裝載機結(jié)構(gòu)件疲勞試驗機的設(shè)計

裝載機結(jié)構(gòu)件疲勞試驗機的設(shè)計蔡應(yīng)強;肖龍海【摘要】Inthiswork,electro-hydraulicservotechnologyandprogrammablelogiccontroller(PLC)technologywereusedtodesignthespecialfatiguestrengthtestsystemtofindthestressweakregionofloaderstructurecomponents,optimizethestructuredesigning,andimprovethefatiguelife,Thesystemadoptedthetestschemewithfrontandsideloading.ThetouchscreenandPLCcontrollercanremotelycontrolthetwoservohydrauliccylindermotiontosimulatetheloadofstructurecomponents.Thetestsystemcanrun24hoursunattendedforalongtime,andmeettherequirementsofdifferenttypesofstructurecomponentsofloaders.Theresultsofexperimentshowthatthefatiguetestingmachinecanrunstableandreliably.%為了查找裝載機結(jié)構(gòu)件應(yīng)力薄弱部位，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計、提高疲勞壽命，采用電液伺服技術(shù)和可編程邏輯控制器(PLC)控制技術(shù)設(shè)計一套專門測試結(jié)構(gòu)件疲勞強度的試驗系統(tǒng).該系統(tǒng)采用整機正面加側(cè)面的加載方案，由觸摸屏和PLC控制器遠程控制2個伺服液壓缸動作以模擬結(jié)構(gòu)件受載,可實現(xiàn)24h無人值守試驗,適用于各種型號裝載機結(jié)構(gòu)件的疲勞試驗.試驗結(jié)果表明:該試驗機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，可靠性高.【期刊名稱】《華僑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)》【年(卷)，期】2017(038)002【總頁數(shù)】6頁(P141-146)【關(guān)鍵詞】疲勞試驗機;裝載機;結(jié)構(gòu)件;電液伺服;遠程控制【作者】蔡應(yīng)強;肖龍?！咀髡邌挝弧考来髮W(xué)輪機工程學(xué)院，福建廈門361021;華僑大學(xué)機電及自動化學(xué)院，福建廈門361021;福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建廈門361021;集美大學(xué)輪機工程學(xué)院，福建廈門361021;華僑大學(xué)機電及自動化學(xué)院，福建廈門361021;福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建廈門361021【正文語種】中文【中圖分類】TH871.3裝載機工況復(fù)雜，車架和動臂等結(jié)構(gòu)件在作業(yè)過程中承受著動力裝置傳遞的力矩載荷、工作阻力載荷、惡劣路況的沖擊載荷等，在應(yīng)力薄弱部位易發(fā)生疲勞破壞［1］.目前，在設(shè)計階段，一般以最危險載荷為設(shè)計載荷，以有限單元法尋找最大應(yīng)力區(qū)與最大變形區(qū)，以便在結(jié)構(gòu)設(shè)計上增強薄弱部位［2］.而結(jié)構(gòu)件的疲勞失效在設(shè)計階段難以處理，只有通過大量市場反饋信息改進［3］，成本高、周期長、數(shù)據(jù)滯后，不利于新機型的推廣應(yīng)用.考慮到裝載機作業(yè)載荷以低頻、大振幅、重載荷為主，本文設(shè)計電液驅(qū)動型疲勞試驗機，通過模擬其典型工況下的負載，獲取試驗樣機結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力分布數(shù)據(jù)和疲勞失效數(shù)據(jù)，為發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供可靠依據(jù).1.1試驗機結(jié)構(gòu)方案輪式裝載機的工作循環(huán)包括插入、鏟裝、舉升、卸載4個作業(yè)過程，需要依次克服插入阻力、轉(zhuǎn)斗阻力矩、掘起阻力和卸載阻力等［4-5］.上述作業(yè)阻力直接作用于鏟斗，并通過鉸鏈傳遞到動臂、車架等結(jié)構(gòu)件.由于路況復(fù)雜、隨機作業(yè)載荷波動劇烈等原因，車架、動臂等結(jié)構(gòu)件容易發(fā)生疲勞斷裂.王繼新等［6］對正載、左偏載、右偏載、滿載轉(zhuǎn)彎、一后輪離地、滿載制動、滿載運輸、滿載動臂平伸、滿載舉升最高位置等17種工況做了應(yīng)力對比分析.結(jié)果表明:各工況下結(jié)構(gòu)件應(yīng)力較大的位置基本相同，其中，應(yīng)力較大的工況是正載鏟掘作業(yè)、偏載鏟掘作業(yè)及有側(cè)向力鏟掘的作業(yè)工況.以此為出發(fā)點模擬受載，考慮到臺架試驗的可行性，將裝載機整車（去除輪胎和駕駛室）連同底盤用帶鉸接的支撐鋼板安裝于T型槽平臺上（圖1），并使整車機構(gòu)可以繞支點1和2旋轉(zhuǎn).采用電液伺服加載的方式，設(shè)計一套液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，控制液壓缸3以一定的方式加載于鏟斗正面，液壓缸4（圖中未畫出）加載于鏟斗側(cè)面，以模擬鏟斗的水平和側(cè)向受載.1.2加載力分析以某ZL50型裝載機為例，其工作機構(gòu)是由鏟斗、動臂、搖臂、拉桿、機架、動臂液壓缸缸套、動臂液壓缸活塞桿、鏟斗液壓缸缸套和鏟斗液壓缸活塞桿等構(gòu)件組成的空間機構(gòu)，且左右對稱，兩側(cè)鏟斗液壓缸、動臂液壓缸、拉桿、搖臂液壓缸的運動學(xué)、動力學(xué)特性完全一致，可簡化為平面機構(gòu)［7-8］.為確定加載力的大小和方向，繪制平面機構(gòu)運動簡圖，如圖2所示.圖2中：Fs為拉桿的拉力，N；Fx為水平反作用阻力，N；Fy為垂直反作用阻力，N；Fbu為搖臂液壓缸拉力，N；Fbo為動臂液壓缸拉力，N；L1,L2,L3為Fs,Fx,Fy到G點的力臂；L4,L5為Fs,Fbu到D點的力臂；L6,L7,L8,L9為Fy,Fx,Fbu,Fbo到A點的力臂；G為裝載機凈質(zhì)量，kg.根據(jù)裝載機動臂與鏟斗在G點、D點、A點的力矩平衡，可得裝載機垂直反作用阻力Fy，即式（1）中:d為動臂液壓缸通孔直徑；P為動臂液壓缸兩腔壓力差.由式（1）可得裝載機水平反作用阻力Fx與垂直反作用阻力Fy的關(guān)系式，即Fy=140.2-0.6273-Fx.采用文獻［9］提供的裝載機作業(yè)工況鏟斗受力計算方法，得到正載最大水平驅(qū)動力Fx,3為104.2kN，則根據(jù)式(2)可得Fx,3為74.8kN.偏載水平驅(qū)動力98.3kN,側(cè)向力41.7kN.疲勞壽命試驗中，正載情況下液壓缸3的加載力=128.3kN，液壓缸3與水平面傾角a3=arctan=35.7°;而偏載情況下液壓缸3的加載力為125.8kN，傾角為38.6°，側(cè)載液壓缸4的加載力為41.7kN.試驗樣機參數(shù)，如表1所示.1.3加載頻次參考國夕卜裝載機最低期望使用壽命數(shù)據(jù)[1]，各斗容量裝載機最低期望壽命如表2所示.以ZL50型輪式裝載機為例，其斗容量為3m3，其期望使用壽命為8000h,則疲勞壽命試驗中載荷總加載次數(shù)N為.式(3)中:T為期望使用壽命，取8000h;t為單個鏟裝循環(huán)用時，視作業(yè)形式不同通常在30-50s之間，取40s.統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，在實裝作業(yè)中，平均每5次鏟裝循環(huán)發(fā)生1次偏載，其中，偏載同時承受側(cè)載約占1/4[6].因此,正載情況加載57.6萬次，偏載情況加載10.8萬次，偏載同時承受側(cè)載情況加載3.6萬次.疲勞試驗機液壓系統(tǒng)主要為加載試驗提供動力，根據(jù)圖1所示的結(jié)構(gòu)和加載試驗所需達到的性能，設(shè)計疲勞試驗機液壓系統(tǒng)，如圖3所示.圖3中：M1,M2為變頻電機；M3,M4為電機；C1~C8為手動球閥；XJ1~XJ4為行程接近開關(guān)；YV1-YV11為電磁閥線圈.疲勞試驗機液壓系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，如表3所示，可實現(xiàn)泵組空載啟動、兩級調(diào)壓、手動流量調(diào)節(jié)、循環(huán)過濾、多點測壓、失壓監(jiān)測等功能.為確保試驗機實現(xiàn)24h無人值守正常運轉(zhuǎn)，對變量柱塞泵、電液控制閥、電磁換向閥及壓力傳感器都采用冗余設(shè)計，控制系統(tǒng)可根據(jù)傳感器、繼電器、行程接近開關(guān)的反饋數(shù)據(jù)判斷系統(tǒng)工作狀況，如檢測到故障，可根據(jù)預(yù)設(shè)方案自動切換備用泵組和閥組工作.經(jīng)設(shè)計計算，選定正面加載缸最大行程300mm,內(nèi)徑160mm,活塞桿直徑90mm;側(cè)面加載缸最大行程200mm，內(nèi)徑125mm，活塞桿直徑70mm.加載泵采用A7V55型變量柱塞泵，公稱排量55mL-r-1.在額定壓力16MPa下，最大正面加載力可達321.5kN，側(cè)面加載力可達196.3kN，通過調(diào)整系統(tǒng)壓力、流量和泵的排量,可滿足裝載機各種結(jié)構(gòu)件疲勞試驗需要.試驗機控制系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)按預(yù)定動作對被試結(jié)構(gòu)件反復(fù)加載/卸載預(yù)定次數(shù)，同時監(jiān)測試驗過程中的各種信號，進行故障自動診斷及故障處理，保證系統(tǒng)安全運行及試驗的順利進行，可實現(xiàn)本地和遠程獨立調(diào)試和試驗.本地控制采用MCC控制柜實現(xiàn)，可完成本地/遠程控制轉(zhuǎn)換、液壓泵啟/停、加載/卸荷、急停、異常報警等，主要實現(xiàn)系統(tǒng)各設(shè)備的功能測試，為遠程自動控制做準備.遠程控制采用觸摸屏+PLC控制器的上下位機結(jié)構(gòu)觸摸屏提供人機交互，完成試驗參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)測和顯示、報警信息顯示及操作指令下達等功能；PLC完成系統(tǒng)邏輯控制，實時采集液壓系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)、進行自動實驗、故障診斷、故障處理及實驗數(shù)據(jù)的記錄.本地控制和遠程控制均可通過對各電磁閥的控制獨立進行系統(tǒng)調(diào)試和試驗.根據(jù)要求，各工況下的電磁閥線圈通電規(guī)則，如表4所示.表4中：YV3/YV4和YV5/YV6，YV7/YV8和YV9/YV10形成互鎖，同一時刻只有一個通電.在調(diào)試和試驗過程中，均應(yīng)遵循表4的規(guī)則.遠程操縱臺包括觸摸屏、操作按鈕、開關(guān)、指示燈等，工作界面如圖4所示.采用西門子Smart1000型觸摸屏，具有高分辨率寬屏顯示、人機界面友好、經(jīng)濟實用、性價比高等特點［10］，其開發(fā)工具為WinCCflexible.通過觸摸屏設(shè)置試驗參數(shù)后，可操作觸摸屏上的虛擬開關(guān)，也可通過操縱臺上的開關(guān)按鈕進行試驗.采用西門子S7-226CN型PLC控制器（含24路DI和16路DO,繼電器輸出），并擴展了8路數(shù)字量輸出模塊EM222CN（繼電器型）和4路模擬量輸入模塊EM231CN.控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，如圖5所示.觸摸屏HMI軟件功能模塊，如圖6所示.觸摸屏的初始工作界面（圖4左側(cè)），包括手動調(diào)試、自動實驗和報警信息模塊.手動調(diào)試模塊，用于進行試驗系統(tǒng)各元件的手動控制，以確定信號傳遞是否正常，元件能否正常工作，為進行自動實驗做準備，如圖7所示啟動實驗?zāi)K用于進行自動加載試驗，包括參數(shù)設(shè)置、實驗過程、報警信息、故障恢復(fù)等4個子模塊，如圖8所示.故障診斷與處理是系統(tǒng)的重要功能，是保證24h無人值守自動實驗的關(guān)鍵.故障信號的來源主要包括液位繼電器LJ1~LJ2，電機熱繼電器FR1~FR3，壓力繼電器PJ1~PJ3，行程接觸開關(guān)XJ1~XJ4等數(shù)字量信號和壓力傳感器、溫度傳感器等模擬量信號.故障診斷參數(shù)包括主備機組的選擇、溫度閥值、壓力閥值和持續(xù)時間等.系統(tǒng)根據(jù)這些參數(shù)進行故障診斷，并進行機組切換或停機等相應(yīng)處理.為了驗證該疲勞試驗機的穩(wěn)定性和可靠性，對某ZL50型輪式裝載機車架-工作機構(gòu)聯(lián)合體進行加速疲勞壽命試驗.根據(jù)加載力Ft的分析結(jié)果，偏載情況下液壓系統(tǒng)正面加載壓力調(diào)定為6.3MPa，側(cè)面加載壓力調(diào)定為3.4MPa,泵排量設(shè)為40mL-r-1，取加速系數(shù)為5，則加載周期為8s.若每天24h連續(xù)等幅加載，完成72萬次加載試驗需歷時66.7d.鑒于本次試驗的目的是為了驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，為了節(jié)省時間，只進行偏載、偏載加側(cè)載的試驗，按照每3次偏載進行1次偏載加側(cè)載的方式循環(huán)加載，試驗現(xiàn)場如圖9所示.前車架的疲勞裂紋，如圖10所示.試驗結(jié)果表明：偏載試驗達到6萬次，偏載加側(cè)載達到2萬次時，未發(fā)現(xiàn)前后車架、動臂等出現(xiàn)疲勞裂紋；繼續(xù)加載到9萬次和3萬次后，發(fā)現(xiàn)前車架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了兩處裂紋，如圖10圈中所示（為便于觀察，使用了顯影劑觀測）.圖10中：裂紋1位于左側(cè)前橋連接板加強肋板頂部焊接處，裂紋2位于左側(cè)翼箱下支撐肋板前端面與內(nèi)側(cè)板焊接處，均處于應(yīng)力集中位置.繼續(xù)加載至10萬次和3.3萬次時，動臂右外側(cè)耳板焊縫與動臂橫梁右下角焊縫出現(xiàn)裂紋；加載至12萬次和4萬次時，左側(cè)動臂板發(fā)生嚴重斷裂破壞，試驗終止，共加載約16萬次，試驗過程穩(wěn)定.根據(jù)上述試驗結(jié)果和正載與偏載的發(fā)生概率，參考加速疲勞壽命試驗循環(huán)加載次數(shù)與裝載機使用壽命之間的關(guān)系，對被試結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命進行反推，可知被試裝載機前車架的疲勞壽命為4400-6700h，動臂的疲勞壽命為7400-8900^按照8000h期望使用壽命，可知該試驗樣機的前車架結(jié)構(gòu)沒有達到設(shè)計要求.需要指出的是，鑒于條件限制，上述結(jié)論是以理論分析和計算數(shù)據(jù)為加載條件所得出，如能通過外場試驗得到裝載機各工況下的隨機載荷譜，再編成加載譜輸入到前述控制系統(tǒng)中，通過加載缸施加于試驗樣機，則得到的疲勞失效數(shù)據(jù)更為客觀、可靠以裝載機結(jié)構(gòu)件為試驗對象，根據(jù)裝載機作業(yè)工況特點，應(yīng)用電液伺服驅(qū)動技術(shù)設(shè)計結(jié)構(gòu)件疲勞試驗機.將機電液一體化技術(shù)相結(jié)合，采用上下位機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制液壓系統(tǒng)進行疲勞加載試驗;利用傳感器技術(shù)和自動檢測技術(shù)，主動監(jiān)測故障并自動切換備用泵組和閥組，可實現(xiàn)24h無人值守試驗.系統(tǒng)運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，可靠性高，可在實驗室環(huán)境下模擬裝載機結(jié)構(gòu)件在各工況下的隨機受載，為裝載機結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù).【相關(guān)文獻】馬相明，孫霞，張強.輪式裝載機典型作業(yè)工況構(gòu)建與分析[J].山東大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2015,45(5):82-87.鐘麗萍.基于有限元分析的裝載機鏟斗結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].中國工程機械學(xué)報,2011,9(1):68-72.杜宏宇，李濟順，楊芳，等.機械結(jié)構(gòu)件疲勞監(jiān)測方法及試驗裝置設(shè)計[J].礦山機械,2015(10):116-120.朱牧之，趙升噸.動態(tài)疲勞試驗機傳動方式的合理性探討[J].機床與液壓,2013,41(13):164-167.張英爽，王國強,王繼新，等.輪式裝載機半軸載荷譜編制及疲勞壽命預(yù)測[J].吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2011,41(6):1646-1651.王繼新，沈勇湖季.基于虛擬零件輪式裝