本發(fā)明涉及工程機械
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種挖掘機工作裝置載荷譜測試方法。
背景技術(shù)：
：挖掘機作業(yè)工況惡劣、載荷復(fù)雜，在隨機載荷長期作用下工作裝置容易產(chǎn)生疲勞破壞。載荷譜是進行結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計和疲勞試驗的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對挖掘機而言，其斗尖力和工作裝置各鉸點力的準(zhǔn)確測試是編制整機載荷譜和工作裝置零部件載荷譜的關(guān)鍵。由于挖掘機挖掘過程中，鏟斗經(jīng)常受到偏載和側(cè)載，一般很難直接在斗尖上安裝傳感器測取斗尖載荷譜。目前，挖掘機載荷譜測試方法通常有兩種，其一，通過直接測量鉸點銷軸力換算斗尖載荷譜。例如，申請?zhí)枮椋?01510438599.1的中國專利申請中設(shè)計了一種銷軸傳感器，可以完整地測得鉸點處的載荷，包括偏載和側(cè)載，但這種方法需要設(shè)計加工專門的銷軸傳感器，且需要對鏟斗結(jié)構(gòu)做出較大的改造。其二，是對工作裝置危險部位或主要受力部位布置應(yīng)變片或應(yīng)變花，由此得到應(yīng)力譜，也可應(yīng)用危險點應(yīng)力與斗尖載荷的關(guān)系，換算斗尖載荷譜。例如，文獻“R961型液壓挖掘機斗桿載荷譜”提出了當(dāng)量位置的概念，利用在當(dāng)量位置下標(biāo)定的斗尖載荷與危險測點應(yīng)力的關(guān)系，將測點應(yīng)力時間歷程換算成當(dāng)量位置下的斗尖載荷譜；文獻“單斗液壓挖掘機模型模擬試驗加載譜的研究”通過測量挖掘過程中各油缸壓力和伸縮量，計算出任意構(gòu)件在挖掘過程中某點的應(yīng)力時間歷程，而后換算成特定加載位置下的加載載荷時間歷程。這種方法在挖掘機細部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化后，由于危險點發(fā)生變化，換算的載荷譜無法推廣應(yīng)用，另外，目前這種方法也沒有考慮挖掘過程中側(cè)載和偏載的影響。此外，申請?zhí)枮?01310098680.0的中國專利申請?zhí)岢隽艘环N液壓挖掘機工作裝置載荷譜測試方法，該方法通過對工作裝置的一種典型姿態(tài)及其受力狀態(tài)進行分析實現(xiàn)斗尖載荷譜的測試。該方法測得的載荷譜只是在特定挖掘姿態(tài)下的載荷譜，缺乏普遍意義，且該方法未考慮側(cè)載和偏載的影響。因此，需要尋找更完善可靠的載荷譜測試方法，為挖掘機疲勞可靠性及耐久性分析等提供數(shù)據(jù)。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于，提供一種挖掘機工作裝置載荷譜測試方法，能夠在不改變挖掘機工作裝置結(jié)構(gòu)的前提下，對挖掘機工作過程中的受到的實際挖掘阻力進行間接測量。為了實現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種挖掘機工作裝置載荷譜測試方法，包括以下步驟：步驟一，在挖掘機的動臂液壓缸、斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸上分別布置位移傳感器，在動臂液壓缸、斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸的大腔和小腔中分別布置壓力傳感器；位移傳感器分別用于測取三個液壓缸的伸縮量數(shù)據(jù)，而壓力傳感器分別用于測取三個液壓缸的大腔、小腔的壓力數(shù)據(jù)；步驟二，利用一個虛擬平面對挖掘機的斗桿進行截切，計算截切下來的脫離體的重力，并通過測量挖掘機工作裝置的姿態(tài)參數(shù)來計算脫離體的重心位置；步驟三，在斗桿上布設(shè)三個應(yīng)變花，應(yīng)變花的布設(shè)位置與所述的虛擬平面對斗桿進行截切而形成的截切面位于同一個平面；通過三個應(yīng)變花測試的應(yīng)變來推導(dǎo)出截切面的內(nèi)力分量；步驟四，在挖掘機整個工作循環(huán)過程中，實時采集以上位移傳感器、壓力傳感器以及應(yīng)變花的測量數(shù)據(jù)，然后結(jié)合挖掘機工作裝置的結(jié)構(gòu)尺寸，由所述的截面內(nèi)力分量根據(jù)力的平衡關(guān)系計算出鏟斗斗尖荷載時間歷程，由載荷時間歷程即可編制工作裝置載荷譜。進一步地，所述的位移傳感器采用拉線式位移傳感器，位移傳感器的一端固定在動臂液壓缸、斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸的缸筒上，另一端固定在與液壓缸活塞桿鉸接的銷軸軸心處，安裝時調(diào)整位移傳感器的位置使位移傳感器的拉線與動臂液壓缸、斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸平行。進一步地，所述的截切面位于斗桿上無應(yīng)力集中處，且截切面垂直于斗桿縱向的中心軸線。進一步地，所述的步驟二中，截切下來的脫離體包括鏟斗、連桿、搖桿和部分斗桿，其中鏟斗、連桿和搖桿的重力可直接測得，重心通過吊重法測得；所述的部分斗桿的重力和重心通過軟件計算得到；得到鏟斗、連桿、搖桿和部分斗桿的重力、重心后，再通過質(zhì)心定理，可確定脫離體的總質(zhì)心位置。進一步地，所述的應(yīng)變花包括1號應(yīng)變花、2號應(yīng)變花和3號應(yīng)變花，其中1號應(yīng)變花、2號應(yīng)變花分別布置在斗桿左右腹板外表面，并通過所述的截切面水平中性軸；3號應(yīng)變花布置在斗桿下翼緣板外表面，并通過截切面的垂直中性軸。進一步地，所述的內(nèi)力分量有六個，分別為軸向力Fx，水平平面內(nèi)外力Fy，垂直平面內(nèi)外力Fz，軸向力矩Mx，水平面內(nèi)力矩My，垂直平面內(nèi)力矩Mz；截面內(nèi)力通過以下表達式計算：[Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz]T＝N-1[σ1,τ1,σ2,τ2,σ3,τ3]T式中，N為截面應(yīng)力與截面內(nèi)力的關(guān)系矩陣，通過有限元分析軟件擬合得到；σi和τi為第i號應(yīng)變花測得的應(yīng)變合成的軸向正應(yīng)力和橫向剪應(yīng)力，i＝1,2,3。進一步地，所述的步驟四中鏟斗斗尖載荷時間歷程的計算公式為：Fx0Fy0Fz0Mx0My0Mz0=cos(β2)0sin(β2)000010000-sin(β2)0cos(β2)000000cos(β2)0sin(β2)000010000-sin(β2)0cos(β2)(-1000000-1000000-10000QR1Z‾0-100-QR1Z‾0QR1X‾0-100-QR1X‾000-1-1(FxFyFzMxMyMz--FLx-Grx0-FLz-Grz0-FLx·R1R2‾-Grx·Z+Grz·X0))]]>上式中，F(xiàn)x0,Fy0,Fz0,Mx0,My0,Mz0為斗尖力六個分量在基礎(chǔ)坐標(biāo)系下的表達參數(shù)；基礎(chǔ)坐標(biāo)系為設(shè)置在挖掘機基座上的坐標(biāo)系，x方向為水平方向，z方向為豎直方向；β2為斗桿坐標(biāo)系與基礎(chǔ)坐標(biāo)系的夾角，斗桿坐標(biāo)系為設(shè)置在斗桿上的坐標(biāo)系，斗桿坐標(biāo)系的原點與斗桿、斗桿液壓缸的鉸接點重合，x方向與斗桿縱向中心軸線重合，指向鏟斗；Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz為測試截面內(nèi)的六個內(nèi)力分量在斗桿坐標(biāo)系下的表達參數(shù)；FLx，F(xiàn)Lz為鏟斗液壓缸力在斗桿坐標(biāo)系下沿x，z方向的分量；Grx，Grz為脫離體總重力在斗桿坐標(biāo)系下沿x，z方向的的分量；為斗尖與截切面中心的距離在斗桿坐標(biāo)系下沿x，z方向的分量；為截切面中心與鏟斗液壓缸在斗桿坐標(biāo)系下z方向的距離；X，Z為脫離體重心與截切面中心的距離在斗桿坐標(biāo)系下沿x，z方向的分量。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下技術(shù)特點：1.利用本發(fā)明方法得到的載荷譜不僅包含了挖掘機挖掘過程中受到的正載的影響，而且包含了偏載和側(cè)載的影響，與實際情況更加吻合，則獲得的載荷譜更加準(zhǔn)確，具有更好的參考價值和實際意義；2.該方法以測試截面的內(nèi)力為基礎(chǔ)，所得到的載荷譜不受測試樣機細部結(jié)構(gòu)的影響，具備很好的通用性；因此，該方法得到的載荷譜對同一類型的挖掘機均適用；3.該方法僅通過在特定位置布置3個應(yīng)變花即可求得截面6個內(nèi)力分量，測試方法簡單可靠；4.該方法不需要對挖掘機結(jié)構(gòu)進行任何改造，容易實現(xiàn)，成本低。該方法適用于各類挖掘機工作裝置載荷譜的測試，也可用于其它承受動載作用的結(jié)構(gòu)載荷譜測試。附圖說明圖1是一種反鏟挖掘機工作裝置結(jié)構(gòu)及附著于各部件上的坐標(biāo)系示意圖；圖2是挖掘機斗桿測試截面應(yīng)變花布置原理圖；圖3是挖掘機工作裝置由斗桿測試截面所截脫離體受力分析示意圖；圖1中的標(biāo)號分別代表：1—基座，2—動臂液壓缸，3—動臂，4—斗桿，5—鏟斗液壓缸，6—鏟斗，7—連桿，8—搖桿，9—斗桿液壓缸。具體實施方式遵從上述技術(shù)方案，如圖1至圖3所示，為了使本發(fā)明的技術(shù)方案更加清楚，以下結(jié)合附圖以及實施例對本方案進一步說明。如圖1所示，挖掘機工作裝置包括動臂3、斗桿4和鏟斗6三部分，動臂3一端與基座1鉸接于O點，另一端與斗桿4鉸接于D點；斗桿4與鏟斗6鉸接于K點。動臂液壓缸2設(shè)置在動臂3下側(cè)，其兩端分別通過鉸接點A和B與基座1和動臂3連接，動臂液壓缸2驅(qū)動動臂3繞O點執(zhí)行起落動作。斗桿液壓缸9設(shè)置在動臂3上側(cè)，其兩端分別通過鉸接點C和E與動臂3和斗桿4連接，斗桿液壓缸9驅(qū)動斗桿4繞D點轉(zhuǎn)動。斗桿4上側(cè)設(shè)置有鏟斗液壓缸5，鏟斗液壓缸5一端通過鉸接點F與斗桿4連接，另一端通過鉸接點H連接有連桿7和搖桿8，連桿7另一端通過鉸接點G與斗桿4連接，搖桿8另一端通過鉸接點M與鏟斗6連接，鏟斗液壓缸5通過鏟斗連桿機構(gòu)驅(qū)動鏟斗6繞點K轉(zhuǎn)動。由于挖掘機工作裝置是具有3個自由度的多剛體系統(tǒng)，為了表述清楚，在工作裝置上設(shè)置四個坐標(biāo)系，其中，{O0}為基礎(chǔ)坐標(biāo)系，原點與O點重合；{O1}為固定在動臂上的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，原點也與O點重合；{O2}為固定在斗桿上的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，原點與E點重合；{O3}為固定在鏟斗上的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，原點與K點重合。由于挖掘機斗齒直接與工作介質(zhì)接觸，無法在斗齒上安裝傳感器直接測取斗尖挖掘阻力來編制載荷譜，本發(fā)明通過間接測取選定的斗桿測試截面特定測點的應(yīng)變，結(jié)合姿態(tài)參數(shù)來推導(dǎo)計算斗齒尖的挖掘阻力。由此，將斗齒的斗尖挖掘阻力時間歷程的測試轉(zhuǎn)換為斗桿測試截面特定測點應(yīng)變時間歷程的測量。下面結(jié)合圖1來說明本發(fā)明用于挖掘機工作裝置載荷譜測試的具體步驟。步驟一，準(zhǔn)備工作：在挖掘機的動臂液壓缸、斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸上分別布置位移傳感器，在動臂液壓缸、斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸的大腔和小腔中分別布置壓力傳感器；位移傳感器分別用于測取三個液壓缸的伸縮量數(shù)據(jù)，用于確定工作裝置的瞬時姿態(tài)；位移傳感器采用拉線式位移傳感器，位移傳感器的一端固定在動臂液壓缸、斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸的缸筒上，另一端固定在與液壓缸活塞桿鉸接的銷軸軸心處，安裝時調(diào)整位移傳感器的位置使位移傳感器的拉線與動臂液壓缸、斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸平行。而壓力傳感器分別用于測取三個液壓缸的大腔、小腔的壓力數(shù)據(jù)，用于確定液壓缸力；步驟二，利用一個虛擬平面對挖掘機的斗桿進行截切，計算截切下來的脫離體的重力，并通過測量挖掘機工作裝置的姿態(tài)參數(shù)來計算脫離體的重心位置；這里的虛擬平面是一個假想的平面，假想以該平面對斗桿截切，截切下來的部分即為脫離體。脫離體包括鏟斗、連桿、搖桿和部分斗桿，其中鏟斗、連桿和搖桿的重力可直接測得，重心通過吊重法測得；所述的部分斗桿的重力和重心通過Pro/E三維軟件計算得到；得到鏟斗、連桿、搖桿和部分斗桿的重力、重心后，再通過質(zhì)心定理，可確定脫離體的總質(zhì)心位置。步驟三，在斗桿上布設(shè)三個應(yīng)變花，應(yīng)變花的布設(shè)位置與所述的虛擬平面對斗桿進行截切而形成的截切面位于同一個平面；通過三個應(yīng)變花測試的應(yīng)變來推導(dǎo)出截面的內(nèi)力分量；作為本實施例來講，應(yīng)變花包括1號應(yīng)變花、2號應(yīng)變花和3號應(yīng)變花，其中1號應(yīng)變花、2號應(yīng)變花分別布置在斗桿左右腹板外表面，并通過所述的截切面水平中性軸；3號應(yīng)變花布置在斗桿下翼緣板外表面，并通過截切面的垂直中性軸；這里的截切面的水平中性軸是指在截切面中，與鏟斗上表面、下表面平行且位于中部的軸，如圖2所示的Y方向。在試驗過程中，用動態(tài)應(yīng)變儀采集應(yīng)變時間歷程。步驟四，在挖掘機整個工作循環(huán)過程中，實時采集以上位移傳感器、壓力傳感器以及應(yīng)變花的測量數(shù)據(jù)，然后結(jié)合挖掘機工作裝置的結(jié)構(gòu)尺寸，由所述的截面內(nèi)力分量根據(jù)力的平衡關(guān)系計算出鏟斗斗尖荷載時間歷程，由載荷時間歷程即可編制工作裝置載荷譜。本方案進一步給出了一種鏟斗斗尖載荷時間歷程的計算方法：步驟四中鏟斗斗尖載荷時間歷程的計算公式為：Fx0Fy0Fz0Mx0My0Mz0=cos(β2)0sin(β2)000010000-sin(β2)0cos(β2)000000cos(β2)0sin(β2)000010000-sin(β2)0cos(β2)(-1000000-1000000-10000QR1Z‾0-100-QR1Z‾0QR1X‾0-100-QR1X‾000-1-1(FxFyFzMxMyMz--FLx-Grx0-FLz-Grz0-FLx·R1R2‾-Grx·Z+Grz·X0))]]>其中：[Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz]T＝N-1[σ1,τ1,σ2,τ2,σ3,τ3]T式中，N為截面應(yīng)力與截面內(nèi)力的關(guān)系矩陣，通過ANSYS有限元分析軟件擬合得到；σi和τi為第i號應(yīng)變花測得的應(yīng)變合成的軸向正應(yīng)力和橫向剪應(yīng)力，i＝1,2,3。上式中，F(xiàn)x0,Fy0,Fz0,Mx0,My0,Mz0為斗尖力六個分量在基礎(chǔ)坐標(biāo)系{O0}下的表達參數(shù)；基礎(chǔ)坐標(biāo)系為設(shè)置在挖掘機基座上的坐標(biāo)系，x方向為水平方向，z方向為豎直方向；β2為斗桿坐標(biāo)系{O2}與基礎(chǔ)坐標(biāo)系{O0}的夾角，斗桿坐標(biāo)系為設(shè)置在斗桿上的坐標(biāo)系，斗桿坐標(biāo)系的原點與斗桿、斗桿液壓缸的鉸接點重合，x方向與斗桿縱向中心軸線重合，指向鏟斗；Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz為截切面內(nèi)的六個內(nèi)力分量在斗桿坐標(biāo)系{O2}下的表達參數(shù)；FLx，F(xiàn)Lz為鏟斗液壓缸力在斗桿坐標(biāo)系{O2}下沿x，z方向的分量；Grx，Grz為脫離體總重力在斗桿坐標(biāo)系{O2}下沿x，z方向的的分量；為斗尖與截切面中心的距離在斗桿坐標(biāo)系{O2}下沿x，z方向的分量；為截切面中心與鏟斗液壓缸在斗桿坐標(biāo)系{O2}下z方向的距離；X，Z為脫離體重心與截切面中心的距離在斗桿坐標(biāo)系{O2}下沿x，z方向的分量；基于運動學(xué)原理，根據(jù)D-H法可確定任意時刻工作裝置上任意點的空間位置及坐標(biāo)，即可求得以上各長度尺寸和角度。下面參照圖2和圖3來說明本發(fā)明提出的挖掘機工作裝置載荷譜測試方法的機理及推導(dǎo)公式。在斗桿上無應(yīng)力集中的部位選取適當(dāng)?shù)奶摂M平面假想地截開工作裝置，并以斗桿和鏟斗部件為脫離體，該脫離體受到的外力分別為鏟斗液壓缸力，測試截面內(nèi)力，挖掘阻力以及重力。由于挖掘過程中受到的挖掘阻力是一組空間力系，將其向斗尖中心合成為水平方向挖掘阻力，豎直方向挖掘阻力，側(cè)向挖掘阻力，以及水平方向挖掘阻力矩，豎直方向挖掘阻力矩及側(cè)向挖掘阻力矩，統(tǒng)稱為斗尖力。若已知液壓缸力，測試截面內(nèi)力和重力，對脫離體建立力學(xué)平衡方程，即可求得斗尖力。1)鏟斗液壓缸力可通過下式計算得到：F'＝(Pd×Sd-Px×Sx)×10-5，式中，F(xiàn)’—鏟斗液壓缸力，N；Pd—鏟斗液壓缸大腔壓力，bar；Sd—鏟斗液壓缸大腔有效面積，m2；Px—鏟斗液壓缸小腔壓力，bar；Sx—鏟斗液壓缸小腔有效面積，m2；2)如圖2所示，將斗桿簡化成薄壁箱梁，假設(shè)斗桿某截面同時受到六個內(nèi)力分量，即，軸向力Fx，水平平面內(nèi)外力Fy，垂直平面內(nèi)外力Fz，軸向力矩Mx，水平面內(nèi)力矩My，垂直平面內(nèi)力矩Mz。根據(jù)箱型梁截面在不同內(nèi)力下的應(yīng)力分布的分析，可知測試截面應(yīng)力與內(nèi)力的對應(yīng)關(guān)系。因此，測試截面內(nèi)力可通過測量截面應(yīng)力得到。本發(fā)明采用直接擬合的方式確定關(guān)系矩陣N中的參數(shù)。利用ANSYS有限元分析軟件建立一定長度的挖掘機實際斗桿的有限元模型，在斗桿模型的一端施加全約束，在另一端分別施加6種載荷(Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，Mx，My，Mz)，每種載荷設(shè)置遞增的5個等級，每次加載求解后，記錄斗桿測試截切面上的內(nèi)力和測試截切面內(nèi)3個測點處的應(yīng)力分量。通過擬合，確定矩陣N中的參數(shù)。3)測試截面三個測點的正應(yīng)力和剪應(yīng)力分量，可由應(yīng)變花測得的三個應(yīng)變分量按下式求得，應(yīng)變花布置方向如圖2所示。其中，εi-x，εi-z和εi-45°分別為第i個測點的x，z，45°方向的應(yīng)變，E為彈性模量，μ為泊松比。4)鏟斗斗桿脫離體在{O2}坐標(biāo)系下的受力分析如圖3所示。對其建立力學(xué)平衡方程：FxFyFzMxMyMz=S1Fx′Fy′Fz′Mx′My′Mz′+W]]>式中，S1=-1000000-1000000-10000QR1Z‾0-100-QR1Z‾0QR1X‾0-100-QR1X‾000-1,W=-FLx-Grx0-FLz-Grz0-FLx·R1R2‾-Grx·Z+Grz·X0]]>Fx',Fy',Fz',Mx',My',Mz'為斗尖力在{O2}坐標(biāo)系下的六個分量，其它符號含義與上文一致；再將斗尖力通過矢量旋轉(zhuǎn)定理轉(zhuǎn)換到基礎(chǔ)坐標(biāo)系{O0}下：Fx0Fy0Fz0Mx0My0Mz0=cos(β2)0sin(β2)000010000-sin(β2)0cos(β2)000000cos(β2)0sin(β2)000010000-sin(β2)0cos(β2)Fx′Fy′Fz′Mx′My′Mz′]]>其中各符號含義如上。將上述過程整理后即得表達式：Fx0Fy0Fz0Mx0My0Mz0=cos(β2)0sin(β2)000010000-sin(β2)0cos(β2)000000cos(β2)0sin(β2)000010000-sin(β2)0cos(β2)(-1000000-1000000-10000QR1Z‾0-100-QR1Z‾0QR1X‾0-100-QR1X‾000-1-1(FxFyFzMxMyMz--FLx-Grx0-FLz-Grz0-FLx·R1R2‾-Grx·Z+Grz·X0))]]>可將上述計算過程用計算機語言編程，輸入?yún)?shù)為挖掘機工作裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)，各測點的應(yīng)變，3個液壓缸位移和油壓數(shù)據(jù)等，輸出即為挖掘機斗尖力的時間歷程。該數(shù)據(jù)可作為挖掘機工作裝置載荷譜編制的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。當(dāng)前第1頁1 2 3