劉永臣 常 綠 孫 麗

淮陰工學(xué)院，淮安，223003

0 引言

輪式裝載機(jī)在設(shè)計(jì)階段必須考慮用戶(hù)需求與產(chǎn)品工作性能，產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常基于壽命理論進(jìn)行產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)，同時(shí)，需要進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)或產(chǎn)品樣品疲勞試驗(yàn)等。為此，科學(xué)編制出產(chǎn)品實(shí)際載荷譜尤為重要。

機(jī)械產(chǎn)品部件受載情況復(fù)雜多樣，且多數(shù)屬于隨機(jī)載荷，無(wú)法得到一致或相似的載荷規(guī)律，需要根據(jù)不同工作環(huán)境特點(diǎn)予以分析，以確定載荷統(tǒng)計(jì)規(guī)律，借以編制載荷譜［1］。文獻(xiàn)［2－4］依據(jù)零件疲勞壽命理論研究了飛機(jī)載荷譜，闡釋了雨流技術(shù)法的本質(zhì)與應(yīng)用，為本文載荷譜編制提供了可行的方法依據(jù)。文獻(xiàn)［5－6］對(duì)具有穩(wěn)態(tài)隨機(jī)載荷特征的扭力軸載荷進(jìn)行了測(cè)試與二維編譜，為本文的隨機(jī)載荷穩(wěn)態(tài)處理提供了參考。文獻(xiàn)［7］對(duì)分段作業(yè)的非平穩(wěn)隨機(jī)載荷進(jìn)行了載荷譜編制，但忽略了實(shí)際工作順序?qū)d荷譜的影響。本文結(jié)合裝載機(jī)工作實(shí)際，考慮實(shí)際工作順序完成編譜。裝載機(jī)工作環(huán)境惡劣，傳動(dòng)系載荷的隨機(jī)特性顯著，使得載荷譜的編制既要進(jìn)行符合實(shí)際工況的平穩(wěn)處理，又要選用合適方法統(tǒng)計(jì)載荷作用頻次與順序。本文實(shí)測(cè)輪式裝載機(jī)傳動(dòng)系載荷信號(hào)，并進(jìn)行了全面分析與有效處理，運(yùn)用雨流計(jì)數(shù)法，編制出輪式裝載機(jī)傳動(dòng)系載荷譜，建立了一種輪式裝載機(jī)傳動(dòng)系載荷譜編制方法，為裝載機(jī)產(chǎn)品疲勞壽命計(jì)算、強(qiáng)度分析、可靠性設(shè)計(jì)等提供可行的方法指導(dǎo)。

1 傳動(dòng)系載荷測(cè)試試驗(yàn)

輪式裝載機(jī)傳動(dòng)系載荷主要是傳遞的扭矩，根據(jù)研究的需要，主要測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩以及變速器輸出扭矩。同時(shí)為了便于對(duì)載荷測(cè)試信號(hào)進(jìn)行平穩(wěn)處理，試驗(yàn)中還測(cè)試了擋位、動(dòng)臂缸油壓、位移等信號(hào)。載荷測(cè)試過(guò)程如下：

（1）試驗(yàn)條件要求。試驗(yàn)選擇整機(jī)工作性能良好的ZL50輪式裝載機(jī)，試驗(yàn)過(guò)程采用“V形”行進(jìn)路線，按“五段”（空載前進(jìn)段、鏟掘裝載段、滿(mǎn)載后退段、滿(mǎn)載前進(jìn)卸料段與空載后退段）工作循環(huán)方式采集信號(hào)；試驗(yàn)測(cè)試由3名操縱熟練的駕駛員完成，以盡量消除駕駛技術(shù)這一主觀因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。每人測(cè)試40個(gè)工作循環(huán)，即工作40斗以上，使測(cè)試樣本達(dá)到100個(gè)工作循環(huán)以上，以保證測(cè)試結(jié)果的可信度。

（2）測(cè)試內(nèi)容與實(shí)現(xiàn)方法。如圖1所示，測(cè)試輪式裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸扭矩，選擇變速箱中間軸布置扭矩傳感器；測(cè)試變速箱輸出至前驅(qū)動(dòng)橋扭矩，選擇變速箱前輸出軸布置扭矩傳感器；測(cè)試變速箱輸出至后驅(qū)動(dòng)橋扭矩，選擇變速箱后輸出軸布置扭矩傳感器。在扭矩測(cè)試中，遙測(cè)儀與電池固結(jié)在旋轉(zhuǎn)軸上，需單獨(dú)在標(biāo)定臺(tái)架上進(jìn)行標(biāo)定，裝車(chē)前需做動(dòng)平衡。測(cè)試裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪到變矩器間的轉(zhuǎn)速，選擇變速箱中間軸布置轉(zhuǎn)速傳感器；測(cè)量輪式裝載機(jī)前進(jìn)擋位、后退擋位信號(hào)，利用裝載機(jī)變速箱電控信號(hào)記錄儀測(cè)得；測(cè)試動(dòng)臂缸大腔壓力、動(dòng)臂缸小腔壓力，選擇動(dòng)臂油缸大小腔布置壓力傳感器；測(cè)試動(dòng)臂缸位移，選擇動(dòng)臂油缸布置位移傳感器。共9項(xiàng)測(cè)試內(nèi)容，作為測(cè)試系統(tǒng)中的9個(gè)通道采集數(shù)據(jù)。在測(cè)試系統(tǒng)中，考慮裝載機(jī)工作條件惡劣，測(cè)試中采用“近程無(wú)線遙測(cè)”方法測(cè)試扭矩信號(hào)，采用“有線測(cè)試”方法測(cè)試轉(zhuǎn)速、油壓與位移信號(hào)［8］。

圖1 輪式裝載機(jī)傳動(dòng)系載荷測(cè)試圖

2 測(cè)試載荷信號(hào)的分析與處理

2.1 測(cè)試載荷信號(hào)的分析

工程車(chē)輛的作業(yè)環(huán)境相對(duì)均較惡劣，作業(yè)工況相對(duì)復(fù)雜，這決定了其載荷具有隨機(jī)性強(qiáng)的特征，但對(duì)于每一個(gè)單一工況來(lái)說(shuō)，仍能掌握其載荷的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

針對(duì)傳動(dòng)系載荷的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，如圖2所示，可直接觀察該數(shù)據(jù)信號(hào)的信號(hào)特征具有明顯的周期性，即該段信號(hào)共有10個(gè)循環(huán)工況。

圖2 中間傳動(dòng)軸扭矩測(cè)試信號(hào)

通過(guò)研究頻域上的功率分布情況，如圖3所示，利用Vib信號(hào)測(cè)試分析軟件獲得測(cè)試信號(hào)的功率譜密度來(lái)描述隨機(jī)信號(hào)的頻域特性。通過(guò)頻域分析，其頻率主要集中在1Hz以?xún)?nèi)。

2.2 測(cè)試載荷信號(hào)的處理

2.2.1 扭矩測(cè)試信號(hào)的預(yù)處理

扭矩載荷測(cè)試輸出的是低電平信號(hào)，測(cè)試過(guò)程中，對(duì)于電壓干擾、噪聲干擾等產(chǎn)生的不良信號(hào)必須予以處理，在對(duì)測(cè)試應(yīng)變儀進(jìn)行標(biāo)定之后，采用低通濾波的方法與幅值門(mén)限法對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行濾波處理和剔除異常峰值，完成了扭矩測(cè)試信號(hào)的預(yù)處理，如圖4所示。

圖3 裝載機(jī)載荷信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)

圖4 中間傳動(dòng)軸扭矩信號(hào)預(yù)處理結(jié)果（10循環(huán)）

2.2.2 平穩(wěn)處理

在獲得純凈的扭矩載荷信號(hào)后，需要對(duì)其進(jìn)行載荷循環(huán)計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，但前提是載荷時(shí)間歷程必須是平穩(wěn)的各態(tài)歷經(jīng)過(guò)程，這樣測(cè)試樣本的統(tǒng)計(jì)特征才具有代表性。由于裝載機(jī)工作循環(huán)工況復(fù)雜，故本文考慮裝載機(jī)工作實(shí)際，把裝載機(jī)工作循環(huán)按載荷特征分成空載行駛、鏟掘裝載、重載運(yùn)行和卸料四個(gè)階段。每個(gè)階段可依據(jù)載荷測(cè)試系統(tǒng)的其他同步信號(hào)精確劃分，判斷依據(jù)見(jiàn)表1。

表1 信號(hào)分段劃分依據(jù)

如圖5所示，測(cè)試系統(tǒng)各通道信號(hào)可由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的Vib軟件列陣顯示，以便記錄各段起始時(shí)刻，再根據(jù)每段的起始時(shí)刻，建立整個(gè)信號(hào)的分段時(shí)間表，為信號(hào)分割確定時(shí)間段。利用NSOFT軟件把所有測(cè)試出的載荷信號(hào)按段分割，每個(gè)工作循環(huán)都分割成4個(gè)獨(dú)立的文件，而每種物料試驗(yàn)的測(cè)試樣本中分別有約120個(gè)工作循環(huán)，因此文件數(shù)目比較龐大，為了使測(cè)試信號(hào)保持一致，應(yīng)先將每次測(cè)試的各同名段載荷信號(hào)單獨(dú)合并，然后再將所有測(cè)試的同名段信號(hào)合并調(diào)零。

通過(guò)輪次檢驗(yàn)法，確定出經(jīng)過(guò)分割合并的信號(hào)為平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程［8］。

圖5 同步信號(hào)顯示（界面圖）

3 測(cè)試載荷雨流計(jì)數(shù)

3.1 雨流計(jì)數(shù)法

工程實(shí)際中許多機(jī)械零部件或者工程結(jié)構(gòu)的工作載荷是隨機(jī)載荷時(shí)間歷程。隨機(jī)載荷的顯著特征是不規(guī)則、不能重復(fù)、隨時(shí)間變化，只能使用統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)其進(jìn)行分析與描述。雨流計(jì)數(shù)法（簡(jiǎn)稱(chēng)雨流法）是目前計(jì)數(shù)法中應(yīng)用最為廣泛的一種，通過(guò)雨流計(jì)數(shù)可得到載荷均值、幅值及位置的三維數(shù)據(jù)，雨流計(jì)數(shù)的載荷循環(huán)數(shù)通常需要用計(jì)算機(jī)程序予以實(shí)現(xiàn)，一般程序?qū)崿F(xiàn)過(guò)程可分為數(shù)據(jù)壓縮和循環(huán)數(shù)提取兩個(gè)步驟。具體流程如圖6所示。

圖6 雨流計(jì)數(shù)程序?qū)崿F(xiàn)框圖

隨機(jī)載荷信號(hào)經(jīng)循環(huán)計(jì)數(shù)后，可得到一雨流矩陣，從而得到載荷的均值、幅值及其對(duì)應(yīng)的頻次等信息。雨流矩陣為

式中，i為雨流循環(huán)開(kāi)始點(diǎn)的載荷級(jí)別；j為雨流循環(huán)閉合點(diǎn)的載荷級(jí)別；rij為雨流循環(huán)開(kāi)始于i結(jié)束于j的循環(huán)數(shù)；u、v分別為雨流矩陣的列數(shù)與行數(shù)。

3.2 雨流計(jì)數(shù)結(jié)果

本文采用NS OFT軟件來(lái)完成載荷循環(huán)計(jì)數(shù)工作，分別生成均值、幅值的二維頻次統(tǒng)計(jì)直方圖，如圖7所示。

對(duì)于雨流計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)頻次分布，根據(jù)統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)，確定出載荷均值符合正態(tài)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(kuò)展

4.1.1 載荷測(cè)試工況合成

輪式裝載機(jī)在不同工況下，其工作載荷有明顯區(qū)別。根據(jù)使用統(tǒng)計(jì)，裝載機(jī)作業(yè)對(duì)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(shí)際使用比例見(jiàn)表2。為了準(zhǔn)確反映裝載機(jī)的實(shí)際工作環(huán)境，以單一某工作物料對(duì)象的試驗(yàn)測(cè)試載荷為編譜依據(jù)是不科學(xué)、不全面的，而必須按實(shí)際工作比例將裝載機(jī)各工況物料的測(cè)試載荷時(shí)間歷程予以合成。

表2 各種物料使用工況比例 %

載荷信號(hào)的合成方法采用按工況比例合并測(cè)試載荷時(shí)間歷程信號(hào)的方法，具體方法為：在上述載荷測(cè)試信號(hào)的處理階段中，取測(cè)試工作循環(huán)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(cè)試載荷樣本。

4.1.2 載荷累積頻次擴(kuò)展

裝載機(jī)傳動(dòng)系載荷測(cè)試信號(hào)選取100個(gè)工作循環(huán)，相對(duì)整個(gè)使用壽命期來(lái)講，樣本數(shù)量相當(dāng)有限，還不能代表母體中少數(shù)最大載荷的發(fā)生情況，為此，需要對(duì)合成的累積頻次進(jìn)行擴(kuò)展。依統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)，106次循環(huán)對(duì)于全部載荷具有充分的代表性，它能包括發(fā)生概率很小的最嚴(yán)重的載荷情況。所以，為再現(xiàn)更加真實(shí)的載荷歷程，需要將合成的累積頻次擴(kuò)展到106次循環(huán)，依據(jù)公式如下：

4.2 載荷極值推斷

對(duì)于輪式裝載機(jī)傳動(dòng)系載荷信號(hào)的載荷時(shí)間歷程，其每段工作載荷均值符合正態(tài)分布、幅值符合威布爾分布。在測(cè)試過(guò)程中，所取的樣本容量十分有限，也很難獲得實(shí)際工作的最大載荷，為此，需要統(tǒng)計(jì)推斷統(tǒng)計(jì)載荷的最大值，以獲得最為真實(shí)的載荷譜。載荷極值的外推可以借助曲線板外推法，但其結(jié)果具有很大的人為誤差，通常依據(jù)載荷的概率分布函數(shù)計(jì)算得到最大載荷。

本文裝載機(jī)傳動(dòng)系載荷幅值可依威布爾分布確定，其概率密度分布函數(shù)為

式中，α 為形狀參數(shù)；β 為尺度參數(shù)；ε 為位置參數(shù)。

對(duì)式（3）進(jìn)行積分，可得威布爾超值累積頻率函數(shù)：

根據(jù)式（4），可得最大載荷的計(jì)算公式為

考慮裝載機(jī)實(shí)際工作情況，傳動(dòng)系最大載荷應(yīng)發(fā)生在鏟掘裝載作業(yè)段，故只對(duì)該段載荷信號(hào)的載荷最大值做統(tǒng)計(jì)推斷。

4.3 傳動(dòng)系八級(jí)程序加載譜

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室加載需要，對(duì)于連續(xù)的載荷譜累積頻次曲線應(yīng)分級(jí)轉(zhuǎn)化為階梯形曲線，以便實(shí)驗(yàn)室程序控制加載。通常用八級(jí)階梯曲線實(shí)現(xiàn)，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(shù)進(jìn)行階梯劃分。實(shí)際編譜時(shí)，利用頻次擴(kuò)展后的載荷最大值可得到混合工況擴(kuò)展后的八級(jí)幅值及加載頻次，某段八級(jí)程序載荷譜見(jiàn)表3。

表3 某通道鏟掘裝載段八級(jí)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(guò)程中，必須充分考慮加載順序與實(shí)際工作效果相符合的程度，要求總體加載時(shí)要按照空載－鏟掘－滿(mǎn)載－卸料－空載的循環(huán)順序進(jìn)行，按照波動(dòng)中心法，先加載均值作為波動(dòng)中心，然后將幅值疊加在波動(dòng)中心上［2］。而對(duì)于每一級(jí)載荷幅值，通常根據(jù)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(jìn)行。

表4 輸出軸鏟掘裝載段八級(jí)載荷譜加載頻次表

6 結(jié)論

（1）完成了真實(shí)環(huán)境的載荷測(cè)試，獲得了載荷時(shí)間歷程信號(hào)，通過(guò)對(duì)載荷時(shí)間歷程信號(hào)的特征進(jìn)行分析，得出信號(hào)具有周期性的特點(diǎn)，而且信號(hào)頻率均在1Hz以?xún)?nèi)，信號(hào)具有隨機(jī)載荷特征。

（2）根據(jù)輪式裝載機(jī)實(shí)際工作特點(diǎn)和測(cè)試信號(hào)特征，結(jié)合其他同步測(cè)試信號(hào)，按照“空載行駛－鏟掘裝載－重載運(yùn)行－卸料”四個(gè)階段，對(duì)輪式裝載機(jī)傳動(dòng)系測(cè)試信號(hào)進(jìn)行了按段分割，然后同段合并處理，實(shí)現(xiàn)了真實(shí)工作條件下的載荷信號(hào)平穩(wěn)處理。

（3）應(yīng)用雨流計(jì)數(shù)法完成對(duì)處理后信號(hào)的載荷頻次統(tǒng)計(jì)，確定載荷均值符合正態(tài)分布、幅值符合威布爾分布，并根據(jù)實(shí)際工況，完成了100斗的工況頻次合成。

（4）根據(jù)波動(dòng)中心法編制載荷譜的需要，對(duì)各工作段的載荷幅值極值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)推斷，確定幅值最大值，完成了不等間隔系數(shù)的八級(jí)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(jī)真實(shí)工況相符。

［1］ 李雯，張承寧，宋強(qiáng)，等.混合動(dòng)力汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)二維載荷譜研究［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41（7）：21－28.

［2］ 高鎮(zhèn)同，熊峻江.疲勞可靠性［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000.

［3］ 隋福成，劉文廷.飛機(jī)等幅疲勞試驗(yàn)載荷譜編制技術(shù)研究［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2008，30（2）：266－269.

［4］ Iyyer N，Sarkar S，Merrill R，et al.Aircraft Life Management Using Crack Initiation and Crack Growth Models P－3CAircraft Experience［J］.International Journal of Fatigue，2007，29 （9／11）：1584－1607.

［5］ 湯清洪，馬吉?jiǎng)?，賈長(zhǎng)治.扭力軸多工況二維隨機(jī)疲勞載荷譜的編制［J］.振動(dòng)與沖擊，2007，26（2）：105－107.

［6］ Decker M，Savaidis G.Measurement and Analysis of Wheelloads for Design and Fatigue Evaluation of Vehicle Chassiscomponents［J］.Fatigue ＆ Fracture of Engineering Materials ＆ Structures，2002，25（12）：1103－1119.

［7］ 許純新，張?jiān)讫?具有分段作業(yè)特點(diǎn)的非平穩(wěn)隨機(jī)載荷的制譜方法研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，1993，29（2）：46－51.

［8］ 劉永臣.基于真實(shí)環(huán)境的輪式裝載機(jī)傳動(dòng)系載荷測(cè)試與平穩(wěn)處理［J］.礦山機(jī)械，2010（10）：37－39.