輪式裝載機傳動系載荷譜編制方法研究

劉永臣 常 綠 孫 麗

淮陰工學院，淮安，223003

0 引言

輪式裝載機在設計階段必須考慮用戶需求與產品工作性能，產品設計過程中，通?；趬勖碚撨M行產品可靠性設計，同時，需要進行室內模擬試驗或產品樣品疲勞試驗等。為此，科學編制出產品實際載荷譜尤為重要。

機械產品部件受載情況復雜多樣，且多數屬于隨機載荷，無法得到一致或相似的載荷規律，需要根據不同工作環境特點予以分析，以確定載荷統計規律，借以編制載荷譜［1］。文獻［2－4］依據零件疲勞壽命理論研究了飛機載荷譜，闡釋了雨流技術法的本質與應用，為本文載荷譜編制提供了可行的方法依據。文獻［5－6］對具有穩態隨機載荷特征的扭力軸載荷進行了測試與二維編譜，為本文的隨機載荷穩態處理提供了參考。文獻［7］對分段作業的非平穩隨機載荷進行了載荷譜編制，但忽略了實際工作順序對載荷譜的影響。本文結合裝載機工作實際，考慮實際工作順序完成編譜。裝載機工作環境惡劣，傳動系載荷的隨機特性顯著，使得載荷譜的編制既要進行符合實際工況的平穩處理，又要選用合適方法統計載荷作用頻次與順序。本文實測輪式裝載機傳動系載荷信號，并進行了全面分析與有效處理，運用雨流計數法，編制出輪式裝載機傳動系載荷譜，建立了一種輪式裝載機傳動系載荷譜編制方法，為裝載機產品疲勞壽命計算、強度分析、可靠性設計等提供可行的方法指導。

1 傳動系載荷測試試驗

輪式裝載機傳動系載荷主要是傳遞的扭矩，根據研究的需要，主要測試發動機輸出扭矩以及變速器輸出扭矩。同時為了便于對載荷測試信號進行平穩處理，試驗中還測試了擋位、動臂缸油壓、位移等信號。載荷測試過程如下：

（1）試驗條件要求。試驗選擇整機工作性能良好的ZL50輪式裝載機，試驗過程采用“V形”行進路線，按“五段”（空載前進段、鏟掘裝載段、滿載后退段、滿載前進卸料段與空載后退段）工作循環方式采集信號；試驗測試由3名操縱熟練的駕駛員完成，以盡量消除駕駛技術這一主觀因素對測試結果的影響。每人測試40個工作循環，即工作40斗以上，使測試樣本達到100個工作循環以上，以保證測試結果的可信度。

（2）測試內容與實現方法。如圖1所示，測試輪式裝載機發動機輸出軸扭矩，選擇變速箱中間軸布置扭矩傳感器；測試變速箱輸出至前驅動橋扭矩，選擇變速箱前輸出軸布置扭矩傳感器；測試變速箱輸出至后驅動橋扭矩，選擇變速箱后輸出軸布置扭矩傳感器。在扭矩測試中，遙測儀與電池固結在旋轉軸上，需單獨在標定臺架上進行標定，裝車前需做動平衡。測試裝載機發動機飛輪到變矩器間的轉速，選擇變速箱中間軸布置轉速傳感器；測量輪式裝載機前進擋位、后退擋位信號，利用裝載機變速箱電控信號記錄儀測得；測試動臂缸大腔壓力、動臂缸小腔壓力，選擇動臂油缸大小腔布置壓力傳感器；測試動臂缸位移，選擇動臂油缸布置位移傳感器。共9項測試內容，作為測試系統中的9個通道采集數據。在測試系統中，考慮裝載機工作條件惡劣，測試中采用“近程無線遙測”方法測試扭矩信號，采用“有線測試”方法測試轉速、油壓與位移信號［8］。

圖1 輪式裝載機傳動系載荷測試圖

2 測試載荷信號的分析與處理

2.1 測試載荷信號的分析

工程車輛的作業環境相對均較惡劣，作業工況相對復雜，這決定了其載荷具有隨機性強的特征，但對于每一個單一工況來說，仍能掌握其載荷的統計規律。

針對傳動系載荷的實際測試數據，如圖2所示，可直接觀察該數據信號的信號特征具有明顯的周期性，即該段信號共有10個循環工況。

圖2 中間傳動軸扭矩測試信號

通過研究頻域上的功率分布情況，如圖3所示，利用Vib信號測試分析軟件獲得測試信號的功率譜密度來描述隨機信號的頻域特性。通過頻域分析，其頻率主要集中在1Hz以內。

2.2 測試載荷信號的處理

2.2.1 扭矩測試信號的預處理

扭矩載荷測試輸出的是低電平信號，測試過程中，對于電壓干擾、噪聲干擾等產生的不良信號必須予以處理，在對測試應變儀進行標定之后，采用低通濾波的方法與幅值門限法對測試信號進行濾波處理和剔除異常峰值，完成了扭矩測試信號的預處理，如圖4所示。

圖3 裝載機載荷信號的頻率結構

圖4 中間傳動軸扭矩信號預處理結果（10循環）

2.2.2 平穩處理

在獲得純凈的扭矩載荷信號后，需要對其進行載荷循環計數統計，但前提是載荷時間歷程必須是平穩的各態歷經過程，這樣測試樣本的統計特征才具有代表性。由于裝載機工作循環工況復雜，故本文考慮裝載機工作實際，把裝載機工作循環按載荷特征分成空載行駛、鏟掘裝載、重載運行和卸料四個階段。每個階段可依據載荷測試系統的其他同步信號精確劃分，判斷依據見表1。

表1 信號分段劃分依據

如圖5所示，測試系統各通道信號可由數據采集系統中的Vib軟件列陣顯示，以便記錄各段起始時刻，再根據每段的起始時刻，建立整個信號的分段時間表，為信號分割確定時間段。利用NSOFT軟件把所有測試出的載荷信號按段分割，每個工作循環都分割成4個獨立的文件，而每種物料試驗的測試樣本中分別有約120個工作循環，因此文件數目比較龐大，為了使測試信號保持一致，應先將每次測試的各同名段載荷信號單獨合并，然后再將所有測試的同名段信號合并調零。

通過輪次檢驗法，確定出經過分割合并的信號為平穩隨機過程［8］。

圖5 同步信號顯示（界面圖）

3 測試載荷雨流計數

3.1 雨流計數法

工程實際中許多機械零部件或者工程結構的工作載荷是隨機載荷時間歷程。隨機載荷的顯著特征是不規則、不能重復、隨時間變化，只能使用統計分析方法對其進行分析與描述。雨流計數法（簡稱雨流法）是目前計數法中應用最為廣泛的一種，通過雨流計數可得到載荷均值、幅值及位置的三維數據，雨流計數的載荷循環數通常需要用計算機程序予以實現，一般程序實現過程可分為數據壓縮和循環數提取兩個步驟。具體流程如圖6所示。

圖6 雨流計數程序實現框圖

隨機載荷信號經循環計數后，可得到一雨流矩陣，從而得到載荷的均值、幅值及其對應的頻次等信息。雨流矩陣為

式中，i為雨流循環開始點的載荷級別；j為雨流循環閉合點的載荷級別；rij為雨流循環開始于i結束于j的循環數；u、v分別為雨流矩陣的列數與行數。

3.2 雨流計數結果

本文采用NS OFT軟件來完成載荷循環計數工作，分別生成均值、幅值的二維頻次統計直方圖，如圖7所示。

對于雨流計數的統計頻次分布，根據統計假設檢驗，確定出載荷均值符合正態分布，載荷幅值符合威布爾分布。

圖7 載荷均值、幅值、頻次分布直方圖

4 載荷譜編制

4.1 工況合成與累積頻次擴展

4.1.1 載荷測試工況合成

輪式裝載機在不同工況下，其工作載荷有明顯區別。根據使用統計，裝載機作業對象主要包括大石方、小石方、原生土、半濕土和松散土等五種物料，其實際使用比例見表2。為了準確反映裝載機的實際工作環境，以單一某工作物料對象的試驗測試載荷為編譜依據是不科學、不全面的，而必須按實際工作比例將裝載機各工況物料的測試載荷時間歷程予以合成。

表2 各種物料使用工況比例 %

載荷信號的合成方法采用按工況比例合并測試載荷時間歷程信號的方法，具體方法為：在上述載荷測試信號的處理階段中，取測試工作循環總量為100斗，按表2所示的比例，原生土物料工況取40斗、大石方物料工況取25斗、松散土物料工況取17斗、小石方物料工況取10斗、半濕土物料工況取8斗，分別按上述處理方法予以處理，完成工況合成后的測試載荷樣本。

4.1.2 載荷累積頻次擴展

裝載機傳動系載荷測試信號選取100個工作循環，相對整個使用壽命期來講，樣本數量相當有限，還不能代表母體中少數最大載荷的發生情況，為此，需要對合成的累積頻次進行擴展。依統計觀點，106次循環對于全部載荷具有充分的代表性，它能包括發生概率很小的最嚴重的載荷情況。所以，為再現更加真實的載荷歷程，需要將合成的累積頻次擴展到106次循環，依據公式如下：

4.2 載荷極值推斷

對于輪式裝載機傳動系載荷信號的載荷時間歷程，其每段工作載荷均值符合正態分布、幅值符合威布爾分布。在測試過程中，所取的樣本容量十分有限，也很難獲得實際工作的最大載荷，為此，需要統計推斷統計載荷的最大值，以獲得最為真實的載荷譜。載荷極值的外推可以借助曲線板外推法，但其結果具有很大的人為誤差，通常依據載荷的概率分布函數計算得到最大載荷。

本文裝載機傳動系載荷幅值可依威布爾分布確定，其概率密度分布函數為

式中，α 為形狀參數；β 為尺度參數；ε 為位置參數。

對式（3）進行積分，可得威布爾超值累積頻率函數：

根據式（4），可得最大載荷的計算公式為

考慮裝載機實際工作情況，傳動系最大載荷應發生在鏟掘裝載作業段，故只對該段載荷信號的載荷最大值做統計推斷。

4.3 傳動系八級程序加載譜

根據實驗室加載需要，對于連續的載荷譜累積頻次曲線應分級轉化為階梯形曲線，以便實驗室程序控制加載。通常用八級階梯曲線實現，可按等間隔法與非等間隔法劃分，非等間隔法常按1、0.95、0.85、0.725、0.575、0.425、0.275、0.125的比值系數進行階梯劃分。實際編譜時，利用頻次擴展后的載荷最大值可得到混合工況擴展后的八級幅值及加載頻次，某段八級程序載荷譜見表3。

表3 某通道鏟掘裝載段八級載荷及頻次分布表

5 生成載荷程序加載譜

程序載荷譜在加載過程中，必須充分考慮加載順序與實際工作效果相符合的程度，要求總體加載時要按照空載－鏟掘－滿載－卸料－空載的循環順序進行，按照波動中心法，先加載均值作為波動中心，然后將幅值疊加在波動中心上［2］。而對于每一級載荷幅值，通常根據加載效果，按照低載—高載—低載的加載順序，分10次完成加載。依此方法，表3所示的頻次可按表4的加載方式進行。

表4 輸出軸鏟掘裝載段八級載荷譜加載頻次表

6 結論

（1）完成了真實環境的載荷測試，獲得了載荷時間歷程信號，通過對載荷時間歷程信號的特征進行分析，得出信號具有周期性的特點，而且信號頻率均在1Hz以內，信號具有隨機載荷特征。

（2）根據輪式裝載機實際工作特點和測試信號特征，結合其他同步測試信號，按照“空載行駛－鏟掘裝載－重載運行－卸料”四個階段，對輪式裝載機傳動系測試信號進行了按段分割，然后同段合并處理，實現了真實工作條件下的載荷信號平穩處理。

（3）應用雨流計數法完成對處理后信號的載荷頻次統計，確定載荷均值符合正態分布、幅值符合威布爾分布，并根據實際工況，完成了100斗的工況頻次合成。

（4）根據波動中心法編制載荷譜的需要，對各工作段的載荷幅值極值進行了統計推斷，確定幅值最大值，完成了不等間隔系數的八級載荷譜的編制和按照“低載—高載—低載”加載順序的程序加載譜，所得載荷譜與裝載機真實工況相符。

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