專利名稱：一種輪式裝載機傳動系載荷信號測試與分析處理的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工程車輛動力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計領(lǐng)域，尤其涉及一種輪式裝載機傳動系載
荷信號測試與分析處理的方法。
背景技術(shù)：
輪式裝載機作為工程機械的一種典型裝備，在工程施工領(lǐng)域起著重要作用，其性
能直接影響著工程效率與質(zhì)量。隨著現(xiàn)代裝備設(shè)計技術(shù)的全面進步，輪式裝載機的各項性
能都有了顯著提高，但產(chǎn)品整體質(zhì)量存在著動力性、經(jīng)濟性、可靠性等方面的性能差距。主
要歸因于產(chǎn)品設(shè)計與性能分析過程中，仍停留在傳統(tǒng)的靜強度設(shè)計方法上，對于動載荷考
慮不充分。故此應(yīng)在設(shè)計過程中，綜合考慮動載荷的作用過程，特別是傳動系統(tǒng)的動載荷對
裝載機動力系統(tǒng)設(shè)計與性能試驗研究的影響更應(yīng)全面考慮，以完善產(chǎn)品設(shè)計與產(chǎn)品試驗。 對于動載荷的獲取，主要依賴于現(xiàn)代測試技術(shù)，國內(nèi)外在此領(lǐng)域的研究較為成熟，
為輪式裝載機的載荷測試提供了充分條件，但輪式裝載機傳動系統(tǒng)載荷測試部位復(fù)雜，部
分測點較難實現(xiàn)，測試工作過程中必然存在各種沖擊、振動產(chǎn)生的偽信號。 由于輪式裝載機特殊的工作狀況，決定了其整個工作過程不是平穩(wěn)隨機過程，對
于輪式裝載機傳動系測試得到的載荷時間歷程，通常按各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機信號來進行時
頻分析，提取統(tǒng)計特征，因此必須對測試信號進行平穩(wěn)處理，以便準確編制載荷譜并優(yōu)化輪
式裝載機動力性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種輪式裝載機傳動系載荷信號測試與分析處理的方法，解決輪式裝載機傳動系載荷在線實測以及載荷測試信號的處理問題，盡量降低偽信號對載荷譜生成的干擾，實現(xiàn)傳動系載荷譜的真實性，將傳動系載荷譜用于輪式裝載機動力性優(yōu)化設(shè)計的虛擬試驗，精確接近裝載機真實工作環(huán)境，大幅縮短輪式裝載機性能試驗時間，提高優(yōu)化設(shè)計精度。 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是該傳動系載荷信號測試、載荷信號分析處理的具體步驟如下 其中，輪式裝載機傳動系載荷信號測試由傳動系載荷信號測試模塊完成(l)選擇ZL50輪式裝載機作為試驗機型，整機工作性能良好； (2)確定測試線路，采用"V型"行進路線，按"五段"工作循環(huán)方式采集信號，即空
載前進段、鏟掘裝載段、滿載后退段、滿載前進卸料段與空載后退段； (3)確定測試條件，按指定測試線路測試，測試不少于50個工作循環(huán)； (4)由相互聯(lián)接的信號采集器和記錄儀構(gòu)成傳動系載荷信號測試模塊，傳動系載
荷信號測試模塊完成對傳動系載荷信號的采集和記錄，信號采集器包括扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速
傳感器、電控信號記錄儀、壓力傳感器和位移傳感器；在變速箱中間軸上布置扭矩傳感器，
扭矩傳感器測試輪式裝載機發(fā)動機輸出軸扭矩；在變速箱前輸出軸上布置扭矩傳感器，測試變速箱輸出至前驅(qū)動橋扭矩；在變速箱后輸出軸上布置扭矩傳感器，測試變速箱輸出至 后驅(qū)動橋扭矩；在變速箱中間軸上布置轉(zhuǎn)速傳感器，測試裝載機發(fā)動機飛輪到變矩器間的 轉(zhuǎn)速；在裝載機變速箱上布置電控信號記錄儀，測量輪式裝載機前進檔位、后退檔位信號； 在動臂油缸大小腔布置壓力傳感器，測試動臂缸大腔壓力、動臂缸小腔壓力；在動臂油缸布 置位移傳感器，測試動臂缸位移；共9個通道得到9項載荷信號； 其中，載荷信號分析處理由載荷信號分析處理模塊完成，載荷信號分析處理模塊 對記錄儀記錄的載荷信號進行分析處理，載荷信號分析處理模塊由隨機信號的離散、濾波、 去除異常峰值、去除趨勢項和消除零漂環(huán)節(jié)構(gòu)成；載荷信號處理過程中采用同工作循環(huán)不 同工況信號分割、不同工作循環(huán)相同工況合并的方式，即把工作循環(huán)按照空載運行、鏟掘裝 載、重載運輸、舉升卸載四種工況對每個工作循環(huán)的信號進行分割，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后再分別將以 上四種工況的信號進行合并，確保所得信號為各態(tài)歷經(jīng)平穩(wěn)時間歷程。 其中，在信號采集中，考慮裝載機工作條件惡劣，采用"近程無線遙測"測試扭矩 信號，選用3套美國BINSFELD扭矩傳感器扭矩遙測系統(tǒng)，型號為TT9000 ;采用"有線測試" 測試轉(zhuǎn)速、油壓與位移信號；轉(zhuǎn)速傳感器選用霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器，型號為ZS-6-01-10L ;油 壓傳感器選用PTP503，量程不小于40Mpa，電壓輸出；位移傳感器型號選為NS-500L，精度 0. 1% ;選用16通道WS-5922系列嵌入式數(shù)據(jù)采集記錄儀。 經(jīng)測試與分析處理后得到的載荷信號可以繼續(xù)采用雨流計數(shù)雙參數(shù)法實現(xiàn)載荷 樣本載荷循環(huán)的統(tǒng)計計數(shù)，按照各工況拓展分析檢驗，確定母體分布函數(shù)，并計算母體極 值，生成各工況下載荷的均、幅值二維載荷譜，再根據(jù)工作循環(huán)生成程序加載譜，將程序加 載譜加載于輪式裝載機虛擬樣機，仿真分析輪式裝載機發(fā)動機輸出扭矩特性，輔助確定輪 式裝載機使用性能。 本發(fā)明具有以下優(yōu)點1、采用V型工作路線，分空載前進、鏟掘裝載、滿載后退、滿 載前進與卸載、空載后退五個作業(yè)段，既考慮了輪式裝載機實際作業(yè)環(huán)境與程序，又方便了 測試結(jié)果分析，并能保證載荷測量的準確性；2、可以由若干名熟練駕駛員操作，獲得工作斗 數(shù)達100斗以上的平穩(wěn)隨機數(shù)據(jù)作為載荷樣本，真實可靠，為載荷測試信號處理提供依據(jù)； 3、分析處理過程中剔除發(fā)動機與機體等振動、噪聲干擾信號，交互濾波并剔除異常峰值，保 證有用信號的真值；4、采用按工況分割與合并的信號處理方式，通過時頻分析、雨流法統(tǒng)計 生成各工況載荷均值、幅值的二維載荷譜，生成的載荷譜可應(yīng)用于輪式裝載機虛擬樣機，完 成整機動力性的虛擬試驗；5、本發(fā)明解決了目前國內(nèi)輪式裝載機傳動系載荷在線實測以及 載荷測試信號的處理問題，在此基礎(chǔ)生成的實測載荷譜為輪式裝載機功率分流研究、整機 的動力性試驗分析提供了重要依據(jù)，對提高輪式裝載機動力系統(tǒng)集成設(shè)計質(zhì)量和水平、縮 短試驗與研制周期具有重要意義。


圖1是本發(fā)明的技術(shù)解決方案的流程框圖。 圖2是本發(fā)明的輪式裝載機工作路線與工作段示意圖。 圖3是本發(fā)明的載荷信號測試示意圖。 圖4是本發(fā)明的采集的原始載荷時間歷程信號圖。 圖5是本發(fā)明的信號處理效果圖。
圖6是本發(fā)明的信號按工況分割合并效果圖。
圖7是本發(fā)明后續(xù)產(chǎn)生的某工況二維8級載荷譜圖。
圖8是本發(fā)明后續(xù)產(chǎn)生的程序加載譜。
具體實施例方式
本發(fā)明旨在應(yīng)用于輪式裝載機動力系統(tǒng)性能優(yōu)化的領(lǐng)域，在傳動系載荷信號測試、載荷信號分析處理的基礎(chǔ)上得到編制的載荷譜，將載荷譜用于輪式裝載機的優(yōu)化設(shè)計，下面結(jié)合附圖進一步說明技術(shù)解決方案，但實施例不應(yīng)理解為是對技術(shù)方案的限制，任何近似的變化都在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。 實施例如圖1所示，依以下步驟進行輪式裝載機傳動系載荷信號測試與分析處理 1.輪式裝載機載荷信號的測試按照發(fā)動機輸出扭矩、變速箱輸出至前驅(qū)動橋扭矩、變速箱輸出至后驅(qū)動橋扭矩、裝載機中間軸轉(zhuǎn)速、前進檔位、后退檔位、動臂缸大腔壓力、動臂缸小腔壓力、動臂缸位移共9項測試內(nèi)容確定測試的1-9個通道，輪式裝載機傳動系載荷信號測試按如下步驟進行 (1)選擇測試樣機、確定測試條件；選擇ZL50輪式裝載機，要求工作性能良好；準備原生土、石方、松散土作為典型裝卸料場，要求物料充足；確定樣機工作路線，載荷測試過程裝載機按"V型"行進路線，配備3名駕駛技術(shù)熟練的駕駛員，按照空載前進段、鏟掘裝載段、滿載后退段、前進卸料段與空載后退段共5段作業(yè)循環(huán)工作，每人測試不少于40個工作循環(huán)斗數(shù)；見圖2; (2)選擇測試儀器，構(gòu)建測試系統(tǒng)；裝載機工作條件惡劣，測試系統(tǒng)選用16通道WS-5922系列嵌入式數(shù)據(jù)采集記錄儀；選用3套美國BINSFELD扭矩傳感器扭矩遙測系統(tǒng)，型號為TT9000，配套3個測扭應(yīng)變計，對3個扭矩信號進行近程無線遙測；選用霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器，型號為ZS-6-01-10L，測試發(fā)動機輸出軸轉(zhuǎn)速；選用2個PTP503型、量程不小于40Mpa、電壓輸出的油壓傳感器，測試動臂缸大、小腔油壓信號；選用NS-500L型，精度0. 1%的位移傳感器，測試動臂缸位移；見圖3 ; (3)各測點布置與傳感器安裝；在變速箱中間軸上布置扭矩傳感器，測試輪式裝載機發(fā)動機輸出軸扭矩；在變速箱前輸出軸傳動法蘭布置扭矩傳感器，測試變速箱輸出至前驅(qū)動橋扭矩；在變速箱后輸出軸傳動法蘭布置扭矩傳感器，測試變速箱輸出至后驅(qū)動橋扭矩；在變速箱中間軸布置轉(zhuǎn)速傳感器，測試裝載機發(fā)動機飛輪到變矩器間的轉(zhuǎn)速；在輪式裝載機變速箱布置擋位傳感器，測量輪式裝載機變速箱前進檔位、后退檔位信號；在動臂油缸大、小腔布置壓力傳感器，測試動臂缸大、小腔壓力；在動臂油缸布置位移傳感器，測試動臂缸位移；共9項測試信號； (4)扭矩測試儀器的標定；確定扭矩測試儀器的各通道的標定系數(shù)，即單位電壓的扭矩值、動臂缸大小腔的壓力值、動臂油缸的位移值； (5)組裝、固定測試儀器；在制作好的固定支架上將測試儀器連接、組裝，包括遙測應(yīng)變儀、各類傳感器與數(shù)據(jù)采集記錄儀的連接，記錄儀與電腦的連接，以及電源與各測試儀器的連接； (6)載荷信號測試；依次進行原生土、石方、松散土物料下的120個工作循環(huán)，并記錄各通道數(shù)據(jù)； 2.載荷測試信號的分析處理 (1)信號預(yù)處理；測試出的輪式裝載機載荷信號為時間歷程模擬信號，即時域信號，見圖4 ;根據(jù)建立的標定系統(tǒng)對獲得的扭矩載荷進行標定，通過自功率譜分析，知測試的傳動系扭矩信號為低頻信號，將連續(xù)的載荷時間歷程信號離散化，轉(zhuǎn)化為文本文件，采用低通濾波去除干擾信號及高頻成分，并利用幅值門限法去除信號的奇異峰值，使處理后信號純凈，見圖5; (2)信號按工況分段處理；根據(jù)通道5、6的檔位信號，判斷前進、后退段起點；依據(jù)通道7、8的動臂缸壓力信號，判斷鏟掘裝載段起點；依據(jù)通道9的動臂缸位移信號，判斷卸料段起點；將空載前進、后退作為空載行駛工況，將鏟掘裝載段做為鏟掘裝載工況，將滿載后退、滿載前進作為滿載運行工況，將卸料段作為卸載工況，把每個工作循環(huán)中的空載行駛工況、鏟掘裝載工況、滿載運行工況、卸載工況的同段數(shù)據(jù)合并、調(diào)零，通過功率譜分析，確定每個工況載荷信號為各態(tài)歷經(jīng)隨機過程，經(jīng)分割再合并的平穩(wěn)隨機時域信號經(jīng)過分析與格式轉(zhuǎn)換，符合裝載機工作實際，見圖6。 在傳動系載荷信號測試與分析處理的基礎(chǔ)上，可以進行后續(xù)的載荷譜編制及虛擬試驗仿真分析對每個工作段數(shù)據(jù)文件應(yīng)用雨流計數(shù)法進行載荷計數(shù)統(tǒng)計，得到樣本均、幅值載荷循環(huán)統(tǒng)計直方圖，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計理論檢驗均值符合正態(tài)分布，幅值符合威布爾分布，確定測試載荷隨機過程母體的極值，及載荷譜分級級數(shù)，生成二維載荷譜，見圖7 ;以總體均值為靜載荷、以各級幅值為變幅動載荷，得到程序加載譜；按照載荷工況，每工況以"低_高_低"次序，見圖8 ;通過仿真環(huán)境設(shè)置，為輪式裝載機虛擬樣機加載程序加載譜，分析輪式裝載機工作特性，確定裝載機動力性能參數(shù)及功率分流狀況。
權(quán)利要求
一種輪式裝載機傳動系載荷信號測試與分析處理的方法，其特征在于該傳動系載荷信號測試、載荷信號分析處理的具體步驟如下其中，輪式裝載機傳動系載荷信號測試由傳動系載荷信號測試模塊完成(1)選擇ZL50輪式裝載機作為試驗機型，整機工作性能良好；(2)確定測試線路，采用“V型”行進路線，按“五段”工作循環(huán)方式采集信號，即空載前進段、鏟掘裝載段、滿載后退段、滿載前進卸料段與空載后退段；(3)確定測試條件，按指定測試線路，測試不少于50個工作循環(huán)；(4)由相互聯(lián)接的信號采集器和記錄儀構(gòu)成傳動系載荷信號測試模塊，傳動系載荷信號測試模塊完成對傳動系載荷信號的采集和記錄，信號采集器包括扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、電控信號記錄儀、壓力傳感器和位移傳感器；在變速箱中間軸上布置扭矩傳感器，扭矩傳感器測試輪式裝載機發(fā)動機輸出軸扭矩；在變速箱前輸出軸上布置扭矩傳感器，測試變速箱輸出至前驅(qū)動橋扭矩；在變速箱后輸出軸上布置扭矩傳感器，測試變速箱輸出至后驅(qū)動橋扭矩；在變速箱中間軸上布置轉(zhuǎn)速傳感器，測試裝載機發(fā)動機飛輪到變矩器間的轉(zhuǎn)速；在裝載機變速箱上布置電控信號記錄儀，測量輪式裝載機前進檔位、后退檔位信號；在動臂油缸大小腔布置壓力傳感器，測試動臂缸大腔壓力、動臂缸小腔壓力；在動臂油缸布置位移傳感器，測試動臂缸位移；共9個通道得到9項載荷信號；其中，載荷信號分析處理由載荷信號分析處理模塊完成，載荷信號分析處理模塊對記錄儀記錄的載荷信號進行分析處理，載荷信號分析處理模塊由隨機信號的離散、濾波、去除異常峰值、去除趨勢項和消除零漂環(huán)節(jié)構(gòu)成；載荷信號處理過程中采用同工作循環(huán)不同工況信號分割、不同工作循環(huán)相同工況合并的方式，即把工作循環(huán)按照空載運行、鏟掘裝載、重載運輸、舉升卸載四種工況對每個工作循環(huán)的信號進行分割，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后再分別將以上四種工況的信號進行合并。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輪式裝載機傳動系載荷信號測試與分析處理的方法，其特征在于其中，在載荷信號測試中，考慮裝載機工作條件惡劣，采用"近程無線遙測"測試扭矩信號，選用3套美國BINSFELD扭矩傳感器扭矩遙測系統(tǒng)，型號為TT9000 ;采用"有線測試"測試轉(zhuǎn)速、油壓與位移信號；轉(zhuǎn)速傳感器選用霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器，型號為ZS-6-01-10L ;油壓傳感器選用PTP503，量程不小于40Mpa，電壓輸出；位移傳感器型號選為NS-500L，精度`0. 1% ;選用16通道WS-5922系列嵌入式數(shù)據(jù)采集記錄儀。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種輪式裝載機傳動系載荷信號測試與分析處理的方法，輪式裝載機傳動系載荷信號測試由傳動系載荷信號測試模塊完成，相互聯(lián)接的信號采集器和記錄儀構(gòu)成傳動系載荷信號測試模塊，載荷信號分析處理由載荷信號分析處理模塊完成，載荷信號分析處理模塊對記錄儀記錄的載荷信號進行分析處理；本發(fā)明解決輪式裝載機傳動系載荷在線實測以及載荷測試信號的處理問題，盡量降低偽信號對載荷譜生成的干擾，實現(xiàn)傳動系載荷譜的真實性，將傳動系載荷譜用于輪式裝載機動力性優(yōu)化設(shè)計的虛擬試驗，精確接近裝載機真實工作環(huán)境，大幅縮短輪式裝載機性能試驗時間，提高優(yōu)化設(shè)計精度。
文檔編號G01M99/00GK101788398SQ20101011960
公開日2010年7月28日 申請日期2010年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月3日
發(fā)明者劉永臣, 孫麗, 常綠 申請人:淮陰工學(xué)院