截面弯矩图中得出最大弯矩截面，利用该最大弯矩截面的结构点的弯矩得到等效外力F：如最大弯矩截面为过点O5的截面，则：
根据不同时间下等效外力F值得到等效外力F的载荷时间历程。
5.利用权利要求1所述整理方法进行的装载机工作装置疲劳试验谱加载方法，其特征在于：还包括以下步骤：
在保持装载机工作装置整体处于铲掘姿态下，将装载机工作装置整体绕当量外力作用线与铲斗底板交点顺时针旋转，旋转后施加装载机工作装置疲劳试验谱的液压作动器相对于地面呈垂直姿态，将装载机工作装置疲劳试验谱加载在装载机工作装置上。
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