基于雨流計(jì)數(shù)法的輪式裝載機(jī)載荷譜編制系統(tǒng)研究

高天宇，李煥良，王鵬飛，高 陽

（解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京210007）

裝載機(jī)作為常用的輪式工程機(jī)械，在建筑、礦山、交通中具有廣泛的應(yīng)用，對提高工程作業(yè)速度，減少工程作業(yè)成本，提高工程作業(yè)質(zhì)量，減低工程作業(yè)強(qiáng)度等方面發(fā)揮了重要的作用[1]。特別是在軍事方面，軍用裝載機(jī)作為一種常見的工程裝備，在執(zhí)行各項(xiàng)工程保障任務(wù)中發(fā)揮了中流砥柱的作用。

隨著國家經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展向前，我國生產(chǎn)制造能力具有了較大的提高，在裝載機(jī)械領(lǐng)域也有了迅速進(jìn)展，但與其他發(fā)達(dá)國家的產(chǎn)品相對比，我國的產(chǎn)品在性能與制造工藝水平上仍具有較大的差距。重要的零部件，如液壓缸等零部件的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家的產(chǎn)品[2]，這不僅僅影響著工程建設(shè)的進(jìn)程，同時(shí)也制約著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

國內(nèi)企業(yè)設(shè)計(jì)的方式雖然與發(fā)達(dá)國家相關(guān)公司并不太大區(qū)別，但是由于在設(shè)計(jì)階段時(shí)就缺少重要零部件的載荷數(shù)據(jù)，所以使得產(chǎn)品的壽命無法得到更好的控制[3]。所以，為了增加我國裝載機(jī)產(chǎn)品的使用壽命，提升其可靠性，獲取裝載機(jī)作業(yè)時(shí)零部件受到的真實(shí)載荷情況的工作勢在必行。針對上述需求，設(shè)計(jì)了一種基于雨流計(jì)數(shù)法的輪式裝載機(jī)載荷譜編制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)原理分析

1.1 液壓系統(tǒng)油壓采集原理

輪式裝載機(jī)作為常見的工程作業(yè)裝備，其工作環(huán)境十分惡劣，工作裝置液壓缸受到物料顆粒種類與松散度的不同而承受著復(fù)雜壓力。所以，為了更好的設(shè)計(jì)及改進(jìn)裝備性能，提升裝備壽命，必須要獲取真實(shí)有效的液壓系統(tǒng)載荷數(shù)據(jù)[4]。裝載機(jī)的作業(yè)過程，主要依靠動(dòng)臂帶動(dòng)搖臂、搖臂帶動(dòng)鏟斗進(jìn)行工作，其中搖臂油缸和轉(zhuǎn)動(dòng)油缸起到了重要作用[5]。本實(shí)驗(yàn)在裝載機(jī)搖臂液壓缸處安裝壓力傳感器，通過傳感器將物理信號轉(zhuǎn)換電信號，傳輸?shù)讲杉?jié)點(diǎn)，再由采集節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)采集終端連接來測得裝載機(jī)工作時(shí)液壓缸實(shí)時(shí)受到的壓力值。

1.2 雨流計(jì)數(shù)法原理

將載荷譜時(shí)間歷程曲線旋轉(zhuǎn)90°放置，如圖1所示。將載荷歷程看作多層屋頂，假想有雨滴沿最大波峰或波谷處開始往下流。若無屋頂阻攔，則雨滴反向，繼續(xù)流至端點(diǎn)。起始于波谷的雨流，遇到比它更低的谷值便停止；起始于波峰的雨流，遇到比它更高的峰值便停止。當(dāng)雨流遇到來自上面屋頂流下的雨時(shí)就停止流動(dòng)，并構(gòu)成了一個(gè)循環(huán)。根據(jù)雨滴流動(dòng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)，畫出各個(gè)循環(huán)，將所有循環(huán)逐一取出來，并記錄其峰谷值。每一雨流的水平長度可以作為該循環(huán)的幅值[5]。此循環(huán)中波峰值與波谷值的和的平均數(shù)為該循環(huán)的幅值的均值。

圖1 雨流計(jì)數(shù)法原理圖

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

針對輪式裝載機(jī)在作業(yè)過程中所處環(huán)境復(fù)雜多樣，受到的載荷同樣是實(shí)時(shí)變換，其載荷采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要滿足以下幾點(diǎn)要求：

（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)具有穩(wěn)定性，操作簡便，同時(shí)傳感器的安裝不應(yīng)過度復(fù)雜；

（2）系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集過程中，應(yīng)滿足實(shí)時(shí)采集裝備所受載荷情況，不應(yīng)間斷；

（3）系統(tǒng)能對采集的數(shù)據(jù)應(yīng)用雨流計(jì)數(shù)法進(jìn)行載荷譜編制。

裝載機(jī)作為一種典型的循環(huán)工作裝備，其工作過程可分為鏟裝、運(yùn)輸、卸載和返回四個(gè)工序，即將鏟斗插入到物料中，將物料裝滿，然后使鏟斗提升至運(yùn)輸階段高度，向后退出一段距離后，向前駛向卸載點(diǎn)，提升鏟斗到卸載高度，轉(zhuǎn)動(dòng)翻斗油缸將物料卸下，最后將鏟斗恢復(fù)至原位，空載返回到物料處。系統(tǒng)能夠在裝載機(jī)進(jìn)行循環(huán)作業(yè)時(shí)，同步采集到液壓缸的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并記錄存儲(chǔ)。同時(shí)，將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋到用戶操作界面，供實(shí)驗(yàn)者通過圖像觀測裝載機(jī)液壓系統(tǒng)變化情況，提供簡單的數(shù)據(jù)分析，并進(jìn)行載荷譜的編制。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

針對輪式裝載機(jī)的特點(diǎn)，結(jié)合系統(tǒng)應(yīng)滿足的相關(guān)設(shè)計(jì)要求，本文采用多個(gè)傳感器與采集節(jié)點(diǎn)來搭建采集網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

根據(jù)液壓系統(tǒng)工作原理，找出搖臂液壓缸在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的具體位置，分別在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上對液壓系統(tǒng)進(jìn)行改裝。將搖臂液壓缸油路管卸下，換上帶有油壓壓力傳感器的新油路管，如此完成對實(shí)驗(yàn)樣機(jī)液壓系統(tǒng)改裝。將油壓壓力傳感器連接到數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與電腦終端相連接，實(shí)時(shí)同步采集實(shí)驗(yàn)樣機(jī)壓力測點(diǎn)的載荷數(shù)值，實(shí)現(xiàn)對裝載機(jī)受載情況的監(jiān)控。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)利用數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)SP401，SP401基于ARM微芯片開發(fā)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集并存儲(chǔ)，并可將采集的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集終端，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與處理。節(jié)點(diǎn)SP401的結(jié)構(gòu)圖如圖3.

圖3 節(jié)點(diǎn)SP401結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 電源模塊

設(shè)計(jì)采用0~3 V和0~5 V兩種電壓保證整個(gè)電路正常運(yùn)轉(zhuǎn)，節(jié)點(diǎn)中內(nèi)置一塊500mh的蓄電池，可以滿足0~3 V或0~5 V電壓的需要，為整個(gè)電路供電。

3.2 電壓放大模塊

電壓放大模塊為整個(gè)硬件設(shè)計(jì)的核心部分，實(shí)驗(yàn)過程中，傳感器與節(jié)點(diǎn)相連，由于受到實(shí)裝空間大小的制約，不利于節(jié)點(diǎn)的安裝和固定。通過在模塊中安裝120Ω~1000Ω的電阻，利用放大調(diào)理電路和改變接線的順序，實(shí)現(xiàn)1/4橋，半橋，全橋三種不同測量方式，以滿足不同接線方式和接線距離的需要。本實(shí)驗(yàn)利用四分之一橋的連接方式，避免了節(jié)點(diǎn)與傳感器連接距離不足帶來的不良影響。

3.3 采集處理模塊

集成以ARM微芯片的數(shù)據(jù)采集處理模塊，可以對傳感器傳輸來的電信號進(jìn)行連續(xù)采集，并內(nèi)置Butterworth濾波器對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，且保證同步精度不低于0.1 ms.

3.4 存儲(chǔ)模塊

當(dāng)輪式裝載機(jī)正常工作時(shí)，需要實(shí)時(shí)采集各個(gè)測點(diǎn)所受載荷情況。存儲(chǔ)模塊將采集處理模塊采集到的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在容量為2M的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，以備數(shù)據(jù)的輸出與利用。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

利用VB語言進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸終端軟件設(shè)計(jì)，將節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)輸出到電腦顯示屏上，實(shí)現(xiàn)友好性操作。系統(tǒng)軟件總體流程如下。

首先，電腦開機(jī)后，點(diǎn)擊圖標(biāo)進(jìn)入軟件系統(tǒng)界面。安裝數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與傳感器相連，與之建立通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

其次，修改采集數(shù)據(jù)參數(shù)，包括數(shù)據(jù)采集的開始時(shí)間、數(shù)據(jù)采集頻率、電阻橋的連接方式、電橋靈敏度等參數(shù)，完成數(shù)據(jù)采集前準(zhǔn)備。

最后，點(diǎn)擊軟件同步采集按鈕，開始對各個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)載荷數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)同步采集，并通過曲線圖或者圖標(biāo)進(jìn)行顯示，方便使用者對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。圖4為實(shí)驗(yàn)采集過程中軟件顯示界面。

圖4 軟件顯示界面

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)采集并儲(chǔ)存同一時(shí)間，同一工況下，液壓缸所受載荷情況。實(shí)驗(yàn)選取了“V”作業(yè)方式。整個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行45個(gè)循環(huán)作業(yè)，采集到兩個(gè)搖臂油缸液壓值各43組有效數(shù)據(jù)。以其中一個(gè)搖臂油缸油壓值為例，采集到的載荷數(shù)據(jù)值如圖5所示。

圖5 搖臂油缸油壓值波形圖

通過雨流計(jì)數(shù)法，對采集到的數(shù)據(jù)利用線性回歸最小二乘法，得到載荷的幅值-頻次直方圖和均值-頻次直方圖[6-7]，如圖6所示，幅值-頻次直方圖服從威布爾分布，均值-頻次直方圖服從正態(tài)分布，故采集到的數(shù)據(jù)真實(shí)有效，滿足實(shí)驗(yàn)預(yù)期效果，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

Conover發(fā)現(xiàn)將載荷譜分成8級可以精確地反映其疲勞效應(yīng)。故將幅值按 1.000、0.950、0.850、0.725、0.575、0.425、0.275、0.125 進(jìn)行分級。將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分級，得到8級均幅值載荷譜，如表1.其中表格中間8×8數(shù)據(jù)代表頻次。8級均幅值載荷譜的編制，對輪式裝載機(jī)液壓缸臺架實(shí)驗(yàn)提供了數(shù)據(jù)支撐。

圖6 裝載機(jī)搖臂油缸幅值與均值直方圖

表1 8級均幅值載荷譜

6 結(jié)束語

本文研究開發(fā)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的輪式裝載機(jī)載荷數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了對裝載機(jī)工作過程中液壓系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)各個(gè)測點(diǎn)受載數(shù)值的同步采集，滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)。同時(shí)還具有良好的人機(jī)交互界面和數(shù)據(jù)分析能力，使用戶可以更便捷的對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊為研究裝載機(jī)受載情況，并編制了8級均幅值載荷譜，為分析裝載機(jī)零部件壽命情況提供了大數(shù)據(jù)支持，同時(shí)也為裝載機(jī)的改進(jìn)改型提供了數(shù)據(jù)支撐。

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