机械产品的广义优化设计是面向全系统、全过程和全性能的优化设计[1]，优化过程中须考虑机械产品的动态性能，对于作业工况恶劣的工程机械来讲，进行瞬态动态特性的研究尤为重要。然而因结构特征﹑作业工况等因素，直接获取液压挖掘机工作装置瞬态动力学特性研究所需的物理量——动态载荷往往是不现实的，因此可根据该结构的特点，在节省人力、费用的基础上可高效、准确地测量出作业过程中机械结构各测点的动应变，间接地获取载荷，从而进行结构的瞬态动态特性研究。

1 测点的布置
液压挖掘机工作装置是由钢板构成的箱形结构，通常承受拉(压)、弯、扭等几种外力，结构断面的应力分布十分复杂，通常在断面角点沿构件的棱线方向布置应变片来测量其正应力。图1为箱形断面在各种外力作用下的正应力分布图。图中(a) 为正应力σＮ的分布图，(b)和(c)分别为垂直弯曲和水平弯曲正应力σＭｚ和σＭｙ的分布图，(d)为约束扭转所产生的扇形正应力图σｗ，(e)为所有这些正应力成分叠加后的正应力σ分布图。由于断面为轴对称，各应力成分在4个角点处各自相等，且组合正应力分布沿断面轴线成线性，因此测得角点处正应力就可得到断面上正应力分布图。

在4种应力成分都存在的条件下，测出4个角点的正应力，可算出各个应力成分。如分别为σ1、σ2、σ3和σ4，由应力分布图可分别列出4个方程式
σ1＝σＮ＋σＭｚ＋σＭｙ＋σW (1)
σ2＝σＮ＋σＭｚ－σＭｙ－σW (2)
σ3＝σＮ－σＭｚ＋σＭｙ－σW (3)
σ4＝σＮ－σＭｚ－σＭｙ＋σW (4)
经整理可得
σN=(5)
σＭｚ=(6)
σMy=(7)
σW=(8)
考虑到断面尺寸，可得断面内力Ｎ、Ｍz、Ｍｙ和Ｍｗ的大小，从而可进行结构的瞬态动态特性的研究[2]。
箱形断面在各种外力作用下的正应力分布图可为正确地布置测点提供帮助[3～6]，实验中在考虑测试仪器安全性的前提下，在动臂、动臂液压缸、斗杆、斗杆液压缸等部件上共布置了38个测点，部分测点的布置如图2所示。

2 动应变实验研究







２．１ 实验过程
实验对象是浙江大学机械设计研究所自行研制的WY35型液压挖掘机，施工作业时液压挖掘机工作装置的动应变实验是在图3所示的浙江大学图书馆后面的工地上完成的。实验研究所用的仪器有扬州无线电二厂的YE2902应变数据采集箱、YE2531程控静动态电阻应变仪、中原电测仪器厂生产的电阻应变片等用于动应变测试的设备。VMS-1振动测试分析仪用于数据的采集，CRAS的多通道分析模块用于对数据进行采集、在线分析和储存。

图３ 液压挖掘机工作装置的测试现场
在进行动应变实验前，首先在各个测点处依次进行打磨→表面清洗→应变片清洗→应变片粘贴→引线连接→质量检查→固化→防护等步骤后，用长导线在接线端子处进行引线，根据长导线的阻值进行分类，将阻值大小接近的应变片接入同一桥路，这样易于使桥路自动平衡。用半桥方式进行测量。经过灵敏度的设置、工作方式的设置、进行自动平衡等环节后，将测试系统处于待测状态。当操作人员在操作铲斗插入土壤瞬间时开始采集，依次采集铲斗挖土时到挖土完成后所布置的各测点的动态应变时域信号。
２．２ 测试框图
整个系统测试框图如图4所示。采用双通道进行数据采集和存储。实验前对动态应变仪进行测试前的预处理，如灵敏度系数、桥路型式、长导线阻值等的设置。以采样频率取５ １２０ Ｈｚ进行数据采集，用32段数据（每段为1 024点数据）进行时域特征分析。分析所得各测点的峰值、峰峰值如表1所示。

２．３ 实验结果及讨论
图5给出的是当施工作业时液压挖掘机工作装置的加速度响应信号出现明显冲击时，所对应测点动应变的时域图，因此图中横坐标所给出的时间的起始时间不一定从ｔ=0开始。图中EU表示工程单位，本实验测试量为应变，即EU为με。Cal.为标尺，意义是每工程单位(实验中测试量是με)对应时域信号的幅值为4 mv，纵坐标对应的值是经换算后得到的动应变值。