随车起重机轻量化设计应力应变试验研究

韩翔 郑德玺

摘要：随着行业的竞争和进步，实现轻量化成为随车起重机结构设计的重要追求，最终对实物样机进行应力与应变安全性试验依然是对轻量化设计的最重要和最终验证。通过对主要测试方案、测试仪器、测试传感器的选择以及测试过程和数据处理计算进行阐述，完成对轻量化设计的实物样机进行应力与应变安全性试验进行介绍，通过试验不但可以验证轻量化设计的程度还能验证结构的安全性。

关键词：随车起重机;轻量化;应力应变;试验研究

中图分类号：TH215                                       文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）24-0007-03

0  引言

随车起重机是一种安装在卡车底盘上的起重机械，并且可以保留卡车底盘的运输车厢，安装了随车起重机的卡车成为了随车起重运输车整车，这是一种集起重功能与运输功能为一体的综合起重运输车辆[1]。

以工程应用实际来研究轻量化随车起重机设计的安全性验证试验，在实际需求下为了追求更优的起重机的比重量系数和单位力矩自重系数，实现轻量化是随车起重机结构设计重要追求。在具体设计中为实现随车起重机整机结构的轻量化，借助虚拟样机技术实现随车起重机整车结构的建模和计算分析是实现轻量化结构设计的重要途径，最终对样机进行应力与应变安全性试验依然是对轻量化设计的最重要和最终验证。

1  测试方案的选择

随车起重机实物样机进行应力与应变安全性试验重点和关键是对应力集中区域的测试，在对应力集中和危险区域进行贴应变片，用实际作业工况进行额载试验，并考虑特殊情况进行1.1倍的动载超载试验和1.25倍的静载超载试验，通过应变片作为直接的传感器进行应变数据采集，即可得到相应的应力值。判断随车起重机的结构强度以及结构的内应力，通过对结构强度数据的分析和应用，当相应的应力数值过大则说明设计结构不能满足工况使用，當相应的应力数值过小则说明设计结构的轻量化水平还需要进一步提升的，尚未达到最优的轻量化结构设计。

应力测试设备可以采用静态应变测试系统，所有数据采集模块可以由电源/控制器统一供电。如图1为江苏东华测试技术股份有限公司生产的东华牌静态应变测试仪，考虑到现场试验过程中操作便捷性，减少现场测试过程中连线过多引起的误接等情况，DH3816N静态应力应变测试仪相比较DH3815N静态应力应变测试仪有更很大的进步和改善，具备以太网和无线WiFi等通讯方式与电脑进行通讯，同时通过以太网进行模块间的扩展，可实现理论上的无限扩展，同时单机测试的通道数也大幅度的提高，单台最多72通道，在测试桥路方式上可以支持全桥、半桥、三线制1/4桥等方式[2]。

静态应变测试系统根据电桥中四个电阻位置外接应变片的数量，静态应变测试惠斯顿电桥又可分为全桥、半桥、1/4桥等桥路方式。

全桥是电桥中四个电阻位置全部接外部测试应变片，没有一个是用静态应变测试仪器的内部高精度电阻，这种方法需要贴较多的应变片。1/4桥是电桥中四个电阻位置仅有一个接外部测试应变片，另外三个是用测试仪器的内部电阻，很短时间内温度变化不大或者在恒温试验室中，为了测量方便可以不用温度补偿片，而只贴一个工作片，但是测量环境温度的变化对测试结果有较大冲击，在实际随车起重机结构的应力应变测量中因为需要进行大幅度的回转与变幅与伸缩动作，很多时候需要在室外进行或测试时间过长。半桥是介于全桥与1/4桥之间的电路，其特点是电桥中两个电阻位置接外部测试应变片，另外两个是用静态应变测试仪器的内部高精度电阻，外接的外部应变片一个是测试应变的工作测试应变片、另外一个是测试应变的温度补偿应变片，温度补偿应变片的作用是，抵消掉工作测试应变片纯粹由于温度变化而引起的应变，在应力测量中必不可少。（图2）

图2恒压激励测试电路具体是采用的半桥电路的恒压激励惠斯顿电桥应变仪测试电路。图2中UAB为输入电压，UCD为输出电压，R1、R2为电桥中内置电阻，RG、RB为电桥中电路实际测量的应变片电阻和补偿应变片电阻，在恒压激励惠斯顿电桥应变仪电路中以上四个电阻的初始值相等。可得到关系如下：

对UCD取全微分，整理可得：

上式子中：K—为应变片的灵敏系数，ΔUCD—电桥中输出电压的变化值，UAB—电桥中输入电压，εB—温度补偿应变片的应变值，εG—电桥测量的工作应变片的应变值[3]。

在应力与应变测试试验中，常采用惠斯顿电桥原理，外贴温度补偿片的半桥应变采集方法，具有测量精度高、幅度大的优点，能够消除温度误差，根据随车起重机实际工作过程中结构件的应力情况多是受压或者受拉，且吊重试验在室外调试场中进行，温度变化比较大，所以也经常采用半桥桥路连接的测试方案。在现场进行实际测量时，为提高效率，减少应变片使用，可以通过一个温度补偿应变片的数据补偿多个工作片，这就是半桥公共补偿法，这能大大减少温度补偿应变片的数量。

2  测试传感元件的选择

在实际测试中使用的是电阻应变片。电阻应变片本质上是根据电阻材料在外力的作用下产生机械变形时，其电阻值发生相应的变化的应变效应原理，制成的可以通过测量电阻变化量计算出机械应变的传感元件。将电阻应变片紧密粘贴在被测试构件的表面上，在被测试构件受力后发生形变时，粘贴在被测试构件表面上的电阻应变片也跟随发生形变和相应电阻变化。

在实际随车起重机结构的应力与应变测试中，因为测量点的应变不止一个方向并且应变片粘贴时很难保证敏感栅完全与主应力方向一致，所以单一方向的测量很难保证测量的精度，一般采用粘贴电阻应变花来测量某点的应变状态。测试时将应变花粘贴在被测试构件表面上，各个电阻应变片测试电路相互独立，分别测得各个电阻应变片的应变值，再根据应变花中应变片的角度关系，就可以根据相应公式计算出相应测试点应力大小与方向等应力状态数据[4]。在随车起重机结构应力与应变测试中理想的传感元件是三片直角形应变花。具体如图3为三片直角形应变花。

3  测试及数据处理

在测试开始前先行对应变计进行外观检查，检查敏感栅、基底和覆盖层有无损坏。用电烙铁在室内就可以先将应变片引线和较短导线全部焊接到连接端子上，连接端子粘贴到小的硬纸壳上。检查没有问题后，使用磨光机等打磨工具将被测试点表面的非金属覆盖和金属氧化层打磨掉并磨平擦净，将电阻应变花的敏感栅用速干胶水粘贴到测点处，粘贴后使用数字万用表检测应变敏感栅的两条引出线上的电阻值，约为120欧姆即表示应变片合格即可开始测试。测试时一般需要带载把所有可能大工况全部试验测试并取样到位。测试后需要对数据进行分析和计算，具体按照如下方法进行。

随车起重机主体结构都是采用薄板件焊接而成，采用在结构件上外贴三片直角形应变花的方法可以准确测度沿薄板长度和宽度方向上的应变，进而可以推导出沿薄板长度和宽度方向上的应力值，而把沿薄板厚度方向上的应力值按零值计算。根据强度理论，不发生塑性破坏应满足下列条件：

其中σ1，σ2，σ3是某点处沿笛卡尔坐标系三个方向上的应力值。此处σ1与σ2为沿薄板方向上的应力值，σ3为沿薄板厚度方向上的应力值，近似取零[5]。

采用三片直角形应变花0°、45°、90°三个方向应变片测得的应变值用ε0，ε45，ε90分别表示。ε1代表应变片测量表面上的主应变，ε2代表在应变片测量表面上与主应变垂直的应变，对应关系为：

上式中ε1的值取加号，ε2的值取減号，根据应力与应变的关系，σ1为主应变ε1相对应的主应力，σ2为与应变ε2相对应的应力：

通过现场的测试，把静态应变测试软件中应变采集数值导出。把导出的应变值带入上述应力计算公式，即可计算出相应测点的应力数值。

4  结论

通过分析各测试点的应力值，如果应力值未超过材料在一定安全系数下的许用应力，可以得出结构安全的结论，同时分析应力值是否出现过小的情况，在排除是测试失误等原因造成测试结果过小的情况，确定是结构实际应力过小的情况则说明结构还有继续优化和减重的空间，进一步进行轻量化设计。

参考文献：

[1]郑德玺，韩翔，郭静雷.随车起重机单腔嵌套式水平支腿及其截面设计方法[J].工程机械，2016，47（09）：41-45.

[2]李跃，夏旭东，张兆龙.10吨汽车起重机臂架结构有限元分析及实验验证[C].第十二届河南省汽车工程科技学术研讨会论文集.

[3]杜红凯，韩淼，崔相东，etal.1/4桥路应变采集的温度补偿效果实验研究[J].北京建筑大学学报，2014，030（004）：28-32.

[4]黄进，陶睿，江真丞，等.选择不同应变花对主应力测试结果的影响[J].实验室研究与探索，2016（7）：32-36.

[5]韦德骏.材料力学性能与应力测试[M].湖南大学出版社，1997.