挖掘装载机伸缩斗杆的应变测试

赵学龙，吴海艳，唐 斌，王海庭

(广西柳工机械股份有限公司，广西 柳州545007)

随着经济的发展，工程机械在中国得到广泛应用。在矿山、在码头、在建筑工地、在道路两旁，到处都能看到装载机、挖掘机等工程机械的身影。而在国外，一种集成了装载机和挖掘机功能的产品也得到广泛使用，每年的销量占工程机械产品中的前列，这就是挖掘装载机[1]。

柳工顺应市场需求开发了多款挖掘装载机，并配备了多种作业装置，伸缩斗杆就是其中的一种作业装置。应变电测技术广泛应用于各种工程结构、机械设备及其模型的应力应变、受力和变形等的测量[2]。本文在伸缩斗杆设计中应用了应变电测技术，用应变测试结果指导伸缩斗杆的设计改进，提高了改进的有效性。

1 应变电测基本原理

应变电测法是用电阻应变仪测量布置在测点处的电阻应变片中的电阻变化，以确定测点处的应变，然后运用应力、应变分析的知识，确定构件的应力情况。电阻应变片(简称为应变片或电阻片)有多种形式，常温下用的应变片有丝绕式和箔式两种[3]。

在测量应变时，先用特种胶水将应变片粘贴在构件的欲测部位上。当该处沿应变片的纵向发生正应变ε时，应变片也随之变形，电阻栅的电阻R相应发生变化。实验表明，在一定范围内，电阻栅的电阻变化率ΔR/R与正应变ε成正比。

即

式中，

ε为应变片纵轴向的应变值；

R为电阻栅的初始电阻值；

ΔR为电阻栅电阻值的改变量；

K为比例常数，其值与电阻栅的材料和构造有关。R和K的值均由制造厂家标明。

2 EDAQ测试系统简介

英国NCODE公司的EDAQ测试系统是一个基于微处理器的数据采集系统，设计用于在各种测试环境中实现便携式的数据采集。经过专门设计的硬件和软件，使得该测试系统尤其适应工程机械的恶劣的现场工况，在国外大型工程机械公司中得到广泛应用。

EDAQ测试系统由基本层和扩展层组成，通过叠加不同的板层，测试系统的功能得到扩展。根据不同的测试用途，用户可添加扩展层板到测试系统中，这些扩展层板有：低电平板层、高电平板层、温度板层、数字信号板层、电桥板层等。

3 测试方案

应变测试一般分为静态应变测试和动态应变测试两种类型。静态应变测试可以与有限元分析进行对比，国内外研究表明其相互误差在工程计算可接受的范围内，在国内外得到广泛应用。本文所提到的挖掘装载机由于其机器尺寸较大，为实现其挖掘装置的静态应变测试，需要建设占地较大的挖掘装置实验平台，投资数额很大，其可实现条件暂时不具备。

EDAQ测试系统只需要一台功能完整的挖掘装载机整机，这对整机生产商是非常容易的。EDAQ测试系统在现场工况下的系统稳定性很高、测试结果较可靠，而且动态应变测试工况与机器工作的真实工况更接近。于是根据现有条件，用EDAQ测试系统进行伸缩斗杆的现场工况下的动态应变测试成为合适的选择。

3.1 测试工况

由于EDAQ测试系统能够可靠地在工地条件下记录数据，基本不影响机器的正常工作，测试系统的电源可以由被测试机器的蓄电池充当，测试时间长短取决于测试系统所配备的存储卡大小。一般说来，16个通道的应变数据测试时间可以长达几个小时。

我们选择斗杆伸出状态和斗杆缩回状态两种状态，令机器在基本平坦的原生土上挖掘作业，挖掘时间30分钟，测试系统连续记录下各通道的动态应变信号，该信号在专业查看软件上显示出来的是一条上下波动的曲线。挖掘原生土工况是挖掘装置最普遍的工况。选择30分钟的原因是挖掘作业具有相似性，约1分钟可完成一个作业循环，30个循环已足够进行数据分析了。

工况一：伸缩斗杆伸出状态，连续挖掘30分钟的深坑。

工况二：伸缩斗杆缩回状态，连续挖掘30分钟的深坑。

3.2 测点布置

测试系统标准配置16个应变测试通道，由于其中3号和8号通道有故障，用到其余的14个测试通道。为减少测试过程中的错误，测点编号与通道号一致，图1是伸缩斗杆上各测点布置图。

图1 测点布置图

4 测试结果及分析

各通道的测试结果为一段时间内的动态应变数据，将这14个测点两种工况全部显示出来需要28张图片，是比较占用纸张的，因此将各测点在两种工况下的最大值予以汇总，就形成表1所示结果。

表1 测试结果汇总表

测试结论：

（1）测点2、10、14作为普通测点而测试结果偏大，后续需要改进设计，其余普通测点的应变数值满足要求。

（2）通过测试，了解了一些关键焊缝处的应变数值。限于目前的认识水平，焊缝测点的应变数值不作为设计改进的依据。

5 设计改进

根据改进后的设计制造部件，并装配到试验样机上。并参照原来的测试点布置测点，进行应力应变测试。由于原来的测点5、11、12、13、16处应变数据不大，因而略去不测，这样共有9个应变测试点。用同样的操作手在同样的场地在斗杆伸出状态挖掘半小时，改进前后测试结果对比如表2所示。

表2 改进前后测试结果对比表

6 结束语

EDAQ测试系统是一种能够适应现场恶劣环境的便携式综合测试系统，系统的稳定性，结果的可靠性很高。柳工在结构件设计改进中应用了EDAQ测试系统的动态应变测试功能，取得了较好的实践效果。

[1]汪锡龄.剖析“两头忙”—挖掘装载机技术及市场发展评析[J].建筑机械，2005（3）：28-31.

[2]张如一，沈观林，李朝弟.应变电测与传感器[M].北京：清华大学出版社，1998.

[3]毕勤胜，李纪刚.工程力学[M].北京：北京大学出版社，2007.