CN112213089A

CN112213089A - 臂架疲劳试验装置及方法

Info

Publication number: CN112213089A
Application number: CN202011004627.6A
Authority: CN
Inventors: 刘志斌; 万民顺; 吴德志; 易滔
Original assignee: Zoomlion Heavy Industry Science and Technology Co Ltd
Current assignee: Zoomlion Heavy Industry Science and Technology Co Ltd
Priority date: 2020-09-22
Filing date: 2020-09-22
Publication date: 2021-01-12
Anticipated expiration: 2040-09-22
Also published as: CN112213089B

Abstract

本发明涉及疲劳试验设备，公开了一种臂架疲劳试验装置，包括臂架支撑系统和夹持加载系统，所述臂架支撑系统包括能够与试验节臂(1)一端连接的臂架安装座(2)，所述夹持加载系统包括至少两个作动机构(3)和能够与所述试验节臂(1)的另一端连接的加载装置(4)，各所述作动机构(3)分别与所述加载装置(4)连接，且各所述作动机构(3)沿所述试验节臂(1)的延伸方向错位间隔布置。本发明还公开了一种臂架疲劳试验方法。本发明能够更真实地复现臂架在实际工况中的应力状态，提高疲劳试验的准确性。

Description

臂架疲劳试验装置及方法

技术领域

本发明涉及疲劳试验设备，具体地，涉及一种臂架疲劳试验装置；此外，还涉及一种臂架疲劳试验方法。

背景技术

带有臂架结构的工程机械中，臂架一般是作为机械设备的主要承力件，其除了承受弯矩之外还要承受剪力、扭矩等载荷，由于输送介质的摩擦、冲击和流速变化等因素，臂架在工作过程中承受交变载荷作用，疲劳破坏是臂架的主要破坏形式，臂架抗疲劳性能是产品核心竞争力之一。

目前，现有的臂架疲劳试验台在进行试验时，在臂架正下方设置作动油缸，通过两个作动油缸配合作用，使臂架上控制截面处承受载荷与目标弯矩一致，通过台车在导轨上前后运动以适应不同的臂架。

但是，臂架工作过程中除承受弯矩外还要承受剪力、扭矩等载荷，现有的臂架疲劳试验台仅考虑主弯矩，不能很好地还原臂架实际工作中承受的载荷情况，严重影响试验的准确性。

因此，如何能够更准确地实现载荷模拟以提高对臂架进行强度和疲劳试验的准确性，已经成为本领域需要解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种臂架疲劳试验装置，该臂架疲劳试验装置能够更真实地复现臂架在实际工况中的应力状态，提高疲劳试验的准确性。

本发明进一步所要解决的技术问题是提供一种臂架疲劳试验方法，该臂架疲劳试验方法能够更真实地复现臂架在实际工况中的应力状态，提高疲劳试验的准确性。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种臂架疲劳试验装置，包括臂架支撑系统和夹持加载系统，所述臂架支撑系统包括能够与试验节臂一端连接的臂架安装座，所述夹持加载系统包括至少两个作动机构和能够与所述试验节臂的另一端连接的加载装置，各所述作动机构分别与所述加载装置连接，且各所述作动机构沿所述试验节臂的延伸方向错位间隔布置。

优选地，所述加载装置包括加载支架和安装在所述加载支架上的夹持机构，所述加载支架包括两个加载杆和连接两个所述加载杆的连接杆，所述夹持机构安装于所述连接杆上。

具体地，所述夹持机构包括位于所述连接杆的相对两侧的两个压板和穿设于两个所述压板上的多个安装螺杆，以能够夹持所述试验节臂与所述连接杆。

优选地，所述作动机构包括作动油缸和作动油缸工装，所述作动油缸工装包括第一安装座、第二安装座、第一万向节、第二万向节和定位机构，所述第一安装座、第一万向节、作动油缸、第二万向节、第二安装座和定位机构依次连接，各所述作动油缸工装通过所述定位机构与对应的所述加载杆连接。

具体优选地，所述定位机构包括多个U形螺栓和安装垫板，所述安装垫板通过各所述U形螺栓与所述第二安装座连接，以能够夹持对应的所述加载杆。

具体地，所述臂架安装座包括支撑件和安装在所述支撑件上的支座，所述支座上设有用于连接所述试验节臂的销轴孔。

优选地，还包括工作台，所述作动机构可滑动地设置在所述工作台上。

优选地，还包括控制及采集系统，所述控制及采集系统包括用于控制加载信号的控制系统和用于信号采集及保存的采集系统。

本发明还公开了一种臂架疲劳试验方法，包括如下步骤：将试验节臂的一端固定，并将所述试验节臂的另一端通过加载装置与作动机构连接；根据臂架在实际工况中所承受载荷的载荷谱，驱动所述作动机构，以对角施力方式对所述试验节臂施加载荷。

优选地，通过采集系统采集臂架在实际工况中的载荷信息，以得到臂架在实际工况中所承受载荷的载荷谱。

优选地，通过控制系统控制所述作动机构，以调节加载的位置、幅值、频率和加载方式。

通过上述技术方案，本发明的有益效果如下：

在本发明的基本技术方案中，在进行臂架疲劳试验时，将试验节臂的一端与臂架安装座固定，试验臂架的另一端与加载装置固定，将至少两个作动机构与加载装置连接，并且，使各个作动机构沿着试验节臂的延伸方向错位间隔布置；如此，根据臂架在实际工况中所承受载荷的载荷谱来具体调节各个作动机构，能够通过对角施力的形式模拟真实臂架受力情况，同时进行弯矩、剪力、扭矩加载，使试验节臂上所有位置上加载载荷均达到目标载荷要求，可最大限度复现臂架工作过程中的应力状态，保证了疲劳试验的准确性。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1是现有技术的臂架疲劳试验装置的结构示意图之一；

图2是现有技术的臂架疲劳试验装置的结构示意图之二；

图3是本发明具体实施方式的臂架疲劳试验装置的结构示意图之一；

图4是本发明具体实施方式的臂架疲劳试验装置的结构示意图之二；

图5是本发明具体实施方式的臂架疲劳试验装置的结构示意图之三；

图6是本发明具体实施方式的作动机构的结构示意图之一；

图7是本发明具体实施方式的作动机构的结构示意图之二；

图8是本发明具体实施方式的工作台的结构示意图；

图9是本发明具体实施方式的臂架安装座的结构示意图；

图10是本发明具体实施方式的加载装置的结构示意图之一；

图11是本发明具体实施方式的加载装置的结构示意图之二；

图12是本发明具体实施方式的加载装置的结构示意图之三。

附图标记说明

1 试验节臂 2 臂架安装座

21 支撑件 22 支座

3 作动机构 31 作动油缸

32 第一安装座 33 第二安装座

34 第一万向节 35 第二万向节

36 U形螺栓 37 安装垫板

4 加载装置 41 加载支架

411 加载杆 412 连接杆

42 夹持机构 421 压板

422 安装螺杆 5 工作台

51 腰形安装孔 52 安装滑槽

6 地脚螺栓 1a 联接圆台

2a 第一加载机构 3a 第二加载机构

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量，因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或更多个所述特征。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或者是一体连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要理解的是，为了便于描述本发明和简化描述，术语“上、下”是指臂架疲劳试验装置的上下方向，例如，加载装置4位于上方，相对地，作动机构3位于下方，术语“左、右”是指臂架疲劳试验装置的左右方向，例如，臂架安装座2位于左方，相对地，作动机构3位于右方；术语为基于附图所示的方位或位置关系，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；而且，在进行试验时，可以按照多种方位对臂架疲劳试验装置进行安装，对于本发明的臂架疲劳试验装置的方位术语，应当结合实际安装状态进行理解。

如图3至图12所示，本发明基本实施方式的臂架疲劳试验装置，包括臂架支撑系统和夹持加载系统，所述臂架支撑系统包括能够与试验节臂1一端连接的臂架安装座2，所述夹持加载系统包括至少两个作动机构3和能够与所述试验节臂1的另一端连接的加载装置4，各所述作动机构3分别与所述加载装置4连接，且各所述作动机构3沿所述试验节臂1的延伸方向错位间隔布置。

图1和图2示出了一种现有的臂架疲劳试验装置，在进行疲劳试验时，臂架的一端与联接圆台1a固定，然后将第一加载机构2a和第二加载机构3a分别固定在被测节臂的上一节臂和下一节臂上，第一加载机构2a和第二加载机构3a沿着臂架的延伸方向布置，从而模拟臂架在实际工况中的加载载荷，以检测臂架的疲劳性能。但是，该臂架疲劳试验装置仅考虑臂架承受的弯矩，忽略了臂架在实际工况中除承受弯矩外还要承受剪力、扭矩等载荷，从而影响试验的准确性；而且，考核臂架上某一节臂时其它节臂也会受到载荷作用，使得考核寿命与目标寿命存在偏差；此外，现有技术方案的目标载荷为控制截面上的弯矩，虽然可以控制控制截面上的弯矩值与臂架实际弯矩载荷一致，但是，控制截面之外的其他位置所受弯矩与实际载荷存在偏差，从而使测得的臂架疲劳寿命也存在偏差。

然而，在本发明的上述基本技术方案中，使试验节臂1与加载装置4固定，并设置作动机构3，使各个作动机构3与加载装置4连接，并且作动机构3沿试验节臂1的延伸方向错位间隔布置，在进行疲劳试验时，能够采用作动机构3以对角施力的形式对试验节臂1施加载荷，这种施力形式使试验节臂1能够受到弯矩、剪力、扭矩等载荷作用，使试验臂节上所有位置上加载载荷均达到目标载荷要求，可最大限度复现臂架在实际工况中的应力状态，从而提高疲劳试验的准确性；此外，本发明的臂架疲劳试验装置可以对单一节臂进行疲劳试验，避免其它节臂的影响，得到更加准确的寿命信息，也可以采用多个装置同时对不同节臂进行疲劳试验，大幅减少试验所需时间，提高试验效率，节省产品验证时间。

为了实现作动机构3以对角施力的形式对试验节臂1施加载荷，可以对加载装置进行设计；具体地，加载装置4包括加载支架41和夹持机构42，加载支架41包括两个加载杆411和连接杆412，连接杆412连接在两个加载杆411之间，夹持机构42安装于连接杆412上。加载支架41的结构形式多种多样，图11示出了加载支架41的一种具体结构形式，两个加载杆411为条形结构，与连接杆412形成H形结构，作动机构3能够分别与一个加载杆411连接，使得各个作动机构3之间对角布置，从而能够以对角施力的形式对试验节臂1施加载荷，这种施力形式使试验节臂1能够受到弯矩、剪力、扭矩等载荷作用，使试验臂节上所有位置上加载载荷均达到目标载荷要求，可最大限度复现臂架在实际工况中的应力状态，从而提高疲劳试验的准确性；此外，两个加载杆411与连接杆412之间可以形成其它形状，如Z形、S形等，也可以使作动机构3呈对角布置。还需指出，两个加载杆411和连接杆412，既可以是由各零部件装配而成，也可以是一体成型，如采用焊接方式将两块H形板通过竖直的腹板焊接成箱体。

需要说明的是，在图3的示例中，作动机构3的数量为两个，也可以根据需要，采用更多数量的作动机构3，分别与一个加载杆411，从而对试验节臂1施加弯矩、剪力、扭矩等载荷作用。

进一步地，夹持机构42包括两个压板421和多个安装螺杆422，如图3、图10和图11所示，两个压板421布置在连接杆412的上下两侧，两个压板421之间通过安装螺杆422连接，两个压板421之间的距离可以在一定范围内进行调节，从而适应不同截面形状的节臂，将试验节臂1与连接杆412固定在一起，将作动油缸31的力载荷转换为节臂加载需要的弯矩、扭矩和剪力；其中，两个压板421的结构形式可以相同，也可以不同，例如，图11示出了压板421的一种结构形式，一个压板421由两个条形板构成，另一个压板421为矩形板，或者，夹持机构42也可以采用其它结构形式，例如，两个压板421布置在连接杆412的左右两侧，多个安装螺杆422穿过两个压板421，并且对称地布置在连接杆412的上下两侧，也能够将试验节臂1与连接杆412固定在一起。

在具体实施方式中，如图6和图7所示，作动机构3包括作动油缸31和作动油缸工装，作动油缸工装包括第一安装座32、第二安装座33、第一万向节34、第二万向节35和定位机构，第一安装座32、第一万向节34、作动油缸31、第二万向节35、第二安装座33和定位机构依次连接；具体地，第一安装座32与工作台5连接，作动油缸31的缸筒通过销轴与第一万向节34连接，第一万向节34通过销轴连接在第一安装座32上，作动油缸31的缸杆通过销轴与第二万向节35连接，第二万向节35通过销轴连接到第二安装座33上，第二安装座33通过定位机构与加载支架41的对应的加载杆411连接；作动机构3中的第一万向节34和第二万向节35使得动油缸可以适应加载过程中臂架的弯曲变形和轴向扭转变形，保持试验过程中加载载荷稳定。其中，作动油缸31可以采用其他形式的作动器替代，液压动力源也可以采用气动、电动等动力来替代；例如，作动油缸31优选为伺服作动油缸，当然，也可以采用气动方式、导轨直线驱动方式、齿轮齿条式等方式来实现臂架疲劳试验加载。

其中，定位机构包括多个U形螺栓36和安装垫板37，安装垫板37通过各个U形螺栓36与第二安装座33连接，且U形螺栓36嵌入安装垫板37的U形槽内，在安装时，加载杆411套入U形螺栓36与安装垫板37之间，从而将作动机构3与加载支架41固定连接；当然，定位机构也可以采用其它结构形式，例如，采用螺杆贯穿安装垫板37与第二安装座33的座板，从而实现对作动机构3与加载支架41的固定连接。

进一步地，作动机构3可滑动地设置在工作台5上；具体地，如图5和图8所示，可以在工作台5上设置腰形安装孔51和安装滑槽52，第一安装座32通过螺栓与安装滑槽52连接，使第一安装座32能够沿着安装滑槽52移动，并通过夹轨器对作动机构3进行固定；当然，也可以是工作台5上设置滑块，第一安装座32上设置配合的滑轨，从而实现两者之间的相对滑动；或者，也可以利用工作台5上的腰形安装孔51，通过螺栓将作动机构3与工作台5进行固定连接。

一般地，可以通过地脚螺栓6穿过工作台5上的腰形安装孔51与地面固定连接，或者，在工作台5与地面之间设置滑轨、滑槽以及滑块等配合结构进行固定。

此外，臂架安装座2包括支撑件21和支座22，支座22安装在支撑件21上，支座22上设有销轴孔，支座22上方的销轴孔通过销轴与试验节臂1的根部铰点相连，支座22下方的销轴孔通过销轴与试验节臂1的直连杆或油缸连接；支撑件21可以为圆筒结构或者其它形状的支撑结构，为确保支撑件2固定稳固，支撑件2需连接大方量混凝土结构，使支撑件2固定在大地上。

在臂架加载时，可以改变力臂和施加载荷的大小，从而改变施加在试验节臂1上的弯矩、扭矩和剪力等载荷作用的大小；参照图12所示，以两个作动机构3为例，假定加载装置4与试验节臂1连接位置的弯矩为M、剪力为F_C、扭矩为T，两个作动油缸31的作用力分别为F₁和F₂，弯矩的力臂分别为L₁和L₂，扭矩的力臂分别为D₁和D₂，其中，两个作动油缸31作用点的横向距离为D，则满足如下关系：

调整L₁、L₂、D₁、D₂、F₁、F₂大小，使该位置弯矩为M、剪力为F_C、扭矩为T均与目标值一致，从而实现试验节臂、连杆、油缸、销轴上载荷均与实际工况保持一致。其中，可以通过设备的臂架液压系统向臂架油缸提供液压油，在考虑臂架疲劳寿命的同时可以对连杆、臂架油缸、销轴疲劳寿命进行考核，大幅节省试验成本，提高试验效率。

一般地，取D₁＝D₂，由公式1、3、4可以确定目标作用力F₁、F₂大小，然后结合公式2可以确定L₁、L₂关系，从而确定加载工装安装位置和作动油缸目标油缸力。

而且，还可以布置控制及采集系统，主要由控制系统和采集系统组成，控制系统主要实现各类加载信号的产生和控制，控制臂架加载的振幅、频率、控制方式等；采集系统主要实现对臂架载荷、油缸力信号、位移信号、伺服信号、报警信号等数据的采集和保存。从而根据采集到的实际工况中臂架的载荷信息，形成载荷谱，利用控制系统控制作动机构3和加载装置2，调节加载的位置、幅值、频率和加载方式等，将分析载荷谱得到的真实加载载荷在臂架疲劳试验装置上进行疲劳加载。其中，控制系统及采集系统等技术，目前应用普遍，应用形式多样，应用相对较为成熟，在此不再赘述。

为了便于理解本发明臂架疲劳试验装置的技术构思和优点，以下描述本发明相对优选特征相对全面的臂架疲劳试验装置的结构形式。

如图3至图12所示，本发明优选实施方式的臂架疲劳试验装置，包括臂架安装座2、两个作动机构3和加载装置4，加载装置4包括加载支架41和夹持机构42，加载支架41包括两个加载杆411和连接杆412，连接杆412连接在两个加载杆411之间，且形成H形结构，夹持机构42包括两个压板421和多个安装螺杆422，两个压板421结构不同，一个压板421由两个条形板构成，另一个压板421为矩形板，两个压板分别位于连接杆412的上下两侧，安装螺杆422穿过两个压板421上的通孔，使加载装置2与试验节臂1的一端连接，试验节臂1的另一端与臂架安装座2上的支座22固定连接；作动机构3包括作动油缸31、第一安装座32、第二安装座33、第一万向节34、第二万向节35和定位机构，第一安装座32、第一万向节34、作动油缸31、第二万向节35、第二安装座33和定位机构依次连接，定位机构由多个U形螺栓36和安装垫板37组成，第二安装座33通过定位机构与对应的加载支架41固定连接，第一安装座32与工作台5之间通过滑轨和滑块连接，以能够实现两者之间相对滑动；采集系统采用臂架实际工况中的承受载荷情况，形成载荷谱，控制系统控制加载装置2和作动机构3，调节加载的位置、幅度、频率以及加载方式等，根据分析载荷谱得到的真实载荷，进行疲劳加载，精确模拟复现实际作业时各工况下臂架所受弯矩、剪力和扭矩，保证疲劳试验的准确性。

为了便于更好地理解本发明臂架疲劳试验装置的技术构思，下面对本发明的臂架疲劳试验方法进行说明。

将作动机构3安装到工作台5上，通过定位机构将作动机构3与加载装置4的加载支架41连接，使两个作动机构3对角布置；调节加载的位置、幅值、频率和加载方式等

将试验节臂1的一端与臂架安装座2的固定连接，试验节臂1的另一端通过夹持机构42与加载装置4连接；

采集系统采集臂架在实际工况中承受载荷的信息，并形成载荷谱；

根据分析载荷谱得到的真实加载载荷的信息，控制系统控制作动机构和加载装置4，对试验节臂1进行疲劳试验。

本发明通过对加载支架41的设计，使作动机构3能够按照对角布置，从而能够以对角施力的方式对试验节臂1施加载荷，使得试验节臂1能够承受弯矩、剪力、扭矩等载荷作用，使试验节臂1上所有位置的加载载荷均达到目标载荷要求，可最大限度复现臂架工作过程中的应力状态，提高疲劳试验的准确性。

需要说明的是，上述技术方案主要针对单节臂的试验进行了说明，所需场地空间小，可在室内放置，避免风、雨、温度等对试验产生干扰；当然，也可以采用多个装置，对多个节臂同时进行疲劳试验，大幅节省试验成本，提高试验效率；此外，还可以在考虑臂架疲劳寿命的同时对连杆、臂架油缸、销轴疲劳寿命进行考核，大幅节省试验成本，提高试验效率。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种臂架疲劳试验装置，其特征在于，包括臂架支撑系统和夹持加载系统，所述臂架支撑系统包括能够与试验节臂(1)一端连接的臂架安装座(2)，所述夹持加载系统包括至少两个作动机构(3)和能够与所述试验节臂(1)的另一端连接的加载装置(4)，各所述作动机构(3)分别与所述加载装置(4)连接，且各所述作动机构(3)沿所述试验节臂(1)的延伸方向错位间隔布置。

2.根据权利要求1所述的臂架疲劳试验装置，其特征在于，所述加载装置(4)包括加载支架(41)和安装在所述加载支架(41)上的夹持机构(42)，所述加载支架(41)包括两个加载杆(411)和连接两个所述加载杆(411)的连接杆(412)，所述夹持机构(42)安装于所述连接杆(412)上。

3.根据权利要求2所述的臂架疲劳试验装置，其特征在于，所述夹持机构(42)包括位于所述连接杆(412)的相对两侧的两个压板(421)和穿设于两个所述压板(421)上的多个安装螺杆(422)，以能够夹持所述试验节臂(1)与所述连接杆(412)。

4.根据权利要求2所述的臂架疲劳试验装置，其特征在于，所述作动机构(3)包括作动油缸(31)和作动油缸工装，所述作动油缸工装包括第一安装座(32)、第二安装座(33)、第一万向节(34)、第二万向节(35)和定位机构，所述第一安装座(32)、第一万向节(34)、作动油缸(31)、第二万向节(35)、第二安装座(33)和定位机构依次连接，各所述作动油缸工装通过所述定位机构与对应的所述加载杆(411)连接。

5.根据权利要求4所述的臂架疲劳试验装置，其特征在于，所述定位机构包括多个U形螺栓(36)和安装垫板(37)，所述安装垫板(37)通过各所述U形螺栓(36)与所述第二安装座(33)连接，以能够夹持对应的所述加载杆(411)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的臂架疲劳试验装置，其特征在于，所述臂架安装座(2)包括支撑件(21)和安装在所述支撑件(21)上的支座(22)，所述支座(22)上设有用于连接所述试验节臂(1)的销轴孔。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的臂架疲劳试验装置，其特征在于，还包括工作台(5)，所述作动机构(3)可滑动地设置在所述工作台(5)上。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的臂架疲劳试验装置，其特征在于，还包括控制及采集系统，所述控制及采集系统包括用于控制加载信号的控制系统和用于信号采集及保存的采集系统。

9.一种臂架疲劳试验方法，其中，包括如下步骤：

将试验节臂(1)的一端固定，并将所述试验节臂(1)的另一端通过加载装置与作动机构连接；

根据臂架在实际工况中所承受载荷的载荷谱，驱动所述作动机构(3)，以对角施力方式对所述试验节臂(1)施加载荷。

10.根据权利要求9所述的臂架疲劳试验方法，其中，通过采集系统采集臂架在实际工况中的载荷信息，以得到臂架在实际工况中所承受载荷的载荷谱。

11.根据权利要求9所述的臂架疲劳试验方法，其中，通过控制系统控制所述作动机构(3)，以调节加载的位置、幅值、频率和加载方式。