Ｐ１ 处产生应变分别为 kT１T，kT２T；当加压力 p 单独加 载时，其在全桥 Ｔ１、Ｐ１ 处产生应变分别为 kp1p，kp２p。 据此，在加压钻进工况下，即转矩和加压力同时作
图 4 修改前后的动力头连接杆结构
2.2 动力头连接杆传感器的制作 动力头连接杆共左右两个，对称分布。其中左
连接杆与右连接杆组桥测转矩，左连接杆自组桥测 加压力。通过采用全桥四臂连接方式，使得该测力 传感器具有较高的灵敏度，并尽可能地消除连接杆 间的相互影响，从而实现对动力头载荷连续而直接 的测试。动力头连接杆的测点分布及组桥如图 ５ 所 示，测点 １、２、３、４ 组成全桥 Ｔ１ 测转矩，测点 ５、６、７、 ８ 组成全桥 Ｐ１ 测加压力。
４ 桅杆载荷谱的编制
载荷谱具有统计特性，它能本质地反映载荷变 化情况。将实测的载荷-时间历程通过处理、分析， 使其成为具有代表性，能反映实际情况的典型载荷 谱的过程称为编谱［４］。
在进行载荷谱编制前，采用雨流计数法［５］对实
图 7 动力头载荷-时间历程（局部）
测的桅杆动力头载荷-时间历程进行循环统计计
本文从制动回路的控制方式改进及制动力匹 配优化两个角度出发，改进了某六轴全地面起重机 的制动控制系统，使整机满足了法规对于行车制动 的要求。除上述两方面外，影响整机制动性能的因
［５］ 傅直全，夏群生，何乐． 气压 ＡＢＳ 系统流量特性的实验 研究［Ｊ］． 汽车技术，２００３（１２）：１９－２２．
［６］ 刘志强，赵艳萍，路森林． 全地面汽车起重机制动安全 性能分析［Ｊ］． 中国安全科学学报，１９９９（２）：６８－７２．
（６）
p＝－０．０１１ ３３５εT＋０．０５０ ９４４εP
（７）
ε 是在动力头转矩 T 以及加压力 p 共同作用下耦合
的结果，即：
kTiT＋kpip=εi i＝１，２，３，…
（１）
３ 载荷的实测与处理
试验在北京三一重机花塔山试验场进行。该试
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图 3 动力头应力云图
由图 ３ 可以看出，动力头连接杆在载荷作用下 有较高的响应，但其对载荷的响应依然不够敏感， 不能满足测力传感器对测试精度的要求，于是在不 影响旋挖钻机正常工作的前提下对连接杆结构进
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பைடு நூலகம்
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试 验
行修改，人为地制造应力集中区域，提高其对载荷 式中：ε 为任一测点应变；T 为转矩；p 为加压力；kTi
级、３２ 级。各级应力幅值组的上限值 DiＳ、下限值 DiＸ
可以分别表示为：
誖DiＳ＝σa ｍｉｎ＋i×D
i＝１，２，…，N
DiX＝σa ｍｉｎ＋（i－１）×D
（９）
σai＝
DiＳ＋DiX 2
i＝１，２，…，N
（１０）
式中：σai 为第 i 级的组中值；DiＳ和 DiX 分别为第 i 级
的组上限值和组下限值。
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试 验
由表 ４ 可知，该六轴全地面起重机时速为 ３０ 和优化。
ｋｍ／ｈ 时的制动距离为 ９．８７ ｍ，制动过程中充分发出
参考文献
研 的制动减速度是 ５．５ ｍ／ｓ２，满足国家法规对于行车安 究 全的要求。
４ 结论
［１］ ＧＢ ７２５８－２０１２ 机动车运行安全技术条件［Ｓ］． ［２］ ＧＢ １２６７６－１９９９ 汽车制动系统结构、性能和试验方法［Ｓ］． ［３］ 刘惟信． 汽车设计［Ｍ］． 北京：清华大学出版社，２００１． ［４］ 余志生．汽车理论［Ｍ］． 机械工业出版社，２００７．
关键词：旋挖钻机；桅杆；载荷谱；有限元分析；测力传感器
誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖
桅杆是旋挖钻机的重要结构组成，它不仅为动 力头和钻杆的上下运动导向，调整其前后左右位 置，还承受钻杆、钻头等在作业时产生的各种载荷， 因此桅杆结构设计的优劣，技术性能的好坏和使用 寿命的长短，对钻机本体至关重要。而在实际工程 使用中，旋挖钻机桅杆总体故障率较高，为了降低 故障率，延长其使用寿命，必须对桅杆结构进行修 改，而结构修改的基础是要获得桅杆在实际工作条 件下的载荷谱。以 ＳＲ２８０ＲⅡ型旋挖钻机桅杆为研 究对象，对其进行载荷谱测试，编制桅杆在实际工 况下的载荷谱，为其结构优化设计提供有价值的参 考，为开发新型钻机提供可靠的依据。
（２）动力头结构。一般为液压动力驱动、齿轮 机构减速，由回转机构、动力驱动机构及支撑机构
作者简介：陈璨（１９８８—），男，河南人，在读硕士，研究方向：结构强度与可靠性研究。
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头整体三维模型，然后用 Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ 软件对动力头 试 三维模型进行网格划分，划分时使用六面体单元， 验
利用 ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ 软件建立旋挖钻机桅杆动力
图 2 动力头的网格划分
旋挖钻机动力头额定最大输出转矩为 ２８０ ｋＮ· ｍ，最大加压力为 ２１０ ｋＮ。按照载荷系特点，在动力 头与桅杆导轨接触面施加约束，在动力头与钻杆 的接触面上创建 ｒｉｇｉｄｓ 刚性节点，按照动力头额定 最大功率施加载荷，在 ＡＮＳＹＳ 中对有限元模型进 行静强度分析，根据应力云图找出各载荷系的响 应敏感区，为测力传感器的制作提供依据。动力头 材料为 Ｑ４３５ 钢。分析后获得的动力头应力分布云 图如图 ３ 所示。
·
将网格划分后的动力头模型导入 ＡＮＳＹＳ 软件中［２］。 研
动力头网络划分后如图 ２ 所示。
究
图 1 SR280RⅡ型旋挖钻机桅杆结构示意图
组成。 （３）钻杆和钻头。根据钻孔时采用的钻进加压
方式不同，钻杆可以分为摩擦加压式钻杆、机锁加 压式钻杆和组合加压式钻杆。常用的旋挖钻机钻头 有短螺旋钻头、回转斗钻头和岩芯钻钻头等 ３ 种结 构。在实际使用中，需要根据工况的不同，对钻杆和 钻头进行合理的搭配组合。
（５）
2.4 载荷识别系数的标定
采用准静态法［３］对动力头连接杆的载荷识别系
数进行标定。标定试验采用 ＥＤＳ 静态应变仪测量记
录动力头连接杆的应变值。转矩标定时，由动力头进
行转矩的加载，实时转矩值由压力传感器的读数与
力臂的乘积获知；加压力标定时，由动力头对钻杆施
加加压力，实时加压力值由钻杆处放置的压力传感
·
试 验
研 究
图 6 动力头连接杆载荷-应变特性
验场环境复杂，自地表往下依次为土壤、碎石和整 体岩层，满足旋挖钻机在实际工况下进行载荷测试 所需的条件；试验测试共进行近 ３１ ｈ，采取全程数 据采集，包括各种工况及不同钻头条件下的数据， 因此测试结果具有有效性和普遍性。
数据采集使用了 ＨＢＭ 公司的 ｅＤＡＱ 数据采集 系统，该系统采用多通道、大容量、高速采样技术。 数据采样频率为 ５００ Ｈｚ，而旋挖钻机的有效工作频 率低于 ５０ Ｈｚ，故该采样频率足以保证数据的完整 性。数据处理方面，采用专用数据处理软件，对实测 信号进行去除零漂、排除干扰、提高信噪比等处理 方式，将各种干扰信号进行剔除，以获得准确的测 试结果。按照式（６）、式（７），对采集到的全桥 Ｔ１、Ｐ１ 的应变实测数据进行计算，即可获得动力头转矩 T 及加压力 p 的极值和载荷时间历程。处理后获得的 载荷-时间历程（局部）如图 ７ 所示。
响应的敏感性。修改前后的动力头连接杆结构如图 为转矩识别系数， 即单位转矩在该测点所产生的应
研 ４ 所示。 究
变；kpi 为加压力识别系数，即单位加压力在该测点 所产生的应变。
实际情况下，在动力头转矩或加压力单独加载
时，全桥 Ｔ１ 和全桥 Ｐ１ 均应有相应的应变值变化。
由式（１）可得，当转矩 T 单独加载时，其在全桥 Ｔ１、
2.3 载荷识别方法
将各载荷识别系数值代入式（４）、式（５），可得
旋挖钻机桅杆在作业时主要受动力头转矩和 动力头加压力的反作用力影响，因此作为力的主要 传递部件，动力头连接杆传感器上任意一点的应变
到计算动力头转矩 T 和加压力 p 的计算表达式：
T＝０．２５５ ３５５ ８εT－０．０２４ ０７１εP
用时，全桥 Ｔ１、Ｐ１ 处的应变公式为：
kT1T＋kp1p=εT
（２）
kT2T＋kp2p=εP
（３）
式中：εT，εP 分别为全桥 Ｔ１ 和 Ｐ１ 处的应变值。
式（２）、式（３）联立求解即可得转矩 T 和加压力
p 的计算式：
T＝
kp2εT－kp1εＰ kp2kT1－kp2kT2
（４）
p＝
kT2εT－kT1εP kT2kp1－kT1kp2
数，获得载荷幅值、均值和相应频次之间的关系。
目前国内外常采用“波动中心法”进行一维载
荷谱的编制。将所有载荷循环均值的平均值定义为
波动中心，以波动中心作为载荷循环的静载部分，
幅值作为动载部分，将幅值叠加于波动中心之上［６］。
在编制一维载荷谱时，先对输入数据进行扫
描，找到载荷幅值的最大值和最小值，再按下式进
素还有：储气筒的布置位置、管路的管径匹配、系统 通信地址：江苏省徐州市云龙区铜山路 165 号 徐州重型机
压力的设定等因素［６］。只有综合考虑这些方面，才能 械有限公司（221004）
（收稿日期：２０１３－０７－０７）
使整机的制动性能及制动稳定性得到进一步提升
旋挖钻机桅杆载荷谱的编制
陈 璨，李 强，杨广雪，林 浩 （北京交通大学机械与电子控制工程学院）
１ 旋挖钻机桅杆的结构组成
ＳＲ２８０ＲⅡ型旋挖钻机结构示意图如图 １ 所示。 旋挖钻机桅杆主要包括以下几部分结构［１］：