輪式裝載機動臂強度實驗研究

蘇 晨，楊保海

(河南機電高等專科學校汽車工程系，河南 新鄉 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、拉桿實現鏟斗的鏟掘、翻轉和卸料等作業。動臂由舉升油缸支撐，實現鏟斗的升降[1]。在裝載機的作業過程中，動臂承受的載荷是隨時變化的，因此必須具有足夠的強度，以滿足裝載機作業的需要。

1 裝載機動臂強度靜態加載測試研究

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

1.1 動臂強度靜態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。側向阻力作用點在鏟斗側壁上，方向與鏟斗切割刃平行。根據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。裝載機在鏟掘作業時受到的最大水平載荷為：

式中，G為整機空載質量，16000N；

μ為輪胎與地面附著系數，取0.76。

依據上式，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。

依據上式，確定的最大載荷為：Py=22.2kN。

（3）側向載荷Pz的確定。側向載荷Pz的大小以保證水平偏載作用時，前車架不產生側向偏轉為條件。在裝載機的掘起作業過程中，側向阻力作用點在鏟斗側壁上，方向與鏟斗切割刃平行。側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，前車架應不發生側向偏轉。

1.2 動臂強度靜態加載實驗的測試方法

實驗全部采用電阻應變片作為傳感元件，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個應變片，考慮到裝載機整機結構的對稱性，應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加載測試系統圖

表1 動臂靜態加載的試驗載荷與加載位置

1.3 動臂強度靜態加載實驗的測試結果分析

本實驗得出的動臂在各種極限載荷作用下的應力分布情況如圖2所示。

圖2 裝載機動臂靜態加載實驗的應變片貼片位置及應力分布圖（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果概括如下：

（1）鏟斗各處應力水平均較低，除加載點附近因集中載荷作用使主應力達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力達30MPa外，其余各點應力水平均較低；

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

（4）從圖2可以看出，由于整機結構的對稱性，正載工況下左、右動臂相應的應力值應基本相同。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力水平明顯高于后一段。聯合左偏載時左臂最高應力達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 裝載機動臂強度現場作業測試實驗研究

裝載機實際作業時所受的載荷大小是隨時間變化的隨機值。靜態加載實驗所得到的結果僅能考核裝載機動臂結構在可能的幾種極限載荷作用下的靜態強度余度，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應力情況，本文進行了幾種典型工況下的裝載機工作裝置關鍵部件的應力狀態測試，并通過數據處理，得出動臂動態應力的變化規律（即應力譜）。

2.1 測試工況與測試系統

裝載機動臂動態應力測試中選定的幾種典型作業工況如下：

（1）裝載機按分段作業方式進行正常鏟裝作業；

（2）代表性的物料及作業時間比例為大石塊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。

動臂動態應力測試系統如圖3所示。

圖3 裝載機動臂動態應力測試系統圖

2.2 應力信號的計數處理及結果

將動臂動態應力磁帶記錄的信號進行計數處理，本文僅選取應力水平較高的第2測點加以分析。動臂動態應力數據處理系統圖如圖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，三種工況經計數后應力幅值與均值分布如圖5所示。

圖4 裝載機動臂動態應力數據處理系統圖

裝載機各工況的均值計算結果為：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 應力圖分析

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

圖5 裝載機動臂在各工況下的應力分布圖

圖6 裝載機在各工況下及其合成的動態應力圖

圖6中曲線5為擴展后的合成應力圖（即把累次頻次擴展至106次），其最大應力為87MPa，該應力并未超過聯合左偏載試驗時應力水平。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。考慮到實際構件尺寸、表面加工狀況、載荷性質和平均應力等的影響，實際動臂構件的疲勞極限僅為σr=165MPa。動態實測應力幅值均未超過此限，且最大應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型裝載機的常規作業要求。

3 結語

通過對動臂進行靜強度加載和動態應力測試，可以得出以下結論：

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

（2）實測出的動臂動態應力的最大應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型裝載機的常規作業要求。

[1]徐躍峰.輪式裝載機動臂結構強度試驗研究[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]丁預展.裝載機動臂強度的研究[J].礦山機械，1981，（8）.