CN109253871A - 挖掘机下车架等效力时间历程获取及疲劳试验谱整理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种挖掘机下车架等效力时间历程获取及疲劳试验谱整理方法，结合油缸力‑时间历程、工作姿态、铰点力‑时间历程，分别在挖掘姿态和卸载姿态下，获取地面对下车架的作用力并分解至支撑轮，将支撑轮处的作用力等效为竖直方向的等效力，根据挖掘机的工作循环进行变换，得到下车架各支撑轮处时间相等的程序谱，对程序谱进行等效变换得到最终的疲劳试验谱。本发明的挖掘机下车架等效力时间历程获取及疲劳试验谱整理方法可对下车架部件进行台架疲劳试验，提高试验精度；通过损伤一致性修正保证疲劳试验谱的准确可靠；通过损伤等效变换将程序谱等效为恒幅谱，保证疲劳试验谱相位的同步性；本发明可以扩展至相似下车架的设备，适用范围广阔。

Description

挖掘机下车架等效力时间历程获取及疲劳试验谱整理方法

技术领域

本发明涉及机械设备领域，涉及挖掘机下车架等效力获取及疲劳试验，具体涉及一种挖掘机下车架等效力时间历程获取及疲劳试验谱整理方法。

背景技术

机械设备发生结构上的破坏往往不是其静强度不足，而是疲劳损伤累积引起的疲劳裂纹导致疲劳断裂。然而，国内厂商针对挖掘机实际工况下的疲劳强度试验等关键技术的研发还没有取得突破性进展。缺少实际工况下的疲劳试验，挖掘机下车架的可靠性研究很难得到提高。为了能够对挖掘机下车架的耐久性设计和优化提供技术支持，需要对挖掘机下车架进行疲劳试验。所以，研究挖掘机下车架等效力时间历程获取方法和下车架疲劳试验谱的整理方法是非常必要的。

现有技术对挖掘机结构件的疲劳试验研究主要集中在动臂和斗杆构件，对于挖掘机下车架构件的疲劳试验研究比较少，主要难点在于挖掘机工作过程中下车架所受实际外力复杂，可以反映下车架实际受力状态的疲劳试验用载荷谱难以整理，且传统加载方法难以实现。

综上所述，急需寻求一种合理的挖掘机下车架等效力时间历程获取方法和下车架疲劳试验谱的整理方法，为挖掘机下车架构件的疲劳试验及可靠性寿命预估研究提供基础。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种挖掘机下车架等效力时间历程获取及疲劳试验谱整理方法，解决现有技术中缺乏相应的挖掘机下车架等效力时间历程获取方法和下车架疲劳试验谱的整理方法导致的疲劳试验用载荷谱难以整理的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种挖掘机下车架等效力时间历程获取方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：铰点力时间历程获取，

实测动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的伸缩量时间历程，进而获得工作姿态；

实测动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的无杆腔和有杆腔的压力时间历程，计算求得动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的油缸力时间历程；

对挖掘机工作装置各构件建立力学平衡方程，代入所述的油缸力时间历程和工作姿态，求解出转台与动臂铰点、转台与动臂油缸铰点的铰点力时间历程；

所述的转台与动臂铰点记为A点，转台与动臂油缸铰点记为O点，所述的工作姿态包括挖掘姿态和卸载姿态，所述的伸缩量时间历程和压力时间历程测定时长相等且同时测定；

步骤二：下车架受力时间历程获取，

在挖掘姿态下，对液压挖掘机下车架与转台整体进行受力分析，通过步骤一中得到的A点和O点的铰点力时间历程，建立力学平衡方程，求解挖掘姿态下，地面对下车架的作用力时间历程；

在卸载姿态下，对液压挖掘机下车架与转台整体进行受力分析，通过步骤一中得到的A点和O点的铰点力时间历程，建立力学平衡方程，求解卸载姿态下，地面对下车架的作用力时间历程；

步骤三：支撑轮受力时间历程获取，

将步骤二中得到的挖掘姿态下，地面对下车架的作用力分解到挖掘机的四个支撑轮处的Rxyz坐标系中，建立力学平衡方程，求解挖掘姿态下，四个支撑轮受到的支撑力时间历程；

将步骤二中得到的卸载姿态下，地面对下车架的作用力分解到挖掘机的四个支撑轮处的Rxyz坐标系中，建立力学平衡方程，求解卸载姿态下，四个支撑轮受到的支撑力时间历程；

所述的四个支撑轮记为M、N、P和Q；

步骤四，支撑轮受力简化至竖直方向，

针对下车架和转台建立有限元模型，根据有限元分析，获得结构上的应力最危险点，基于最危险点的应力值，计算支撑轮M、N、P和Q处的x、y、z方向的应力传递系数k_xj、k_yj、k_zj，其中j＝M，N，P，Q；

通过所述的应力传递系数和在挖掘姿态下步骤三中获得的支撑力，根据应力损伤等效原则，计算支撑轮j在z方向的等效力，获得挖掘姿态下支撑轮j处的等效力时间历程；

通过所述的应力传递系数和在卸载姿态下步骤三中获得的支撑力，根据应力损伤等效原则，计算支撑轮j在z方向的等效力，获得卸载姿态下支撑轮j处的等效力时间历程；

步骤五，对应实际工况进行数据修正，

对步骤四中获得的卸载姿态下，支撑轮P和Q的等效力时间历程进行数据交换，得到卸载姿态下支撑轮P和Q的新等效力时间历程；

对步骤四中获得的卸载姿态下，支撑轮M、N的等效力时间历程进行数据交换，得到卸载姿态下支撑轮M、N的新等效力时间历程；

所述的数据交换为将对应的两个支撑轮的等效力时间历程的前一半时间和后一半时间的数据进行交换，所述的对应为支撑轮P对应支撑轮Q，支撑轮M对应支撑轮N；

从步骤四中挖掘姿态下支撑轮j的等效力时间历程中抽取挖掘段数据，从卸载姿态下支撑轮j的新等效力时间历程中抽取非挖掘段的数据进行拼接，从而得到支撑轮j的全工况等效力时间历程，即得到挖掘机下车架等效力时间历程。

本发明还保护一种挖掘机下车架疲劳试验谱的整理方法，该方法包括以下步骤：

a)获取全姿态下，挖掘机下车架等效力时间历程，将等效力时间历程编制成下车架处的八级程序谱；

b)对下车架四个支撑轮的八级程序谱进行修正得到下车架最终疲劳试验谱；

所述的a)中，获取挖掘机下车架等效力时间历程的方法采用如上所述的挖掘机下车架等效力时间历程获取方法；

所述的b)中，对下车架八级程序谱依次进行的修正包括依次进行的频次修正、损伤等效修正和损伤一致性修正。

本发明还具有如下技术特征：

具体的，所述的步骤二中，

在挖掘姿态下，将地面对下车架的作用力简化为作用于W点的力对转台和下车架整体在xRz平面内建立力学平衡方程，解得挖掘姿态下，地面对下车架的作用力F_{x_w}和F_{z_w}；

所述的W点为挖掘姿态下车架受力简化后的作用点，所述的F_{x_w}为地面对下车架W点的作用力在x方向上的分力，所述的F_{z_w}为地面对下车架W点的作用力在z方向上的分力；

在卸载姿态下，地面对下车架的作用力简化为作用于V点的力，对转台和下车架整体在yRz平面内建立力学平衡方程，解得卸载姿态下，地面对下车架的作用力F_{y_u}和F_{z_u}；

所述的V点为卸载姿态下车架受力简化后的作用点，所述的F_{y_u}为地面对下车架V点的作用力在y方向上的分力，F_{z_u}为地面对下车架V点的作用力在z方向上的分力。

具体的，所述的步骤三中，

在挖掘姿态下，建立力学平衡方程，将所述的地面对下车架的作用力F_{x_w}，F_{z_w}分解为四个支撑轮所受的支撑力Fx_j-挖、Fz_j-挖；

在卸载姿态下，建立力学平衡方程，将所述的地面对下车架的作用力F_{y_u}，F_{z_u}分解为四个支撑轮所受的支撑力Fy_j-卸、Fz_j-卸；

所述的Fx_j-挖为挖掘姿态下支撑轮j所受支撑力在x方向上的分力，所述的Fz_j-挖为挖掘姿态下支撑轮j所受支撑力在z方向上的分力，所述的Fy_j-卸为卸载姿态下支撑轮j所受支撑力在y方向上的分力，所述的Fz_j-卸为卸载姿态下支撑轮j所受支撑力在z方向上的分力。

具体的，所述的步骤四中的有限元分析为，

建立下车架与回转支承有限元模型，约束回转支承上端，在下车架四个支撑轮处施加x、y、z三个方向的5级载荷，采用有限元分析软件求解并记录下车架最危险点S的等效应力，通过拟合得到第j处支撑轮x、y、z三个方向的载荷与最危险点S应力的传递系数k_xj、k_yj、k_zj；

采用所述的k_xj、k_zj和在挖掘姿态下步骤三中获得的支撑力，根据应力损伤等效，通过下式计算支撑轮j在z方向的等效力：

获得挖掘姿态下，支撑轮j处的等效力时间历程；

采用所述的k_yj、k_zj和在卸载姿态下步骤三中获得的支撑力，根据应力损伤等效，通过下式计算支撑轮j在z方向的等效力，：

获得卸载姿态下，支撑轮j处的等效力时间历程。

具体的，所述的频次修正为，

通过下式对下车架八级程序谱进行修正，将八级程序谱修正为相等等效工作时间的八级程序谱甲：

C_i'＝βC_i(i＝1,2....8)

式中，C_i为下车架八级程序谱每级幅值所对应的频次；C_i'为八级程序谱甲每级幅值所对应的频次；β为频次修正系数，T为每级程序谱代表的工作时间；h为规定的相等等效工作时间。

具体的，所述的损伤等效修正为，

将八级程序谱甲按照下式等效转化为恒幅谱乙(F_{j_eq},n_j)，

n_j＝∑n_{j_i}

所述的F_{j_eq}为等效后支撑轮j处的恒幅谱乙的幅值，所述的m为疲劳寿命材料常数，所述的n_{j_i}为支撑轮j八级程序谱甲中第i级幅值对应的频次，所述的F_{j_i}为支撑轮j的八级程序谱甲中第i级幅值，所述的n_j为F_{j_eq}对应的频次；

按下式将恒幅谱乙修正为频次相等的恒幅谱丙(F′_j,n_s)：

所述的F′_j为支撑轮j的恒幅谱丙的幅值，n_s为指定的四个支撑轮处恒幅谱丙的共同频次。

具体的，所述的损伤一致性修正为，

建立下车架与转台整体有限元模型，约束下车架与地面的接触面，在转台O点和A点施加实测数据计算的铰点力时间历程，通过应力云图确定下车架q个危险点位置；

建立下车架与回转支承有限元模型，约束回转支承上端，在下车架四个支撑轮处施加竖直方向载荷，每次求解后记录下车架q个危险点的等效应力，通过拟合得到第j处支撑轮产生的载荷与下车架第q个危险点应力的传递系数k_jq，其中j＝M,N,P,Q，q＝1,2,…q；

建立损伤一致性修正优化模型如下：

目标函数：

约束条件：D_zq≥D_cq

所述的D_zq为恒幅谱丁在第q个危险点造成的损伤，所述的D_cq为实测O点和A点载荷在第q个危险点造成的损伤，所述的α为幅值修正系数，所述的m、C为疲劳寿命S-N曲线常数；

求解优化模型，即可得到修正系数α，采用修正系数α采用下式对恒幅谱丙的幅值进行修正求得最终疲劳试验谱为(F″_j,n_s)，

F″_j＝αF′_j

所述的F″_j为支撑轮j的最终疲劳试验谱的幅值。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

(Ⅰ)本发明的挖掘机下车架等效力时间历程获取及疲劳试验谱整理方法在下车架局部坐标系下进行疲劳试验，这样可以避免由于姿态变化所引起的试验误差，提高试验精度；

(Ⅱ)本发明的挖掘机下车架等效力时间历程获取及疲劳试验谱整理方法通过对下车架疲劳关键部位应力测点采用损伤一致性校准，进而对下车架等效恒幅载荷谱进行修正后得到下车架等效疲劳试验程序谱，可以保证疲劳试验结果的可靠性；

(Ⅲ)本发明的挖掘机下车架等效力时间历程获取及疲劳试验谱整理方法将四个等效力时间历程等效成四个等时间、频次相等的恒幅谱，解决了载荷谱无法保持相位同步性的问题，使液压挖掘机下车架疲劳试验成为可能。

(Ⅳ)本发明的挖掘机下车架等效力时间历程获取及疲劳试验谱整理方法适用于其他类型的挖掘机下车架，装载机下车架等类似结构的疲劳试验载荷谱整理。

附图说明

图1是挖掘机转台与下车架结构示意图；

图2是挖掘机下车架疲劳试验恒幅谱整理方法技术路线图；

图3是液压挖掘机下车架与转台整体挖掘姿态下受力分析图；

图4是液压挖掘机下车架与转台整体卸载姿态下受力分析图；

图5是下车架挖掘姿态受力分解示意图；

图6是下车架卸载姿态受力分解示意图；

图中各个标号的含义为：1-下车架，2-转台动臂油缸无杆腔压力传感器，3-回转支承，4-动臂，5-动臂油缸，A-转台与动臂油缸铰点，B-下车架重心点，C-转台重心点，Rxyz-空间坐标系，R-坐标原点，xyz-三个相互垂直的方向，O-转台与动臂铰点，M-下车架支撑轮，N-下车架支撑轮，P-下车架支撑轮，Q-下车架支撑轮。

以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例：

下车架1和转台2通过回转支承3连接，在安装于回转支承3内的液压马达的驱动下，转台2相对于下车架1可以在水平面内回转。在下车架1的几何中心，且与四个支撑轮处于同一水平面的R点建立坐标系，并规定坐标系x方向沿下车架纵向对称轴，水平向右为正；z方向垂直地面向上为正，则y方向遵循右手定则设置，沿下车架横向对称轴。图1所示工作姿态称为挖掘姿态，即铲斗方向指向x轴正向，当转台2相对于车架1逆时针(+90°)或顺时针(90°)回转时，称为卸载姿态，即铲斗方向指向y轴。

本实施例给出一种挖掘机下车架等效力时间历程获取方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：铰点力时间历程获取，

实测动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的伸缩量时间历程，进而获得工作姿态；

实测动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的无杆腔和有杆腔的压力时间历程，计算求得动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的油缸力时间历程；

对挖掘机工作装置各构件建立力学平衡方程，代入所述的油缸力时间历程和工作姿态，求解出转台与动臂铰点、转台与动臂油缸铰点的铰点力时间历程；

所述的转台与动臂铰点记为A点，转台与动臂油缸铰点记为O点，所述的工作姿态包括挖掘姿态和卸载姿态，所述的伸缩量时间历程和压力时间历程测定时长相等且同时测定；

步骤二：下车架受力时间历程获取，

在挖掘姿态下，对液压挖掘机下车架与转台整体进行受力分析，通过步骤一中得到的A点和O点的铰点力时间历程，建立力学平衡方程，求解挖掘姿态下，地面对下车架的作用力时间历程；

在卸载姿态下，对液压挖掘机下车架与转台整体进行受力分析，通过步骤一中得到的A点和O点的铰点力时间历程，建立力学平衡方程，求解卸载姿态下，地面对下车架的作用力时间历程；

步骤三：支撑轮受力时间历程获取，

将步骤二中得到的挖掘姿态下，地面对下车架的作用力分解到挖掘机的四个支撑轮处的Rxyz坐标系中，建立力学平衡方程，求解挖掘姿态下，四个支撑轮受到的支撑力时间历程；

将步骤二中得到的卸载姿态下，地面对下车架的作用力分解到挖掘机的四个支撑轮处的Rxyz坐标系中，建立力学平衡方程，求解卸载姿态下，四个支撑轮受到的支撑力时间历程；

所述的四个支撑轮记为M、N、P和Q；

步骤四，支撑轮受力简化至竖直方向，

针对下车架和转台建立有限元模型，根据有限元分析，获得结构上的应力最危险点，基于最危险点的应力值，计算支撑轮M、N、P和Q处的x、y、z方向的应力传递系数k_xj、k_yj、k_zj，其中j＝M，N，P，Q；

通过所述的应力传递系数和在挖掘姿态下步骤三中获得的支撑力，根据应力损伤等效原则，计算支撑轮j在z方向的等效力，获得挖掘姿态下支撑轮j处的等效力时间历程；

通过所述的应力传递系数和在卸载姿态下步骤三中获得的支撑力，根据应力损伤等效原则，计算支撑轮j在z方向的等效力，获得卸载姿态下支撑轮j处的等效力时间历程；

步骤五，对应实际工况进行数据修正，

对步骤四中获得的卸载姿态下，支撑轮P和Q的等效力时间历程进行数据交换，得到卸载姿态下支撑轮P和Q的新等效力时间历程；

对步骤四中获得的卸载姿态下，支撑轮M、N的等效力时间历程进行数据交换，得到卸载姿态下支撑轮M、N的新等效力时间历程；

所述的数据交换为将对应的两个支撑轮的等效力时间历程的前一半时间和后一半时间的数据进行交换，所述的对应为支撑轮P对应支撑轮Q，支撑轮M对应支撑轮N；

从步骤四中挖掘姿态下支撑轮j的等效力时间历程中抽取挖掘段数据，从卸载姿态下支撑轮j的新等效力时间历程中抽取非挖掘段的数据进行拼接，从而得到支撑轮j的全工况等效力时间历程，即得到挖掘机下车架等效力时间历程。

本实施例还给出一种挖掘机下车架疲劳试验谱的整理方法，该方法包括以下步骤：

a)获取全姿态下，挖掘机下车架等效力时间历程，将等效力时间历程编制成下车架处的八级程序谱；

b)对下车架车架四个支撑轮的八级程序谱进行修正得到下车架最终疲劳试验谱；

所述的a)中，获取挖掘机下车架等效力时间历程的方法采用如上所述的挖掘机下车架等效力时间历程获取方法；

所述的b)中，对下车架八级程序谱依次进行的修正包括依次进行的频次修正、损伤等效修正和损伤一致性修正。

作为本实施例的一种具体方案，本实施例的步骤一中在挖掘机实际工作过程中，采用在动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸上分别布置位移传感器实测动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的伸缩量时间历程，获得工作姿态；采用在动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的无杆腔和有杆腔中分别布置压力传感器实测动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的无杆腔、有杆腔的压力时间历程。

进一步的，还需要依次通过去除零漂值、去除奇异值、滤波、分段处理及平稳性查验的过程对上述过程中获得的伸缩量时间历程、无杆腔压力时间历程和有杆腔的压力时间历程进行预处理，以获得可以利用的数据，进而通过计算压力差，获得动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的油缸力时间历程，通过处理过后的伸缩量时间历程获得工作姿态。

进一步的，采用油缸力时间历程、工作姿态结合D-H(Denavi-Hartenberg)法，不考虑偏载和侧载，通过对挖掘机工作装置各构件建立力学平衡方程求解转台2与动臂4铰点(O点)的力时间历程，转台2与动臂油缸5铰点(A点)的力时间历程。

作为本实施例的一种具体方案，本实施例的步骤二中在挖掘姿态下，结合步骤一中得到的O与A点的铰点力，对转台和下车架进行受力分解，地面对下车架的作用力简化为作用于W点的集中力，各点力均沿在x方向和z方向分解，对转台和下车架整体在xRz平面内建立力学平衡方程，x方向合力为0，即：

F_{Ox_w}+F_{Ax_w}+F_{x_w}＝0

z方向合力为0，即：

F_{Oz_w}+F_{Az_w}+F_{z_w}-G₁-G₂＝0

对M点合力矩为0，即：

F_{Oz_w}×l₉+F_{Az_w}×l₇+F_{z_w}×l₁-G₁×l₂-G₂×l₅-F_{Ox_w}×l₈-F_{Ax_w}×l₆＝0

式中：G₁、G₂分别表示下车架重力和转台重力；F_{Ax_w}和F_{Az_w}分别表示转台A点受力在x方向和z方向的分力；F_{Ox_w}和F_{Oz_w}分别表示转台O点受力在x方向和z方向的分力；F_{x_w}和F_{z_w}分别表示下车架W点受力在x方向和z方向的分力；l_i表示各点与支撑轮M连线在x方向或z方向的投影距离(i＝1,2…9)，其中l₁表示W点与支撑轮M的连线在x方向的投影距离；

同理，在卸载姿态下，地面对下车架的作用力简化为作用于V点的集中力，各点力均沿在y方向和z方向分解，对转台和下车架整体在yRz平面内建立力学平衡方程，可解得卸载姿态下地面对下车架的作用力F_{y_u}，F_{z_u}和l_i'，其中F_{y_u}，F_{z_u}分别表示下车架V点受力在y方向和z方向的分力；l_i'表示各点与支撑轮M的连线在y方向或z方向的投影距离(i＝1,2…9)，其中l₁'表示各点与支撑轮M的连线在y方向的投影距离。

作为本实施例的一种具体方案，本实施例的步骤三中在挖掘姿态下，根据力的分解原理及挖掘机下车架的几何尺寸，在挖掘姿态下，通过列平衡方程，将步骤二中得到的地面对下车架的支撑力F_{x_w}，F_{z_w}分解为四个支撑轮所受的等效力(分别记为：Fz_P-挖、Fx_P-挖；Fz_Q-挖、Fx_Q-挖；Fz_M-挖、Fx_M-挖；Fz_N-挖、Fx_N-挖)；

同理，在卸载姿态下，通过列平衡方程，将上述得到的地面对下车架的支撑力F_{y_u}，F_{z_u}分解为四个支撑轮所受的等效力(Fy_P-卸、Fz_P-卸；Fy_Q-卸、Fz_Q-卸；Fy_M-卸、Fz_M-卸；Fy_N-卸、Fz_N-卸)；

其中，所述的Fx_P-挖、Fx_Q-挖、Fx_M-挖、Fx_N-挖、Fy_P-卸、Fy_Q-卸、Fy_M-卸、Fy_N-卸采用近似平均分配的方法进行计算，具体计算过程如下：

在挖掘姿态下，力的分解如图5所示，将地面对下车架的支撑力F_{x_w}，F_{z_w}分解为四个支撑轮的等效力Fz_P-挖、Fx_P-挖；Fz_Q-挖、Fx_Q-挖；Fz_M-挖、Fx_M-挖；Fz_N-挖、Fx_N-挖；其中 l表示支撑轮M和P的距离。

同理，在卸载姿态下，力的分解如图6所示，将地面对下车架的支撑力F_{y_u}，F_{z_u}分解为四个支撑轮所受的等效力Fy_P-卸、Fz_P-卸；Fy_Q-卸、Fz_Q-卸；Fy_M-卸、Fz_M-卸；Fy_N-卸、Fz_N-卸，其中 l'表示支撑轮P和Q的距离。

作为本实施例的一种具体方案，本实施例的步骤四中，根据危险点应力损伤等效的原则，分别将步骤三中所得到的挖掘姿态下的x方向水平力与卸载姿态下的y方向水平力分别等效成各自姿态下的垂向力，得到支撑轮处的竖直等效力。具体过程如下：

建立下车架与回转支承有限元模型，约束回转支承上端，分别在下车架四个支撑轮处施加5个等级x、y、z三个方向载荷，每次求解后记录下车架最危险点S的等效应力，通过拟合得到第j处支撑轮x、y、z三个方向的载荷与最危险点S应力的传递系数k_xj、k_yj、k_zj，其中j＝M，N，P，Q；

分别将四个支撑轮处挖掘姿态下x方向的水平力与卸载姿态下y方向的水平力等效至各自姿态下的z方向，得到：挖掘姿态下，式中，表示挖掘姿态下第j处支撑轮的z方向等效力，j＝M，N，P，Q

卸载姿态下，式中，表示卸载姿态下第j处支撑轮的z方向等效力，j＝M，N，P，Q；

通过以上两公式计算得到挖掘姿态下各支撑轮的z向的等效力 和卸载姿态下各支撑轮的z向的等效力F^当 _N-卸、

作为本实施例的一种具体方案，本实施例的步骤五中，如前所述，挖掘机工作时，既可以逆时针(+90°)回转卸载，也可以顺时针(-90°)回转卸载，通过试验场观察，发现顺时针回转卸载与逆时针回转卸载情况近似各占50％。作为本实施例的一种具体方案，本实施例的步骤五考虑到这种实际工况及载荷谱编制的合理性，对步骤四中所得到的卸载姿态下的支撑轮j处的等效力时间历程进行如下处理：

将F^当 _N-卸中的后一半时间的数据与中的前一半时间的数据进行交换，可分别得到N、M两支撑轮处卸载姿态下的新等效力时间历程；

将中的后一半时间的数据与中的前一半时间的数据进行交换，得到P和Q两支撑轮处，卸载姿态下的新等效力时间历程；

从步骤四中，四个支撑轮处挖掘姿态下的等效力时间历程中抽出挖掘段的数据，从四个支撑轮处卸载姿态下的新等效力时间历程中抽出非挖掘段的数据，进行拼接，得到全工况下，四个支撑轮的等效力F_M-全、F_N-全、F_P-全、F_Q-全的时间历程，即得到挖掘机下车架等效力时间历程。

更进一步的，挖掘机实际工作和疲劳谱测试过程中，需要在多种典型作业介质下进行，故各典型作业介质下所实测数据均按照本实施例中步骤一至步骤五进行处理，以计算各种典型作业介质下的挖掘机下车架等效力时间历程，并作为相应工作介质下疲劳试验谱的编制数据基础。

作为本实施例的一种具体方案，本实施例的频次修正为在步骤a)中定义下车架处的八级程序谱为程序谱，将程序谱等效成等效工作时间相等的八级程序谱甲，具体操作如下：通过下式对四个支撑轮处的八级程序谱的各级频次进行修正：

C_i'＝βC_i(i＝1,2....8)

式中，C_i为程序谱每级幅值所对应的频次；C_i'为相等的等效工作时间下的每一级频次；β为频次修正系数，T为程序谱代表的工作时间；h为规定的相等等效工作时间。

作为本实施例的一种具体方案，本实施例的损伤等效修正为将八级程序谱甲折算成加载频次一致的恒幅谱丙，具体操作如下：

采用损伤等效原则，将上述四个支撑轮的八级程序谱甲转化为各自的恒幅谱乙

式中，F_{j_eq}为等效后支撑轮j处的恒幅谱乙的幅值，m为材料常数，n_{j_i}为支撑轮j八级程序谱甲中第i级幅值对应的频次，F_{j_i}为支撑轮j的八级程序谱甲中第i级幅值，F_{j_eq}对应的频次为n_j，按下式计算：

n_j＝∑n_{j_i}

则，支撑轮j处的恒幅谱乙可表示为(F_{j_eq},n_j)；

再次采用损伤等效原则，按下式将四个支撑轮的恒幅谱乙等效成频次相等的四个支撑轮的恒幅谱丙：

式中，F′_j为支撑轮j的恒幅谱丙的幅值，m材料常数，n_s为指定的四个支撑轮处恒幅谱丙的共同频次。其余参数含义与上文相同，

则，支撑轮j处的恒幅谱丙可表示为(F′_j,n_s)。

作为本实施例的一种具体方案，本实施例的损伤一致性修正为确定下车架疲劳关键部位应力测点，通过应力云图确定危险点位置，通过建立下车架与回转支承有限元模型求解危险点应力传递系数，进而对恒幅谱丙进行损伤一致性修正后得到下车架最终疲劳试验谱，具体操作如下：

建立下车架与转台整体有限元模型，约束下车架与地面的接触面，在转台O点和A点施加实测数据计算的力时间历程，通过应力云图确定下车架q个危险点位置；

建立下车架与回转支承有限元模型，约束回转支承上端，分别在下车架四个支撑轮处施加5个等级竖直方向载荷，每次求解后记录下车架q个危险点的等效应力，通过拟合得到第j处支撑轮产生的载荷与下车架第q个危险点应力的传递系数k_jq，其中j＝M,N,P,Q，q＝1,2,…q；

进一步地，令恒幅谱丁在第q个危险点造成的损伤为D_zq，实测转台O点和A点载荷在第q个危险点造成的损伤为D_cq，则建立损伤一致性修正优化模型如下：

目标函数：

(j＝P,Q,M,N q＝1,2,3...q)

约束条件：D_zq≥D_cq

上式中，n_s为恒幅谱丁的频次，α为幅值修正系数，m、C为疲劳寿命S-N曲线常数；

求解优化模型，即可得到修正系数α，通过修正系数α对恒幅谱丙的幅值进行修正，即F″_j＝αF′_j，则最终疲劳试验恒幅谱丁可表示为(F″_j,n_s)。

Claims (8)

1.一种挖掘机下车架等效力时间历程获取方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一：铰点力时间历程获取，

实测动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的伸缩量时间历程，进而获得工作姿态；

实测动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的无杆腔和有杆腔的压力时间历程，计算求得动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的油缸力时间历程；

对挖掘机工作装置各构件建立力学平衡方程，代入所述的油缸力时间历程和工作姿态，求解出转台与动臂铰点、转台与动臂油缸铰点的铰点力时间历程；

所述的转台与动臂铰点记为A点，转台与动臂油缸铰点记为O点，所述的工作姿态包括挖掘姿态和卸载姿态，所述的伸缩量时间历程和压力时间历程测定时长相等且同时测定；

步骤二：下车架受力时间历程获取，

在挖掘姿态下，对液压挖掘机下车架与转台整体进行受力分析，通过步骤一中得到的A点和O点的铰点力时间历程，建立力学平衡方程，求解挖掘姿态下，地面对下车架的作用力时间历程；

在卸载姿态下，对液压挖掘机下车架与转台整体进行受力分析，通过步骤一中得到的A点和O点的铰点力时间历程，建立力学平衡方程，求解卸载姿态下，地面对下车架的作用力时间历程；

步骤三：支撑轮受力时间历程获取，

将步骤二中得到的挖掘姿态下，地面对下车架的作用力分解到挖掘机的四个支撑轮处的Rxyz坐标系中，建立力学平衡方程，求解挖掘姿态下，四个支撑轮受到的支撑力时间历程；

将步骤二中得到的卸载姿态下，地面对下车架的作用力分解到挖掘机的四个支撑轮处的Rxyz坐标系中，建立力学平衡方程，求解卸载姿态下，四个支撑轮受到的支撑力时间历程；

所述的四个支撑轮记为M、N、P和Q；

步骤四，支撑轮受力简化至竖直方向，

针对下车架和转台建立有限元模型，根据有限元分析，获得结构上的应力最危险点，基于最危险点的应力值，计算支撑轮M、N、P和Q处的x、y、z方向的应力传递系数k_xj、k_yj、k_zj，其中j＝M，N，P，Q；

通过所述的应力传递系数和在挖掘姿态下步骤三中获得的支撑力，根据应力损伤等效原则，计算支撑轮j在z方向的等效力，获得挖掘姿态下支撑轮j处的等效力时间历程；

通过所述的应力传递系数和在卸载姿态下步骤三中获得的支撑力，根据应力损伤等效原则，计算支撑轮j在z方向的等效力，获得卸载姿态下支撑轮j处的等效力时间历程；

步骤五，对应实际工况进行数据修正，

对步骤四中获得的卸载姿态下，支撑轮P和Q的等效力时间历程进行数据交换，得到卸载姿态下支撑轮P和Q的新等效力时间历程；

对步骤四中获得的卸载姿态下，支撑轮M、N的等效力时间历程进行数据交换，得到卸载姿态下支撑轮M、N的新等效力时间历程；

所述的数据交换为将对应的两个支撑轮的等效力时间历程的前一半时间和后一半时间的数据进行交换，所述的对应为支撑轮P对应支撑轮Q，支撑轮M对应支撑轮N；

从步骤四中挖掘姿态下支撑轮j的等效力时间历程中抽取挖掘段数据，从卸载姿态下支撑轮j的新等效力时间历程中抽取非挖掘段的数据进行拼接，从而得到支撑轮j的全工况等效力时间历程，即得到挖掘机下车架等效力时间历程。

2.如权利要求1所述的挖掘机下车架等效力时间历程获取方法，其特征在于，所述的步骤二中，

在挖掘姿态下，将地面对下车架的作用力简化为作用于W点的力对转台和下车架整体在xRz平面内建立力学平衡方程，解得挖掘姿态下，地面对下车架的作用力F_{x_w}和F_{z_w}；

所述的W点为挖掘姿态下车架受力简化后的作用点，所述的F_{x_w}为地面对下车架W点的作用力在x方向上的分力，所述的F_{z_w}为地面对下车架W点的作用力在z方向上的分力；

在卸载姿态下，地面对下车架的作用力简化为作用于V点的力，对转台和下车架整体在yRz平面内建立力学平衡方程，解得卸载姿态下，地面对下车架的作用力F_{y_u}和F_{z_u}；

所述的V点为卸载姿态下车架受力简化后的作用点，所述的F_{y_u}为地面对下车架V点的作用力在y方向上的分力，F_{z_u}为地面对下车架V点的作用力在z方向上的分力。

3.如权利要求2所述的挖掘机下车架等效力时间历程获取方法，其特征在于，所述的步骤三中，

在挖掘姿态下，建立力学平衡方程，将所述的地面对下车架的作用力F_{x_w}，F_{z_w}分解为四个支撑轮所受的支撑力Fx_j-挖、Fz_j-挖；

在卸载姿态下，建立力学平衡方程，将所述的地面对下车架的作用力F_{y_u}，F_{z_u}分解为四个支撑轮所受的支撑力Fy_j-卸、Fz_j-卸；

所述的Fx_j-挖为挖掘姿态下支撑轮j所受支撑力在x方向上的分力，所述的Fz_j-挖为挖掘姿态下支撑轮j所受支撑力在z方向上的分力，所述的Fy_j-卸为卸载姿态下支撑轮j所受支撑力在y方向上的分力，所述的Fz_j-卸为卸载姿态下支撑轮j所受支撑力在z方向上的分力。

4.如权利要求3所述的挖掘机下车架等效力时间历程获取方法，其特征在于，所述的步骤四中的有限元分析为，

建立下车架与回转支承有限元模型，约束回转支承上端，在下车架四个支撑轮处施加x、y、z三个方向的5级载荷，采用有限元分析软件求解并记录下车架最危险点S的等效应力，通过拟合得到第j处支撑轮x、y、z三个方向的载荷与最危险点S应力的传递系数k_xj、k_yj、k_zj；

采用所述的k_xj、k_zj和在挖掘姿态下步骤三中获得的支撑力，根据应力损伤等效，通过下式计算支撑轮j在z方向的等效力：

获得挖掘姿态下，支撑轮j处的等效力时间历程；

采用所述的k_yj、k_zj和在卸载姿态下步骤三中获得的支撑力，根据应力损伤等效，通过下式计算支撑轮j在z方向的等效力，：

获得卸载姿态下，支撑轮j处的等效力时间历程。

5.一种挖掘机下车架疲劳试验谱的整理方法，该方法包括以下步骤：

a)获取全姿态下，挖掘机下车架等效力时间历程，将等效力时间历程编制成下车架处的八级程序谱；

b)对下车架四个支撑轮的八级程序谱进行修正得到下车架最终疲劳试验谱；

其特征在于，所述的a)中，获取挖掘机下车架等效力时间历程的方法采用如权利要求1～4任一权利要求所述的挖掘机下车架等效力时间历程获取方法；

所述的b)中，对下车架八级程序谱依次进行的修正包括依次进行的频次修正、损伤等效修正和损伤一致性修正。

6.如权利要求5所述的挖掘机下车架疲劳试验谱的整理方法，其特征在于，所述的频次修正为，

通过下式对下车架八级程序谱进行修正，将八级程序谱修正为相等等效工作时间的八级程序谱甲：

C'_i＝βC_i (i＝1,2....8)

式中，C_i为下车架八级程序谱每级幅值所对应的频次；C'_i为八级程序谱甲每级幅值所对应的频次；β为频次修正系数，T为每级程序谱代表的工作时间；h为规定的相等等效工作时间。

7.如权利要求6所述的挖掘机下车架疲劳试验谱的整理方法，其特征在于，所述的损伤等效修正为，

将八级程序谱甲按照下式等效转化为恒幅谱乙(F_{j_eq},n_j)，

n_j＝∑n_{j_i}

所述的F_{j_eq}为等效后支撑轮j处的恒幅谱乙的幅值，所述的m为疲劳寿命曲线材料常数，所述的n_{j_i}为支撑轮j八级程序谱甲中第i级幅值对应的频次，所述的F_{j_i}为支撑轮j的八级程序谱甲中第i级幅值，所述的n_j为F_{j_eq}对应的频次；

按下式将恒幅谱乙修正为频次相等的恒幅谱丙(F'_j,n_s)：

所述的F′_j为支撑轮j的恒幅谱丙的幅值，n_s为指定的四个支撑轮处恒幅谱丙的共同频次。

8.如权利要求7所述的挖掘机下车架疲劳试验谱的整理方法，其特征在于，所述的损伤一致性修正为，

建立下车架与转台整体有限元模型，约束下车架与地面的接触面，在转台O点和A点施加实测数据计算的铰点力时间历程，通过应力云图确定下车架q个危险点位置；

建立下车架与回转支承有限元模型，约束回转支承上端，在下车架四个支撑轮处施加竖直方向载荷，每次求解后记录下车架q个危险点的等效应力，通过拟合得到第j处支撑轮产生的载荷与下车架第q个危险点应力的传递系数k_jq，其中j＝M,N,P,Q，q＝1,2,…q；

建立损伤一致性修正优化模型如下：

目标函数：

约束条件：D_zq≥D_cq

所述的D_zq为恒幅谱丁在第q个危险点造成的损伤，所述的D_cq为实测O点和A点载荷在第q个危险点造成的损伤，所述的α为幅值修正系数，所述的m、C为疲劳寿命S-N曲线常数；

求解优化模型，即可得到修正系数α，采用修正系数α采用下式对恒幅谱丙的幅值进行修正求得最终疲劳试验谱为(F″_j,n_s)，

F″_j＝αF′_j

所述的F″_j为支撑轮j的最终疲劳试验谱的幅值。