挖掘机转台等效力时间历程获取及疲劳试验谱整理方法与流程

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

背景技术：

转台作为挖掘机的重要组成部分，主要用于连接挖掘机的各类部件并承受来自工作装置的交变力，其结构的好坏直接影响了挖掘机的使用寿命和可靠性。挖掘机转台的疲劳断裂是造成挖掘机转台结构破坏的主要原因，对转台进行疲劳寿命试验是保证其结构安全性和使用寿命的重要手段，另一方面，由于挖掘机是个多自由度系统，在实际工作中工作姿态和外力时刻在改变，实测力不能直接整理试验力谱。

在做疲劳试验时需要将构件固定在某个姿态下，对于承受力方向固定，工作姿态不变的构件试验姿态容易确定，但是挖掘机在实际工作中姿态时刻在改变，试验姿态不易确定，而且现有文献对挖掘机转台的疲劳试验谱整理方法的研究较少，目前还没有一种适用于挖掘机转台的疲劳试验谱整理方法。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种挖掘机转台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转台等效力时间历程获取及疲劳试验谱整理方法导致的实测力不能直接整理实验力谱的技术问题。

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：

一种挖掘机转台铰点等效力时间历程获取方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：铰点分力时间历程获取，

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，求得三个油缸的油缸力时间历程；

以转台与动臂铰点为原点，在竖直面内建立第零坐标系，记为cx0y0，以转台与动臂油缸铰点为原点，在竖直面内建立第零坐标系cx0y0的移轴坐标系，记为第零坐标系kx0y0；

建立多体动力学方程，代入所述的油缸力时间历程和工作姿态，求解铰点c在x0方向的分力的时间历程和在y0方向的分力的时间历程；

建立多体动力学方程，代入所述的油缸力时间历程和工作姿态，求解铰点k在x0方向的分力的时间历程和在y0方向的分力的时间历程；

所述的铰点c为转台与动臂铰点，所述的铰点k为转台与动臂油缸铰点，所述的伸缩量时间历程和压力时间历程测定时间长度相等且同时测定；

步骤二，铰点合力时间历程获取及合力加载角度计算，

采用步骤一中获得的铰点c在x0方向的分力和在y0方向的分力通过下式求解铰点c的合力fc，

通过下式求解合力与y0方向的夹角θc，

即，求得铰点c的合力时间历程和合力角度时间历程；

比较铰点c合力时间历程和合力角度时间历程，获取每一工作循环中合力最大值所对应的角度值：其中n为所述的测定时长内的工作循环总数，并进行如下算术平均，

获得铰点c的合力时间历程的加载角度；

采用步骤一中获得的铰点k在x0方向的分力和在y0方向的分力通过下式求解铰点k的合力fk，

通过下式求解合力与y0方向的夹角θk，

即，求得铰点k的合力时间历程和合力角度时间历程；

比较铰点k合力时间历程和合力角度时间历程，获取每一工作循环中合力最大值所对应的角度值：并进行如下算术平均，

获得铰点k的合力时间历程的加载角度；

将铰点c和铰点k的合力时间历程的加载角度的绝对值进行相加，并通过下式对和值进行算术平均，

求得最终的等效力的加载角度θ；

步骤三：铰点等效力时间历程获取，

在第零坐标系下，建立有限元模型，求得结构疲劳危险部位，在铰点c的x0方向施加定值力，采用有限元软件求解应力值最大的疲劳危险点应力，采用铰点c在x0方向的定值力和疲劳危险点应力，求解铰点c在x0方向力-应力比例系数

在所述的有限元模型下，在铰点c的y0方向施加定值力，采用有限元软件求解应力值最大的疲劳危险点应力，采用铰点c在y0方向的定值力和疲劳危险点应力，求解铰点c在y0方向力-应力比例系数

在所述的有限元模型下，在铰点c与x0方向夹角角度为θ的方向施加定值力，采用有限元软件求解应力值最大的疲劳危险点应力，采用铰点c在θ角度方向的定值力和疲劳危险点应力，求解铰点c在θ角度方向力-应力比例系数kc；

采用所述的铰点c在x0方向力-应力比例系数铰点c在y0方向力-应力比例系数铰点c在θ角度方向的力-应力比例系数kc，通过下式计算铰点c的最终等效力

即获取铰点c最终等效力时间历程；

在所述的有限元模型下，在铰点k的x0方向施加定值力，采用有限元软件求解铰点k在x0方向力-应力比例系数

在所述的有限元模型下，在铰点k的y0方向施加定值力，采用有限元软件求解铰点k在y0方向力-应力比例系数

在所述的有限元模型下，在铰点k与y0方向夹角角度为θ的方向施加定值力，采用有限元软件求解铰点k在θ角度方向的力-应力比例系数kk；

采用所述的铰点k在x0方向力-应力比例系数铰点k在y0方向力-应力比例系数铰点k在θ角度方向的力-应力比例系数kk，通过下式计算铰点k最终等效力

即获取铰点k最终等效力时间历程；

步骤四：最终等效力时间历程获取，

比较和的大小，选择其中数值较大者作为最终的等效力，记为feq，即求得最终等效力feq的时间历程。

本发明还保护一种挖掘机转台疲劳试验谱的整理方法，包括步骤：

a)获取挖掘机转台铰点等效力时间历程；

b)采用步骤a)中获得的挖掘机转台铰点等效力时间历程编制转台铰点计算力谱；

c)根据损伤一致性准则对步骤b)中获得转台铰点计算力谱进行修正，得到挖掘机转台疲劳试验谱，

所述的步骤a)中获取挖掘机转台铰点等效力时间历程的方法采用如上所述的挖掘机转台铰点等效力时间历程获取方法。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

本发明根据挖掘机转台在挖掘机工作时的受力特点和自身结构的特殊性，统计出了转台所受集中外力的作用方向，实现了转台所受复杂外力等效为固定姿态下转台的两个方向相反的等效力，并将等效力时间历程编制为挖掘机转台的疲劳试验谱，弥补了国内无挖掘机转台铰点等效力获取方法及相应的转台疲劳试验谱整理方法的空白。本发明在转台局部坐标系下进行疲劳试验，避免了由于挖掘机姿态的变化引起的实验误差，提高了试验的精度。

附图说明

图1为液压挖掘机简化结构示意图；

图2为液压挖掘机计算坐标系统图；

图3为液压挖掘机转台局部坐标系下外力当量模型；

图4为液压挖掘机转台疲劳试验谱编制流程；

图中各个标号的含义为：1转台，2动臂油缸无杆腔压力传感器，3动臂油缸有杆腔压力传感器，4动臂油缸，5动臂油缸位移传感器，6动臂，7斗杆油缸无杆腔压力传感器，8斗杆油缸，9斗杆油缸位移传感器，10斗杆油缸有杆腔压力传感器，11斗杆，12铲斗油缸无杆腔压力传感器，13铲斗油缸，14铲斗油缸位移传感器，15铲斗油缸有杆腔压力传感器，16连杆，17摇杆，18铲斗。

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：

本实施例给出一种挖掘机转台铰点等效力时间历程获取方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：铰点分力时间历程获取，

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，求得三个油缸的油缸力时间历程；

以转台与动臂铰点为原点，在竖直面内建立第零坐标系，记为cx0y0，以转台与动臂油缸铰点为原点，在竖直面内建立第零坐标系cx0y0的移轴坐标系，记为第零坐标系kx0y0；

建立多体动力学方程，代入所述的油缸力时间历程和工作姿态，求解铰点c在x0方向的分力的时间历程和在y0方向的分力的时间历程；

建立多体动力学方程，代入所述的油缸力时间历程和工作姿态，求解铰点k在x0方向的分力的时间历程和在y0方向的分力的时间历程；

所述的铰点c为转台与动臂铰点，所述的铰点k为转台与动臂油缸铰点，所述的伸缩量时间历程和压力时间历程测定时间长度相等且同时测定；

步骤二，铰点合力时间历程获取及合力加载角度计算，

采用步骤一中获得的铰点c在x0方向的分力和在y0方向的分力通过下式求解铰点c的合力fc，

通过下式求解合力与y0方向的夹角θc，

即，求得铰点c的合力时间历程和合力角度时间历程；

比较铰点c合力时间历程和合力角度时间历程，获取每一工作循环中合力最大值所对应的角度值：其中n为所述的测定时长内的工作循环总数，并进行如下算术平均，

获得铰点c的合力时间历程的加载角度；

采用步骤一中获得的铰点k在x0方向的分力和在y0方向的分力通过下式求解铰点k的合力fk，

通过下式求解合力与y0方向的夹角θk，

即，求得铰点k的合力时间历程和合力角度时间历程；

比较铰点k合力时间历程和合力角度时间历程，获取每一工作循环中合力最大值所对应的角度值：并进行如下算术平均，

获得铰点k的合力时间历程的加载角度；

将铰点c和铰点k的合力时间历程的加载角度的绝对值进行相加，并通过下式对和值进行算术平均，

求得最终的等效力的加载角度θ；

步骤三：铰点等效力时间历程获取，

在第零坐标系下，建立有限元模型，求得结构疲劳危险部位，在铰点c的x0方向施加定值力，采用有限元软件求解应力值最大的疲劳危险点应力，采用铰点c在x0方向的定值力和疲劳危险点应力，求解铰点c在x0方向力-应力比例系数

在所述的有限元模型下，在铰点c的y0方向施加定值力，采用有限元软件求解应力值最大的疲劳危险点应力，采用铰点c在y0方向的定值力和疲劳危险点应力，求解铰点c在y0方向力-应力比例系数

在所述的有限元模型下，在铰点c与x0方向夹角角度为θ的方向施加定值力，采用有限元软件求解应力值最大的疲劳危险点应力，采用铰点c在θ角度方向的定值力和疲劳危险点应力，求解铰点c在θ角度方向力-应力比例系数kc；

采用所述的铰点c在x0方向力-应力比例系数铰点c在y0方向力-应力比例系数铰点c在θ角度方向的力-应力比例系数kc，通过下式计算铰点c的最终等效力

即获取铰点c最终等效力时间历程；

在所述的有限元模型下，用同样方法，在铰点k的x0方向施加定值力，采用有限元软件求解铰点k在x0方向力-应力比例系数

在所述的有限元模型下，用同样方法，在铰点k的y0方向施加定值力，采用有限元软件求解铰点k在y0方向力-应力比例系数

在所述的有限元模型下，用同样方法，在铰点k与y0方向夹角角度为θ的方向施加定值力，采用有限元软件求解铰点k在θ角度方向的力-应力比例系数kk；

采用所述的铰点k在x0方向力-应力比例系数铰点k在y0方向力-应力比例系数铰点k在θ角度方向的力-应力比例系数kk，通过下式计算铰点k最终等效力

即获取铰点k最终等效力时间历程；

步骤四：最终等效力时间历程获取，

比较和的大小，选择其中数值较大者作为最终的等效力，记为feq，即求得最终等效力feq的时间历程。

本实施例还给出一种挖掘机转台疲劳试验谱的整理方法，包括步骤：

a)获取挖掘机转台铰点等效力时间历程；

b)采用步骤a)中获得的挖掘机转台铰点等效力时间历程编制转台铰点计算力谱；

c)根据损伤一致性准则对步骤b)中获得转台铰点计算力谱进行修正，得到挖掘机转台疲劳试验谱，

所述的步骤a)中获取挖掘机转台铰点等效力时间历程的方法采用如上所述的挖掘机转台铰点等效力时间历程获取方法。

更进一步的，本发明所给出的挖掘机转台铰点等效力时间历程获取方法和挖掘机转台疲劳试验谱的整理方法通过如下方式实现：

如图1所示，挖掘机简化结构包括转台1和工作装置，其中工作装置由动臂6、斗杆11和铲斗16三部分组成。本发明主要研究对象为转台1，其与动臂6铰接于c点，与动臂油缸4铰接于k点，动臂油缸4与动臂6铰接于j点，动臂6在动臂油缸4的驱动下绕c执行起落动作，动臂的另一端与斗杆11铰接于q点，斗杆油缸8设置在动臂6上侧，其两端分别铰接在动臂6和斗杆11上，铰点为f点和a点，斗杆11在斗杆油缸8的驱动下绕q点转动，斗杆11与铲斗18铰接于v点，铲斗油缸13设置在斗杆11上方，其两端分别铰接在斗杆11和连杆16上，铰点为e和g点。

本实施例中挖掘机转台最终等效力时间历程获取具体方式如下：

1)本实施中挖掘机转台等效力时间历程获取方法的步骤一的具体过程如下：

使用有限元分析软件对转台进行强度分析，并结合实际破坏情况统计和结构特征来确定转台上疲劳关键部位；采用应变片实测挖掘机在实际工作过程中转台上疲劳关键部位应力点的应力时间历程；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5、9、14实测三个油缸的伸缩量时间历程；采用在动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的无杆腔2、7、12和有杆腔3、10、15中分别布置压力传感器实测三个油缸的无杆腔、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。

挖掘机工作时的运动可以描述为：挖掘机回转结构的回转运动和工作装置其他构件在其液压油缸驱动下的绕销轴转动。如图2所示，根据挖掘机结构建立4个坐标系，其中第零坐标系为全局坐标系，建立在动臂与转台连接的铰点c处，方向规定为x轴指向铲斗为正方向，y轴为x轴逆时针旋转90°；第一局部坐标系固定于动臂上，原点与全局坐标系原点位置相同，即也在动臂与转台连接的铰点c处，x轴沿铰点c和铰点q连线方向，y轴垂直于x轴，θ1为全局坐标系x0轴到第一局部坐标系x1轴的角度；第二局部坐标系固定在斗杆上，原点在斗杆油缸与斗杆铰点a处，x轴沿铰点a和铰点v连线方向，y方向垂直于x方向，θ2为第一局部坐标系x1轴第二局部坐标系x2轴的角度；第三局部坐标系设置在铲斗上，原点设在斗杆与铲斗的铰点v处，x轴正方向为指向铲斗斗尖方向，根据右手法则，可以设置y轴方向，θ3为第二局部坐标系x2轴到第三局部坐标系x3轴的角度。

采用多体动力学原理进行挖掘机各个坐标系的运动学正解和逆解，从而得到各个坐标系之间的转换关系。再采用达朗贝尔动静法，以铲斗斗杆动臂的顺序分别对构件进行静力学受力分析，逐步求解出构件上各个铰点的受力，从而得到第零坐标系下铰点c在x0方向的分力在y0方向的分力铰点k在x0方向的分力在y0方向的分力的时间历程，如图3所示。

2)本实施中挖掘机转台等效力时间历程获取方法的步骤二的具体过程如下：

已知第零坐标系下转台铰点c在x0方向的分力在y0方向的分力的时间历程，可得铰点c的合力大小的时间历程，合力与y0方向夹角角度的时间历程，将求得的铰点c的合力大小时间历程、合力角度时间历程放到横坐标相同的坐标系下进行对比，统计出挖掘机每个工作循环中铰点c合力fc最大的时刻所对应的角度(n为工作循环总数)，将这些挑选出来的合力角度进行平均，得到：

同理，已知第零坐标系下转台铰点k在x0方向的分力在y0方向的分力的时间历程，可得铰点k的合力大小的时间历程，合力与y0反向夹角角度的时间历程，将求得的铰点k的合力大小时间历程和合力角度时间历程放到横坐标相同的坐标系下进行对比，统计出挖掘机每个工作循环中铰点k合力fk最大的时刻所对应的角度(n为工作循环总数)，将这些挑选出来的合力角度进行平均，得到：

由于实际中fc和fk基本保持大小相当方向相反的规律，遂将作为等效力的加载角度。

3)本实施中挖掘机转台等效力时间历程获取方法的步骤三具体过程如下：

在第零坐标下，采用有限元软件，在转台铰点c的x0方向和y0方向分别施加力，每次求解后记录危险点的等效应力，然后求出铰点cx0方向力-应力比例系数铰点c在y0方向力-应力比例系数在转台铰点c施加步骤三确定的试验加载角度θ方向的力，求出铰点c在θ方向的力-应力比例系数kc，采用公式：

即可求出铰点c的等效力的时间历程。

同理，在第零坐标下，采用有限元软件，在转台铰点k的x0方向和y0方向分别施加力，每次求解后记录危险点的等效应力，然后求出铰点k的x0方向力-应力比例系数铰点k的y0方向力-应力比例系数在转台铰点k施加步骤三确定的试验加载角度θ方向的力，求出铰点k在θ方向的力-应力比例系数kk，采用公式：

即可求出铰点k的等效力的时间历程。

4)本实施中挖掘机转台等效力时间历程获取方法的步骤四具体过程如下：

在挖掘机实际工作中，铰点c和铰点k的合力近似大小相等，方向相反，因此为保证在两铰点加载的试验力谱的相位一致性、试验的可靠性和试验结果应偏于保守的要求，比较和的大小，选择其中数值较大者作为试验加载的等效力，记为feq，即求得最终等效力feq的时间历程。并且在后续疲劳试验加载过程中铰点c和铰点k的加载力采用反向加载方式进行。

本实施例中挖掘机转台疲劳试验谱的整理方法的具体步骤如下：

5)获取挖掘机转台铰点等效力时间历程，具体获取方法采用如上所述的挖掘机转台铰点等效力时间历程获取方法。

6)对得到的等效力feq时间历程先进行去除奇异值处理，然后进行峰谷抽取和去除小循环处理，并经过雨流计数与goodman变换得到零均值下的幅值，采用威布尔三参数估计，得到幅值的概率密度函数，采用各个工况的比例以及幅值的概率密度函数合成外推编制成8级程序谱，编制流程如图4所示，这里的去除奇异值、峰谷抽取、去除小循环、雨流计数、goodman变换、威布尔三参数估计、工况合成外推操作为本领域已知方法。

7)采用损伤一致性准则对转台8级程序谱进行修正，从而得到转台疲劳试验加载谱：

首先，通过如6)中相同的操作，将步骤一中实测的转台疲劳关键位置测点的应力时间历程编制为应力谱，根据miner累积损伤法则和转台结构焊接接头的sn曲线，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，drj表示测点j的实际损伤，m、c为sn曲线常数，n1表示应力谱级数，σij，nij分别表示测点j的应力谱的第i级幅值及其对应的频次；

其次，按上述公式计算6)中获得的转台8级程序谱造成的疲劳关键部位各测点的损伤dpj：

其中，pk，nk分别表示转台8级程序谱的第k级幅值及其对应的频次，kj表示pk与测点j的应力比例系数，只与测点位置有关；kj可通过有限元软件分析或者试验标定的方法得到。

然后，假设修正系数γ对转台8级程序谱进行修正，修正后的各级幅值记为pk'＝γpk，可求得修正后的转台8级程序谱造成的疲劳关键部位各测点的损伤为dpj'。

因此，建立损伤一致性修正优化模型：

目标函数：

约束条件：drj≤dpj'

最后，求解优化模型，解得修正系数γ后，进而得到修正后的转台8级程序谱，将其作为转台疲劳试验加载谱。