挖掘机液压泵载荷分析及编谱方法研究.pdf

试验 - 研究 T e s t a n d R e a s e a r c h 挖掘机液压泵载荷分析及 编谱方法研究 李莺莺 ， ， 杨清淞 ， ， 刘志东 ， 侯超 ’ ， 邓伟倩 ’ ， 许睿 ’ ， 刘沛 ’ ， 屈殿森 1 ． 天津工程机械研究院； 2 ． SE W一工业减速机 天津 有限公司 摘要 I 进行挖掘机液压元件的可靠性试验研究首先要获得其实际工况载荷谱。 对挖掘机液压泵的载荷进行采集， 经过载荷数 据分析和处理， 采用雨流法对液压泵压力载荷进行分段计数统计， 并采用非参数估计的方法将载荷谱外推至全生命周期。经过 对载荷谱的简化处理， 最终得到适用于液压泵可靠性台架试验的试验加载谱。 关键词 挖掘机 ； 液压泵； 载荷谱； 试验加载谱 进行液压泵可靠性分析 、 试验方法等方面的研究 ， 首 先需要获取液压泵的载荷谱， 并以此为基础 ， 开发符合实 际工况的液压泵可靠性试验方法。 1 液压泵载荷数据的采集 挖掘机用液压泵的受载 情况主 要由其双泵的 出口 压 力表征。对液压泵的整体情况进行分析 ， 除了需要采 集双泵 出口压 力外 ， 还需要获得双 泵出 口流量 、 泵 的二 次调节压 力等参数 ，此外还需要 结合挖掘机的工作状 态 ， 同步记录载荷发生时在一个工作循环内所处 的工作 段 。 因此， 要对 挖掘机动臂液压缸 、 斗杆液压缸和铲斗液 压 缸的位移 ，以及挖 掘机的回转角度进行 同步数据采 集。液压缸行程的测量可 以采用拉绳式位移传感器 ， 挖 掘机 回转 角度 的测量 可以采用非接触式的磁性位 移传 感器进行 间接测量 。 液压泵载荷测试系统的构成如图 1 所示 ，液压泵的 压力信号属于低频信号， 选择 l O r n s 的采样周期足以保证 采集到的信号不失真。 图 2为泵 1 出口压 力p 和泵 2出口压力 p 在连续 两个工作循环下的曲线， 信号呈明显的周期性变化 ， 通过 同时采集的动臂液压缸行程位移 、斗杆液压缸行程位 移 D 、铲斗液压缸行程位移 D 和上车的回转 角度 A 的 变化趋势 ，可以分辨 出挖掘机一个工作循环的挖掘 、 提 升 、 回转 、 卸料 、 返回和下放的 6 个工作段 ， 以便于对载荷 信号进行分析。 2 载荷数据的分析 2 _ 1 样本容量的确定 挖掘机液压泵工作过程的实测信号明显地随 6 段作 业工况的循环变化而周期性地重复。因此可将一个完整 作者简介 李莺莺 1 9 7 9 一 ， 女， 吉林桦甸人 ， 高级工程师， 博士， 研究方向 工程机械载荷谱和节能技术。 i 杠 敞 { 加 1 5 _2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 试验 - 研究 T e s t a n d R e a s e a r c h 的 3 阶 B u t t e r w o r t h 巴特沃斯 低通滤波器进行滤波。 图 4 所示为压力信号滤波前后变化对比。 图 4 压 力信号滤波前后变化对 比 2 ． 3 载荷特征分析 将挖掘机典型的挖掘装载作业所包含的挖掘 、 提升、 回转 、 卸料 、 返回、 下放等 6 个工作段分别用 V 1 ， V 2 ， V 3 ， V 4 ， V 5 ， V 6表示 ， 不同工作段的载荷差异很大 ， 分段作业 的特性非常明显。应以工作段为基本单位进行载荷特征 分析和载荷谱的编制 ， 见图 5所示。 3 0 专 2 0 l 0 0 8 4 8 6 8 8 9 0 9 2 9 4 9 6 ds 图 5 载荷信号工作段的划分 各工作段划分的具体方法是 根据泵 1 和泵 2出口 压力的采集信号 ， 同时参照动臂液压缸行程位移 、 斗杆液 压缸行程位移 、铲斗液压缸行程位移和上车的回转角度 信号进行综合判断。V 2 段为动臂提升段 ， 根据挖掘机的 液压原理 ， 提升段双泵合流 ， V1 和 V 2 段的时间区分发生 I l 删 5 _2 在双泵压力开始相 同的时刻 ； V 2和 V 3 段 的时间区分发 生在双泵压力开始不 同的时 刻； V 3 和 V 4的时间区分发 生在回转角度信号变化率降低且泵 2 压力开始突然上升 的时刻 ； V 4 和 v 5的时间区分发生在回转 角度信号开始 变化且泵 1 压力开始突然上升 的时刻 ； V 5 和 V 6的时间 区分发生在动臂液压缸位移开始降低且泵 1 压力开始突 变上升的时刻 ； V 6 和 v 1 的时间区分根据 3 个液压缸的 位移判断， 发生在位移开始增大且泵 1 压力突增时刻。 工作段划分完毕后 ，将同一次测试同一测点相同工 作段的载荷信号进行连接 ， 以实现载荷信号的分段处理 。 图 6 所示为 3 个连续作业循环 v 5 工作段信号数据连接 前后的对比图。不同工况下各工作段 的载荷特征如表 1 所示。 a 数据连接前 b 数据连接后 图 6 同一工作 段载 荷信 号的连接 3 基于雨流计数的载荷统计 对随 机载荷进行统计处理的方法主要 有功 率谱法 和计数法 。 前者主要是通过快速傅立叶变换得到载荷的 功率谱密度 函数 ； 后者是将载荷时 间历程简化为有限个 全循环或半循环 ， 得到表征载荷量值及其出现次数关系 的载荷频次图。 如果从功率谱密度函数图上发现载荷处 于高频段 ，则用功率谱密度函数曲线和数值作为载荷 谱。 如果载荷处于低频段 ， 根据现有理 论认为 ， 在此情况 下 ， 零件的损伤只 与幅值 的大 小和频次有关 ， 需作 计数 分析 。泵压力载荷功率主要集中在 2 Hz 以内 ， 应对其进 行计数统计 ∞ M m 64 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 缸 械 第4 6 卷 I 第 2 期 总第 4 9 6期 表 1 不 同工况各工作段的载荷特征 MP a 物 载荷 工作段 料 特征 挖 掘 提 升 回转 卸料 返 回 下放 _ 均值 1 5 ． 8 4 1 5 ． 1 6 2 4 ． 0 2 1 6 _ 3 6 2 3 ． 0 4 1 4 ． 2 1 级 土 标准 7 ． 2 l 1 ． 8 3 6 ． 0 8 5 ． 3 7 6 ． 6 0 8 ． 0 1 壤 差 二 均值 1 6 - 3 9 1 6 ． 2 1 2 4 - 3 l 1 7 ． 6 6 2 2 ． 9 7 1 5 ． 0 5 级 土 标准 5 _ 3 6 1 ． 1 4 4 ． 6 2 4 ．8 4 6 ． 4 5 9 ． O 6 壤 差 四 均值 2 0 ． 3 4 1 5 ． 9 7 2 5 ． 7 5 1 7 ． 7 5 2 3 ． 9 7 1 6 ． 1 5 级 土 标准 8 ．1 9 1 ． 3 9 5 ． 4 4 4 ．9 2 5 ． 9 1 9 ． 8 1 壤 差 国内外普遍认为符合疲劳损伤规律的一种计数法是 雨流计数法， 该方法根据所研究材料的应力一 应变行为进 行计数 ，可记录材料 的应 力一 应变循环 中的所有迟滞 回 环。 每个迟滞回环是疲劳计算的基础， 它代表了 1 次载荷 作用的循环 。本项 目采用雨流计数法对泵的 出口压力载 荷信号进行计数处理。雨流计数法是建立在封闭的应力 一 应变迟滞回线基础上进行逐个计数 的， 雨流计数法的原 理如图 7所示。 应变 A I I I I E I I I 1 、 、 l ， j I ； ,／ , 1 ． i l 1／应 娈 ／ A G E 图 7 雨流计 数法原理 用这种方法计数时 ，把应变时间历程曲线顺时针旋 转 9 0 。放置 ， 想象有一系列宝塔形屋顶 ， 雨流从屋顶开始 流下 ， 在流到峰值处 即屋檐 竖直 下滴并继续往下流 ， 当 雨流与屋檐处竖直下滴的雨流相遇后就形成一个完整循 环。例如图 7 中 A点外侧雨流经过 A点竖直下滴 ， A点 内侧雨流经过 B点下滴继续往下流 ， 经过 D点下滴结束， 形成半循环 A - D， 之后 ， 雨流 由 D点开始经过 E ， G两点 下滴与A点外侧下滴雨流重合 ， 这样半循环 A D与半循 环 D - A， 就形成一个完整循环 。 经过雨流计数后 ，每个迟滞回环有 3 种特性最大 值、 最小值和载荷加载方向。 雨流计数的结果为二维计数 结果 ，可 以用“ Ra n g e Me a n ”型 即 幅值 均 值 型 、 “ F r o m T o ” 型 即初值 终值型 等不同形 式的矩阵来表 示。其中， “ 幅值均值” 型应用最为广泛， 而“ 初值终值” 类 型的矩阵由于保留了迟滞回环的上述 3 种特性 ，保 留的 信息最多 ， 目前越来越多地受到人们的关注 。 本项 目分别 采用这两种方式对计数结果进行表征。一般认为载荷变 程值小于载 荷历程极差 最大应 力幅一 最小应力幅 5 ％ ～1 0 ％ 的载荷历程不能构成疲劳损伤 ，本项 目将载荷变程 值小于历程极差 5 ％的载荷循环进行了压缩处理。 鉴于篇 幅 ， 图 8 和图 9 仅表示了三级土壤物料工况下 ， 泵 1 压力 姆 5 6 个 5 0 ．4 4 4． 8 3 9 ． 2 3 3 ． 6 2 8 ．O 2 2 ．4 l 6 ．8 l J ．2 5 ． 6 0 O 4 O 个 3 6 3 2 2 8 2 4 2 0 l 6 l 2 8 4 0 图 8 三级土壤工况泵 1 压力载荷雨流统计结果 2 0 1 5 ‘2 I 工 稚 杠 拭} 1 7 2 w ， 趔犀 ∞ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 试验 - 研究 T e s t a n d R e a s e a r c h 2 蚕 4 0 v2 段 图 9 三级土壤泵 1压力载荷 不同作业段 的雨流统计结果 载荷“ 幅值均值” 和 “ 起点终点 ” 形式的雨流计数结果 ， 以 及分工作段计数的结果。 4 载荷谱的编制 4 ． 1 载荷谱的外推 在挖 掘机有 限作业斗数 内采集的泵 出口压 力信号 只能代表设计寿命 中很小的一部分 ， 必须采用数理统计 的方法对子样进行分析，推断出全寿命周期内的载荷 谱 。经验理论一般 认为 ， 1 0 6 次载荷循环对于包括很少发 生的最严重情况在 内的全部载荷具有足够 的代表性 ， 相 当于疲劳极限寿命 ， 因此必须对合成的累积频次扩展到 1 0 次循环 ，以便得到在 总寿命 中可能出现的更加真实 的载荷历程。 18 I 霏 杠 械 l 2口15 ．2 雨流矩阵统计中采用的参数化方法 ，是将雨流矩阵 看作均值和幅值构成的二维随机变量 ，检验两个变量的 相关性后， 认为它们是相互独立的 ， 可以用联合分布来描 述其统计特征。 但由于载荷的随机性 ， 每次试验的载荷谱 形状各异 ， 很难用某个分布函数来表达它的特征 ， 从挖掘 机液压泵的前泵压力载荷雨流计数结果可 以看 出，其具 有多峰的特性， 难以采用某一分布函数来表达它的特征 ， 采用参数 估计的方法进行泵压 力载荷 谱的外推并不适 用。采用非参数估计的方法进行载荷谱的外推不仅可以 得到全生命周期内每个载荷循环可能 出现 的频次 ，而且 能够保证每个迟滞回环的结构不被破坏。 非参数估计的具体算法如下 假设 为数据点施的函数值， i 1 ， 2 ， ⋯， Ⅳ， 伴随的 个 个 个 加 憾 M 8 6 4 2 O加 m 8 6 4 2 0加 M m 8 6 4 2 0 l曩 几 HU U ■ l■爵 豳 HU HU ●■ ■藤 ㈠ HUH U㈠■ I 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 杠 拭 第4 6 卷 I 第2 期 总第 4 9 6期 随机测量误差为 ， 则 口 ] 以得到以 F 方程 y 1 如果 为连续平滑函数 ， ． 1j f 在任意点 附近非常 小的区间 u 内的估计值 可以表示为 佃 Y 2 其中 为集合{ ∈u x 的基数。 考虑到戡对 的 不同影响， 应对， 的估计值进行加权修正。 l∑ y 3 其中 ∑∞ 1 。 选择核函数 k u ， 在确定合适的带宽h后， 核函数可 以进行比例放大和平移 k h M 1 U一 ， 7 4 则归一化的加权函数 ∞ 可以写成 ； 5 1 。 ．i} 估计函数可以表示成 墼 6 1 全生命周期内的载荷都可以采用上面方法估计。 常用的核函数有 G a u s s i a n 高斯 函数和 E p a n e c h - n i k o v函数 ， 这两个核函数的一维表达式为 高斯核函数 “ 。 7 、 ／ 2 E p a n e c h n i k o v 核函数 {} 1 ’ l“ 8 ．j}“ { 4 一 。⋯ 8 【0 ， J H I 1 将全生命周期累积频次按照各工况的比例进行分配 ， 求出各工况中的6 个工作段的累计频次和， 按照下式计算 各工况的载荷谱外推系数 ， 同一工况的各段载荷谱外推系 数相同 h 堡 f 9 、 ’一 ‘ 6 、 ∑ 』 _ ’ J 1 式中 为第 i 个工况所 占挖掘机作业的比例 ； 为第 i 个 工况的载荷谱外推系数 ； 为第 i 个工况 中第 工作段的 累积频次。 借助 n c o d e 软件数据处理模块可以实现载荷谱外推的 计算]c 兀 友 理， 得到不同工况不同工作段的载荷谱。图 1 0 为 三级土壤工况下 ， 泵 1 出口压力载荷挖掘段的外推对比图 ， 可以看出，外推后随着样本的增加 ，不仅载荷的频次增加 了， 载荷谱的极值也有所增加。当样本增加后， 极限工况的 可能性就会增加 ， 从而载荷会出现极值的概率也增加了。 图 1 O 压 力载荷外推对比图 4 ． 2 载荷谱的合成 挖掘机液压泵压力载荷的测试共进行了 3 种工况 二 级土壤 、 三级土壤 、 四级土壤 的数据采集 ， 每种作业工况 又分成了6 个工作段。按照 3 4 3 的比例计算对应于全生 命 周期不 同作业工况的外推系数 ，分别进行载荷谱的外 推 。 将得到的 1 8 个载荷雨流矩阵进行叠加 ， 即可得到挖掘 机液压泵在不同工作段下对应的全寿命累积载荷 。图 1 1 为 3 种物料工况混合后的挖掘机液压泵前泵在挖掘段 的 合成载荷谱 。 5 试验加载谱的编制 为了保证 台架加载试验的真实性 ， 液压泵可靠性试验 台架上应用的试验加载谱， 无论从概率统计还是损伤等效 的角度都要与真实的现场载荷相一致 ， 也就是要能够最大 程度再现实际作业载荷 。 2 0 1 5 ’2 I 工 霏 缸 械l 1 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 试验 - 研究 T e s t a n d R e a s e a r c h 蠡 酶 图 1 1 多工况混合载荷谱图 从实用性和可行性角度考虑， 首先， 载荷谱要经过处 理 ， 削减 由于载荷外推带来的超出实际情况的载荷极值。 其 次， 连续的载荷谱累积频次曲线在试验台架上很难重现， 但 可以做到足够逼近工程上的需要， 为此 ， 须将其简化为阶梯 型的累积频次曲线才便于程序控制实现。这里采用非等间 隔法 ， 按照 1 ， 0 ． 9 5 ， o ． 8 5 ， o ． 7 2 5 ， 0 ． 5 7 5 ， 0 ． 4 2 5 ， 0 ．2 7 5 ， 0 ． 1 2 5 的 比值系数将载荷幅值分为 8 个等级 ， 各级阶梯水平的幅值 是由母体推断的最大值乘以比值系数得到。 试验加载谱整体上按照 6 个工作段顺序进行加载 ， 以消除加载次序对损伤的影响。各工作段载荷采用波动 中心法 ， 即在某一均值基础上施加变幅载荷， 采用“ 低 一 高一 低” 的顺序进行加载。将 1 0 次载荷循环次数 ， 依照 特定的系数 ， 分周期实施加载。图 1 2即为根据以上原理 制定的液压泵可靠性试验加载模块 。 6 结论 综上所述 ， 编制挖掘机液压泵载荷谱包括 根据实际 2 。 I l 一．2 窭 矗 频 次 图l 2 液压泵可靠性试验加载模块 工况， 同步采集 9种状态参数作为载荷谱的原始数据 ； 利 用均值波动 和方差波动 分析 ，确定样本容量为 1 0 0 个工作循环 ；选用截止频率为 1 0 Hz 的 3 阶巴特沃斯低 通滤波器进行预处理 ；分成 6 个工作段进行特征分析和 载荷谱编制 ； 基于雨流计数法进行统计处理 ； 将合成的累 积频次外推扩展到 1 0 次循环， 得到全生命周期中更加真 实的载荷历程 ； 削减载荷极值 ， 简化为阶梯型累积频次曲 线 ， 实现 台架试验加载谱的工程化。 该方法得到的加载谱线 ，在天津工程机械研究院研 制的液压元件可靠性试验 台架上进行 了试验验证 ，试验 的过程和结果表明方法切实可行。 参考文献 【 1 ] 孙潞， 邓学钧． 移动的车辆随机荷载作用下桥梁的瞬态响应 m． 振 动与冲 击 ， l 9 9 7 1 6 2 6 8 ． 【 2 】 张英爽， 王国强， 王继新， 等． I程车辆传动系载荷谱编制 2 i 28 ] ． 农 业I程 学报 ． 2 0 1 1 ． 2 7 4 1 7 9 1 8 3 ． f 3 1 贾海波． 轮式装载机传动系载荷谱测试与编制方法研究p1 ． 长春 吉林大学． 2 0 0 9 ． 侯晓婷． 轮式装载机半轴载荷谱测试及疲劳寿命预测研究 F D I ． 长春 吉l秫大学， 2 0 0 9 王国军， 胡仁喜． 陈歇． n S O R疲劳分析理论与应用实例指导 教程【 M q ． 北京 机械I业出皈社 ． 2 0 0 7 ． 通信地址 天津北辰科技园区华实道 9 1号天津工程机械研 究院整机及节能技术研究所 收稿日期 2 0 1 4 - 0 9 - 0 6 4 4 3 3 2 2 2 2 8 4 4 4 3 3 2 2 2 2 8 4 姒 靴 姒 觎 撇 撇。撇 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m