挖掘裝載機(jī)伸縮斗桿的應(yīng)變測(cè)試

趙學(xué)龍，吳海艷，唐 斌，王海庭

(廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州545007)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工程機(jī)械在中國(guó)得到廣泛應(yīng)用。在礦山、在碼頭、在建筑工地、在道路兩旁，到處都能看到裝載機(jī)、挖掘機(jī)等工程機(jī)械的身影。而在國(guó)外，一種集成了裝載機(jī)和挖掘機(jī)功能的產(chǎn)品也得到廣泛使用，每年的銷量占工程機(jī)械產(chǎn)品中的前列，這就是挖掘裝載機(jī)[1]。

柳工順應(yīng)市場(chǎng)需求開(kāi)發(fā)了多款挖掘裝載機(jī)，并配備了多種作業(yè)裝置，伸縮斗桿就是其中的一種作業(yè)裝置。應(yīng)變電測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種工程結(jié)構(gòu)、機(jī)械設(shè)備及其模型的應(yīng)力應(yīng)變、受力和變形等的測(cè)量[2]。本文在伸縮斗桿設(shè)計(jì)中應(yīng)用了應(yīng)變電測(cè)技術(shù)，用應(yīng)變測(cè)試結(jié)果指導(dǎo)伸縮斗桿的設(shè)計(jì)改進(jìn)，提高了改進(jìn)的有效性。

1 應(yīng)變電測(cè)基本原理

應(yīng)變電測(cè)法是用電阻應(yīng)變儀測(cè)量布置在測(cè)點(diǎn)處的電阻應(yīng)變片中的電阻變化，以確定測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變，然后運(yùn)用應(yīng)力、應(yīng)變分析的知識(shí)，確定構(gòu)件的應(yīng)力情況。電阻應(yīng)變片(簡(jiǎn)稱為應(yīng)變片或電阻片)有多種形式，常溫下用的應(yīng)變片有絲繞式和箔式兩種[3]。

在測(cè)量應(yīng)變時(shí)，先用特種膠水將應(yīng)變片粘貼在構(gòu)件的欲測(cè)部位上。當(dāng)該處沿應(yīng)變片的縱向發(fā)生正應(yīng)變?chǔ)艜r(shí)，應(yīng)變片也隨之變形，電阻柵的電阻R相應(yīng)發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)表明，在一定范圍內(nèi)，電阻柵的電阻變化率ΔR/R與正應(yīng)變?chǔ)懦烧取?/p>

即

式中，

ε為應(yīng)變片縱軸向的應(yīng)變值；

R為電阻柵的初始電阻值；

ΔR為電阻柵電阻值的改變量；

K為比例常數(shù)，其值與電阻柵的材料和構(gòu)造有關(guān)。R和K的值均由制造廠家標(biāo)明。

2 EDAQ測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)介

英國(guó)NCODE公司的EDAQ測(cè)試系統(tǒng)是一個(gè)基于微處理器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，設(shè)計(jì)用于在各種測(cè)試環(huán)境中實(shí)現(xiàn)便攜式的數(shù)據(jù)采集。經(jīng)過(guò)專門設(shè)計(jì)的硬件和軟件，使得該測(cè)試系統(tǒng)尤其適應(yīng)工程機(jī)械的惡劣的現(xiàn)場(chǎng)工況，在國(guó)外大型工程機(jī)械公司中得到廣泛應(yīng)用。

EDAQ測(cè)試系統(tǒng)由基本層和擴(kuò)展層組成，通過(guò)疊加不同的板層，測(cè)試系統(tǒng)的功能得到擴(kuò)展。根據(jù)不同的測(cè)試用途，用戶可添加擴(kuò)展層板到測(cè)試系統(tǒng)中，這些擴(kuò)展層板有：低電平板層、高電平板層、溫度板層、數(shù)字信號(hào)板層、電橋板層等。

3 測(cè)試方案

應(yīng)變測(cè)試一般分為靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試和動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試兩種類型。靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試可以與有限元分析進(jìn)行對(duì)比，國(guó)內(nèi)外研究表明其相互誤差在工程計(jì)算可接受的范圍內(nèi)，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。本文所提到的挖掘裝載機(jī)由于其機(jī)器尺寸較大，為實(shí)現(xiàn)其挖掘裝置的靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試，需要建設(shè)占地較大的挖掘裝置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，投資數(shù)額很大，其可實(shí)現(xiàn)條件暫時(shí)不具備。

EDAQ測(cè)試系統(tǒng)只需要一臺(tái)功能完整的挖掘裝載機(jī)整機(jī)，這對(duì)整機(jī)生產(chǎn)商是非常容易的。EDAQ測(cè)試系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)工況下的系統(tǒng)穩(wěn)定性很高、測(cè)試結(jié)果較可靠，而且動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試工況與機(jī)器工作的真實(shí)工況更接近。于是根據(jù)現(xiàn)有條件，用EDAQ測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行伸縮斗桿的現(xiàn)場(chǎng)工況下的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試成為合適的選擇。

3.1 測(cè)試工況

由于EDAQ測(cè)試系統(tǒng)能夠可靠地在工地條件下記錄數(shù)據(jù)，基本不影響機(jī)器的正常工作，測(cè)試系統(tǒng)的電源可以由被測(cè)試機(jī)器的蓄電池充當(dāng)，測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)短取決于測(cè)試系統(tǒng)所配備的存儲(chǔ)卡大小。一般說(shuō)來(lái)，16個(gè)通道的應(yīng)變數(shù)據(jù)測(cè)試時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)小時(shí)。

我們選擇斗桿伸出狀態(tài)和斗桿縮回狀態(tài)兩種狀態(tài)，令機(jī)器在基本平坦的原生土上挖掘作業(yè)，挖掘時(shí)間30分鐘，測(cè)試系統(tǒng)連續(xù)記錄下各通道的動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)，該信號(hào)在專業(yè)查看軟件上顯示出來(lái)的是一條上下波動(dòng)的曲線。挖掘原生土工況是挖掘裝置最普遍的工況。選擇30分鐘的原因是挖掘作業(yè)具有相似性，約1分鐘可完成一個(gè)作業(yè)循環(huán)，30個(gè)循環(huán)已足夠進(jìn)行數(shù)據(jù)分析了。

工況一：伸縮斗桿伸出狀態(tài)，連續(xù)挖掘30分鐘的深坑。

工況二：伸縮斗桿縮回狀態(tài)，連續(xù)挖掘30分鐘的深坑。

3.2 測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)配置16個(gè)應(yīng)變測(cè)試通道，由于其中3號(hào)和8號(hào)通道有故障，用到其余的14個(gè)測(cè)試通道。為減少測(cè)試過(guò)程中的錯(cuò)誤，測(cè)點(diǎn)編號(hào)與通道號(hào)一致，圖1是伸縮斗桿上各測(cè)點(diǎn)布置圖。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置圖

4 測(cè)試結(jié)果及分析

各通道的測(cè)試結(jié)果為一段時(shí)間內(nèi)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)，將這14個(gè)測(cè)點(diǎn)兩種工況全部顯示出來(lái)需要28張圖片，是比較占用紙張的，因此將各測(cè)點(diǎn)在兩種工況下的最大值予以匯總，就形成表1所示結(jié)果。

表1 測(cè)試結(jié)果匯總表

測(cè)試結(jié)論：

（1）測(cè)點(diǎn)2、10、14作為普通測(cè)點(diǎn)而測(cè)試結(jié)果偏大，后續(xù)需要改進(jìn)設(shè)計(jì)，其余普通測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)值滿足要求。

（2）通過(guò)測(cè)試，了解了一些關(guān)鍵焊縫處的應(yīng)變數(shù)值。限于目前的認(rèn)識(shí)水平，焊縫測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)值不作為設(shè)計(jì)改進(jìn)的依據(jù)。

5 設(shè)計(jì)改進(jìn)

根據(jù)改進(jìn)后的設(shè)計(jì)制造部件，并裝配到試驗(yàn)樣機(jī)上。并參照原來(lái)的測(cè)試點(diǎn)布置測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試。由于原來(lái)的測(cè)點(diǎn)5、11、12、13、16處應(yīng)變數(shù)據(jù)不大，因而略去不測(cè)，這樣共有9個(gè)應(yīng)變測(cè)試點(diǎn)。用同樣的操作手在同樣的場(chǎng)地在斗桿伸出狀態(tài)挖掘半小時(shí)，改進(jìn)前后測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表2所示。

表2 改進(jìn)前后測(cè)試結(jié)果對(duì)比表

6 結(jié)束語(yǔ)

EDAQ測(cè)試系統(tǒng)是一種能夠適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境的便攜式綜合測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性，結(jié)果的可靠性很高。柳工在結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)改進(jìn)中應(yīng)用了EDAQ測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試功能，取得了較好的實(shí)踐效果。

[1]汪錫齡.剖析“兩頭忙”—挖掘裝載機(jī)技術(shù)及市場(chǎng)發(fā)展評(píng)析[J].建筑機(jī)械，2005（3）：28-31.

[2]張如一，沈觀林，李朝弟.應(yīng)變電測(cè)與傳感器[M].北京：清華大學(xué)出版社，1998.

[3]畢勤勝，李紀(jì)剛.工程力學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2007.