混凝土泵車結(jié)構(gòu)動強(qiáng)度試驗研究
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摘 要： 以某公司生產(chǎn)的水泥混凝土泵車為研究對象，對其進(jìn)行了多工況的動應(yīng)力測試，通過數(shù)據(jù)分析，得到各個工況的動應(yīng)力變化范圍和工作頻率，通過與對應(yīng)工況的液壓系統(tǒng)實(shí)驗結(jié)果相比較，找到了該泵車動應(yīng)力較大的主要原因，并給出了最佳的液壓系統(tǒng)流量。本研究結(jié)果可為廠家進(jìn)行產(chǎn)品改進(jìn)提供參考。
關(guān)鍵詞：混凝土泵車，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗，頻率
0 引 言
為了研究水泥混凝土泵車結(jié)構(gòu)動強(qiáng)度特性，本文對某廠生產(chǎn)的水泥混凝土泵車進(jìn)行了不同工況的動應(yīng)力測試。
1 測試方案及內(nèi)容
依據(jù)對泵車進(jìn)行的有限元靜強(qiáng)度分析和模態(tài)分析結(jié)果，選取其中應(yīng)力比較大的部位和動態(tài)薄弱部位作為測試位置。具體操作過程為：在泵車臂架上所選的測試點(diǎn)位置粘貼應(yīng)變片或者是應(yīng)變花，單向應(yīng)力狀態(tài)部位粘貼應(yīng)變片，復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)部位粘貼應(yīng)變花，共使用應(yīng)變片80個，應(yīng)變花8個。然后對泵車不同工作狀況進(jìn)行測試。本次實(shí)驗所做測試如下：
1)水平工況動應(yīng)力測試(該工況泵車液系統(tǒng)流量為1 901 /min) ；
2)側(cè)面工況動應(yīng)力測試 該工況又根據(jù)泵車液壓系統(tǒng)流量具體分為兩種：流量1 501 /min測試、流量1 801 /min測試。
2 測試儀器簡介
本次實(shí)驗采用了高精度的應(yīng)變測量儀器：長安大學(xué)機(jī)電液一體化實(shí)驗室的TBS - 2000應(yīng)變測試系統(tǒng)，該測試儀器連接示意圖如下：
TBS - 2000 采用測試領(lǐng)域最流行的虛擬儀器(Virtual Instruments，簡稱V I)技術(shù)。其核心硬件全部采用進(jìn)口部件， 分別是美國N I (National InstrumentCorporation)公司制造的VXI機(jī)箱、SCXI - 1000信號調(diào)理模塊、PC I - 1200數(shù)據(jù)采集卡(與筆記本電腦配套使用) ；其軟件上采用LABV IEW作為虛擬儀器的開發(fā)平臺[ 1 ] 。LABV IEW是實(shí)驗室虛擬儀器集成環(huán)境(La2boratory Virtual Instruments Engineering workbench) 的簡稱，它是由美國著名的N I公司研發(fā)的一種基于圖形開發(fā)、調(diào)試和運(yùn)行程序的集成化環(huán)境，是第一個借助于虛擬儀器軟面板、用戶界面和方框圖建立虛擬儀器的圖形程序設(shè)計系統(tǒng)，也是目前國際上唯一的編譯型圖形化編程語言，它還是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境[ 2 ] 。
TBS - 2000的主要功能是：
1) 128路動、靜態(tài)應(yīng)變測量，并有很好的實(shí)時性，使用者在現(xiàn)場能觀測到所采集的全部數(shù)據(jù)。
2)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，對采集到的數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行均值、概率密度、峰值、均方根、自相關(guān)、互相關(guān)、自功率譜、互動率譜、頻譜等多種分析。
在此次實(shí)驗中，由計算模態(tài)分析及試驗實(shí)測[ 3 ]可知，泵車臂架的一階頻率不超過1Hz，根據(jù)恩奎斯特理論(Nyquist theorem) 。為了防止發(fā)生混頻，最低采樣頻率是信號頻的兩倍。從實(shí)驗精度及計算機(jī)內(nèi)存考慮，選擇采樣頻率為100Hz，完全可以滿足要求。確定了采樣頻率之后， TBS - 2000 中的模/數(shù)(A /D)轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，從而達(dá)到采集的目的?；驹砣缦拢杭僭O(shè)現(xiàn)對一模擬信號x ( t)每隔Δt時間采樣一次，于是t = 0，Δt， 2Δt等等時， x ( t)的數(shù)值被稱為采樣值。這樣信號x ( t)可以用一組分散的采樣值來表示： X = { x [0 ]， x [ 1 ]， x [2 ]， ⋯， x [N - 1 ] } ， N為采樣點(diǎn)個數(shù)。
3 試驗結(jié)果分析
本次測試儀器所采用的虛擬儀器技術(shù)，在實(shí)驗過程中，該儀器有很好的實(shí)時性，操作者可以在虛擬示波器上現(xiàn)場觀測到采集的所有數(shù)據(jù)。并能把所采集到的原始數(shù)據(jù)存儲到計算機(jī)硬盤中；在處理過程中，處理者可以很容易的從硬盤中調(diào)出本次實(shí)驗中所有工況的數(shù)據(jù)，進(jìn)行濾波、截取、頻譜等多種分析。因此， TBS - 2000無論是在實(shí)驗過程還是在數(shù)據(jù)處理的過程中，都顯示出其優(yōu)越性。在測試過程中，每種工況中均有84個實(shí)測點(diǎn)，由于本篇文章的篇幅有限，所以在對測試結(jié)果進(jìn)行分析時，僅就一個測點(diǎn)(16號測點(diǎn)，該測點(diǎn)位于臂架(3)上靠近臂架(2)端)的分析結(jié)果為例進(jìn)行說明。
1) 側(cè)面工況(流量1 801 /min)動應(yīng)力分析結(jié)果
16號測點(diǎn)在該工況下的應(yīng)變- 時間歷程及頻譜圖見圖1，由圖可知，泵車在第10s、24s及38s處有明顯的沖擊存在，除此之外，該工況下，泵車基本上是在作諧波振動。圖中給出應(yīng)變的最大值、均值和最小值，由于沖擊的存在，該測點(diǎn)的最大應(yīng)力范圍很大，約320.04Mpa，而穩(wěn)定部分的最大應(yīng)力變化范圍較小，約為95.55Mpa。在幅頻譜圖中，得到該測點(diǎn)應(yīng)變時間歷程的主頻為0.367Hz，同時在該幅頻譜圖上可以看到除了該主頻存在外，還有許多的小尖峰存在的，這就進(jìn)一步驗證了在該測點(diǎn)的應(yīng)變時間歷程中存在沖擊，由信號分析方面的理論可知，沖擊的存在，會使信號的頻譜成份非常的豐富。而與此對應(yīng)的泵車液壓系統(tǒng)實(shí)驗所得到的壓力- 時間曲線(見圖2) ，由圖2可知，系統(tǒng)激勵明顯存在沖擊現(xiàn)象，其頻率為0.367Hz，二者完全吻合。
2)側(cè)面工況(流量1 501 /min)動應(yīng)力分析結(jié)果
16號測點(diǎn)在該工況下的應(yīng)變- 時間歷程和幅頻譜圖見圖3，由圖可知，當(dāng)系統(tǒng)流量為1501 /min，泵車除了在啟動階段有較大的應(yīng)力外，正常工作時間應(yīng)力變化范圍很小，約37.59Mpa，工作頻率為0.300Hz。而與此對應(yīng)的泵車液壓系統(tǒng)實(shí)驗曲線見圖4，液壓沖擊明顯減小，液壓沖擊載荷的頻率為0.296Hz，二者比較吻合。
3)水平工況(流量1 901 /min)動應(yīng)力分析結(jié)果
泵車在液壓系統(tǒng)流量為1 901 /min情況下，液壓系統(tǒng)壓力- 時間曲線見圖5，由圖可知，該工況下，系統(tǒng)液壓沖擊很大，液壓沖擊載荷頻率為0.38Hz， 16號測點(diǎn)在該工況下的應(yīng)變- 時間歷程和幅頻譜圖見圖6。由圖可知，由于系統(tǒng)激勵存在著較大沖擊，則泵車結(jié)構(gòu)應(yīng)力在整個工作過程中，都存在著應(yīng)力沖擊，這些應(yīng)力沖擊是引起泵車疲勞破壞的主要原因，該工況最大的應(yīng)力變化范圍圍410.97Mpa， 工作頻率為0.383Hz，與液壓沖擊頻率相一致。
4 動應(yīng)力分析結(jié)論
1)通過上面各工況的結(jié)果可知，水平工況下(流量為1901/min ) 的動態(tài)應(yīng)變時間歷程的主頻為0.367Hz；側(cè)面工況下(流量為1501 /min)的動態(tài)應(yīng)變時間歷程的主頻為0.300Hz； 側(cè)面工況下(流量為1801 /min)的動態(tài)應(yīng)變時間歷程的主頻為0. 383Hz。而且分別與相對應(yīng)工況的液壓系統(tǒng)實(shí)驗所得到的液壓缸沖擊的頻率相吻合，說明了泵車工作期間的振動是由液壓缸的沖擊引起的(這時液壓缸的沖擊相當(dāng)于激勵) 。
2)正常流量情況下(側(cè)面工況流量1801 /min，水平工況流量1901/min)動應(yīng)力會出現(xiàn)周期性沖擊。但在1501/min的流量下(側(cè)面工況)除掉啟動階段出現(xiàn)大的沖擊外，泵車正常工作后的動應(yīng)力很小，因此減小液壓系統(tǒng)的壓力后，液壓瞬時沖擊下降，從而動應(yīng)力下降，說明結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度主要取決液壓瞬時沖擊，這說明該泵車在目前的性能參數(shù)下， 取流量1501/min比較理想。
3)取掉由瞬時沖擊引起的大應(yīng)力峰值外，正常動應(yīng)力并不大，以第16 號測點(diǎn)為例，側(cè)面工況(流量1801/min) ： 95.55Mpa，側(cè)面工況(流量1501/min)：37.59Mpa，水平工況：87.37Mpa。但計算16號測點(diǎn)的最大應(yīng)力幅值，即由沖擊載荷所引起的動應(yīng)力范圍，分別為：側(cè)面工況(流量1801 /min) ： 320.04Mpa，側(cè)面工況(流量1501/min) ： 211.68Mpa，水平工況： 410.97Mpa；可以看出，由沖擊所引起的最大應(yīng)力幅值比泵車作諧波振動時的應(yīng)力幅值要大得多，說明疲勞損傷主要是由瞬時沖擊載荷引起的。因此改進(jìn)液壓系統(tǒng)、減小系統(tǒng)瞬時沖擊載荷是提高結(jié)構(gòu)疲勞壽命的有效途徑之一。
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