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摘 要：随着科技的不断进步，装载机铲装作业过程中的动态载荷时间历程是从工作工装置各铰接点处获得的，动平衡状态下作装置的受力模型是基于达朗贝尔原理建立，科学技术人员提出一种考虑构件重力和惯性力的动态载荷测试方法。通过对铰点力、油缸压力、油缸位移和动臂应变等多参数进行构建之后建立同步采集系统，最后实行散状物料铲装试验，从而在试验中获得了求解受力模型的基础数据。建立动臂有限元仿真分析模型可以通过分析模型对比分析测点应力实测值和仿真值。本文通过提出的测试方法进行实验从而获得的结构应力值，应力值也在准确地反映工作装置在铲掘作业过程中的应力分布规律，仿真值与实测值的变化趋势一致，同时验证了数学模型和测试方法的合理性。
关键词：装载机;工作装置;动态载荷;测试方法
装载机是一种典型性的土方施工机械，在日常施工中的施工环境是复杂多样的，因此传动系零部件的破损现象也会较为严重。载荷时间历程是会通过施工作业中的真实受力情况发生变化的，并且在进行施工中要求相关人员可以详细了解作业过程中应力的大小变化，依托国家科技支撑计划“土方机械疲劳可靠性研究项目”，研究装载机工作装置动态载荷测试方法[1]。本文依据多语言铲装试验的结果进行了详尽分析，验证设想方法的可行性，为轴类零件动态载荷测试以及载荷谱编制提供有效帮助。
一、动态载荷测试方案
装载机动力传动系统是有发动机、夜里变矩器、变速箱以及传动轴半轴和齿轮组成的。发动机的动力经液力变矩器和变速下昂后传递给传动轴，传动轴与变速箱之间是通过联轴器进行连接起来的。力数学模型中的动平衡状态下建立的工作装置中，各铰点的动态载荷是通过实测工作装置在作业过程进行实验的，从而获得整个模型的解。因此在进行实验的时候为了获得各构件位置参数，所以需要研究人员确定动臂油缸、转斗油缸位移和铲斗倾角位移，从而保证油缸压力和铰点 A 处的外力作为模型求解的已知输入参数。油缸位移用拉线式位移传感器测量，油缸压力用压力传感器测量，铲斗倾角用角度位移传感器测量，铰点力用二维销轴力传感器。综上所述，动态载荷测试方案不仅可以测得动臂油缸、转斗油缸位移和铲斗倾角位移，确定装载机工作姿态，进而由动臂油缸、铲斗油缸的油压和动臂与铲斗铰点销轴外力，还可以最终实现工作装置动平衡状态下受力模型的求解，从而得到工作装置其余铰点处的动态载荷。
二、结构应力测试
装载机行驶方向为正前方，在动臂臂架上选择 14 个应力测点作为验证性测点，分别黏贴应变片或应变化，此制作是为了验证工作装置受力模型的合理性。根据莫尔强度理论可以得到测点的应力当量值，对比动臂结构的应变测点与有限元分析结果，可以校核测试方法与测试结果的合理性[2]。装载机主要实现散装物料的铲装和运输作业装载机的主要部件之一是工作装置，这是因为铲装作业时的作业介质和作业方式的多样性，承受连续不断变化的随机载荷。相关技术人员对于动臂结构进行了强度方面的分析，并且着重于装载机工作装置的研究主要集中在仿真分析和数值计算等方面，反复对正载工况以及偏载工况的结构尺寸是否合理进行校验。并且在校验过程中将铲装作业过程分成了6种工况，并且通过着6种工况信息进行了相对应的外载荷求解公式。
三、测试实验方法
装载机轴类零件载荷测试的方案其重点在于测试半轴、传动轴的转矩转速测试。在测量中我们发现实测应力值大于仿真值，这其中十四个测点中测点五和测点十二的实测值与仿真值间相对误差最大，误差分别为15.37% 和14.92%。我们分析实测应力值和仿真值的误差存在的原因得出结论，由于借助装载机铲装进行施工和运输物料过程中，由于料堆高度不均匀和运输过程中的回转等原因，动臂会受到一定的侧向力作用，而以实测铰点力为载荷约束的有限元分析中只考虑了偏载因素;动臂通过一个腹管实现左右两侧臂架相对固定，测点五和测点十二靠近腹管与臂架的焊接位置处，此处易产生应力集中，而在有限元分析中没有考虑焊缝的影响;这两方面是结构实测值与仿真值存在一定误差的主要影响因素.此外，左右两侧臂架上相同位置处测点的实测应力最大值几乎相同，这表明在连续的铲装作业过程中偏载的方向具有随机性，在工作装置载荷谱编制以及疲劳寿命分析时可以不考虑偏载的影响[3]。动臂左右臂架上测点实测应力值和仿真值的分布和变化规律大致相同，表明文中建立的工作装置受力数学模型和结构动态载荷测试方法合理可行。
为了保持实测动态载荷参数与装载机实际铲装作业的一致性，在徐工研究院装载机以及铲装试验专用场地进行试验测试。物料选择试验场专用散装颗粒物料，测试路径选择 L 型铲装路线。铲装测试试验时应遵循以下原则：首先是保证试验样机和测试仪器处于正常状态;其次是铲装试验开始前，清空铲斗并将动臂油缸和铲斗油缸伸到最长，怠速状态下记录一段零线;接着铲装 5 个作业循环后，将试验样机停止在起始位置，清空铲斗并将动臂油缸和铲斗油缸伸到最长，怠速状态下再一次记录一段零线;最后在选择驾驶员进行铲装作业的时候应该选择具有多年驾龄的专业技能较高的工作人员，并且以国产五十型装载机作为试验样机，进行铲装试验。
四、实验结果分析
根据以上实验结果的分析我们得知：动态载荷测试试验方法和构件的载荷测试方案，进行铲装试验可以得到工作装置油缸压力和油缸位移时间历程。结构实测应力根据应变花的三个应变片的应力值，通过专业计算可以得到的当量应力值。借助有限元软件建立试验样机工作装置有限元模型，以动臂各铰点外力为载荷约束，对工作装置不同作业姿态下动臂结构测点应力进行仿真分析，可以验证基于达朗贝尔原理建立的工作装置受力模型和动态载荷测试方法的合理性[4]。并且可以在有限元模型应力提取点周围小范围内选取多个点求应力平均值作为该测点的最大应力，将其与实测结果进行对比分析。
根据达朗贝尔原理建立的装载机工作装置受力数学模型考虑了工作装置各构件自重和作业过程中的惯性力，所得铰点力能够准确地反映工作装置作业过程中的动态特性。求解受力模型的基础数据可以验证工作装置受力模型和动态载荷测试方法的可行性，正因如此基于工作装置受力模型，提出了一种装载机工作装置动态载荷测试方法，选取五十型装载机进行试验研究。通过对铲斗与动臂左右二个铰点外力和动臂上结构应力的实测数據分析，技术人员更加明确在静力学分析时必须考虑偏载因素对结构力学分析结果的影响，但是在进行编制疲劳试验载荷谱时，由于偏载方向的随机性，可以暂时不考虑偏载因素的影响。
结束语
本文通过对装载机工作装置动态载荷测试方法与试验研究，从而分析了动臂各测点最大应力实测值和仿真值的误差原因以及数值变化规律。并且解决了以前提出的测试方法获得的结构应力值能够准确反映工作装置在铲掘作业中的动态特性这一观点，验证了工作装置受力模型以及动态载荷测试方法的合理性，研究方法与结果为装载机工作装置动态载荷谱获取和结构强度分析提供了有效方法参考。
参考文献
[1]万一品，宋绪丁，陈乐乐.装载机工作装置动态载荷测试方法与试验研究[J].北京工业大学学报，2017（6）.
[2]王云超，刘春，黄素德.装载机工作装置的机液联合仿真和试验研究[J].建筑机械，2018（21）：94-97.
[3]冯坤，刘亚琼，陈宝星.1000 MW汽轮机轴承载荷分配测试方法和试验研究[J].热能动力工程，2019（4）.
[4]刘巧珍，罗石忠，吴海艳.装载机工作装置受力分析及仿真[J].装备制造技术，2014（11）：105-106+120.
关键词：装载机;工作装置;动态载荷;测试方法
装载机是一种典型性的土方施工机械，在日常施工中的施工环境是复杂多样的，因此传动系零部件的破损现象也会较为严重。载荷时间历程是会通过施工作业中的真实受力情况发生变化的，并且在进行施工中要求相关人员可以详细了解作业过程中应力的大小变化，依托国家科技支撑计划“土方机械疲劳可靠性研究项目”，研究装载机工作装置动态载荷测试方法[1]。本文依据多语言铲装试验的结果进行了详尽分析，验证设想方法的可行性，为轴类零件动态载荷测试以及载荷谱编制提供有效帮助。
一、动态载荷测试方案
装载机动力传动系统是有发动机、夜里变矩器、变速箱以及传动轴半轴和齿轮组成的。发动机的动力经液力变矩器和变速下昂后传递给传动轴，传动轴与变速箱之间是通过联轴器进行连接起来的。力数学模型中的动平衡状态下建立的工作装置中，各铰点的动态载荷是通过实测工作装置在作业过程进行实验的，从而获得整个模型的解。因此在进行实验的时候为了获得各构件位置参数，所以需要研究人员确定动臂油缸、转斗油缸位移和铲斗倾角位移，从而保证油缸压力和铰点 A 处的外力作为模型求解的已知输入参数。油缸位移用拉线式位移传感器测量，油缸压力用压力传感器测量，铲斗倾角用角度位移传感器测量，铰点力用二维销轴力传感器。综上所述，动态载荷测试方案不仅可以测得动臂油缸、转斗油缸位移和铲斗倾角位移，确定装载机工作姿态，进而由动臂油缸、铲斗油缸的油压和动臂与铲斗铰点销轴外力，还可以最终实现工作装置动平衡状态下受力模型的求解，从而得到工作装置其余铰点处的动态载荷。
二、结构应力测试
装载机行驶方向为正前方，在动臂臂架上选择 14 个应力测点作为验证性测点，分别黏贴应变片或应变化，此制作是为了验证工作装置受力模型的合理性。根据莫尔强度理论可以得到测点的应力当量值，对比动臂结构的应变测点与有限元分析结果，可以校核测试方法与测试结果的合理性[2]。装载机主要实现散装物料的铲装和运输作业装载机的主要部件之一是工作装置，这是因为铲装作业时的作业介质和作业方式的多样性，承受连续不断变化的随机载荷。相关技术人员对于动臂结构进行了强度方面的分析，并且着重于装载机工作装置的研究主要集中在仿真分析和数值计算等方面，反复对正载工况以及偏载工况的结构尺寸是否合理进行校验。并且在校验过程中将铲装作业过程分成了6种工况，并且通过着6种工况信息进行了相对应的外载荷求解公式。
三、测试实验方法
装载机轴类零件载荷测试的方案其重点在于测试半轴、传动轴的转矩转速测试。在测量中我们发现实测应力值大于仿真值，这其中十四个测点中测点五和测点十二的实测值与仿真值间相对误差最大，误差分别为15.37% 和14.92%。我们分析实测应力值和仿真值的误差存在的原因得出结论，由于借助装载机铲装进行施工和运输物料过程中，由于料堆高度不均匀和运输过程中的回转等原因，动臂会受到一定的侧向力作用，而以实测铰点力为载荷约束的有限元分析中只考虑了偏载因素;动臂通过一个腹管实现左右两侧臂架相对固定，测点五和测点十二靠近腹管与臂架的焊接位置处，此处易产生应力集中，而在有限元分析中没有考虑焊缝的影响;这两方面是结构实测值与仿真值存在一定误差的主要影响因素.此外，左右两侧臂架上相同位置处测点的实测应力最大值几乎相同，这表明在连续的铲装作业过程中偏载的方向具有随机性，在工作装置载荷谱编制以及疲劳寿命分析时可以不考虑偏载的影响[3]。动臂左右臂架上测点实测应力值和仿真值的分布和变化规律大致相同，表明文中建立的工作装置受力数学模型和结构动态载荷测试方法合理可行。
为了保持实测动态载荷参数与装载机实际铲装作业的一致性，在徐工研究院装载机以及铲装试验专用场地进行试验测试。物料选择试验场专用散装颗粒物料，测试路径选择 L 型铲装路线。铲装测试试验时应遵循以下原则：首先是保证试验样机和测试仪器处于正常状态;其次是铲装试验开始前，清空铲斗并将动臂油缸和铲斗油缸伸到最长，怠速状态下记录一段零线;接着铲装 5 个作业循环后，将试验样机停止在起始位置，清空铲斗并将动臂油缸和铲斗油缸伸到最长，怠速状态下再一次记录一段零线;最后在选择驾驶员进行铲装作业的时候应该选择具有多年驾龄的专业技能较高的工作人员，并且以国产五十型装载机作为试验样机，进行铲装试验。
四、实验结果分析
根据以上实验结果的分析我们得知：动态载荷测试试验方法和构件的载荷测试方案，进行铲装试验可以得到工作装置油缸压力和油缸位移时间历程。结构实测应力根据应变花的三个应变片的应力值，通过专业计算可以得到的当量应力值。借助有限元软件建立试验样机工作装置有限元模型，以动臂各铰点外力为载荷约束，对工作装置不同作业姿态下动臂结构测点应力进行仿真分析，可以验证基于达朗贝尔原理建立的工作装置受力模型和动态载荷测试方法的合理性[4]。并且可以在有限元模型应力提取点周围小范围内选取多个点求应力平均值作为该测点的最大应力，将其与实测结果进行对比分析。
根据达朗贝尔原理建立的装载机工作装置受力数学模型考虑了工作装置各构件自重和作业过程中的惯性力，所得铰点力能够准确地反映工作装置作业过程中的动态特性。求解受力模型的基础数据可以验证工作装置受力模型和动态载荷测试方法的可行性，正因如此基于工作装置受力模型，提出了一种装载机工作装置动态载荷测试方法，选取五十型装载机进行试验研究。通过对铲斗与动臂左右二个铰点外力和动臂上结构应力的实测数據分析，技术人员更加明确在静力学分析时必须考虑偏载因素对结构力学分析结果的影响，但是在进行编制疲劳试验载荷谱时，由于偏载方向的随机性，可以暂时不考虑偏载因素的影响。
结束语
本文通过对装载机工作装置动态载荷测试方法与试验研究，从而分析了动臂各测点最大应力实测值和仿真值的误差原因以及数值变化规律。并且解决了以前提出的测试方法获得的结构应力值能够准确反映工作装置在铲掘作业中的动态特性这一观点，验证了工作装置受力模型以及动态载荷测试方法的合理性，研究方法与结果为装载机工作装置动态载荷谱获取和结构强度分析提供了有效方法参考。
参考文献
[1]万一品，宋绪丁，陈乐乐.装载机工作装置动态载荷测试方法与试验研究[J].北京工业大学学报，2017（6）.
[2]王云超，刘春，黄素德.装载机工作装置的机液联合仿真和试验研究[J].建筑机械，2018（21）：94-97.
[3]冯坤，刘亚琼，陈宝星.1000 MW汽轮机轴承载荷分配测试方法和试验研究[J].热能动力工程，2019（4）.
[4]刘巧珍，罗石忠，吴海艳.装载机工作装置受力分析及仿真[J].装备制造技术，2014（11）：105-106+120.