果園作業平臺車架耐久性研究

摘要：針對農用機械作業工況復雜、受多種外力、對結構件壽命影響較大等問題，以果園作業平臺車架為研究對象，編制車架加速載荷譜，分析車架耐久性。采用有限元分析方法，對車架進行力學分析并選取關鍵載荷測點，建立果園作業平臺多體動力學模型采集相應測點載荷譜，利用偽損傷保留編輯法獲取不同偽損傷保留量的加速載荷譜，從壓縮時間效率、偽損傷域、功率譜密度、穿級/雨流計數和統計值參數等方面對比，分析偽損傷保留量對加速載荷譜質量的影響。通過車架耐久性仿真對比不同編輯方案對耐久性分析精度和效率的影響。對比結果表明，偽損傷保留量不低于90%才能保證加速載荷譜的質量。仿真結果表明，車架最小壽命歷程大約為65 000 km，根據果園作業平臺使用條件和用戶使用情況調查，了解果園作業平臺每年大約行駛8 100 km，使用年限為8年，該車架滿足要求。且偽損傷保留量為95%時為最佳編制方案，加速載荷譜時間壓縮量為55%，車架耐久性仿真分析誤差能控制在5%內且仿真效率提高391%，本文為提高農用機械部件耐久性載荷的編輯質量提供參考。

關鍵詞：果園作業平臺；車架；加速載荷譜；偽損傷保留編制法；耐久性

中圖分類號：S220.3

文獻標識碼：A

Research on durability of platform frame for orchard operation

Abstract：

Aiming at the problems of complex working conditions， multiple external forces and great influence on the life of structural parts of agricultural machinery， this paper took the orchard working platform frame as the research object， compiled the accelerated load spectrum of the frame and analyzed the durability of the frame. The finite element analysis method was used to carry out mechanical analysis of the frame and select the key load measuring points. The multi-body dynamics model of the orchard operation platform was established to collect the load spectrum of the corresponding measuring points. The accelerated load spectrum of different pseudo-damage retention amounts was obtained by using the pseudo-damage retention editing method. The influence of pseudo damage retention on the mass of accelerated load spectrum was analyzed. The effects of different editing schemes on the accuracy and efficiency of durability analysis were compared by frame durability simulation. The comparison results show that the pseudo damage retention is not less than 90% to ensure the quality of the accelerated load spectrum. The simulation results show that the minimum life course of the frame is about 65 000 km. According to the service condition of the orchard operating platform and the users service condition survey， it is known that the orchard operating platform travels about 8 100 km every year and the service life is 8 years. The frame meets the requirements. When the pseudo damage retention is 95%， it is the best preparation scheme， the time compression of the accelerated load spectrum is 55%， the error of the frame durability simulation analysis can be controlled within 5% and the simulation efficiency can be increased by 391%. This paper provides reference for improving the editing quality of the durability load of agricultural machinery parts.

Keywords：

orchard operation platform; frame; acceleration load spectrum; pseudo-damage retention coding method; durability

0 引言

車架作為果園作業平臺主要載體，當果園作業平臺在園區作業時，車架會受到各種復雜的外力載荷，其可靠性及耐久性對整機有至關重要的影響［1］。近年來，研究重點主要聚焦在果園作業平臺功能與構造上的實現，對車架疲勞壽命問題探究相對較少，所以研究果園作業平臺車架疲勞壽命問題更具有實際意義。疲勞壽命預測可從三個方面實現，即實際道路試驗、室內臺架試驗和有限元仿真分析，而有限元仿真分析對車架耐久性預測成本最低，效率最高且能在分析過程中及時反饋車架中存在的問題，正逐漸被研發公司和科研機構所采用。載荷譜加速編制是分析車架耐久性問題的關鍵，準確高效的載荷譜輸入對提高車架耐久性仿真精度和效率有至關重要的影響。偽損傷保留法作為一種被廣泛采用的加速編制方法，其偽損傷保留量成為影響加速載荷譜的質量和效率的關鍵。

近年來，隨著對機械零部件耐久性分析方法的展開，國內外學者對耐久性分析中載荷譜加速編制進行了一系列深入研究。鄭松林等［2］運用偽損傷保留法對原始位移譜進行保留90%偽損傷量的加速編制，并對原始載荷譜與編制后的加速載荷譜從時域、幅值域、頻率域三個角度進行比較，最后以臺架試驗的方式驗證其合理性。于佳偉等［3］將偽損傷保留法與二維時域閾值編制法相結合，對原始位移譜進行加速編制，并研究了分別保留95%、90%偽損傷量下的加速位移譜對原部件耐久性分析效果之間的差異；發現當偽損傷量保留在90%時疲勞試驗效果最佳。鄭國峰［4］基于部件耐久性仿真結果比較損傷保留法和偽損傷保留法的差異，認為使用這兩種技術得到的加速譜時間壓縮率和損傷保留量大致相同，但是偽損傷保留法更簡單方便。花菲菲等［5］在研究各種載荷譜編制法中發現幅值擴大法的幅值系數很難確定，峰谷值抽取法的頻率和通道之間相位信息易缺失，因此采用損傷保留法對加速度譜進行編制，且通過了臺架試驗驗證。朱茂桃等［6］采用了短時傅里葉變化載荷譜編輯法對原始載荷譜進行編輯，并與損傷保留法進行了比較；發現利用短時傅里葉載荷編制法得到的載荷譜時間更短，統計值特性與原始譜更相近，證實了該編制方法的準確性。Pratumnopharat等［78］以應變載荷譜作為編制對象，通過小波變換編制法使時間壓縮超過20%，并發現加速譜損傷特性改變極小。Putra等［9］同樣運用小波變換編制法對汽車彈簧應變譜進行小波變換，從統計值特性和疲勞損傷值等方便與原始譜進行對比，發現該編制法能有效地識別出大幅值載荷剔除小載荷，有效提高了試驗效率。

本文以果園作業平臺車架作為研究對象，首先建立整機與車架三維模型，然后利用車架有限元模型進行靜力學分析選取載荷關鍵測點，隨后建立果園作業平臺多體動力學模型，模擬果園作業平臺在果園路面和轉場路面工作并采集車架關鍵測點載荷譜，采用偽損傷保留編輯法對原始載荷譜進行保留不同偽損傷量的加速編制。同時，對原始載荷譜和各加速載荷譜從時間壓縮量、偽損傷域、功率譜密度、穿級/雨流計數、統計值參數等多角度進行對比，分析偽損傷保留量對加速載荷譜質量的影響。結合各加速載荷譜在車架耐久性仿真分析中的精度和效率提升，確定偽損傷保留量的最佳選擇方案。

1 果園作業平臺三維及多體動力學模型

1.1 建立果園作業平臺整機及車架三維模型

本課題組所設計的果園作業平臺主要用于輔助采摘果實、運輸物料、輔助修剪樹枝等，整機車架上部安裝作業機構，下部安裝動力總成機構，車架前、后部分別通過驅動橋與車輪相連。

為滿足以上要求，設計的果園作業平臺整機及車架模型如圖1所示。其中，車架總長為3 437 mm，總寬1 650 mm，總高為615 mm，車架總質量為500.65 kg，材料選取45號鋼，材料密度為7.85×10-6 kg/mm3，泊松比為0.31，彈性模量為2.10×105 MPa，屈服強度為355 MPa，拉伸強度一般不小于600 MPa，允用正應力為236.67 MPa（安全系數取1.5）。車架結構主要由外縱梁、前內縱梁、后內縱梁，后上橫梁、后下橫梁、前橫梁、前支撐斜梁、后支撐斜梁、前支撐梁、后支撐梁組成。

1.2 建立車架有限元模型及確定關鍵載荷測點位置

車架在進行耐久性仿真前，需要獲取準確的載荷輸入，因此需要確定車架關鍵載荷測點的位置，對車架進行靜力學分析得到車架結構的應力分布情況，找出車架危險點，從而確定車架關鍵載荷測點的位置。

首先建立車架有限元模型，采用四面體網格對果園作業平臺車架模型進行網格劃分，網格尺寸為8 mm，車架模型分割網格生成的節點數量為1 214 431個，網格數量為627 118個［10］，劃分網格后得到的車架有限元模型如圖2所示。

果園作業平臺車架的結構承載力主要為自身重力和安裝于車架上作業裝置以及各部件的作用力，根據安裝關系，實現結構載荷加載。作業平臺滿載狀態時，車架在各工況下的變形和受力最顯著，最能反映出結構設計是否符合剛度和強度要求。車架在滿載狀態下，承載6名作業人員，每位重量為75 kg，此時車架主要承載的各部分質量如表1所示。

根據車架的實際承載情況，車架各部分所施加的載荷位置分布與方向如圖3所示。

根據果園作業平臺的實際作業環境與行駛工況，選取滿載彎曲（平臺滿載時，勻速或靜止狀態）、滿載彎扭（平臺滿載時，由于路面不平導致車架處于扭轉狀態）、緊急制動（平臺滿載行駛時，遇到情況緊急剎車狀態）三種典型工況對車架進行靜力學分析，分析結果具體如圖4所示。

由圖4可知，在三種典型工況中滿載彎扭工況車架應力最大，應力最大點位于前支撐梁與后內縱梁連接處且最大應力值為192.5 MPa，小于車架允用正應力236.67 MPa，滿足車架強度要求。以三種典型工況下車架靜力學分析中最大應力點為參考，車架關鍵載荷測點位置為前驅動橋與車架連接點S1、后驅動橋與車架連接點S2、S3以及車架前支撐梁與后內縱梁連接處S4，車架關鍵載荷測點具體如圖5所示。

1.3 建立果園作業平臺多體動力學模型

車架關鍵載荷測點位置確定后，需要對相應位置測點的載荷進行采集。為了獲取不同工況下車架所受的動載荷，在ADAMS環境下建立果園作業平臺多體動力學模型，設置X方向為模型的橫向，Z方向為模型的縱向，Y方向為模型的垂向如圖6所示［11］。

該模型有7個自由度，分別為車身的俯仰移動、側傾移動和垂直移動和4個車輪的垂直移動。果實傳輸機構、果實收集機構、采摘站臺、動力總成及其他附件均簡化為質量塊，加上車身質量，車架承載最大質量為2 909 kg，質心坐標（827.961 mm，-8.014 mm，674.637 mm），轉動慣量Lxx=2 674 kg·m2，Lyy=5 525 kg·m2，Lzz=5 471 kg·m2等，將這些參數進行設置，模型建立完成后分別模擬計算出果園作業平臺轉場路面（B級路面）以5 m/s行駛以及在果園路面（F級路面）以1 m/s行駛的道路仿真結果。

1.4 采集車架原始載荷譜

根據車架關鍵載荷測點數目及位置信息，在ADAMS仿真結果中建立對應的輸出通道。導出車架S1、S2、S3和S4四個測點的三分力（Fx、Fy、Fz），原始荷載譜采樣頻率為512 Hz，根據實際果園作業平臺路面工況設定轉場路面工況與果園路面工況的比例為1∶4。因此仿真過程中設置轉場路面工況時間為50 s，果園路面工況時間為400 s，將兩種工況原始載荷譜用4 s的正弦波連接過度防止發生載荷突變，得到完整原始載荷譜總時長為454 s，以S1測點三分力為例，結果如圖7所示。

2 車架加速載荷譜編制

2.1 車架原始載荷譜預處理

采集到的原始載荷譜可能會出現毛刺和漂移現象不能直接使用，如S1測點Fy分力存在4個毛刺，Fz分力存在漂移如圖7所示，因此需要對其進行去毛刺、去漂移等預處理［12］。

1）" 去毛刺。測得的原始載荷譜中存在4個毛刺這是因為載荷數據采集過程中出現不可控的干擾造成的，這些毛刺對分析結果產生很大的影響，本文采用設定邊界條件鎖定毛刺對其進行消除。

2）" 去漂移。測得的原始載荷譜中在50 s時出現漂移，這是因為外界干擾或系統原因造成原始載荷譜偏離基線，只有去除漂移原始載荷譜才可正常應用，因此本文利用動態均值法對原始載荷去除趨勢項。原始載荷譜經過預處理如圖8所示。

2.2 保留不同偽損傷量的車架加速載荷譜編制

2.2.1 車架偽損傷計算

在分析果園作業平臺車架的原始載荷譜特征時一般需要分析大量的載荷數據文件，而每個文件又包含了很多通道，逐一對每個通道進行處理需要耗費大量時間。因此，需要一種簡潔的方式評價不同載荷譜對整機結構部件的損傷能力，目前應用比較廣泛和方便的是偽損傷評價法。這種方法能用一個參數準確的描述果園道路載荷的嚴重程度。它是在S-N曲線、Miner線性累積損傷準則和雨流計數原理的基礎上，通過Basquin給出的S-N曲線的表達式計算偽損傷［13］。

N=αS－β（1）

式中：

N——車架在幅值S作用下的疲勞壽命，即循環次數；

S——車架應力幅值，Pa；

α——常數項；

β——車架疲勞強度指數。

由式（1）可知，車架應力幅值為Si的一個載荷循環偽損傷為1/Ni，運用線性累積損傷準則，將所有載荷循環的偽損傷疊加，獲得總偽損傷

式中：

i——載荷循環次數。

偽損傷的計算要獨立于車架材料模型，因此，省略常數項α，保留與車架材料屬性相關的疲勞強度指數β。根據工程經驗，車架焊接零部件β=3定義偽損傷值，則

D=∑iSi3（3）

由此可得四個測點三分力偽損傷值如表2所示。

2.2.2 車架加速載荷譜編制

通過果園作業平臺多體動力學模型采集到的原始載荷譜存在低幅值小載荷，這些小載荷對車架造成的損傷量較小甚至不造成損傷，而且影響車架耐久性仿真效率，在保留原始載荷譜特性的同時對其進行保留一定偽損傷量的加速編制，盡可能縮短時間，提高車架耐久性仿真效率［14］。

本文以S1的Fx載荷譜為例，用偽損傷保留加速編輯法對其進行加速編輯，并保留原始載荷譜100%、95%、90%、85%、80%偽損傷量，可近似地認為加速載荷譜的損傷當量代替原始載荷譜的損傷當量進行仿真。首先導入原始載荷譜，設置原始載荷譜刪減閾值，并將保留的載荷數據段用0.1 s正弦波連接過渡，具體流程圖如圖9所示。得到的保留不同偽損傷加速載荷譜如圖10所示。

由圖10可以看出，隨著偽損傷保留量逐漸降低，加速載荷譜中的大量低幅值小載荷數據就會刪除的越多，時間壓縮量會增加。與原始載荷譜相比，保留100%偽損傷加速譜時間壓縮量為33.45%，保留95%偽損傷加速譜時間壓縮量為55%，保留90%偽損傷加速譜時間壓縮量為62.96%，保留85%偽損傷加速譜時間壓縮量為70.42%，保留80%偽損傷加速譜時間壓縮量為75.02%，需要對偽損傷不同保留量的加速載荷譜進行對比分析，確定其質量是否合格。

3 車架原始載荷譜與加速載荷譜對比分析

原始載荷譜加速編制是分析車架耐久性問題的關鍵，加速載荷譜的質量直接關系到車架耐久性分析的準確性和效率。因此，需要驗證加速載荷譜是否符合要求，本文將從偽損傷域、功率譜密度、穿級/雨流計數、統計值參數等方面進行對比分析［15］。

3.1 兩種載荷譜偽損傷域對比

對原始載荷譜進行加速編制首先要保證其縮減前后偽損傷等效。因此要進行偽損傷域對比，主要從原始載荷譜和各加速載荷譜的相對損傷系數來評價［16］，本文以S1測點三分力為例，結果如表3所示。

由表3可知，保留90%～100%偽損傷量的加速譜相對損傷系數在0.9以上，保留80%～90%偽損傷量的加速載荷譜相對損傷系數在0.9以下，根據工程標準相對損傷系數要在0.9～1之間，因此本文中保留90%以下偽損傷量的加速載荷譜不能完整地保留原始載荷譜的偽損傷值。

3.2 兩種載荷譜功率譜密度對比

載荷譜的功率譜密度是車架結構在隨機動載荷激勵下響應的統計結果，它能表示不同頻率下信號能量分布的關系曲線。數學上，功率譜密度值與頻率值的關系曲線構成的面積就代表均方值［17］。以車架S1測點Fx為例，原始載荷譜與加速載荷譜的功率譜密度對比如圖11所示。

從圖11可以看出，原始載荷譜與加速載荷譜功率譜密度比較可以看出，頻率在0～20 Hz，原始載荷譜與各加速載荷譜功率譜密度變化分布上趨勢走向基本一致，但在20～50 Hz，保留偽損傷量小于90%的加速載荷譜與原始載荷譜功率譜密度變化分布出現較大差距。

3.3 兩種載荷譜穿級/雨流計數對比分析

穿級計數法是用來統計車架載荷在變化過程中（載荷上升或下降）穿越某一載荷水平線的頻次分布，能反映加速載荷譜在不同幅值下的分布情況。雨流計數法的原理是根據車架所受載荷產生的真實封閉遲滯環計為循環的過程，它能夠有效地分析車架疲勞耐久問題，是目前應用最可靠的道路載荷譜計數法［18］。以車架S1測點Fx為例，原始載荷譜和加速載荷譜的穿級計數結果和雨流循環計數結果分別如圖12、圖13所示。

由圖12可以看出，原始載荷譜與加速載荷譜的趨勢大致相同，隨著偽損傷保留量的降低，加速載荷譜刪除了低頻小載荷增加，在相同幅值下穿級計數頻次會逐漸降低。

由圖13可以看出，原始載荷譜均值附近小載荷最大循環次數m=238，當偽損傷保留量分別取100%、95%、90%、85%、80%時，低幅值小載荷的最大循環次數下降比例達到553%、881%、1 252%、1 700%、1 830%。

3.4 兩種載荷譜統計值參數對比分析

原始載荷譜和各加速載荷譜的數據統計值參數比較主要包含：均值、均方根值和峰值系數［19］。完成編制后的加速載荷譜數據統計值參數結果應與原始載荷譜近似相等，其均方根值和峰值系數的誤差范圍應該在10%內。以果園采摘作業平臺S1測點Fx為例，原始載荷譜和加速載荷譜統計值參數特征對比結果如表4所示。

由表4可以看出，隨著偽損傷保留量逐漸減少，統計值參數誤差也在逐漸增大。經過編制后，原始載荷譜中大量低幅值小載荷被刪除，因此加速載荷譜的均值增大；結合功率譜密度曲線圖（圖12）曲線上移，而功率譜密度是對載荷變量均方值的度量，因此均方根值增大；結合穿級計數曲線圖（圖13），由于低幅值小載荷刪除的較多，導致其在均值附近出現的可能性下降，因此峰值系數降低。偽損傷保留量由100%減少至90%，均方根值相對誤差由1.2%增加至7.8%，峰值系數相對誤差由3.1%增加至8.8%；偽損傷保留量由90%減少至80%，均方根值相對誤差由7.8%增加至16.5%，峰值系數相對誤差由8.8%增加至15.8%。根據文獻研究表明，加速載荷譜統計值相對誤差應控制在10%內。因此，偽損傷保留量小于90%時無法保證編制效果。

4 果園作業平臺車架耐久性仿真

車架耐久性仿真分析主要分為車架有限元模型和耐久性仿真兩部分，分別以車架4個測點的原始載荷譜和加速載荷譜為激勵信號，采用有限元仿真的形式計算出疲勞壽命，對比原始載荷譜和各加速載荷譜的耐久性仿真的效果和效率。

果園作業平臺在行駛狀態時，車架各連接點均承載并處于運動狀態，由于載荷加載和約束過于復雜，故引入慣性釋放法。慣性釋放法能用車架結構的慣性力平衡外力，本文對車架不做任何邊界條件的約束，即把車架質心作為虛約束。在車架4個測點位置分別施加X、Y、Z三個方向的單位力，并分別將原始載荷譜和各加速載荷譜作為激勵賦予到對應測點的單位力上。具體耐久性仿真流程及仿真結果如圖14、圖15以及表5所示。

從圖15中可以看出，車架耐久性分析中最低循環次數為1.046×105次，結合單次循環的時間與車速可計算出車架最小壽命歷程大約為65 000 km。根據果園作業平臺使用條件和用戶使用情況調查，了解果園作業平臺每年大約行駛8 100 km，使用年限為8年，該車架滿足要求。具體車架耐久性結果統計如表5所示。

從表5可知，在車架耐久性分析中，原始載荷譜和所有加速載荷譜最易失效位置均為5 694節點。偽損傷保留量100%的加速載荷譜雖然誤差為1.2%，但是仿真效率提升141%，相對偽損傷保留量95%的加速載荷譜提升較小，偽損傷保留量90%的加速載荷譜雖然效率提升為427%，但是誤差為6.3%，相對偽損傷保留量95%的加速載荷譜誤差較大。綜合考慮，采用為偽損傷保留95%的加速載荷譜，其可將原始載荷譜時間壓縮接近50%，耐久性仿真效率提升391%，且相對誤差能控制在5%，即偽損傷編制法中最佳編輯方案。

5 結論

本文以課題組研制的果園作業平臺車架為研究對象，基于偽損傷保留編輯法對原始載荷譜進行不同偽損傷保留量的加速編制，探究不同偽損傷保留量的加速載荷譜的質量以及對車架耐久性仿真精度和效率提升的影響。

1）" 本文運用偽損傷保留編制法對采集到的原始載荷譜進行加速編制，該方法能準確快速地識別出載荷譜中對車架不造成損傷或損傷較小的信號，且能夠對力、位移、速度或加速度等載荷譜進行編制，應用廣泛。

2）" 通過加速載荷譜與原始載荷譜在偽損傷域、功率譜密度、穿級/雨流計數和統計值參數多方面對比發現，偽損傷保留量不小于90%是保證編輯加速載荷譜有效性的前提，否則無法準確識別原始信號中的小幅值載荷，導致加速載荷譜功率譜密度頻率特征發生較大變化，統計值參數誤差超出合理范圍，無法滿足零部件耐久性預測的精度要求。

3）" 采用偽損傷保留編輯法對原始載荷保留95%損傷量，可將原始載荷時間壓縮近55%，耐久性仿真分析效率提升391%，且分析精度誤差控制在5%以內，即為偽損傷保留法中載荷譜最佳編輯方案。本文研究結果為獲得準確高效的載荷譜編輯方案提供參考，對提高農用機械耐久性載荷譜編輯的質量具有指導意義。

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