隨車起重機輕量化設計應力應變試驗研究

韓翔 鄭德璽

摘要：隨著行業的競爭和進步，實現輕量化成為隨車起重機結構設計的重要追求，最終對實物樣機進行應力與應變安全性試驗依然是對輕量化設計的最重要和最終驗證。通過對主要測試方案、測試儀器、測試傳感器的選擇以及測試過程和數據處理計算進行闡述，完成對輕量化設計的實物樣機進行應力與應變安全性試驗進行介紹，通過試驗不但可以驗證輕量化設計的程度還能驗證結構的安全性。

關鍵詞：隨車起重機;輕量化;應力應變;試驗研究

中圖分類號：TH215? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）24-0007-03

0? 引言

隨車起重機是一種安裝在卡車底盤上的起重機械，并且可以保留卡車底盤的運輸車廂，安裝了隨車起重機的卡車成為了隨車起重運輸車整車，這是一種集起重功能與運輸功能為一體的綜合起重運輸車輛[1]。

以工程應用實際來研究輕量化隨車起重機設計的安全性驗證試驗，在實際需求下為了追求更優的起重機的比重量系數和單位力矩自重系數，實現輕量化是隨車起重機結構設計重要追求。在具體設計中為實現隨車起重機整機結構的輕量化，借助虛擬樣機技術實現隨車起重機整車結構的建模和計算分析是實現輕量化結構設計的重要途徑，最終對樣機進行應力與應變安全性試驗依然是對輕量化設計的最重要和最終驗證。

1? 測試方案的選擇

隨車起重機實物樣機進行應力與應變安全性試驗重點和關鍵是對應力集中區域的測試，在對應力集中和危險區域進行貼應變片，用實際作業工況進行額載試驗，并考慮特殊情況進行1.1倍的動載超載試驗和1.25倍的靜載超載試驗，通過應變片作為直接的傳感器進行應變數據采集，即可得到相應的應力值。判斷隨車起重機的結構強度以及結構的內應力，通過對結構強度數據的分析和應用，當相應的應力數值過大則說明設計結構不能滿足工況使用，當相應的應力數值過小則說明設計結構的輕量化水平還需要進一步提升的，尚未達到最優的輕量化結構設計。

應力測試設備可以采用靜態應變測試系統，所有數據采集模塊可以由電源/控制器統一供電。如圖1為江蘇東華測試技術股份有限公司生產的東華牌靜態應變測試儀，考慮到現場試驗過程中操作便捷性，減少現場測試過程中連線過多引起的誤接等情況，DH3816N靜態應力應變測試儀相比較DH3815N靜態應力應變測試儀有更很大的進步和改善，具備以太網和無線WiFi等通訊方式與電腦進行通訊，同時通過以太網進行模塊間的擴展，可實現理論上的無限擴展，同時單機測試的通道數也大幅度的提高，單臺最多72通道，在測試橋路方式上可以支持全橋、半橋、三線制1/4橋等方式[2]。

靜態應變測試系統根據電橋中四個電阻位置外接應變片的數量，靜態應變測試惠斯頓電橋又可分為全橋、半橋、1/4橋等橋路方式。

全橋是電橋中四個電阻位置全部接外部測試應變片，沒有一個是用靜態應變測試儀器的內部高精度電阻，這種方法需要貼較多的應變片。1/4橋是電橋中四個電阻位置僅有一個接外部測試應變片，另外三個是用測試儀器的內部電阻，很短時間內溫度變化不大或者在恒溫試驗室中，為了測量方便可以不用溫度補償片，而只貼一個工作片，但是測量環境溫度的變化對測試結果有較大沖擊，在實際隨車起重機結構的應力應變測量中因為需要進行大幅度的回轉與變幅與伸縮動作，很多時候需要在室外進行或測試時間過長。半橋是介于全橋與1/4橋之間的電路，其特點是電橋中兩個電阻位置接外部測試應變片，另外兩個是用靜態應變測試儀器的內部高精度電阻，外接的外部應變片一個是測試應變的工作測試應變片、另外一個是測試應變的溫度補償應變片，溫度補償應變片的作用是，抵消掉工作測試應變片純粹由于溫度變化而引起的應變，在應力測量中必不可少。（圖2）

圖2恒壓激勵測試電路具體是采用的半橋電路的恒壓激勵惠斯頓電橋應變儀測試電路。圖2中UAB為輸入電壓，UCD為輸出電壓，R1、R2為電橋中內置電阻，RG、RB為電橋中電路實際測量的應變片電阻和補償應變片電阻，在恒壓激勵惠斯頓電橋應變儀電路中以上四個電阻的初始值相等。可得到關系如下：

對UCD取全微分，整理可得：

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

在應力與應變測試試驗中，常采用惠斯頓電橋原理，外貼溫度補償片的半橋應變采集方法，具有測量精度高、幅度大的優點，能夠消除溫度誤差，根據隨車起重機實際工作過程中結構件的應力情況多是受壓或者受拉，且吊重試驗在室外調試場中進行，溫度變化比較大，所以也經常采用半橋橋路連接的測試方案。在現場進行實際測量時，為提高效率，減少應變片使用，可以通過一個溫度補償應變片的數據補償多個工作片，這就是半橋公共補償法，這能大大減少溫度補償應變片的數量。

2? 測試傳感元件的選擇

在實際測試中使用的是電阻應變片。電阻應變片本質上是根據電阻材料在外力的作用下產生機械變形時，其電阻值發生相應的變化的應變效應原理，制成的可以通過測量電阻變化量計算出機械應變的傳感元件。將電阻應變片緊密粘貼在被測試構件的表面上，在被測試構件受力后發生形變時，粘貼在被測試構件表面上的電阻應變片也跟隨發生形變和相應電阻變化。

在實際隨車起重機結構的應力與應變測試中，因為測量點的應變不止一個方向并且應變片粘貼時很難保證敏感柵完全與主應力方向一致，所以單一方向的測量很難保證測量的精度，一般采用粘貼電阻應變花來測量某點的應變狀態。測試時將應變花粘貼在被測試構件表面上，各個電阻應變片測試電路相互獨立，分別測得各個電阻應變片的應變值，再根據應變花中應變片的角度關系，就可以根據相應公式計算出相應測試點應力大小與方向等應力狀態數據[4]。在隨車起重機結構應力與應變測試中理想的傳感元件是三片直角形應變花。具體如圖3為三片直角形應變花。

3? 測試及數據處理

在測試開始前先行對應變計進行外觀檢查，檢查敏感柵、基底和覆蓋層有無損壞。用電烙鐵在室內就可以先將應變片引線和較短導線全部焊接到連接端子上，連接端子粘貼到小的硬紙殼上。檢查沒有問題后，使用磨光機等打磨工具將被測試點表面的非金屬覆蓋和金屬氧化層打磨掉并磨平擦凈，將電阻應變花的敏感柵用速干膠水粘貼到測點處，粘貼后使用數字萬用表檢測應變敏感柵的兩條引出線上的電阻值，約為120歐姆即表示應變片合格即可開始測試。測試時一般需要帶載把所有可能大工況全部試驗測試并取樣到位。測試后需要對數據進行分析和計算，具體按照如下方法進行。

隨車起重機主體結構都是采用薄板件焊接而成，采用在結構件上外貼三片直角形應變花的方法可以準確測度沿薄板長度和寬度方向上的應變，進而可以推導出沿薄板長度和寬度方向上的應力值，而把沿薄板厚度方向上的應力值按零值計算。根據強度理論，不發生塑性破壞應滿足下列條件：

其中σ1，σ2，σ3是某點處沿笛卡爾坐標系三個方向上的應力值。此處σ1與σ2為沿薄板方向上的應力值，σ3為沿薄板厚度方向上的應力值，近似取零[5]。

采用三片直角形應變花0°、45°、90°三個方向應變片測得的應變值用ε0，ε45，ε90分別表示。ε1代表應變片測量表面上的主應變，ε2代表在應變片測量表面上與主應變垂直的應變，對應關系為：

上式中ε1的值取加號，ε2的值取減號，根據應力與應變的關系，σ1為主應變ε1相對應的主應力，σ2為與應變ε2相對應的應力：

通過現場的測試，把靜態應變測試軟件中應變采集數值導出。把導出的應變值帶入上述應力計算公式，即可計算出相應測點的應力數值。

4? 結論

通過分析各測試點的應力值，如果應力值未超過材料在一定安全系數下的許用應力，可以得出結構安全的結論，同時分析應力值是否出現過小的情況，在排除是測試失誤等原因造成測試結果過小的情況，確定是結構實際應力過小的情況則說明結構還有繼續優化和減重的空間，進一步進行輕量化設計。

參考文獻：

[1]鄭德璽，韓翔，郭靜雷.隨車起重機單腔嵌套式水平支腿及其截面設計方法[J].工程機械，2016，47（09）：41-45.

[2]李躍，夏旭東，張兆龍.10噸汽車起重機臂架結構有限元分析及實驗驗證[C].第十二屆河南省汽車工程科技學術研討會論文集.

[3]杜紅凱，韓淼，崔相東，etal.1/4橋路應變采集的溫度補償效果實驗研究[J].北京建筑大學學報，2014，030（004）：28-32.

[4]黃進，陶睿，江真丞，等.選擇不同應變花對主應力測試結果的影響[J].實驗室研究與探索，2016（7）：32-36.

[5]韋德駿.材料力學性能與應力測試[M].湖南大學出版社，1997.