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附錄1：外文翻譯
基于矩桿的高空作業(yè)平臺車基座框架加速壽命試驗
摘要：高空作業(yè)平臺的需求逐漸增加。為了減少現(xiàn)有材料的短期增加成本，安全輕便的結(jié)構(gòu)是有必要的。為了實現(xiàn)這一目的，本文開發(fā)了一種用混凝土和鋼制成的基架結(jié)構(gòu)。然而，當(dāng)測試結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性時，很難復(fù)制現(xiàn)場條件。在這項研究中，進(jìn)行了再現(xiàn)和加速壽命試驗的現(xiàn)場操作條件下的基架的失效分析。此外，還介紹并證明了由于設(shè)備頂部的重量和風(fēng)引起的力和力矩高空作業(yè)平臺特性的等式。同時對使用實際尺寸框架再現(xiàn)故障模式的下框架施加使用力矩桿的失效再現(xiàn)機(jī)構(gòu)的力和力矩。此外，通過使用無失效壽命試驗時間、形狀參數(shù)和加速因子來誘導(dǎo)加速壽命試驗時間，這應(yīng)該考慮到現(xiàn)場操作條件。性能測試是在下部框架的弱點處連接應(yīng)變儀以證明力矩棒的有效性之后進(jìn)行的。從有限元分析得到的應(yīng)變值與實驗數(shù)據(jù)具有一致的結(jié)果。這意味著力矩桿可以應(yīng)用于其他高空作業(yè)平臺。
關(guān)鍵詞：高空作業(yè)車；底架；可靠性；加速壽命試驗；失效模式；力矩桿
1 介紹
最近，由于圖1所示的多層公寓和建筑物的數(shù)量和高度的增加，使得高空作業(yè)和高空作業(yè)的高空作業(yè)車的需求增加。這些車輛包括擴(kuò)展臂、工作平臺、液壓動力單元、安裝在發(fā)動機(jī)上的上部框架和基礎(chǔ)框架。
圖1.高空作業(yè)平臺車輛和油漆船舶的現(xiàn)場使用
在操作過程中支撐車輛上部的底座已被廣泛研究，因為它必須設(shè)計成具有較大的安全系數(shù)以防止現(xiàn)場發(fā)生事故。從安全角度來說，下車架是車輛的關(guān)鍵部件。 然而，包括高空平臺車在內(nèi)的工程機(jī)械市場受到經(jīng)濟(jì)衰退影響而降低設(shè)備價格的壓力。因此，已經(jīng)進(jìn)行了研究，以盡量減少基礎(chǔ)框 架的重量。
與以前的型號相比，即使重量較輕，車架也必須具有足夠的安全系數(shù)。研究廣泛地集中在提升操作員的鏟斗的安全性以及從起點移動到操作員想要工作的位置的懸臂延伸部分。這是因為當(dāng)車輛運(yùn)行時工作人員對這些部件非常敏感。
所有這些要素都應(yīng)該通過本領(lǐng)域適當(dāng)采用的方法進(jìn)行仔細(xì)測試。然而，支撐吊桿和平臺的上框架下的基礎(chǔ)框架沒有被測試，因為它具有比其他部件更高的安全系數(shù)。
對于工作平臺車輛制造業(yè)，由于與出口市場的主要競爭對手相比，品牌知名度低，因此制造商通過降低成本來努力提高其在價格和質(zhì)量方面的競爭力。這是通過最小化鋼板厚度來實現(xiàn)的，因為所使用的原材料具有較高的比重。
圖帕克 [1]表明，應(yīng)用于鐵路和軸套的焊接框架通常經(jīng)過循環(huán)耐久性測試。史密斯[2]提到，運(yùn)送人的桶和移動的繁榮正在被積極研究。米歇爾等人 [3]通過實驗研究了混凝土 - 鋼界面處的損傷與平原和纖維增強(qiáng)混凝土中鋼筋腐蝕開始的關(guān)系。
弗雷迪亞尼 [4]對皮斯托亞（意大利）的布雷達(dá)為華盛頓特區(qū)（美國）的鐵路建造的卡車框架進(jìn)行了疲勞和靜態(tài)測試。為了獲得完全可靠的測試，計劃和制造了一臺鉆機(jī)，以便以與實際情況機(jī)械相同的方式限制卡車車架，并正確地施加驗證載荷。布希 [5]研究了鋼 - 混凝土組合梁在全部和部分剪力連接下的抗彎構(gòu)件的抗震性能。Babaei [6,7]介紹了一種經(jīng)驗分析方法來評估受到均勻和局部脈沖加載的薄圓形低碳鋼板的力學(xué)行為。
本文提出了螺栓連接機(jī)構(gòu)、太陽能空氣加熱器和旋轉(zhuǎn)間隙接頭的方程組三個模型，研究了構(gòu)件在系統(tǒng)作用后的行為[8-10]。為了準(zhǔn)確預(yù)測220t礦用自卸車車架的疲勞壽命，提出了一種將多體動力學(xué)分析與有限元法相結(jié)合的疲勞壽命分析方法[11]。古 [12]表明，在超過結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計壽命之前，采礦翻斗車的A型框架出現(xiàn)裂縫。為了準(zhǔn)確預(yù)測該構(gòu)件的裂紋位置和疲勞壽命并闡明其機(jī)理，提出了一種結(jié)合實驗和仿真的疲勞壽命分析方法。
韓 [13]在全尺寸試驗臺上也提出了城市磁懸浮列車轉(zhuǎn)向架疲勞強(qiáng)度評估的疲勞試驗。Pinheiro [14]提出了一種在循環(huán)內(nèi)壓下對受損鋼管進(jìn)行疲勞分析的方法。這種方法采用應(yīng)力集中系數(shù)，通常用于修改高周疲勞載荷下金屬結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)S-N曲線。
圖2.以前和改進(jìn)的基本框架
預(yù)計使用鋼 - 混凝土產(chǎn)品的方法可以通過使用低價回收材料實現(xiàn)所需的設(shè)計重量，同時最大限度地減少材料厚度，從而實現(xiàn)30％的成本降低?；A(chǔ)框架的厚度以前是30毫米，如圖2（a）所示；但是，在改進(jìn)之后，它改變?yōu)?毫米，如圖2（b）所示，它顯示了平衡混凝土的方形情況。
表2.幾種運(yùn)行條件下的振動數(shù)據(jù)（mG）
表1.失效模式和機(jī)理分析
隨著材料厚度的減小，產(chǎn)品的質(zhì)量和價格競爭力需要定量測試。該測試考慮了改進(jìn)基架中使用的產(chǎn)品的技術(shù)方面和價格競爭力，例如縮短制造工藝，質(zhì)量改進(jìn)，風(fēng)險移除和安全設(shè)計。本研究的目的是提出一種基于力和力矩建模的與現(xiàn)場工況相匹配的矩桿再現(xiàn)裝置。加速壽命測試時間是通過使用在現(xiàn)場操作條件下考慮的基架的無故障壽命測試時間來計算的。使用力矩棒裝置進(jìn)行壽命試驗以驗證基架的耐久性，并且進(jìn)行有限元分析以比較應(yīng)變測試和FE分析之間的應(yīng)變值。
2.故障模式和建模矩形欄
2.1現(xiàn)場條件
圖3.最小和最大時刻位置
高空作業(yè)平臺車輛通常用于建筑物的建造和大型海洋船只的噴漆和清潔。當(dāng)車輛移動到工作位置時，車輛下部的重量對于穩(wěn)定車輛特別重要，如圖3（a）和（b）所示，它們分別表示從樞軸點出發(fā)的最小和最大力矩位置。底座由鋼板組成，保護(hù)內(nèi)部部件和混凝土，以平衡底座的重量。底座的重量可以通過在底座上加入鋼板焊接的混凝土來控制。在現(xiàn)場的車輛操作過程中，基架承受由發(fā)動機(jī)直接安裝在基架上并由于路面的表面狀況引起的振動。
圖4.運(yùn)行期間測得的振動數(shù)據(jù)
基礎(chǔ)框架的破壞模式涉及鋼板和混凝土的斷裂，這又包括與基礎(chǔ)框架的目標(biāo)重量匹配的鐵的強(qiáng)度?；A(chǔ)框架的主要失效模式，如表1所示，是焊接部件中的斷裂。
為了測量操作條件，例如現(xiàn)場振動，傳感器沿著車輛的基礎(chǔ)框架沿三個軸線連接。表2顯示了帶操作條件的測量數(shù)據(jù)，例如無操作，動臂伸展，動臂伸縮和三軸擺動。這些數(shù)據(jù)是在1500和2400 r / min的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下獲得的，以檢查隨著時間的推移產(chǎn)生的振動量。圖4顯示了30秒內(nèi)測量的振動圖。
2.2矩桿建模
高空作業(yè)平臺被發(fā)現(xiàn)在平臺頂部的垂直位置具有最高的力，如圖3（a）所示，以及在遠(yuǎn)離樞軸點的水平位置的最大力矩，如圖3（b）所示。
在實驗室很難評估高度約30米，重量約30噸的高空作業(yè)平臺。 移動此設(shè)備的工作區(qū)域應(yīng)比產(chǎn)品本身大3倍以便測試。 因此，開發(fā)人員和測試人員需要開發(fā)出再現(xiàn)性測試設(shè)備，以便在實驗室中準(zhǔn)確地和在相同的現(xiàn)場條件下測試產(chǎn)品。
式（1）表示高空作業(yè)平臺上部的重量，不包括底架重量。
Wupper=Wtotal-Wbase (1)
在等式（1）中，Wupper是高空作業(yè)平臺上部的重量，Wtotal表示高空作業(yè)平臺的總重量，Wbase是位于主框架下方的基礎(chǔ)框架的重量。上部的重量計算為63558 N。在高空作業(yè)平臺的底架上施加的最大重量，如圖3(a)所示，平臺的重量位于軸心點的中心位置。
當(dāng)平臺的重量遠(yuǎn)離樞軸點時，圖3（b）中示出了應(yīng)用于高空作業(yè)平臺的基礎(chǔ)框架的最大力矩。因此，最大力矩取決于負(fù)載，例如工人、工作設(shè)備、所使用的工具和伸縮臂。樞軸點與負(fù)載之間的距離如圖3（b）所示。
式（2）表示施加到基礎(chǔ)框架的最大力矩。
Wweight=i=1n(Ci×Zi) (2)
在等式（2）中， Wweight是樞軸點上的最大力矩，Ci是分量的權(quán)重（即i＝1, 2, 3，…，n），而Zi表示部件的重量與樞軸點之間的距離（即i＝1, 2, 3，…，n）。
高空作業(yè)平臺受風(fēng)影響，因為它經(jīng)常從較高的位置工作; 必須考慮到這一點，特別是考慮到風(fēng)對暴露在其上的平臺部件的影響。
式（3）表示受風(fēng)影響的時刻[15]（即Mwind）。
Mwind=i=1n(Di×Zi) (3)
在等式 （3）中，Di是風(fēng)對構(gòu)件的影響，取決于受風(fēng)影響的區(qū)域，構(gòu)件的形狀和風(fēng)力。Zi是距框架的樞軸點的垂直距離（即，i = 1,2,3，...，n）。
式（4）表示總時刻。
Msum=Mweight-Mwind (4)
總時刻應(yīng)該加在受重量和風(fēng)影響的時刻上，如方程式（2）和（3）所示。
使用力矩棒的測試機(jī)構(gòu)對于重現(xiàn)現(xiàn)場條件是必要的，其中力和力矩在操作期間對作業(yè)平臺的重量和運(yùn)動作出反應(yīng)。力矩桿需要足夠強(qiáng)大以承受被測試設(shè)備中的液壓致動器推動。如果測試時基架上沒有桿，那么這種機(jī)制只能復(fù)制力，而不是力矩。矩桿的長度是利用基架中心的方程（4）的值來計算的,從基礎(chǔ)框架的中心，選擇參考邊界條件，如圖5（a）所示。 圖5（b）提供了與邊界條件一致的支持裝置的壽命測試機(jī)制的概述。
圖5.邊界條件和力量
3.實驗和驗證
3.1加速壽命測試
為了實現(xiàn)這一目的，開發(fā)了一種用混凝土和鋼制成的基架結(jié)構(gòu)。但是，在測試結(jié)構(gòu)的耐用性和安全性時，很難復(fù)制現(xiàn)場條件。在這項研究中進(jìn)行了再現(xiàn)和加速壽命試驗的現(xiàn)場操作條件下的基架的失效分析。此外，加速壽命測試時間是由于沒有使用壽命測試時間，形狀參數(shù)和加速因子而引起的，這些應(yīng)該在現(xiàn)場操作條件下考慮。如圖6所示，在生命測試前后，研究人員需要獲得有關(guān)產(chǎn)品性能的結(jié)果，因為這些信息提供了有關(guān)每種產(chǎn)品的前后狀態(tài)之間差異的詳細(xì)信息，并且這些統(tǒng)計數(shù)據(jù)對于壽命測試中的估計非常重要。
底座的可靠性測試包括綜合性能測試，包括應(yīng)變測試和無損測試，包括運(yùn)行振動測試，鹽霧測試和沖擊強(qiáng)度測試的環(huán)境測試，以及最大靜態(tài)負(fù)載測試安全測試[16-18]。
圖6.使用壽命測試概述圖
在調(diào)查運(yùn)行條件后，工廠設(shè)備的現(xiàn)場確定保修期為十年左右。 這是基于250天的每天8小時的總工作時間或每年2.0×103小時的工作時間，這相當(dāng)于10年。一個操作周期估計約為5分鐘，因此2.4×105個周期等于10年的壽命。
因此，保證期保證2.4×105個循環(huán)，B1壽命在95％置信水平CL下。 基架的主要失效模式是焊接部件的斷裂。 這個幀的形狀參數(shù)因此是1.1 [19]。 公式中顯示了無故障壽命計算。（5）。 這里，tn是無故障測試時間，B100p是保證時間周期，p是不可靠的，如果p = 0.01，B1和β是形狀參數(shù)。 壽命測試時間沒有基本框架的失敗是2.3×107個周期，用方程（5）。 CL是95％。
tn=B100p?ln?(1-CL)n?ln?(1-p)1β=2.3×107 (5)
加速壽命測試對于在短時間內(nèi)執(zhí)行壽命測試非常有用，而不是使用上述無失效壽命測試方法的正常壽命測試。
加速因子AF使用公式（6）。
AF=FtestFfieldm=Frated0.65Fratdem=25.96 (6)
圖7.使用力矩棒的100-t液壓伺服致動器的使用壽命測試機(jī)構(gòu)
這里，F(xiàn)test是測試過程中施加的力。Ffield是額定作用力的65％，或0.65Frated，由現(xiàn)場條件下的力估算; Frated是6300N，這是施加在基架上的額定力。 m = 7.56是鋼材的指數(shù)[20]。 安裝在下部框架頂部的力矩桿應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度來支撐覆蓋設(shè)備。 加速壽命測試時間tna可以用公式 （7）其中tn除以AF; 發(fā)現(xiàn)tna為9.0×105個循環(huán)。
tna=tnAF=2.3×10725.96?9.0×105 (7)
加速壽命測試對于驗證車輛底座的可靠性非常重要。 基于無失效壽命測試計算的測試時間包括9.0×10 5次循環(huán)。 在這項研究中，采用了100-t液壓伺服執(zhí)行器系統(tǒng)來執(zhí)行加速壽命測試。 如圖7所示，100-t伺服致動器系統(tǒng)的四柱架足以支撐底座。
在加速壽命測試期間，如圖8所示的力和應(yīng)變值從傳感器獲得。
圖8.加速壽命測試期間的力和應(yīng)變值
該圖顯示了加速壽命測試之前和之后的不同值。 可以預(yù)計，壽命試驗后的應(yīng)變值大于以前的值。 點L1和R1在壽命測試中顯示最大應(yīng)變。 因此，操作員應(yīng)定期檢查這些點以確保操作車輛時的安全性。 除L1和R1外，圖9所示的所有其他組分菌株均在（150?-340）με以下。
3.2有限元和實驗應(yīng)變分析
表3.元素的類型和數(shù)量
圖9.從L1到R4的應(yīng)變儀位置獲得的應(yīng)變值
由幾種材料（包括混凝土）制成的基架表面在結(jié)構(gòu)上有一些薄弱點，如表3所示。在薄弱點處安裝應(yīng)變儀之前，應(yīng)變分析采用有限元法進(jìn)行。 這種方法通常應(yīng)用于分析結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力和應(yīng)變的領(lǐng)域。 有必要獲得用于模擬機(jī)構(gòu)的應(yīng)力分析的信息，該機(jī)構(gòu)解釋了力如圖10所示推動，拉動或扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的點。這些力與發(fā)動機(jī)上的重力，動臂 ，工人騎車的鏟斗以及平臺的其他元素以及發(fā)生的時刻。 正面部分的邊界條件為Uz = 0和Ux = Uy =自由，后面部分的邊界條件為Ux = Uz = 0，Uy =自由，如圖10所示。
這些條件是基于實地研究。 本研究分析了以前和改進(jìn)的基本框架，并比較了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和安全性。 如果“改進(jìn)”結(jié)構(gòu)與前一個結(jié)構(gòu)相比有薄弱點，那么進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整就沒有意義。
圖10.邊界條件包括力和力矩
Abaqus 6程序在此項目中用于有限元分析（FEA）。 表3顯示了分析的細(xì)節(jié)。 框架分為鋼和混凝土部分。 使用的元素類型是3D外殼，S3和S4用于鋼部件，C3D4用于混凝土部件。 底座采用五種材料：SS400，STKR400，SM490A，SGP和混凝土，如表4所示。
表4.材料的機(jī)械性能
有限元分析后，焊接部分附近的最大應(yīng)力為81.9 MPa，如圖11所示。結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)框架的應(yīng)力集中在給定的力和力矩的部分。
從有限元分析中可以發(fā)現(xiàn)，如圖10所示的表面應(yīng)變片的附著點，其中基礎(chǔ)框架的弱點與現(xiàn)場條件相同。圖12（a）和（b）示出了它們在基架左側(cè)和右側(cè)的位置。 位置顯示在圖。 圖12（c）和（d）作為3D圖。
在將應(yīng)變計連接到薄弱點后，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件安裝底座，如故障模式分析中所述。 如圖7所示的液壓致動器在安裝在基架頂部的力矩桿上施加上下力。 該系統(tǒng)允許拉伸和壓縮動作以產(chǎn)生方波。 如表5所示，應(yīng)變值從連接到結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)變傳感器的薄弱點R1到L4獲得。
表5 通過有限元分析比較了有和沒有力矩棒的情況，并且還與測量的應(yīng)變值的結(jié)果進(jìn)行了比較。 已知FE分析中的力矩值與實驗測試值一致。 因此，對于高空作業(yè)平臺的基架現(xiàn)場運(yùn)行條件的再現(xiàn)，使用力矩桿比沒有力矩桿更好的解決方案。
圖11.基礎(chǔ)框架的應(yīng)力分析
4．結(jié)論
研究了現(xiàn)場操作條件，并進(jìn)行了加速壽命試驗，以在采用復(fù)制振動，噪音，支撐重量等場地條件的力矩棒后，對高空作業(yè)平臺車輛的下底架進(jìn)行壽命試驗。 其他因素。 這項研究是為了實現(xiàn)以下詳細(xì)闡述的目標(biāo)而開展的。
圖12.連接到底座框架表面的應(yīng)變片
表5.應(yīng)變測試和CAE結(jié)果的比較
(1) 這項研究模擬了公式（1）所示的運(yùn)行條件。使用力矩棒作為高空作業(yè)平臺車輛的基架。 這種方法適用于測試施加在下部框架結(jié)構(gòu)上的力和力矩。 這對復(fù)制現(xiàn)場條件，特別是力量和時刻非常有用。(2) 進(jìn)行有限元分析，以便在時刻測試前找出下框架的部分弱點，并在性能測試過程中測量應(yīng)變。(3) 這項研究得出結(jié)論認(rèn)為，即使基架鋼部分的厚度比以前薄，但與以前的基架相比，改進(jìn)后的車架仍具有足夠的可靠性。
附錄2：外文原文