一种挖掘机动臂疲劳试验程序谱整理及试验加载方法技术

本发明专利技术公开了一种挖掘机动疲劳试验程序谱整理及试验加载方法，该方法的具体过程包括：1.准备编制载荷谱的基础数据；2.确定挖掘机动臂疲劳试验加载方案；3.以动臂最大弯矩截面为载荷当量基准，求取当量垂向载荷；4.将当量垂向力‑时间历程编制成动臂计算载荷谱；5.通过对疲劳关键部位应力测点采用损伤一致性准则对计算载荷谱进行修正，最后得到动臂疲劳试验程序谱。本发明专利技术方法以实测载荷为基础，使疲劳试验简单可行的同时能最大限度的复现动臂的实际应力状态。

Fatigue test program, spectrum arrangement and test loading method of excavator boom

The invention discloses a method for mining motor fatigue test program spectra sorting and loading method, the specific process of this method include: basic data 1. prepare load spectrum; 2. excavator arm fatigue test loading scheme; 3. to arm the maximum moment section for load equivalent benchmark, calculate equivalent vertical load; 4. the equivalent vertical force time history compiled boom calculation load spectrum; 5. through the measuring point by the consistency criterion of damage calculation load spectrum is modified on the stress of the key parts of fatigue, and finally get the arm fatigue test program spectra. The method of the invention is based on the measured load, and makes the fatigue test simple and feasible, and can simultaneously reproduce the actual stress state of the movable arm to the maximum extent.

【技术实现步骤摘要】
一种挖掘机动臂疲劳试验程序谱整理及试验加载方法
本专利技术涉及工程机械
，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。
技术介绍
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，本专利技术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。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于，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，本专利技术采用以下技术方案：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，Feq表示所求的当量垂向力；kI表示当量垂向力Feq与角点I或J的应力的比例系数；Fi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，k1i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；Fj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，k2j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；k1i，k2j和kI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，Drj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，σij，nij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Dpj：上式中，q表示疲劳关键部位应力测点数目，Dpj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，Pk，nk分别表示动臂计算载荷谱第k级幅值及其对应的频次，kj表示动臂计算载荷谱第k级幅值Pk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Pk'＝γPk，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Dpj'为：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，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Pk'＝γPk，将其作为动臂疲劳试验程序谱。本专利技术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.本专利技术在动臂局部坐标系下进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种挖掘机动疲劳试验程序谱整理及试验加载方法，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种挖掘机动疲劳试验程序谱整理及试验加载方法，其特征在于，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。2.如权利要求1所述的挖掘机动疲劳试验程序谱整理及试验加载方法，其特征在于，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。3.如权利要求1所述的所述的挖掘机动疲劳试验程序谱整理及试验加载方法，其特征在于，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；所述的两个铰接点力-时间历程通过油缸力-时间历程，结合工作姿态和D-H法反算求解得到。4.如权利要求1所述的所述的挖掘机动疲劳试验程序谱整理及试验加载方法，其特征在于，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。5.如权利要求1所述的挖掘机动疲劳试验程序谱整理及试验加载方法，其特征在于，所述的步骤三的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，Feq表示所求的当量垂向力；kI表示当量垂向力Feq与角点I或J的应力的比例系数；Fi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...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕彭民，向清怡，王斌华，任雪娇，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61