一種推土機推桿應力測量方法與流程
本發明涉及工程機械結構安全測量技術領域，尤其涉及一種推土機推桿應力測量方法。
背景技術：
推土機屬于土石方作業工程機械，工作環境惡劣，工作過程中受力復雜，推桿作為主要部件，在復雜多變的外載荷作用下，容易產生疲勞破壞。因此分析計算推桿在不同工況、不同部位的應力分布，是推土機工作裝置設計所必需的。
推土機前工作裝置由推土板、推桿、斜支撐、水平支撐、傾斜油缸、提升油缸等組成，用以完成鏟運和推運任務，前工作裝置屬于空間機構，特別是K2型結構前工作裝置，屬于過約束機構，需要靠運動副中間隙和桿件的變形來實現側傾運動，理論求解困難，需要進行試驗測量獲取推桿應力分布狀況。
傳統的推桿應力測試方法，在推桿表面直接使用應變片測量結構應力。但是此方法所需應變片數量較多，同時由于推桿工作環境惡劣，有時推桿在工作介質中工作且磨損嚴重，所測位置無法使用應變片，或應變片極其容易損壞，無法進行應力測試。
技術實現要素：
本發明的目的在于提出一種推土機推桿應力測量方法，通過測量推土機前工作裝置傾斜油缸壓力值、斜支撐、水平支撐應變值等，求解推桿邊界條件，利用有限元法，可以有效的對推土機推桿所有工況環境下結構應力測量及監測。
為達此目的，本發明采用以下技術方案：
一種推土機推桿應力測量方法，具體步驟如下：
一、采用壓力傳感器及應變片，采集所測量工況下傾斜油缸壓力值、斜支撐應變值和水平支撐應變值；
二、對步驟一采集的數據進行處理，獲取傾斜油缸、斜支撐、水平支撐載荷值；
三、根據步驟二各個載荷值，通過力平衡計算獲得推桿耳軸處載荷大小；
四、利用有限元法，將推桿模型導入有限元分析軟件，傾斜油缸、斜支撐、水平支撐簡化為二力桿約束，耳軸處施加步驟三該處的載荷大小；
五、進行分析計算，同時通過約束反力與步驟二載荷值進行對比修正，得到推桿應力分布狀況。
作為上述推土機推桿應力測量方法的一種優選方案，所述傾斜油缸包括無桿腔和有桿腔，利用壓力傳感器測量傾斜油缸無桿腔壓力q1及有桿腔壓力q2；水平支撐包括左水平支撐和右水平支撐，步驟一中在斜支撐、左水平支撐和右水平支撐表面貼應變片，應變片方向沿著所述各個支撐的軸向，測量斜支撐、左水平支撐和右水平支撐表面應變值大小分別為ε斜、ε左水平和ε右水平。
作為上述推土機推桿應力測量方法的一種優選方案，所述步驟二中傾斜油缸、斜支撐、水平支撐屬于二力桿件，所述傾斜油缸載荷值由以下公式計算，并通過載荷值的正負判斷載荷方向，正為壓力，負為拉力：
F傾斜油缸＝q1×A1-q2×(A1-A2)
其中，A1為活塞面積，A2為活塞桿面積；
斜支撐載荷大小通過以下公式計算：
F斜＝ε斜×E×A斜
其中，E為材料彈性模量，A斜為斜支撐截面積；
水平支撐的左水平支撐和右水平支撐載荷大小通過以下公式計算：
F左水平＝ε左水平×E×A左水平
F右水平＝ε右水平×E×A右水平
其中，E為材料彈性模量，A左水平、A右水平分別為左水平支撐、右水平支撐的截面積。
作為上述推土機推桿應力測量方法的一種優選方案，步驟三計算推桿耳軸處載荷大小，將耳軸載荷分解為沿推桿方向FZO、垂直推桿方向且正方向向上FYO、與YZ正交方向FXO，推桿前鉸點為球副或十字鉸副，XYZ三軸向彎矩為0，根據力矩平衡：
其中Lx、Ly、L1、L2分別為FXO、FYO、F水平、F斜到推桿前鉸點的力臂值，α為水平支撐與推桿軸線的夾角值，β為斜支撐或傾斜油缸與推桿軸線的夾角值，由于推桿主要因為受到彎曲而產生破壞，因此沿推桿方向FZO對推桿結構應力影響不大，可進行簡化計算，近似FZA＝0或F牽引為推土機最大牽引力，由此，求解耳軸載荷大小FXO、FYO、FZO。
作為上述推土機推桿應力測量方法的一種優選方案，步驟四中所述傾斜油缸、斜支撐、水平支撐分別為與大地連接的傾斜油缸彈簧、斜支撐彈簧、水平支撐彈簧，各個彈簧剛度按以下步驟設置：
水平支撐彈簧、斜支撐彈簧剛度不小于：
式(1)中，AZ為斜支撐或水平支撐的截面面積，EZ為斜支撐或水平支撐材料的彈性模量，lZ為斜支撐或水平支撐的長度；
斜支撐彈簧的剛度矩陣為：
傾斜油缸彈簧由4個第一彈簧串聯組成，所述的4個第一彈簧，其剛度參數與水平支撐彈簧、斜支撐彈簧的剛度相同，所述的4個第一彈簧包括第一單元、第二單元、第三單元、第四單元，
所述第一單元的剛度矩陣為
所述第二單元的剛度矩陣為
所述第三單元的剛度矩陣為
所述第四單元的剛度矩陣為
所述傾斜油缸彈簧的總剛度矩陣為：
根據矩陣(2)的傾斜油缸彈簧的剛度矩陣，求解傾斜油缸鉸點處的變形量。
作為上述推土機推桿應力測量方法的一種優選方案，推桿前鉸點按實際施加約束，推桿耳軸處施加步驟三計算的載荷大小，然后進行有限元求解，對比傾斜油缸、水平支撐、斜支撐載荷值與步驟二求解結果是否一致，如果載荷大小不一致，適當修正分析模型，如果載荷大小一致，即可得到推桿結構應力分布。
一種推土機前工作裝置，包括利用推土機應力測量方法進行測量應力的兩個推桿，還包括推土板，兩個推桿鉸接在所述推土板上，所述兩個推桿上分別鉸接有斜支撐和傾斜油缸，所述斜支撐和傾斜油缸可轉動的連接在推土板上，所述兩個推桿還分別鉸接有一個水平支撐，所述水平支撐可轉動的固定在推土板上，所述斜支撐和傾斜油缸分別與對應的推桿位于同一豎直面內，所述水平支撐于對應的推桿位于與所述豎直面垂直的面內。
作為上述推土機前工作裝置的一種優選方案，所述水平支撐包括左水平支撐和右水平支撐，分別與兩個推桿相互連接配合。
本發明的有益效果：
本發明提出的推土機推桿應力測量方法，通過測量推土機前工作裝置傾斜油缸壓力值、斜支撐、水平支撐應變值等，求解推桿邊界條件，利用有限元法，可以有效的對推土機推桿所有工況環境下結構應力測量及監測。測量方法簡單實用，應用壓力傳感器、應變片，測量傾斜油缸壓力值、斜支撐、水平支撐應變值，而且上述幾個位置測量簡單，且需應變片數量較少；在任何工況都可以測量，且不容易損壞，同時利用有限元法獲取推桿結構應力，解決了推桿在惡劣工況下無法進行測量的難題。
附圖說明
圖1是本發明具體實施方式提供的推土機前工作裝置的結構示意圖。
其中，1、推土板；2、斜支撐；3、推桿；4、傾斜油缸；5、左水平支撐；6、右水平支撐。
具體實施方式
下面結合附圖并通過具體實施方式來進一步說明本發明的技術方案。
本實施方式保護一種推土機推桿應力測量方法，具體步驟如下：
一、采用壓力傳感器及應變片，采集所測量工況下傾斜油缸壓力值、斜支撐應變值和水平支撐應變值；
二、對步驟一采集的數據進行處理，獲取傾斜油缸、斜支撐、水平支撐載荷值；
三、根據步驟二各個載荷值，通過力平衡計算獲得推桿耳軸處載荷大小；
四、利用有限元法，將推桿模型導入有限元分析軟件，傾斜油缸、斜支撐、水平支撐簡化為二力桿約束，耳軸處施加步驟三該處的載荷大小；
五、進行分析計算，同時通過約束反力與步驟二載荷值進行對比修正，得到推桿應力分布狀況。
該推土機推桿應力測量方法通過測量推土機前工作裝置傾斜油缸壓力值、斜支撐、水平支撐應變值等，求解推桿邊界條件，利用有限元法，可以有效的對推土機推桿所有工況環境下結構應力測量及監測。測量方法簡單實用，應用壓力傳感器、應變片，測量傾斜油缸壓力值、斜支撐、水平支撐應變值，而且上述幾個位置測量簡單，且需應變片數量較少；在任何工況都可以測量，且不容易損壞，同時利用有限元法獲取推桿結構應力，解決了推桿在惡劣工況下無法進行測量的難題。
具體的，傾斜油缸包括無桿腔和有桿腔，利用壓力傳感器測量傾斜油缸無桿腔壓力q1及有桿腔壓力q2；水平支撐包括左水平支撐和右水平支撐，步驟一中在斜支撐、左水平支撐和右水平支撐表面貼應變片，應變片方向沿著各個支撐的軸向，測量斜支撐、左水平支撐和右水平支撐表面應變值大小分別為ε斜、ε左水平和ε右水平。
步驟二中傾斜油缸、斜支撐、水平支撐屬于二力桿件，傾斜油缸載荷值由以下公式計算，并通過載荷值的正負判斷載荷方向，正為壓力，負為拉力：
F傾斜油缸＝q1×A1-q2×(A1-A2)
其中，A1為活塞面積，A2為活塞桿面積；
斜支撐載荷大小通過以下公式計算：
F斜＝ε斜×E×A斜
其中，E為材料彈性模量，A斜為斜支撐截面積；
水平支撐的左水平支撐和右水平支撐載荷大小通過以下公式計算：
F左水平＝ε左水平×E×A左水平
F右水平＝ε右水平×E×A右水平
其中，E為材料彈性模量，A左水平、A右水平分別為左水平支撐、右水平支撐的截面積。
步驟三計算推桿耳軸處載荷大小，將耳軸載荷分解為沿推桿方向FZO、垂直推桿方向且正方向向上FYO、與YZ正交方向FXO，推桿前鉸點為球副或十字鉸副，XYZ三軸向彎矩為0，根據力矩平衡：
其中Lx、Ly、L1、L2分別為FXO、FYO、F水平、F斜到推桿前鉸點的力臂值，α為水平支撐與推桿軸線的夾角值，β為斜支撐或傾斜油缸與推桿軸線的夾角值，由于推桿主要因為受到彎曲而陳勝生破壞，因此沿推桿方向FZO對推桿結構應力影響不大，可進行簡化計算，近似FZA＝0或F牽引為推土機最大牽引力，由此，求解耳軸載荷大小FXO、FYO、FZO。
步驟四中傾斜油缸、斜支撐、水平支撐分別為與大地連接的傾斜油缸彈簧、斜支撐彈簧、水平支撐彈簧，各個彈簧剛度按以下步驟設置：
水平支撐彈簧、斜支撐彈簧剛度不小于：
式(1)中，AZ為斜支撐或水平支撐的截面面積，EZ為斜支撐或水平支撐材料的彈性模量，lZ為斜支撐或水平支撐的長度；
斜支撐彈簧的剛度矩陣為：
傾斜油缸彈簧由4個第一彈簧串聯組成，的4個第一彈簧，其剛度參數與水平支撐彈簧、斜支撐彈簧的剛度相同，的4個第一彈簧包括第一單元、第二單元、第三單元、第四單元，
第一單元的剛度矩陣為
第二單元的剛度矩陣為
第三單元的剛度矩陣為
第四單元的剛度矩陣為
傾斜油缸彈簧的總剛度矩陣為：
根據矩陣(2)的傾斜油缸彈簧的剛度矩陣，求解傾斜油缸鉸點處的變形量。
推桿前鉸點按實際施加約束，推桿耳軸處施加步驟三計算的載荷大小，然后進行有限元求解，對比傾斜油缸、水平支撐、斜支撐載荷值與步驟二求解結果是否一致，如果載荷大小不一致，適當修正分析模型，如果載荷大小一致，即可得到推桿結構應力分布。
本實施方式還保護一種推土機前工作裝置，前工作裝置包括利用上述的推土機應力測量方法進行測量應力的兩個推桿，還包括推土板，兩個推桿鉸接在推土板上，兩個推桿上分別鉸接有斜支撐和傾斜油缸，斜支撐和傾斜油缸可轉動的連接在推土板上，兩個推桿還分別鉸接有一個水平支撐，水平支撐可轉動的固定在推土板上，斜支撐和傾斜油缸分別與對應的推桿位于同一豎直面內，水平支撐于對應的推桿位于與豎直面垂直的面內。
具體的，水平支撐包括左水平支撐和右水平支撐，分別與兩個推桿相互連接配合。
注意，上述僅為本發明的較佳實施例。本領域技術人員會理解，本發明不限于這里所述的特定實施例，對本領域技術人員來說能夠進行各種明顯的變化、重新調整和替代而不會脫離本發明的保護范圍。因此，雖然通過以上實施例對本發明進行了較為詳細的說明，但是本發明不僅僅限于以上實施例，在不脫離本發明構思的情況下，還可以包括更多其他等效實施例，而本發明的范圍由所附的權利要求范圍決定。
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