一种挖掘机动臂疲劳试验程序谱整理及试验加载方法与流程

本发明涉及工程机械技术领域，具体涉及一种挖掘机动疲劳试验程序谱整理及试验加载方法。

背景技术：

疲劳试验是疲劳研究的有力手段，疲劳试验应尽可能模拟真实情况，载荷谱是进行疲劳试验的基础数据，因此，载荷谱必须准确有效地整理。疲劳试验按加载方式不同分为等幅加载、程序加载和随机加载，载荷谱也相应的分为等幅加载谱、程序加载谱和随机加载谱。等幅加载可以简化试验，但在反映载荷顺序及其变化历程的影响时不如程序加载；随机加载可以计及载荷顺序，能反映真实载荷对构件寿命的影响，但加载系统及试验过程较复杂；程序加载常用雨流计数等方法将实测数据整理成各级幅值的载荷循环，因其试验简单，故得到广泛应用。因此，本发明旨在寻求一种挖掘机动臂疲劳试验程序谱整理及试验加载方法。

对于工作姿态不变、所承受载荷方向固定的构件或整机，疲劳试验姿态容易确定，实测外载荷可直接用来整理载荷谱，且能较好的复现实际服役情况，例如，工程车辆传动系等；而挖掘机工作装置具有多自由度，实际工作姿态和外载荷的大小和方向时刻在改变，实测载荷难以直接用于整理能够反映实际情况的整机载荷谱。

文献“R961型液压挖掘机斗杆载荷谱”和文献“单斗液压挖掘机模型模拟试验加载谱的研究”采用简化的形式，都是对挖掘机工作装置在固定姿态下做整机疲劳试验，前者以斗杆危险点应力当量斗尖加载力，试验只能保证斗杆上危险测点的应力状态与实际相同；后者以动臂危险点应力当量斗尖加载力，也只能保证复现动臂上某危险测点的应力，两种方法不能确定其余部位的应力与实际状态是否一致，且危险点的应力状态与细部结构密切相关，以危险点的应力为中间量整理的载荷谱只适用于与试验样机同机型的挖掘机。

现有文献对于挖掘机动臂构件的疲劳试验研究还比较少，主要难点在于挖掘机工作过程中动臂所受实际外力复杂，可以反映动臂实际受力状态的疲劳试验用载荷谱难以整理。

综上所述，急需寻求一种合理的动臂疲劳试验程序谱整理及试验加载方法，为挖掘机动臂构件的疲劳试验及可靠性寿命预估研究提供基础。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于，提供一种挖掘机动疲劳试验程序谱整理及试验加载方法，该方法以实际载荷为基础，使疲劳试验简单可行，同时能最大限度地复现动臂的实际应力状态。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种挖掘机动疲劳试验程序谱整理及试验加载方法，包括以下步骤：

步骤一，在挖掘机实际工作过程中，采用应变片实测挖掘机动臂上疲劳关键部位的应力-时间历程；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三个油缸的伸缩量-时间历程，进而获得工作姿态；采用在动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的大腔和小腔中分别布置压力传感器实测三个油缸的大腔、小腔的压力-时间历程，进而得到三个油缸的油缸力-时间历程；

步骤二，根据动臂与斗杆油缸铰接点力、动臂与斗杆铰接点力的规律，以及动臂的运动特征确定动臂疲劳试验加载方案；

步骤三，以动臂最大弯矩截面为载荷当量基准，并遵循应力等效原则，将动臂与斗杆油缸铰接点力—时间历程、动臂与斗杆铰接点力—时间历程，当量成动臂疲劳试验姿态下的一个当量垂向力-时间历程；

步骤四，将当量垂向力-时间历程编制成动臂计算载荷谱；

步骤五，通过对疲劳关键部位应力测点采用损伤一致性准则对动臂计算载荷谱进行修正，最后得到动臂疲劳试验程序谱。

进一步地，所述的动臂上疲劳关键部位应力位置使用有限元分析软件进行强度分析、模态分析，并结合强度试验和结构特征予以确定。

进一步地，步骤二中所述的规律是指动臂与斗杆油缸铰接点力-时间历程、动臂与斗杆铰接点的力-时间历程；这两个铰接点力-时间历程是通过油缸力-时间历程，结合工作姿态和D-H法反算求解得到。

进一步地，步骤二中动臂疲劳试验加载方案为：

在动臂局部坐标系下进行疲劳试验，具体姿态为：使动臂与转盘铰接点、以及动臂与斗杆铰接点的连线与水平面平行，约束动臂与车架的铰接点、动臂与动 臂油缸的铰接点，只在动臂与斗杆的铰接点处，在垂直于所述连线的方向上施加载荷。

进一步地，所述的步骤三中载荷当量方法具体为：

首先，将动臂与斗杆油缸铰接点力—时间历程，动臂与斗杆铰接点力/力矩—时间历程，按坐标变换原理，分解到动臂局部坐标系下；

其次，计算动臂在实测外力作用下的最大弯矩截面，以最大弯矩截面处下翼缘板上的左角点I、右角点J的应力等效分别计算相应的当量垂向力，从而得到当量垂向力-时间历程；计算式如下：

上式中，F_eq表示所求的当量垂向力；k_I表示当量垂向力F_eq与角点I或J的应力的比例系数；F_i表示动臂与斗杆油缸铰接点力的各个分量，n表示动臂与斗杆油缸铰接点力的分量的个数，k_1i表示动臂与斗杆油缸铰接点力各分量与角点I或J的应力的比例系数；F_j表示动臂与斗杆铰接点力的各个分量，m表示动臂与斗杆铰接点力/力矩分量的个数，k_2j表示动臂与斗杆铰接点力/力矩各分量与角点I或J的应力的比例系数；k_1i，k_2j和k_I通过有限元分析软件计算得到；

最后，分别将按角点I和按角点J当量的垂向力加载下动臂上疲劳关键部位应力点的应力-时间历程，与对应测点实测应力-时间历程对比，取与实测值更接近者，作为最后的当量垂向力-时间历程。

进一步地，步骤四中编制动臂计算载荷谱的具体过程为：

首先，对当量垂向力-时间历程进行峰谷抽取和去除小循环，以压缩编辑数据；

其次，对压缩后的当量垂向力-时间历程按雨流计数法计数，得到的均值-幅值-频次二维谱，再利用Goodman平均应力修正公式，按照等损伤原则将非对称循环二维谱转化为对称循环一维谱，即得到幅值-频次关系；

然后，计算幅值的概率密度函数，以求得幅值累积频次曲线，并根据Conver提出的概率准则确定扩展因子，对幅值累积频次曲线进行外推，确定极值载荷；

最后，利用幅值概率密度函数确定各级幅值下的循环数，最终确定动臂的计算载荷谱。

进一步地，步骤五中修正动臂计算载荷谱的具体过程如下：

首先，将步骤一中实测的各个疲劳关键部位应力测点的应力-时间历程，通过雨流计数法获得其应力谱，再根据动臂材料焊接接头的S-N曲线和Miner累积损伤法则，按下式计算各点实际损伤：

上式中，q表示疲劳关键部位应力测点数目，D_rj表示测点j的实际损伤，m、C为S-N曲线常数，n₁表示应力谱级数，σ_ij，n_ij分别表示测点j的应力谱第i级幅值及其对应的频次；

其次，计算步骤四获得的动臂计算载荷谱造成的疲劳关键部位各测点的损伤D_pj：

上式中，q表示疲劳关键部位应力测点数目，D_pj表示动臂计算载荷谱对测点j造成的损伤，m，C为S-N曲线常数，n₂表示动臂计算载荷谱级数，P_k，n_k分别表示动臂计算载荷谱第k级幅值及其对应的频次，k_j表示动臂计算载荷谱第k级幅值P_k与测点j的应力的比例系数；

然后，用修正系数γ对动臂计算载荷谱进行修正，修正后的各级幅值为P_k'＝γP_k，则修正后的动臂计算载荷谱造成的疲劳关键部位各测点的损伤D_pj'为：

建立损伤一致性修正优化模型：

目标函数：

约束条件：D_rj≤D_pj'

最后，求解优化模型，将式(2)和式(4)代入目标函数，可得修正系数γ， 进而得修正后的动臂计算载荷谱P_k'＝γP_k，将其作为动臂疲劳试验程序谱。

本发明提出的技术方案与现有技术相比，主要具备以下技术优点：

1.本发明在动臂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；

2.以动臂构件最大弯矩截面作为载荷当量基准，将实测动臂上，动臂与斗杆油缸铰点，动臂与斗杆铰点的所有力(力矩)—时间历程，按照应力等效原则当量成一个垂向力—时间历程，使得动臂疲劳试验简单可行；

3.根据动臂结构应力状态，提出了用动臂构件最大弯矩截面作为载荷当量基准，可以避免以危险点为载荷当量基准时引起的缺陷，即不受动臂截面尺寸等细部结构的影响，求得的垂向力-时间历程编制的载荷谱，对不同厂家同吨位机型的动臂都适用；试验证明，当量垂向力-时间历程在结构大应力部位产生的应力-时间历程与对应测点实测应力时间历程相当吻合；

4.通过对动臂疲劳关键部位应力测点采用损伤一致性对动臂计算载荷谱进行修正后得到动臂疲劳试验程序谱，可以保证疲劳试验结果的可靠性；

5.该方法适用于其他类型的挖掘机动臂及斗杆，装载机动臂等类似结构的疲劳试验载荷谱整理。

附图说明

图1是一种反铲挖掘机工作装置结构示意图；

图2是挖掘机动臂疲劳试验载荷谱整理方法的技术路线图；

图3(a)是动臂各铰接点力等效前疲劳试验加载示意图；

图3(b)是动臂各铰接点力等效后简化疲劳试验加载示意图；

图4是动臂构件x₁oz₁平面内弯矩图。

图中的标号分别代表：1—动臂油缸大腔压力传感器，2—动臂油缸，3—动臂油缸位移传感器，4—动臂油缸小腔压力传感器，5—动臂，6—斗杆油缸大腔压力传感器，7—斗杆油缸，8—斗杆油缸位移传感器，9—斗杆油缸小腔压力传感器，10—三维销轴力传感器，11—斗杆，12—铲斗油缸大腔压力传感器，13—铲斗油缸，14—铲斗油缸位移传感器，15—铲斗油缸小腔压力传感器，16—铲斗，17—转台。

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，挖掘机的工作装置包括动臂5、斗杆11和铲斗16三部分。本发明主要研究对象为动臂4，其一端与挖掘机的转台17铰接，铰接点记为O点，另一端与斗杆11铰接，铰接点记为D点；斗杆11与铲斗16铰接于K点。动臂油缸2设置在动臂5下侧，其两端分别铰接在转台17和动臂5上，铰接点分别记为A点和B点；动臂5在动臂油缸2的驱动下绕O点执行起落动作。斗杆油缸7设置在动臂5上侧，其两端分别铰接在动臂5和斗杆11上，铰接点记为C点和E点，斗杆11在斗杆油缸7的驱动下绕D点转动。

由于挖掘机的工作装置是具有3个自由度的多刚体系统，为了表述清楚，设基础坐标系{O₀}平行于大地坐标系，原点与动臂5和转台17的铰接点O重合；在动臂5上设置局部坐标系{O₁}，原点与O点重合。这里的大地坐标系是指x轴与水平面平行并指向挖掘机前进方向、z轴垂直于水平面的坐标系。

本发明的技术路线如图2所示。

下面结合附图说明本发明用于挖掘机动臂疲劳试验载荷谱整理方法的具体步骤：

步骤一，准备编制载荷谱的基础数据

在挖掘机实际工作过程中，采用应变片实测动臂上疲劳关键部位应力测点(测点即设置应变片的位置)的应力-时间历程。动臂上疲劳关键部位应力位置可使用有限元分析软件进行强度分析、模态分析，并结合强度试验和结构特征予以确定；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3、8、14实测三个油缸的伸缩量-时间历程，进而获得工作姿态；采用在动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的大腔1、6、12和小腔4、9、15中分别布置压力传感器实测三个油缸的大腔、小腔的压力-时间历程，进而得到三个油缸的油缸力-时间历程；通过油缸力-时间历程，结合工作姿态，和D-H(Denavi-Hartenberg)法可以反算求解出动臂与斗杆油缸铰接点C的力-时间历程，动臂与斗杆铰接点D的力-时间历程。除了此种间接计算的方法，动臂与斗杆铰接点处的实际受力，还可以采用在动臂与斗杆铰接点处安装专门设计的三维销轴传感器10直接实测获取，此时该铰接点包含三个力和两个力矩-时间历程(见中国实用新型专利ZL 201520540921.7：挖掘机铲斗受力测试装置)。

步骤二，根据动臂与斗杆油缸铰接点力、动臂与斗杆铰接点力的规律，以及动臂的运动特征确定动臂疲劳试验加载方案，具体过程如下：

挖掘机实际工作循环下，动臂相对于大地坐标下的姿态时刻在改变，因此采用在动臂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。动臂上铰接点C、铰接点D有多个外力同时作用，如图3(a)所示，两个加载点共有7个分力，疲劳试验很难实现，故考虑到疲劳试验的可行性，还需要将各个铰接点力进行等效，以减少加载点和简化试验。进行载荷等效前，借助有限元模型计算分析，发现沿动臂局部坐标系z1(坐标系{O₁}的z轴)方向的分力产生的弯矩引起的应力远远大于沿x1(坐标系{O₁}的x轴)方向的分力及绕x1方向的扭矩引起的应力，同时动臂与斗杆铰接点D处的侧向力及绕z1方向的弯矩量值本身较小。因此，整个动臂结构以受弯曲应力为主，故可以将各个铰接点的力当量为一个垂向力。试验数据验证结果表明，当量垂向力在结构大应力部位产生的应力-时间历程与对应部位实测的应力-时间历程相当吻合。

综上所述，动臂疲劳试验加载方案如图3(b)所示，使动臂坐标系{O₁}(局部坐标系{O₁}的z轴经过动臂厚度方向的中心面，x轴为OD的连线并与水平面平行)平行于基础坐标系{O₀}，约束动臂与转台的铰接点O，以及动臂与动臂油缸的铰接点B，只在动臂与斗杆的铰接点D处的垂直方向(O₁的z轴方向)上施加载荷，图3(b)中力F_eq即为最终的当量垂向载荷。即，该步骤单独将动臂作为研究对象，相当于取动臂放在水平面中，使动臂绕着O点的旋转面垂直于水平面，并对O点和B点进行固定，再施加荷载。

步骤三，以动臂最大弯矩截面为载荷当量基准，并遵循应力等效原则，将动臂与斗杆油缸铰接点力—时间历程、动臂与斗杆铰接点力—时间历程，当量成动臂疲劳试验姿态下的一个当量垂向力-时间历程；具体过程如下：

首先，将动臂与斗杆油缸铰接点力—时间历程，动臂与斗杆铰接点力(力矩)-时间历程，按坐标变换原理，分解到动臂局部坐标系O₁下，如图3(a)所示；其次，计算动臂在实测外力作用下的最大弯矩截面(如图4所示，做出动臂弯矩图，即可确定最大弯矩截面A-A)，以最大弯矩截面A-A处下翼缘板上的左角点I、右角点J的应力等效分别求相应的当量垂向力-时间历程，计算式如下：

其中，F_eq表示所求的当量垂向力；k_I表示当量垂向力F_eq与角点I(或J)的应力的比例系数；F_i表示动臂与斗杆油缸铰接点力的各个分量，n表示动臂与斗杆油缸铰接点力分量的个数，k_1i表示动臂与斗杆油缸铰接点力各分量与角点I(或J)的应力的比例系数；F_j表示动臂与斗杆铰接点力的各个分量，m表示动臂与斗杆铰接点力(或力矩)分量的个数，k_2j表示动臂与斗杆铰接点力(或力矩)各分量与角点I(或J)的应力的比例系数。k_1i，k_2j和k_I可通过有限元分析软件计算得到。例如，利用ANSYS有限元分析软件，建立动臂模型，其姿态及约束方式如图3(a)所示，在铰点D施加垂向力，将此垂向力设置递增的5个等级，每次加载求解后，记录角点I(或J)的应力，通过拟合，即可确定系数k_I。同理，在铰点C和铰点D，分别施加各个分力，将每种分力设置递增的5个等级，每次加载求解后，记录角点I(或J)的应力，通过拟合，即可确定系数k_1i，k_2j。

最后，分别将按角点I和按角点J当量的垂向力加载下动臂上疲劳关键部位应力点的应力时间历程，与对应测点实测应力时间历程对比，取与实测值更接近者，作为最后的当量垂向力-时间历程。

步骤四，将当量垂向力-时间历程编制成动臂计算载荷谱；

首先，对当量垂向力-时间历程进行峰谷抽取和去除小循环，以压缩编辑数据；其次，对压缩后的当量垂向力—时间历程按雨流计数法计数，得到的均值-幅值-频次二维谱，再利用Goodman平均应力修正公式，按照等损伤原则将非对称循环二维谱转化为对称循环一维谱，即得到幅值-频次关系；然后，计算幅值的概率密度函数，以求得幅值累积频次曲线，并根据Conver提出的概率准则(认为载荷极大值出现概率为10^-6)确定扩展因子，对幅值累积频次曲线进行外推，确定极值载荷；最后利用幅值概率密度函数确定各级幅值下的循环数，最终确定动臂的计算载荷谱。

步骤五，步骤五，通过对疲劳关键部位应力测点采用损伤一致性准则对动臂 计算载荷谱进行修正，最后得到动臂疲劳试验程序谱，具体过程如下：

首先，将步骤一中实测的各个疲劳关键部位应力测点应力—时间历程，通过雨流计数法获得其应力谱，再根据动臂材料焊接接头的S-N曲线和Miner累积损伤法则，按下式计算各点实际损伤：

其中，q表示疲劳关键部位应力测点数目，D_rj表示测点j的实际损伤，m，C为S-N曲线常数，n₁表示应力谱级数，σ_ij，n_ij分别表示测点j的应力谱第i级幅值及其对应的频次。

其次，计算步骤四获得的动臂计算载荷谱造成的疲劳关键部位各测点的损伤D_pj：

其中，q表示疲劳关键部位应力测点数目，D_pj表示动臂计算载荷谱对测点j造成的损伤，m，C为S-N曲线常数，n₂表示动臂计算载荷谱级数，P_k，n_k分别表示动臂计算载荷谱第k级幅值及其对应的频次，k_j表示动臂计算载荷谱第k级幅值P_k与测点j的应力的比例系数，利用ANSYS有限元分析软件，建立动臂模型，其姿态及约束方式如图3(a)所示，在铰点D施加垂向力，将此垂向力设置递增的5个等级，每次加载求解后，记录测点j的应力，通过拟合，即可确定系数k_j，其值只与测点位置有关。

然后，用修正系数γ对动臂计算载荷谱进行修正，修正后的各级幅值为P_k'＝γP_k，则修正后的动臂计算载荷谱造成的疲劳关键部位各测点的损伤D_pj'为：

式中各参数含义同式(3)；

建立损伤一致性修正优化模型：

目标函数：

约束条件：D_rj≤D_pj'

最后，求解优化模型，将式(2)和式(4)代入目标函数，可得修正系数γ，进而得修正后的动臂计算载荷谱P_k'＝γP_k，将其作为动臂疲劳试验程序谱。