基于雨流計數法的輪式裝載機載荷譜編制系統研究

高天宇，李煥良，王鵬飛，高 陽

（解放軍理工大學野戰工程學院，江蘇 南京210007）

裝載機作為常用的輪式工程機械，在建筑、礦山、交通中具有廣泛的應用，對提高工程作業速度，減少工程作業成本，提高工程作業質量，減低工程作業強度等方面發揮了重要的作用[1]。特別是在軍事方面，軍用裝載機作為一種常見的工程裝備，在執行各項工程保障任務中發揮了中流砥柱的作用。

隨著國家經濟不斷發展向前，我國生產制造能力具有了較大的提高，在裝載機械領域也有了迅速進展，但與其他發達國家的產品相對比，我國的產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遠低于發達國家的產品[2]，這不僅僅影響著工程建設的進程，同時也制約著國民經濟的發展。

國內企業設計的方式雖然與發達國家相關公司并不太大區別，但是由于在設計階段時就缺少重要零部件的載荷數據，所以使得產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產品的使用壽命，提升其可靠性，獲取裝載機作業時零部件受到的真實載荷情況的工作勢在必行。針對上述需求，設計了一種基于雨流計數法的輪式裝載機載荷譜編制系統。

1 系統原理分析

1.1 液壓系統油壓采集原理

輪式裝載機作為常見的工程作業裝備，其工作環境十分惡劣，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雜壓力。所以，為了更好的設計及改進裝備性能，提升裝備壽命，必須要獲取真實有效的液壓系統載荷數據[4]。裝載機的作業過程，主要依靠動臂帶動搖臂、搖臂帶動鏟斗進行工作，其中搖臂油缸和轉動油缸起到了重要作用[5]。本實驗在裝載機搖臂液壓缸處安裝壓力傳感器，通過傳感器將物理信號轉換電信號，傳輸到采集節點，再由采集節點與數據采集終端連接來測得裝載機工作時液壓缸實時受到的壓力值。

1.2 雨流計數法原理

將載荷譜時間歷程曲線旋轉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，繼續流至端點。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。當雨流遇到來自上面屋頂流下的雨時就停止流動，并構成了一個循環。根據雨滴流動的起點和終點，畫出各個循環，將所有循環逐一取出來，并記錄其峰谷值。每一雨流的水平長度可以作為該循環的幅值[5]。此循環中波峰值與波谷值的和的平均數為該循環的幅值的均值。

圖1 雨流計數法原理圖

2 系統總體設計

2.1 系統設計要求

針對輪式裝載機在作業過程中所處環境復雜多樣，受到的載荷同樣是實時變換，其載荷采集系統的設計主要滿足以下幾點要求：

（1）系統設計應具有穩定性，操作簡便，同時傳感器的安裝不應過度復雜；

（2）系統進行數據采集過程中，應滿足實時采集裝備所受載荷情況，不應間斷；

（3）系統能對采集的數據應用雨流計數法進行載荷譜編制。

裝載機作為一種典型的循環工作裝備，其工作過程可分為鏟裝、運輸、卸載和返回四個工序，即將鏟斗插入到物料中，將物料裝滿，然后使鏟斗提升至運輸階段高度，向后退出一段距離后，向前駛向卸載點，提升鏟斗到卸載高度，轉動翻斗油缸將物料卸下，最后將鏟斗恢復至原位，空載返回到物料處。系統能夠在裝載機進行循環作業時，同步采集到液壓缸的實時數據，并記錄存儲。同時，將采集到的數據實時反饋到用戶操作界面，供實驗者通過圖像觀測裝載機液壓系統變化情況，提供簡單的數據分析，并進行載荷譜的編制。

2.2 系統設計方案

針對輪式裝載機的特點，結合系統應滿足的相關設計要求，本文采用多個傳感器與采集節點來搭建采集網絡，進行數據采集系統的設計，其結構示意圖如圖2所示。

圖2 系統結構設計示意圖

根據液壓系統工作原理，找出搖臂液壓缸在實驗樣機的具體位置，分別在實驗樣機上對液壓系統進行改裝。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，如此完成對實驗樣機液壓系統改裝。將油壓壓力傳感器連接到數據采集節點，將數據采集節點與電腦終端相連接，實時同步采集實驗樣機壓力測點的載荷數值，實現對裝載機受載情況的監控。

3 系統硬件設計

本實驗利用數據采集節點SP401，SP401基于ARM微芯片開發，可以進行數據的采集并存儲，并可將采集的數據傳輸至數據采集終端，從而進行數據的分析與處理。節點SP401的結構圖如圖3.

圖3 節點SP401結構示意圖

3.1 電源模塊

設計采用0~3 V和0~5 V兩種電壓保證整個電路正常運轉，節點中內置一塊500mh的蓄電池，可以滿足0~3 V或0~5 V電壓的需要，為整個電路供電。

3.2 電壓放大模塊

電壓放大模塊為整個硬件設計的核心部分，實驗過程中，傳感器與節點相連，由于受到實裝空間大小的制約，不利于節點的安裝和固定。通過在模塊中安裝120Ω~1000Ω的電阻，利用放大調理電路和改變接線的順序，實現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。本實驗利用四分之一橋的連接方式，避免了節點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微芯片的數據采集處理模塊，可以對傳感器傳輸來的電信號進行連續采集，并內置Butterworth濾波器對采集到的數據進行濾波處理，且保證同步精度不低于0.1 ms.

3.4 存儲模塊

當輪式裝載機正常工作時，需要實時采集各個測點所受載荷情況。存儲模塊將采集處理模塊采集到的數據儲存在容量為2M的數據存儲器中，以備數據的輸出與利用。

4 系統軟件設計

利用VB語言進行數據傳輸終端軟件設計，將節點采集到的數據輸出到電腦顯示屏上，實現友好性操作。系統軟件總體流程如下。

首先，電腦開機后，點擊圖標進入軟件系統界面。安裝數據采集節點，將數據采集節點與傳感器相連，與之建立通信，實現數據采集。

其次，修改采集數據參數，包括數據采集的開始時間、數據采集頻率、電阻橋的連接方式、電橋靈敏度等參數，完成數據采集前準備。

最后，點擊軟件同步采集按鈕，開始對各個數據采集點載荷數據的實時同步采集，并通過曲線圖或者圖標進行顯示，方便使用者對采集的數據進行操作。圖4為實驗采集過程中軟件顯示界面。

圖4 軟件顯示界面

5 實驗結果

本試驗采集并儲存同一時間，同一工況下，液壓缸所受載荷情況。實驗選取了“V”作業方式。整個實驗進行45個循環作業，采集到兩個搖臂油缸液壓值各43組有效數據。以其中一個搖臂油缸油壓值為例，采集到的載荷數據值如圖5所示。

圖5 搖臂油缸油壓值波形圖

通過雨流計數法，對采集到的數據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分布，故采集到的數據真實有效，滿足實驗預期效果，符合系統設計要求。

Conover發現將載荷譜分成8級可以精確地反映其疲勞效應。故將幅值按 1.000、0.950、0.850、0.725、0.575、0.425、0.275、0.125 進行分級。將采集到的數據進行分級，得到8級均幅值載荷譜，如表1.其中表格中間8×8數據代表頻次。8級均幅值載荷譜的編制，對輪式裝載機液壓缸臺架實驗提供了數據支撐。

圖6 裝載機搖臂油缸幅值與均值直方圖

表1 8級均幅值載荷譜

6 結束語

本文研究開發的基于物聯網技術的輪式裝載機載荷數據采集系統，不僅實現了對裝載機工作過程中液壓系統與液壓系統各個測點受載數值的同步采集，滿足系統性能指標。同時還具有良好的人機交互界面和數據分析能力，使用戶可以更便捷的對采集到的數據進行處理與分析。其數據存儲模塊為研究裝載機受載情況，并編制了8級均幅值載荷譜，為分析裝載機零部件壽命情況提供了大數據支持，同時也為裝載機的改進改型提供了數據支撐。

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