ZL 50輪式裝載機輪邊減速器載荷譜編制方法

董劍南，萬一品，陳樂樂，宋緒丁

ZL 50輪式裝載機輪邊減速器載荷譜編制方法

董劍南，萬一品，陳樂樂，宋緒丁

（長安大學工程機械學院，陜西西安710064）

為了編制輪邊減速器載荷譜，基于采集的裝載機在五種物料工況下工作時的半軸扭矩，對采集到的五種工況下的扭矩信號進行了預處理，再將其按照各自的比例合成，然后采用里程外推的方法外將累計頻次推至106，最后建立了一維8級載荷譜。為了縮短試驗時間，對載荷譜做了強化處理。

輪邊減速器；載荷譜；外推；強化

裝載機廣泛應用于公路、鐵路、建筑、水電、港口、礦山等建設施工。由于這些工作環境條件惡劣，傳動系受到復雜交變載荷，而輪邊減速器作為傳動系最后一級減速增扭裝置[1]，受到來自半軸的扭矩最大，容易出現疲勞失效，因此需要對其進行疲勞壽命分析。采用基于實測載荷譜的疲勞壽命分析，能更準確估計其使用壽命[2]。因此本文根據前期的實測載荷譜編制了一維8級試驗加載譜。

1 數據處理

1.1 數據采集

通過對裝載機作業工況的調研，裝載機主要對粘土、小石方、鐵礦粉、砂、大石方進行作業，并確定了各工況的作業時間比例：粘土30%、小石方20%、鐵礦粉10%、砂20%、大石方20%.在四個半軸上粘貼應變片，應變片將扭矩信號轉化為電信號輸出。由于半軸為旋轉件，無法采用有線設備來采集數據，本次實驗對半軸的扭矩信號采用無線方式來收集，具體方案請參考前期論文[3]。

1.2 原始數據前處理

運用MATLAB軟件編制相關程序對數據進行調零、去零漂、去奇異值、小波壓縮等處理。過程如下：

首先，調零處理。在處理數據信號時，有時數據會出現整體偏移零點一個相同值，對原始數據加（減）該值，即完成了對數據的調零處理。其次，去零漂。扭矩值存在一個明顯的高于或低于原固定值的一個變化趨勢，這類現象稱為零點漂移，利用編制的MATLAB程序對數據進行去零漂處理。然后，去奇異值。由于周圍環境對測試信號的影響，得到的實測的扭矩值存在一些誤差，如：信號數據不符合正常規律的突然變化現象，稱之為奇異值，這嚴重干擾了對數據的分析與處理，因此，利用梯度門限法編寫MATLAB程序，對原始數據進行去奇異值處理；最后，小波壓縮。一個實測的隨機載荷譜除工作載荷外往往還包含一些次要載荷，這些載荷通常為一些不構成疲勞損傷的二、三級波和一些高階小量循環，稱之為無效幅值，一般將隨機載荷歷程極差（最大應力幅-最小應力幅）的5%～10%認為是無效幅值，在統計計數前要舍棄這些值，也就是進行小波壓縮處理，具體方案請參考前期論文[3]。

1.3 合成外推

目前常用的外推方法有參數法外推、雨流矩陣外推、時域外推、里程外推4種方法。參數法外推雖得到均幅值的概率分布，方便計算，但并未實現載荷與頻次的雙向外推且受主觀因素影響大；雨流矩陣外推克服了參數法外推的缺點，可以外推得到影響部件疲勞壽命的大載荷，可是外推過程過于復雜；時域外推利用POT（Peak-Over-Threshold）模型提取極值，POT基于GPD（Generalized Pareto Distribution）對超過閾值的數據進行建模，這些超過值服從GPD分布，可以得到更加真實的載荷譜，但其對錯誤的修正能力欠佳；里程外推操作簡單，考慮了不同工況帶來的載荷差異，更加貼近裝載機的實際工作情況[4]。本文采用里程外推在nCode中將五種工況合成的子樣數據累計頻次外推至106，106次循環能足夠代表包括很少發生的最嚴重情況在內的全部載荷，并輸出64級均幅值載荷矩陣。

2 編制強化載荷譜

通過對半軸的實際受力情況分析，可以發現半軸扭矩并不是對稱循環，所以輸入到輪邊減速器的扭矩也不能認為是對稱循環，因此輪邊減速器的齒輪輪齒兩邊受力時間不同。若采用以往常用的Goodman當量算法將載荷當量為對稱循環，則會導致輪邊減速器齒輪受力不符合實際情況，給后續的疲勞試驗結果造成誤差。本文根據半軸的實際受力情況，將載荷譜的正負載荷分開，依據各自的實際作用時間分別處理。國內外常用等間隔法或比值系數法對疲勞試驗載荷譜劃分為8級，本文采用等間隔法來劃分。根據對實測載荷的統計發現正載荷約占5/8，負載荷約占3/8，因此，可將正載荷分為5級，負載荷分為3級。在實際實驗中，常采用加速實驗的方式來達到縮短試驗時間和減少實驗費用的目的[5]。

文獻[6]中材料為20CrMnTi的齒輪彎曲疲勞強度為455 MPa，依據公式（1）、（2）、（3）可以得出彎曲疲勞強度對應的扭矩。

參數含義和選取方法見參考文獻[7]。

由式（1）、（2）、（3）可求得彎曲疲勞極限對應扭矩為1 281.302 5 N·m，由于輪邊減速器有4個行星齒輪與太陽輪嚙合，則半軸對應扭矩為單個的4倍即為5 125.21 N·m.為了加快實驗可以略去低于疲勞極限60%的小載荷，且對疲勞壽命不構成太大的影響[8]，文中略去低于疲勞極限50%的小載荷，因此可去掉小載荷為2 562.605 N·m.得到略去小載荷的未強化載荷譜，見表1.

依據公式（3）再對略去小幅值的載荷譜進行載荷強化。

參數含義和選取方法見參考文獻[6]。

通常S-N曲線的斜率與材料、工藝、結構尺寸的因素有關，但鋼制的汽車零部件的斜率在6.5～7之間[9]，本文取d=7，將實驗載荷均增加30%.

根據公式（3）有：

N/NQ=（MQ/M）d=1.37≈6.275

6.275 為強化實驗的強化系數，則可得到表2的強化實驗載荷譜。

表2 載荷強化譜

由表1知未強化時累計頻次為196 241次，由表2知強化后累計頻次為31 274次，強化后的累計頻次遠小于未強化時的累計頻次，則強化后的載荷譜頻次大幅的減少。

3 結論

通過對裝載機實際作業情況的分析，選擇了更貼近裝載機實際工作情況的里程外推的方法對實測載荷進行了106的外推。采用略去小幅值以及強化載荷的方法縮小了載荷頻次，完成了對輪邊減速器合成載荷譜的強化，有效地減少了實驗時間，節約了實驗成本。

[1]陳家瑞.汽車構造[M].2版.北京：機械工業出版社，2005.

[2]張英爽，王國強，王繼新，等.輪式裝載機半軸載荷譜編制及疲勞壽命預測[J].吉林大學學報，2011，41（6）：1648-1658.

[3]黃柱安，梁佳，宋緒丁，等.裝載機傳動系載荷譜測試方法及其數據處理[J].施工機械與管理，2016（10）：103-106.

[4]劉巖，張喜逢，王振雨，等.載荷譜外推方法的對比[J].現代制造工程，2011（11）：8-11.

[5]趙少汴.抗疲勞設計——方法與數據[M].北京：機械工業出版社，1997.

[6]張英爽.裝載機傳動系載荷譜的測取與應用研究[D].長春：吉林大學，2014.

[7]濮良貴，陳國定，吳立言.機械設計[M].9版.北京：高等教育出版社，2013.

[8]方瑛，吳國視，田華，等.汽車半軸程序載荷譜及強化實驗方法研究[J].汽車技術，1994（10）：23-26.

[9]王占奎，魯三才，桑正中，等.汽車后橋強化程序載荷譜[J].江蘇工學院學報，1991，12（1）：16-21.

Compilation Method of Load Spectrum for Wheel Reducer of ZL50 Loader

DONG Jian-nan，WAN Yi-pin，CHEN Le-le，SONG Xu-ding
（School of Construction Machinery，Chang’an University，Xi’an 710064，China）

In order to compile the load spectrum of the wheel reducer，the half-axis torque of the loader under the five kinds of material working conditions was collected.The torque signals of the five kinds of working conditions are pretreated，and then they are synthesized according to their respective proportions.Then，the cumulative frequency is pushed to 106 by the extrapolation method.Finally，we established a one-dimensional 8-stage load spectrum.In order to shorten the test time，the load spectrum has been strengthened.

wheel reducer；load spectrum；extrapolated；strengthen

TH243.1

A

1672-545X（2017）07-0131-03

2017-04-05

國家科技支撐計劃（2015BAF07B02）

董劍南（1991-），男，四川綿陽人，碩士研究生，研究方向為機械結構應力仿真分析。