董劍南，萬(wàn)一品，陳樂(lè)樂(lè)，宋緒丁

ZL 50輪式裝載機(jī)輪邊減速器載荷譜編制方法

董劍南，萬(wàn)一品，陳樂(lè)樂(lè)，宋緒丁

（長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)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(jī)在五種物料工況下工作時(shí)的半軸扭矩，對(duì)采集到的五種工況下的扭矩信號(hào)進(jìn)行了預(yù)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(jì)頻次推至106，最后建立了一維8級(jí)載荷譜。為了縮短試驗(yàn)時(shí)間，對(duì)載荷譜做了強(qiáng)化處理。

輪邊減速器；載荷譜；外推；強(qiáng)化

裝載機(jī)廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、建筑、水電、港口、礦山等建設(shè)施工。由于這些工作環(huán)境條件惡劣，傳動(dòng)系受到復(fù)雜交變載荷，而輪邊減速器作為傳動(dòng)系最后一級(jí)減速增扭裝置[1]，受到來(lái)自半軸的扭矩最大，容易出現(xiàn)疲勞失效，因此需要對(duì)其進(jìn)行疲勞壽命分析。采用基于實(shí)測(cè)載荷譜的疲勞壽命分析，能更準(zhǔn)確估計(jì)其使用壽命[2]。因此本文根據(jù)前期的實(shí)測(cè)載荷譜編制了一維8級(jí)試驗(yàn)加載譜。

1 數(shù)據(jù)處理

1.1 數(shù)據(jù)采集

通過(guò)對(duì)裝載機(jī)作業(yè)工況的調(diào)研，裝載機(jī)主要對(duì)粘土、小石方、鐵礦粉、砂、大石方進(jìn)行作業(yè)，并確定了各工況的作業(yè)時(shí)間比例：粘土30%、小石方20%、鐵礦粉10%、砂20%、大石方20%.在四個(gè)半軸上粘貼應(yīng)變片，應(yīng)變片將扭矩信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。由于半軸為旋轉(zhuǎn)件，無(wú)法采用有線設(shè)備來(lái)采集數(shù)據(jù)，本次實(shí)驗(yàn)對(duì)半軸的扭矩信號(hào)采用無(wú)線方式來(lái)收集，具體方案請(qǐng)參考前期論文[3]。

1.2 原始數(shù)據(jù)前處理

運(yùn)用MATLAB軟件編制相關(guān)程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)零、去零漂、去奇異值、小波壓縮等處理。過(guò)程如下：

首先，調(diào)零處理。在處理數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，有時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)整體偏移零點(diǎn)一個(gè)相同值，對(duì)原始數(shù)據(jù)加（減）該值，即完成了對(duì)數(shù)據(jù)的調(diào)零處理。其次，去零漂。扭矩值存在一個(gè)明顯的高于或低于原固定值的一個(gè)變化趨勢(shì)，這類現(xiàn)象稱為零點(diǎn)漂移，利用編制的MATLAB程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行去零漂處理。然后，去奇異值。由于周圍環(huán)境對(duì)測(cè)試信號(hào)的影響，得到的實(shí)測(cè)的扭矩值存在一些誤差，如：信號(hào)數(shù)據(jù)不符合正常規(guī)律的突然變化現(xiàn)象，稱之為奇異值，這嚴(yán)重干擾了對(duì)數(shù)據(jù)的分析與處理，因此，利用梯度門限法編寫MATLAB程序，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去奇異值處理；最后，小波壓縮。一個(gè)實(shí)測(cè)的隨機(jī)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(gòu)成疲勞損傷的二、三級(jí)波和一些高階小量循環(huán)，稱之為無(wú)效幅值，一般將隨機(jī)載荷歷程極差（最大應(yīng)力幅-最小應(yīng)力幅）的5%～10%認(rèn)為是無(wú)效幅值，在統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)前要舍棄這些值，也就是進(jìn)行小波壓縮處理，具體方案請(qǐng)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(shù)法外推、雨流矩陣外推、時(shí)域外推、里程外推4種方法。參數(shù)法外推雖得到均幅值的概率分布，方便計(jì)算，但并未實(shí)現(xiàn)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(shù)法外推的缺點(diǎn)，可以外推得到影響部件疲勞壽命的大載荷，可是外推過(guò)程過(guò)于復(fù)雜；時(shí)域外推利用POT（Peak-Over-Threshold）模型提取極值，POT基于GPD（Generalized Pareto Distribution）對(duì)超過(guò)閾值的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，這些超過(guò)值服從GPD分布，可以得到更加真實(shí)的載荷譜，但其對(duì)錯(cuò)誤的修正能力欠佳；里程外推操作簡(jiǎn)單，考慮了不同工況帶來(lái)的載荷差異，更加貼近裝載機(jī)的實(shí)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(shù)據(jù)累計(jì)頻次外推至106，106次循環(huán)能足夠代表包括很少發(fā)生的最嚴(yán)重情況在內(nèi)的全部載荷，并輸出64級(jí)均幅值載荷矩陣。

2 編制強(qiáng)化載荷譜

通過(guò)對(duì)半軸的實(shí)際受力情況分析，可以發(fā)現(xiàn)半軸扭矩并不是對(duì)稱循環(huán)，所以輸入到輪邊減速器的扭矩也不能認(rèn)為是對(duì)稱循環(huán)，因此輪邊減速器的齒輪輪齒兩邊受力時(shí)間不同。若采用以往常用的Goodman當(dāng)量算法將載荷當(dāng)量為對(duì)稱循環(huán)，則會(huì)導(dǎo)致輪邊減速器齒輪受力不符合實(shí)際情況，給后續(xù)的疲勞試驗(yàn)結(jié)果造成誤差。本文根據(jù)半軸的實(shí)際受力情況，將載荷譜的正負(fù)載荷分開，依據(jù)各自的實(shí)際作用時(shí)間分別處理。國(guó)內(nèi)外常用等間隔法或比值系數(shù)法對(duì)疲勞試驗(yàn)載荷譜劃分為8級(jí)，本文采用等間隔法來(lái)劃分。根據(jù)對(duì)實(shí)測(cè)載荷的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)正載荷約占5/8，負(fù)載荷約占3/8，因此，可將正載荷分為5級(jí)，負(fù)載荷分為3級(jí)。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，常采用加速實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)達(dá)到縮短試驗(yàn)時(shí)間和減少實(shí)驗(yàn)費(fèi)用的目的[5]。

文獻(xiàn)[6]中材料為20CrMnTi的齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度為455 MPa，依據(jù)公式（1）、（2）、（3）可以得出彎曲疲勞強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的扭矩。

參數(shù)含義和選取方法見參考文獻(xiàn)[7]。

由式（1）、（2）、（3）可求得彎曲疲勞極限對(duì)應(yīng)扭矩為1 281.302 5 N·m，由于輪邊減速器有4個(gè)行星齒輪與太陽(yáng)輪嚙合，則半軸對(duì)應(yīng)扭矩為單個(gè)的4倍即為5 125.21 N·m.為了加快實(shí)驗(yàn)可以略去低于疲勞極限60%的小載荷，且對(duì)疲勞壽命不構(gòu)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(qiáng)化載荷譜，見表1.

依據(jù)公式（3）再對(duì)略去小幅值的載荷譜進(jìn)行載荷強(qiáng)化。

參數(shù)含義和選取方法見參考文獻(xiàn)[6]。

通常S-N曲線的斜率與材料、工藝、結(jié)構(gòu)尺寸的因素有關(guān)，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(shí)驗(yàn)載荷均增加30%.

根據(jù)公式（3）有：

N/NQ=（MQ/M）d=1.37≈6.275

6.275 為強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)化系數(shù)，則可得到表2的強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)載荷譜。

表2 載荷強(qiáng)化譜

由表1知未強(qiáng)化時(shí)累計(jì)頻次為196 241次，由表2知強(qiáng)化后累計(jì)頻次為31 274次，強(qiáng)化后的累計(jì)頻次遠(yuǎn)小于未強(qiáng)化時(shí)的累計(jì)頻次，則強(qiáng)化后的載荷譜頻次大幅的減少。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)裝載機(jī)實(shí)際作業(yè)情況的分析，選擇了更貼近裝載機(jī)實(shí)際工作情況的里程外推的方法對(duì)實(shí)測(cè)載荷進(jìn)行了106的外推。采用略去小幅值以及強(qiáng)化載荷的方法縮小了載荷頻次，完成了對(duì)輪邊減速器合成載荷譜的強(qiáng)化，有效地減少了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本。

[1]陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2]張英爽，王國(guó)強(qiáng)，王繼新，等.輪式裝載機(jī)半軸載荷譜編制及疲勞壽命預(yù)測(cè)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，41（6）：1648-1658.

[3]黃柱安，梁佳，宋緒丁，等.裝載機(jī)傳動(dòng)系載荷譜測(cè)試方法及其數(shù)據(jù)處理[J].施工機(jī)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(duì)比[J].現(xiàn)代制造工程，2011（11）：8-11.

[5]趙少汴.抗疲勞設(shè)計(jì)——方法與數(shù)據(jù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[6]張英爽.裝載機(jī)傳動(dòng)系載荷譜的測(cè)取與應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2014.

[7]濮良貴，陳國(guó)定，吳立言.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].9版.北京：高等教育出版社，2013.

[8]方瑛，吳國(guó)視，田華，等.汽車半軸程序載荷譜及強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)方法研究[J].汽車技術(shù)，1994（10）：23-26.

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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(guó)家科技支撐計(jì)劃（2015BAF07B02）

董劍南（1991-），男，四川綿陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)力仿真分析。