隨車(chē)起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)研究

韓翔 鄭德璽

摘要：隨著行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)和進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)輕量化成為隨車(chē)起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要追求，最終對(duì)實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行應(yīng)力與應(yīng)變安全性試驗(yàn)依然是對(duì)輕量化設(shè)計(jì)的最重要和最終驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)主要測(cè)試方案、測(cè)試儀器、測(cè)試傳感器的選擇以及測(cè)試過(guò)程和數(shù)據(jù)處理計(jì)算進(jìn)行闡述，完成對(duì)輕量化設(shè)計(jì)的實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行應(yīng)力與應(yīng)變安全性試驗(yàn)進(jìn)行介紹，通過(guò)試驗(yàn)不但可以驗(yàn)證輕量化設(shè)計(jì)的程度還能驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的安全性。

關(guān)鍵詞：隨車(chē)起重機(jī);輕量化;應(yīng)力應(yīng)變;試驗(yàn)研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TH215? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）24-0007-03

0? 引言

隨車(chē)起重機(jī)是一種安裝在卡車(chē)底盤(pán)上的起重機(jī)械，并且可以保留卡車(chē)底盤(pán)的運(yùn)輸車(chē)廂，安裝了隨車(chē)起重機(jī)的卡車(chē)成為了隨車(chē)起重運(yùn)輸車(chē)整車(chē)，這是一種集起重功能與運(yùn)輸功能為一體的綜合起重運(yùn)輸車(chē)輛[1]。

以工程應(yīng)用實(shí)際來(lái)研究輕量化隨車(chē)起重機(jī)設(shè)計(jì)的安全性驗(yàn)證試驗(yàn)，在實(shí)際需求下為了追求更優(yōu)的起重機(jī)的比重量系數(shù)和單位力矩自重系數(shù)，實(shí)現(xiàn)輕量化是隨車(chē)起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重要追求。在具體設(shè)計(jì)中為實(shí)現(xiàn)隨車(chē)起重機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)的輕量化，借助虛擬樣機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)隨車(chē)起重機(jī)整車(chē)結(jié)構(gòu)的建模和計(jì)算分析是實(shí)現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要途徑，最終對(duì)樣機(jī)進(jìn)行應(yīng)力與應(yīng)變安全性試驗(yàn)依然是對(duì)輕量化設(shè)計(jì)的最重要和最終驗(yàn)證。

1? 測(cè)試方案的選擇

隨車(chē)起重機(jī)實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行應(yīng)力與應(yīng)變安全性試驗(yàn)重點(diǎn)和關(guān)鍵是對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域的測(cè)試，在對(duì)應(yīng)力集中和危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行貼應(yīng)變片，用實(shí)際作業(yè)工況進(jìn)行額載試驗(yàn)，并考慮特殊情況進(jìn)行1.1倍的動(dòng)載超載試驗(yàn)和1.25倍的靜載超載試驗(yàn)，通過(guò)應(yīng)變片作為直接的傳感器進(jìn)行應(yīng)變數(shù)據(jù)采集，即可得到相應(yīng)的應(yīng)力值。判斷隨車(chē)起重機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用，當(dāng)相應(yīng)的應(yīng)力數(shù)值過(guò)大則說(shuō)明設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不能滿(mǎn)足工況使用，當(dāng)相應(yīng)的應(yīng)力數(shù)值過(guò)小則說(shuō)明設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的輕量化水平還需要進(jìn)一步提升的，尚未達(dá)到最優(yōu)的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

應(yīng)力測(cè)試設(shè)備可以采用靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，所有數(shù)據(jù)采集模塊可以由電源/控制器統(tǒng)一供電。如圖1為江蘇東華測(cè)試技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的東華牌靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀，考慮到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中操作便捷性，減少現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中連線過(guò)多引起的誤接等情況，DH3816N靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試儀相比較DH3815N靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試儀有更很大的進(jìn)步和改善，具備以太網(wǎng)和無(wú)線WiFi等通訊方式與電腦進(jìn)行通訊，同時(shí)通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行模塊間的擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)理論上的無(wú)限擴(kuò)展，同時(shí)單機(jī)測(cè)試的通道數(shù)也大幅度的提高，單臺(tái)最多72通道，在測(cè)試橋路方式上可以支持全橋、半橋、三線制1/4橋等方式[2]。

靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)電橋中四個(gè)電阻位置外接應(yīng)變片的數(shù)量，靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試惠斯頓電橋又可分為全橋、半橋、1/4橋等橋路方式。

全橋是電橋中四個(gè)電阻位置全部接外部測(cè)試應(yīng)變片，沒(méi)有一個(gè)是用靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀器的內(nèi)部高精度電阻，這種方法需要貼較多的應(yīng)變片。1/4橋是電橋中四個(gè)電阻位置僅有一個(gè)接外部測(cè)試應(yīng)變片，另外三個(gè)是用測(cè)試儀器的內(nèi)部電阻，很短時(shí)間內(nèi)溫度變化不大或者在恒溫試驗(yàn)室中，為了測(cè)量方便可以不用溫度補(bǔ)償片，而只貼一個(gè)工作片，但是測(cè)量環(huán)境溫度的變化對(duì)測(cè)試結(jié)果有較大沖擊，在實(shí)際隨車(chē)起重機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量中因?yàn)樾枰M(jìn)行大幅度的回轉(zhuǎn)與變幅與伸縮動(dòng)作，很多時(shí)候需要在室外進(jìn)行或測(cè)試時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。半橋是介于全橋與1/4橋之間的電路，其特點(diǎn)是電橋中兩個(gè)電阻位置接外部測(cè)試應(yīng)變片，另外兩個(gè)是用靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀器的內(nèi)部高精度電阻，外接的外部應(yīng)變片一個(gè)是測(cè)試應(yīng)變的工作測(cè)試應(yīng)變片、另外一個(gè)是測(cè)試應(yīng)變的溫度補(bǔ)償應(yīng)變片，溫度補(bǔ)償應(yīng)變片的作用是，抵消掉工作測(cè)試應(yīng)變片純粹由于溫度變化而引起的應(yīng)變，在應(yīng)力測(cè)量中必不可少。（圖2）

圖2恒壓激勵(lì)測(cè)試電路具體是采用的半橋電路的恒壓激勵(lì)惠斯頓電橋應(yīng)變儀測(cè)試電路。圖2中UAB為輸入電壓，UCD為輸出電壓，R1、R2為電橋中內(nèi)置電阻，RG、RB為電橋中電路實(shí)際測(cè)量的應(yīng)變片電阻和補(bǔ)償應(yīng)變片電阻，在恒壓激勵(lì)惠斯頓電橋應(yīng)變儀電路中以上四個(gè)電阻的初始值相等?？傻玫疥P(guān)系如下：

對(duì)UCD取全微分，整理可得：

上式子中：K—為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，ΔUCD—電橋中輸出電壓的變化值，UAB—電橋中輸入電壓，εB—溫度補(bǔ)償應(yīng)變片的應(yīng)變值，εG—電橋測(cè)量的工作應(yīng)變片的應(yīng)變值[3]。

在應(yīng)力與應(yīng)變測(cè)試試驗(yàn)中，常采用惠斯頓電橋原理，外貼溫度補(bǔ)償片的半橋應(yīng)變采集方法，具有測(cè)量精度高、幅度大的優(yōu)點(diǎn)，能夠消除溫度誤差，根據(jù)隨車(chē)起重機(jī)實(shí)際工作過(guò)程中結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力情況多是受壓或者受拉，且吊重試驗(yàn)在室外調(diào)試場(chǎng)中進(jìn)行，溫度變化比較大，所以也經(jīng)常采用半橋橋路連接的測(cè)試方案。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量時(shí)，為提高效率，減少應(yīng)變片使用，可以通過(guò)一個(gè)溫度補(bǔ)償應(yīng)變片的數(shù)據(jù)補(bǔ)償多個(gè)工作片，這就是半橋公共補(bǔ)償法，這能大大減少溫度補(bǔ)償應(yīng)變片的數(shù)量。

2? 測(cè)試傳感元件的選擇

在實(shí)際測(cè)試中使用的是電阻應(yīng)變片。電阻應(yīng)變片本質(zhì)上是根據(jù)電阻材料在外力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化的應(yīng)變效應(yīng)原理，制成的可以通過(guò)測(cè)量電阻變化量計(jì)算出機(jī)械應(yīng)變的傳感元件。將電阻應(yīng)變片緊密粘貼在被測(cè)試構(gòu)件的表面上，在被測(cè)試構(gòu)件受力后發(fā)生形變時(shí)，粘貼在被測(cè)試構(gòu)件表面上的電阻應(yīng)變片也跟隨發(fā)生形變和相應(yīng)電阻變化。

在實(shí)際隨車(chē)起重機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與應(yīng)變測(cè)試中，因?yàn)闇y(cè)量點(diǎn)的應(yīng)變不止一個(gè)方向并且應(yīng)變片粘貼時(shí)很難保證敏感柵完全與主應(yīng)力方向一致，所以單一方向的測(cè)量很難保證測(cè)量的精度，一般采用粘貼電阻應(yīng)變花來(lái)測(cè)量某點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)。測(cè)試時(shí)將應(yīng)變花粘貼在被測(cè)試構(gòu)件表面上，各個(gè)電阻應(yīng)變片測(cè)試電路相互獨(dú)立，分別測(cè)得各個(gè)電阻應(yīng)變片的應(yīng)變值，再根據(jù)應(yīng)變花中應(yīng)變片的角度關(guān)系，就可以根據(jù)相應(yīng)公式計(jì)算出相應(yīng)測(cè)試點(diǎn)應(yīng)力大小與方向等應(yīng)力狀態(tài)數(shù)據(jù)[4]。在隨車(chē)起重機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力與應(yīng)變測(cè)試中理想的傳感元件是三片直角形應(yīng)變花。具體如圖3為三片直角形應(yīng)變花。

3? 測(cè)試及數(shù)據(jù)處理

在測(cè)試開(kāi)始前先行對(duì)應(yīng)變計(jì)進(jìn)行外觀檢查，檢查敏感柵、基底和覆蓋層有無(wú)損壞。用電烙鐵在室內(nèi)就可以先將應(yīng)變片引線和較短導(dǎo)線全部焊接到連接端子上，連接端子粘貼到小的硬紙殼上。檢查沒(méi)有問(wèn)題后，使用磨光機(jī)等打磨工具將被測(cè)試點(diǎn)表面的非金屬覆蓋和金屬氧化層打磨掉并磨平擦凈，將電阻應(yīng)變花的敏感柵用速干膠水粘貼到測(cè)點(diǎn)處，粘貼后使用數(shù)字萬(wàn)用表檢測(cè)應(yīng)變敏感柵的兩條引出線上的電阻值，約為120歐姆即表示應(yīng)變片合格即可開(kāi)始測(cè)試。測(cè)試時(shí)一般需要帶載把所有可能大工況全部試驗(yàn)測(cè)試并取樣到位。測(cè)試后需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，具體按照如下方法進(jìn)行。

隨車(chē)起重機(jī)主體結(jié)構(gòu)都是采用薄板件焊接而成，采用在結(jié)構(gòu)件上外貼三片直角形應(yīng)變花的方法可以準(zhǔn)確測(cè)度沿薄板長(zhǎng)度和寬度方向上的應(yīng)變，進(jìn)而可以推導(dǎo)出沿薄板長(zhǎng)度和寬度方向上的應(yīng)力值，而把沿薄板厚度方向上的應(yīng)力值按零值計(jì)算。根據(jù)強(qiáng)度理論，不發(fā)生塑性破壞應(yīng)滿(mǎn)足下列條件：

其中σ1，σ2，σ3是某點(diǎn)處沿笛卡爾坐標(biāo)系三個(gè)方向上的應(yīng)力值。此處σ1與σ2為沿薄板方向上的應(yīng)力值，σ3為沿薄板厚度方向上的應(yīng)力值，近似取零[5]。

采用三片直角形應(yīng)變花0°、45°、90°三個(gè)方向應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變值用ε0，ε45，ε90分別表示。ε1代表應(yīng)變片測(cè)量表面上的主應(yīng)變，ε2代表在應(yīng)變片測(cè)量表面上與主應(yīng)變垂直的應(yīng)變，對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

上式中ε1的值取加號(hào)，ε2的值取減號(hào)，根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，σ1為主應(yīng)變?chǔ)?相對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力，σ2為與應(yīng)變?chǔ)?相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力：

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試，把靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試軟件中應(yīng)變采集數(shù)值導(dǎo)出。把導(dǎo)出的應(yīng)變值帶入上述應(yīng)力計(jì)算公式，即可計(jì)算出相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力數(shù)值。

4? 結(jié)論

通過(guò)分析各測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)力值，如果應(yīng)力值未超過(guò)材料在一定安全系數(shù)下的許用應(yīng)力，可以得出結(jié)構(gòu)安全的結(jié)論，同時(shí)分析應(yīng)力值是否出現(xiàn)過(guò)小的情況，在排除是測(cè)試失誤等原因造成測(cè)試結(jié)果過(guò)小的情況，確定是結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)力過(guò)小的情況則說(shuō)明結(jié)構(gòu)還有繼續(xù)優(yōu)化和減重的空間，進(jìn)一步進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭德璽，韓翔，郭靜雷.隨車(chē)起重機(jī)單腔嵌套式水平支腿及其截面設(shè)計(jì)方法[J].工程機(jī)械，2016，47（09）：41-45.

[2]李躍，夏旭東，張兆龍.10噸汽車(chē)起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)有限元分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[C].第十二屆河南省汽車(chē)工程科技學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.

[3]杜紅凱，韓淼，崔相東，etal.1/4橋路應(yīng)變采集的溫度補(bǔ)償效果實(shí)驗(yàn)研究[J].北京建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，030（004）：28-32.

[4]黃進(jìn)，陶睿，江真丞，等.選擇不同應(yīng)變花對(duì)主應(yīng)力測(cè)試結(jié)果的影響[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016（7）：32-36.

[5]韋德駿.材料力學(xué)性能與應(yīng)力測(cè)試[M].湖南大學(xué)出版社，1997.