蘇 晨，楊保海

(河南機電高等專科學(xué)校汽車工程系，河南 新鄉(xiāng) 453002)

動臂是裝載機工作裝置的主要桿件，其前端與鏟斗鉸接，后端與車架鉸接，通過其上面的橫梁支撐搖臂，由翻斗油缸通過搖臂、拉桿實現(xiàn)鏟斗的鏟掘、翻轉(zhuǎn)和卸料等作業(yè)。動臂由舉升油缸支撐，實現(xiàn)鏟斗的升降[1]。在裝載機的作業(yè)過程中，動臂承受的載荷是隨時變化的，因此必須具有足夠的強度，以滿足裝載機作業(yè)的需要。

1 裝載機動臂強度靜態(tài)加載測試研究

中原180-05型裝載機的動臂設(shè)計吸收了國內(nèi)外同類型產(chǎn)品的優(yōu)點，并與原有的結(jié)構(gòu)有較大的改進。本文完成的動臂強度實驗研究，主要進行了動臂靜態(tài)加載測試和動臂動態(tài)載荷實測實驗研究。其目的是通過靜態(tài)加載測試，可以了解裝載機工作裝置主要部件的應(yīng)力分布規(guī)律及其在極限載荷下的強度余度；而動態(tài)載荷測試可進一步掌握動臂實際作業(yè)時應(yīng)力的變化規(guī)律，為其其疲勞壽命的估算提供科學(xué)的依據(jù)。

1.1 動臂強度靜態(tài)加載試驗工況與試驗載荷的確定

中原180-05型裝載機的工作裝置所受載荷可分為兩種類型：①實際鏟挖時對鏟斗的阻力，可分為鏟斗插入料堆時的水平阻力、收斗時向下的垂直阻力和因偏載而造成的側(cè)向附加阻力等；②鏟斗裝滿物料后物料的重量與運輸過程中因場地不平整造成振動而引起的附加動載荷。側(cè)向阻力作用點在鏟斗側(cè)壁上，方向與鏟斗切割刃平行。根據(jù)上述幾種載荷的不同組合及其作用位置的變化，本文試驗中采用了單項加載、聯(lián)合加載、正載和偏載幾種加載方式。

（1）最大水平載荷Px的確定。裝載機在鏟掘作業(yè)時受到的最大水平載荷為：

式中，G為整機空載質(zhì)量，16000N；

μ為輪胎與地面附著系數(shù)，取0.76。

依據(jù)上式，確定的最大載荷為：Px=12.16kN。

（2）最大垂直載荷的Py的確定。按照裝載機的整機縱向失穩(wěn)條件，有

式中，S1為裝載機整機重心到前輪中心之距離，970mm；

L2為載荷作用點至前輪中心之距離，70mm。

依據(jù)上式，確定的最大載荷為：Py=22.2kN。

（3）側(cè)向載荷Pz的確定。側(cè)向載荷Pz的大小以保證水平偏載作用時，前車架不產(chǎn)生側(cè)向偏轉(zhuǎn)為條件。在裝載機的掘起作業(yè)過程中，側(cè)向阻力作用點在鏟斗側(cè)壁上，方向與鏟斗切割刃平行。側(cè)向阻力總是比水平載荷或垂直載荷小得多，取Pz等于Px或Py進行測試，前車架應(yīng)不發(fā)生側(cè)向偏轉(zhuǎn)。

1.2 動臂強度靜態(tài)加載實驗的測試方法

實驗全部采用電阻應(yīng)變片作為傳感元件，用三個油缸沿X、Y、Z三個方向在鏟斗上加載。測試中在鏟斗、搖臂和動臂上分別布置了20個應(yīng)變片，考慮到裝載機整機結(jié)構(gòu)的對稱性，應(yīng)變片主要布置在裝載機工作裝置的左半部分。其中左9～左13五個應(yīng)變片貼在左動臂的上邊緣；右1～右8八個片分別貼在右動臂上、下邊緣。測試系統(tǒng)如圖2所示，整個試驗程序和實際加載情況如表1所示。載荷分3～4個級別由小到大逐漸施加，每次加至預(yù)定值時，程序控制記錄儀以每秒10個測試點的速度進行自動掃描記錄，將各點應(yīng)力（或載荷）值全部記錄在磁帶上可直接打印輸出。

圖1 裝載機動臂強度的靜態(tài)加載測試系統(tǒng)圖

表1 動臂靜態(tài)加載的試驗載荷與加載位置

1.3 動臂強度靜態(tài)加載實驗的測試結(jié)果分析

本實驗得出的動臂在各種極限載荷作用下的應(yīng)力分布情況如圖2所示。

圖2 裝載機動臂靜態(tài)加載實驗的應(yīng)變片貼片位置及應(yīng)力分布圖（左臂）

本文完成的中原180-05型裝載機動臂強度實驗其測試結(jié)果概括如下：

（1）鏟斗各處應(yīng)力水平均較低，除加載點附近因集中載荷作用使主應(yīng)力達26MPa外，其余各點均在7MPa以下；

（2）搖臂上除與拉桿相鉸接處一點應(yīng)力達30MPa外，其余各點應(yīng)力水平均較低；

（3）動臂在聯(lián)合加載工況時應(yīng)力水平較高，各部位對垂直載荷的響應(yīng)均明顯高于水平載荷。

（4）從圖2可以看出，由于整機結(jié)構(gòu)的對稱性，正載工況下左、右動臂相應(yīng)的應(yīng)力值應(yīng)基本相同。若將動臂從連接橫梁處分為前、后兩段，則與鏟斗相連的前一段應(yīng)力水平明顯高于后一段。聯(lián)合左偏載時左臂最高應(yīng)力達96MPa，這也未達到所用材料的屈服極限，表明動臂強度的安全性。

2 裝載機動臂強度現(xiàn)場作業(yè)測試實驗研究

裝載機實際作業(yè)時所受的載荷大小是隨時間變化的隨機值。靜態(tài)加載實驗所得到的結(jié)果僅能考核裝載機動臂結(jié)構(gòu)在可能的幾種極限載荷作用下的靜態(tài)強度余度，但它不能對其疲勞強度作出可靠的評價。為了進一步掌握中原180-05型裝載機動臂在實際工作中的動態(tài)應(yīng)力情況，本文進行了幾種典型工況下的裝載機工作裝置關(guān)鍵部件的應(yīng)力狀態(tài)測試，并通過數(shù)據(jù)處理，得出動臂動態(tài)應(yīng)力的變化規(guī)律（即應(yīng)力譜）。

2.1 測試工況與測試系統(tǒng)

裝載機動臂動態(tài)應(yīng)力測試中選定的幾種典型作業(yè)工況如下：

（1）裝載機按分段作業(yè)方式進行正常鏟裝作業(yè)；

（2）代表性的物料及作業(yè)時間比例為大石塊40%、散料（碎石）30%、土方（密實的土壤）30%；

（3）樣本容量為100～150斗，各工況記錄信號為大石塊與散料各150斗，土方125斗。

動臂動態(tài)應(yīng)力測試系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 裝載機動臂動態(tài)應(yīng)力測試系統(tǒng)圖

2.2 應(yīng)力信號的計數(shù)處理及結(jié)果

將動臂動態(tài)應(yīng)力磁帶記錄的信號進行計數(shù)處理，本文僅選取應(yīng)力水平較高的第2測點加以分析。動臂動態(tài)應(yīng)力數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)圖如圖4所示。

各工況記錄信號容量為大石塊與散料各150斗，土方125斗，三種工況經(jīng)計數(shù)后應(yīng)力幅值與均值分布如圖5所示。

圖4 裝載機動臂動態(tài)應(yīng)力數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)圖

裝載機各工況的均值計算結(jié)果為：大石塊69.6MPa，土方73.1MPa，散料57.8MPa，三種工況合成總均值為66.8MPa。

2.3 應(yīng)力圖分析

圖5所示為上述各工況及其合成的應(yīng)力圖，它反映應(yīng)力幅值超過某一定值時所對應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。合成總頻次數(shù)為9048（對應(yīng)裝載機工作時間290min）。由圖中曲線可以看出，最大應(yīng)力為76MPa（對應(yīng)的應(yīng)力幅值為54MPa），其出現(xiàn)概率為1.1×10-4(即1/9048)，考慮到實際使用中可能出現(xiàn)的高應(yīng)力在短暫的實測中還難以表現(xiàn)出來，可以將合成的應(yīng)力圖進行擴展。

圖5 裝載機動臂在各工況下的應(yīng)力分布圖

圖6 裝載機在各工況下及其合成的動態(tài)應(yīng)力圖

圖6中曲線5為擴展后的合成應(yīng)力圖（即把累次頻次擴展至106次），其最大應(yīng)力為87MPa，該應(yīng)力并未超過聯(lián)合左偏載試驗時應(yīng)力水平。中原180-05型裝載機動臂所用材料為熱軋45#鋼，其屈服極限為290MPa，動臂試件的彎曲疲勞極限為σ-1=245MPa?？紤]到實際構(gòu)件尺寸、表面加工狀況、載荷性質(zhì)和平均應(yīng)力等的影響，實際動臂構(gòu)件的疲勞極限僅為σr=165MPa。動態(tài)實測應(yīng)力幅值均未超過此限，且最大應(yīng)力又明顯低于動臂材料的屈服極限，從疲勞損傷角度講，不會對動臂構(gòu)成早期破壞，而工作壽命也完全能夠滿足中原180-05型裝載機的常規(guī)作業(yè)要求。

3 結(jié)語

通過對動臂進行靜強度加載和動態(tài)應(yīng)力測試，可以得出以下結(jié)論：

（1）在靜態(tài)極限載荷的作用下，中原180-05型裝載機動臂的各處應(yīng)力均未超過其材料的屈服極限值。

（2）實測出的動臂動態(tài)應(yīng)力的最大應(yīng)力均未超過其材料的屈服極限，因而裝載機在上述幾種工況下工作，不會構(gòu)成動臂的早期損壞，即動臂的疲勞壽命能夠滿足中原180-05型裝載機的常規(guī)作業(yè)要求。

[1]徐躍峰.輪式裝載機動臂結(jié)構(gòu)強度試驗研究[J].礦山機械，1996，（1）.

[2]陳勇，張建榮，何振奇.道路清障車工作裝置的強度分析[J].專用汽車，1997，（3）.

[3]丁預(yù)展.裝載機動臂強度的研究[J].礦山機械，1981，（8）.