确定填充物在挖掘机大臂中填充位置的方法及大臂结构

摘要

本发明公开了一种确定填充物在挖掘机大臂中填充位置的方法及大臂结构，包括选取挖掘机的挖掘工况；在挖掘机大臂结构的不同位置填充填充物；将应变片贴在挖掘机的相应位置，使挖掘机工作；检测不同填充方案下的大臂结构应变，应变越小的大臂结构，其强度越好；在相同的工况条件下，使用振动测试系统和分析系统测量不同填充方案下的大臂结构的固有频率，固有频率越高的大臂结构，振动越小；在相同的工况条件下，由加速度传感器测量不同填充方案下的大臂结构振动幅度；振动幅度越小的大臂结构，其减振性能越高；根据试验结果，确定填充物在挖掘机大臂中填充位置。通过本发明的方法可以确定出泡沫铝合金具体在大臂中的填充位置。

说明书

技术领域

本发明涉及一种泡沫铝合金填充的挖掘机大臂结构及确定填充物在挖掘机大臂中填充位 置的方法，属于工程机械领域。

背景技术

挖掘机作为工程机械的重要成员，在楼宇建筑、道路施工、市政园林、油田开采、灾害 现场等场所发挥重要作用，为社会经济发展做出重大贡献。挖掘机的工作部分，主要包括大 臂、小臂和铲斗。其中，大臂亦称动臂，是挖掘机的重要工作部位，该结构的强度、刚度和 振动方面的性能直接影响到挖掘机的工作性能。

在实际应用中，挖掘机要承受复杂的冲击载荷，按普通设计方法设计的大臂结构，内部 是中空的，没有填充物，在某些施工工况下会出现强度不足、变形等的情况，影响工作安全。 而且当挖掘机的发动机工作频率与其大臂固有频率相近时，大臂结构会产生共振，不仅产生 噪音，而且影响工作效率和工作精度，严重时引发安全事故。专利CN 103669452A公开了一 种挖掘机大臂与小臂结构，在大臂与小臂内部添加填充物，但导致了大臂及小臂重量的增加， 改变了挖掘机最初设计时的整体的受力情况。

鉴于此，需要设计一种挖掘机大臂结构，不改变其原有尺寸，保持其重量变化较小的情 况下，提高其固有频率，使其固有频率远离发动机工作频率，增强其抗冲击和吸振能力，减 少其作业时的变形。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，在不改变其原有尺寸，保持其重量变化较小的情况下， 提供一种挖掘机大臂结构，与普通大臂结构相比，提高其固有频率、抗冲击能力和吸振能力， 降低其在作业时的振动，减少其作业时的变形。

本发明所设计一种挖掘机大臂结构，其形状与普通挖掘机相同，在提高大臂结构性能的 前提下，选择大臂内部特定的位置，进行泡沫铝合金的填充。并通过设计对比试验，确定泡 沫铝合金的填充位置，具体的方案如下：

一种确定泡沫铝合金在挖掘机大臂中填充位置的方法，如下：

步骤1选取挖掘机的挖掘工况；

步骤2在挖掘机大臂结构的不同位置填充泡沫铝合金；

步骤3、在步骤1的工况下，使挖掘机工作；按照设定的位置，将应变片贴在挖掘机的 相应位置，检测不同填充方案下的大臂结构应变，应变越小的大臂结构，其强度越好；

步骤4、在相同的工况条件下，使用振动测试系统和分析系统测量上述不同填充方案下 下的大臂结构的固有频率，固有频率越高的大臂结构，振动越小；

步骤5、在相同的工况条件下，由加速度传感器测量上述不同填充方案下的大臂结构振 动幅度；振动幅度越小的大臂结构，其减振性能越高；

步骤6、根据上述试验结果，选择应变最小、固有频率最大、振幅最小的方案，确定泡 沫铝合金在挖掘机大臂中填充位置。

步骤1中所述的工况包括三种：

1)、挖掘机处于停机面最大挖掘半径处，铲斗挖掘，铲斗在发挥最大挖掘力位置进行挖 掘；

2)、挖掘机处于最深挖掘位置处，铲斗挖掘，铲斗在发挥最大挖掘力位置进行挖掘；

3)、大臂、斗杆处于最大受力位置处，铲斗在发挥最大挖掘力位置进行挖掘。

步骤4中检测固有频率的方法如下：

利用锤子在大臂的不同位置随机打击使大臂产生振动，改变加速度传感器位置，进行数 次测试；将测量结果中准确的三组数据进行快速傅里叶变换，在某些频率值处产生明显的波 峰，这个频率值就是挖掘机大臂结构的固有频率值。

步骤4中所述的加速度传感器安装在大臂表面。

步骤3中，在每一种填充方案中的大臂结构上测量八个点的应力应变情况，八个应变片 粘贴点绕大臂一圈。

步骤6中在大臂内部填充泡沫铝合金方法是：

1根据上述试验结果，确定泡沫铝合金在挖掘机大臂中填充位置；

2根据大臂的尺寸，确定泡沫铝合金的填充尺寸，并按照尺寸加工出泡沫铝合金；

3在挖掘机大臂板材焊接过程中，将泡沫铝合金填充在大臂内部，并采用粘结剂将大臂 与泡沫铝合金进行粘结。

一种填充泡沫铝合金的挖掘机大臂，在上述方法所确定的挖掘机大臂的填充位置填充有 泡沫铝合金。

所述普通挖掘机大臂结构，挖掘机额定功率为110KW，大臂长度为5650mm，大臂各板 材由不同厚度的16Mn钢焊接而成。

所述泡沫铝合金材料是将氧化的铝合金粉末与在加热气化过程中分离一种物质相混合而 获得的。它具有以下优点：密度小，比刚度高，其抗弯比刚度为钢的1.5倍，阻尼减震性能 高，冲击能量吸收率高。此外，其具有便于加工的优良特点，可锯、可切，可刨、可铣等， 易加工成板材、条材，棒材及各种异型件。

本发明所采用的泡沫铝合金密度为0.6g/cm³，密度较小，在填充进大臂内部后，大臂增 加的重量可忽略不计，因此泡沫铝合金的填充不会对挖掘机整体受力等产生较大的影响。此 外，其抗压强度12MPa，抗弯强度为10MPa，抗拉强度为6MP，缓冲性能高，吸能量收可达 25J/cm³，阻尼性能高，泡沫铝内耗因子达到6×10^-3_。

本发明的有益效果：

通过本发明的方法可以确定出泡沫铝合金具体在大臂中的填充位置，且通过在大臂中填 充泡沫铝合金减少大臂在挖掘机作业时的变形，经试验测量，在相同的工况下，本发明的大 臂较普通大臂应变降低10％左右；提高了挖掘机大臂的固有频率和抗振性能，减小了挖掘机 在作业时的振动，经试验测量，固有频率提高8％左右，平均振动幅度减小15％左右。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明 的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据 这些附图获得其他的附图。

图1(a)-图1(e)是泡沫铝合金的填充方案示意图；

图2是泡沫铝合金填充的大臂示意图；

图3是应变片粘贴位置示意图；

图4是应力应变检测系统示意图；

图5是振动系统测量示意图；

图中，1：大臂板材，2：粘结剂，3：泡沫铝合金。

具体实施方式

为了能够清楚地理解本发明的上述特征和优点，通过下面实施例将本发明大臂结构与普 通大臂结构进行对比。

选定普通挖掘机大臂结构参考某型号挖掘机，挖掘机额定功率为110KW，大臂长度为 5650mm，大臂各板材由不同厚度的16Mn钢焊接而成。

设计5种填充方案，如图1(a)-图1(e)所示，其中

图1(a)为方案1：为全部不填充；

图1(e)为方案5：为全部填充；

图1(b)-图1(d)为方案2、3、4：为选择性填充。

泡沫铝合金填充的大臂结构示意图如图2所示，大臂形状与普通大臂相同，内部填充泡 沫铝合金，其截面如图2中所示，泡沫铝合金3通过粘结剂2粘结在大臂板材内。

进行对比试验，试验仪器由现有的动态应变测试系统和振动测试系统组成，动态应变测 试系统测量挖掘机大臂的应力应变，振动测试分析系统采集大臂的振动信号。

具体试验步骤如下：

1)确定挖机的工作工况：

第一种工况：挖掘机处于停机面最大挖掘半径处，铲斗挖掘，铲斗在发挥最大挖掘力位 置进行挖掘；

第二种工况：挖掘机处于最深挖掘位置处，铲斗挖掘，铲斗在发挥最大挖掘力位置进行 挖掘；

第三种工况：大臂、斗杆处于最大受力位置处，铲斗在发挥最大挖掘力位置进行挖掘。

2)设计5中填充方案，如图1(a)为方案1：为全部不填充；如图1(e)为方案5：为 全部填充；如图1(b)-图1(d)为方案2、3、4：为选择性填充。

3)根据大臂的受力特点，在每一种填充方案中的大臂结构上测量八个点的应力应变情况， 应变片粘贴点的位置如图3所示。为检测大臂在作业时的振动，将加速度传感器安装在大臂 表面。

4)、操作挖掘机在上述选定的三种工况下工作，实时检测5种方案大臂测量点的应变， 检测系统示意图如图4所示，与此同时加速度传感器采集大臂的振动信号；

5)、将5种方案的应变进行对比，经计算，发现方案3和方案5应变较小，较普通大臂 结构应变减少10％左右。将5中采集到的振动信号对比，发现方案3与方案5的平均振动幅 度较普通大臂结构减小15％左右。

6)、测量固有频率的方法是，利用锤子在大臂的不同位置随机打击使大臂产生振动，改 变加速度传感器位置，进行数次测试。将测量结果较好的三组数据进行快速傅里叶变换，可 以看到某些频率值处产生明显的波峰，这个频率值就很可能是挖掘机大臂结构的固有频率值。 大臂振动测试系统示意图如图4所示。

7)、用4中方法分别测量5种大臂结构的固有频率，经过对比发现，方案3大臂结构固 有频率较普通大臂提高8％左右，方案5大臂结构固有频率较普通大臂提高8.5％左右。

综上结果，并考虑到泡沫铝合金成本及消耗材料量等问题，优选的泡沫铝合金填充方案 为方案3。

大臂内部填充泡沫铝合金方法是：

1根据上述试验结果，确定泡沫铝合金在挖掘机大臂中填充位置；

2根据大臂的尺寸，确定泡沫铝合金的填充尺寸，并按照尺寸加工出泡沫铝合金；

3在挖掘机大臂板材焊接过程中，将泡沫铝合金填充在大臂内部，并采用粘结剂将大臂 与泡沫铝合金进行粘结。

根据上述试验结构，得到一种填充泡沫铝合金的挖掘机大臂，其特点是，在上述方法所 确定的挖掘机大臂的填充位置填充有泡沫铝合金。

泡沫铝合金材料是将氧化的铝合金粉末与在加热气化过程中分离一种物质相混合而获得 的，为一种现有材料；它具有以下优点：密度小，比刚度高，其抗弯比刚度为钢的1.5倍， 阻尼减震性能高，冲击能量吸收率高。此外，其具有便于加工的优良特点，可锯、可切，可 刨、可铣等，易加工成板材、条材，棒材及各种异型件。

本发明所采用的泡沫铝合金密度为0.6g/cm³，密度较小，在填充进大臂内部后，大臂增 加的重量可忽略不计，因此泡沫铝合金的填充不会对挖掘机整体受力等产生较大的影响。此 外，其抗压强度12MPa左右，抗弯强度为10MPa左右，抗拉强度为6MP左右，缓冲性能高， 吸能量收可达25J/cm³左右，阻尼性能高，泡沫铝内耗因子达到6×10^-3_。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限 制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付 出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。