前言

近五年在采矿和隧道掘进工程中采用的大型机械化凿岩设备大大增加。这种设备一般是在工作平台上或卡车上装上几个带凿岩机的钻臂。由于需要几乎在所有方向上钻凿炮孔，工作距离又较远，因此钻臂结构复杂，对强度要求很高，必须精心设计，认真试验。

为了使这种设备的疲劳试验有意义，重要的一点，是尽可能使试验负载接近现场作业条件。本文根据我们对BUT15型钻臂[图1]进行试验的经验，谈谈在确定大型机械设备疲劳试验加载程序的输入数据时实际考虑的几个因素。

变量测定。其方法是把样机置于同正常现场条件相似的应变程序之中。

工作循环可分为若干个阶段，如行走、定位、凿岩等。在分析录下的信号时，这些阶段极易分开。整个循环要重复四次，这样就可以得到数值的波动情况。应变计放在最关键的点上。由于能同时记录下来的应变计数量有限，因此在确定测点位置前要进行一次初步的筛选。然后运转一个完整的循环，同时在磁带录音机上模拟录音。接着把磁带送至实验室，把信号转换成数字，对每一阶段情况进行分析。这样就可以根据麦纳斯(Miners)关于累积磨损的规则计算出钻臂的预计寿命[图2〕。

由于测量的目的首先是要确定预计寿命，因此挑选的数据首先要集中在关键点上，因为这个原因，与结构件整个变化过程有关的许多情况被忽略了，不过，其中很多情况又可以从现场测量时摄下的影片程序得以补偿。这些影片可显示出各种不同情况下结构件的工作状态。

测量的结果也表明，某些阶段并不产生积累磨损。这一阶段就是凿岩阶段。因此在最后的疲劳试验程序中可以去掉这一阶段的试验。

施加负载

在对结构件进行疲劳试验的初步研究中一项很重要的任务是确定最简便的加载方法。在这项具体测试中，我们考虑了多种可能性，但经过讨论，我们把加载的可能性压缩为三种，即:

1)用机械手操纵设备对整个钻臂系统进行试验；

2)对支臂油缸和摆臂油缸施加复杂的变量负荷(见图1)，并用现成的伺服电液系统控制油缸，对整个钻臂进行试验；

3)用伺服电液系统控制加载油缸对钻臂前部施行已确定的垂直方向和水平方向负载程序，对钻臂主要部件进行测试。最后选择了第三种方案。主要原因是在现成的钻车上加载比较容易安排，定位及行走均可模拟。第一种和第二种方案的主要缺点是模拟行走很困难，也没有地方可放置加载油缸。

在讨论加载位置时，则必须实行一些简化。在实际作业时，钻臂的长度可以通过伸缩油缸而变化[见图3]。这样弯矩的分布以及由此引起的剪切力也会变化。因此，在选择油缸位置时，我们尽量使疲劳试验中施加的弯矩和剪切力的分布与工作状态下一致。最后用图3中标用*记号位置测出的应变量来确定加载量的大小。

加载循环

这种典型的凿岩设备几乎可在任意方向钻凿作业，因此这种系统的工作循环极端复杂。另外，这种系统不仅随着工作条件的变化而不断变化，而且即使把同一钻臂装在不同设备上也会有变化。所以，情况就更为复杂。

根据上述情况，要确定一种典型的工作循环也很困难。在本项试验中，这方面的资料大部分在过去的现场试验中已有现成的记录。作用在钻臂上加载程序的负荷量也是建立在过去用应变计所测量的基础上。在实验室中进行的实际疲劳试验可以采用现成的软件:或是随机程序，或是方框程序。某些阶段，如行走阶段(见图4a)表现为随机分布的情况，而某些阶段，如定位阶段(图4b)表现为有规则的分布，可以由框式程序予以模拟。

由于不可能把两种程序结合采用，因此在整个加载循环中采用了框式程序。程序的模拟是根据以前记录的一个应变测量结果而搞的。所选择的该测定值应略大于平均值的应变量。

负荷量的大小及变化是根据图3中在标*位置上放的应变计处记录下来的信号确定的。在本试验中，应变计位置作为一个基准位置。

那么怎样才能把记录下来的应变时间函数e(t)变成更为简洁的应变频数分布函数e(n)形式，尔后以最小的误差进行模拟呢？首先，造成疲劳性能变化最小的误差应为最小误差。为了掌握应变分布情况，有很多方法可以计算在应变量变化中(或在应力变化中)的振幅。有的是根据峰一峰值和应变范围进行计算，有的采用振幅及其平均值。

不同的计算方法会得出不同的应变分布情况。

在经焊接的钢结构件中，一般都用应变(或应力)范围进行计算，这主要是因为不知道残余应力情况，我们就采用这种方法来估计疲劳寿命(参见英国标准或STBK-N2)。

现在每一阶段的输入数据均已确定。为了减少试验时间，对循环中不会造成超过规定下限范围应变的那些步骤可以忽略不搞。上面提到的限值是根据焊接结构件的疲劳极限确定的。由于在框式程序中现成的方框数量有限，因此需要简化某些步骤。基准应变计的位置使它对钻臂体垂直方向和水平方向的挠曲所产生的应变量变化均有反应。这一点又给在循环过程中某些阶段确定是垂直方向还是水平方向模拟加载带来困难。

除了上面这点由于应变计的位置不完全理想造成的困难以外，要一个循环一个循环地跟踪记录下应变量，以及用应变波形谱编制程序中的输入数据则是相当容易的。

当然编制程序的循环要进行检查，图5为在相同的阶段，用图4b所示的相同的应变计位置(*)的应变变化情况。

可以看出，得出的结果比较一致。预料到会有一些差别，并作了记录。在某一特定阶段中循环次数的变化主要是由于测定的实际时间同现场测定相应阶段的时间不完全相同。编制程序的循环并不试图模拟从现场试验得到的频率数。

讨论

大型机械设备的疲劳试验既费钱又费时。因此，在这样的试验中尽可能多地掌握资料很重要。而在疲劳试验前对结构件进行彻底调查尤为重要。

可按同正常作业相比拟的条件操作样机进行现场测量所记录的应变量可以作为估算部件寿命的依据，也可以作为研究制订实验室疲劳试验程序的依据。由于现场测量和疲劳试验结果的准确性取决于我们对实际作业中操作程序的假设，因此要认真地按排现场试验。

要确定在疲劳试验中怎样给设备加载，掌握在各种不同作业条件下设备的状态尤为重要。只要合适地确定应变计的位置，那末这方面资料很容易得到。要确定应变计的位置，首先要测定作用在设备上或设备中的负荷，其次要测定关键部位的应力。如果对应力的分布情况通过模型试验和计算进行过预测的话，那末用数量有限的应变计即可做到。

把现场测量中记录的资料最终转换成在实验室进行疲劳试验时输入负载的程序，既可用人工也可用计算机实现，但要简化其中部分手续。对于这种简化可能造成的误差可以忽略不计，因为同假设设备实际作业情况所造成的误差相比，它是微不足道的。