數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的混凝土泵車臂架疲勞載荷譜編制

摘要：

為對(duì)混凝土泵車進(jìn)行疲勞分析，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，提出了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的混凝土泵車臂架疲勞載荷譜編制方法。通過(guò)分析臂架傾角和夾角定義了混凝土泵車典型作業(yè)姿態(tài)。根據(jù)所選取的典型作業(yè)姿態(tài)進(jìn)行載荷信息采集，并對(duì)采集到的原始信號(hào)進(jìn)行了數(shù)據(jù)預(yù)處理，以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，令之后的疲勞載荷譜編制更具可靠性。采用參數(shù)法對(duì)測(cè)試載荷譜的幅值分布進(jìn)行了參數(shù)估計(jì)和外推，以獲得全壽命周期下的載荷譜，并用強(qiáng)化后載荷譜進(jìn)行了疲勞驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)300多臺(tái)某型號(hào)混凝土泵車所采集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的可靠性和工程實(shí)用性。該研究成果為混凝土泵車多關(guān)節(jié)臂架結(jié)構(gòu)疲勞載荷譜編制提供了參考。

關(guān)鍵詞：混凝土泵車；臂架結(jié)構(gòu)；載荷譜；疲勞試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TH39

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2024.10.018

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Data-driven Fatigue Load Spectrum Compiling of Concrete Pump

Truck Booms

LI Peng1，2，3，4 "WANG Yitang1，4" WANG Jiaqian2，3" ZHOU Peiquan2，3" YANG Liangliang1，4

SONG Xueguan1，4" ZHENG Yuebin5，6

1.School of Mechanical Engineering，Dalian University of Technology，Dalian，Liaoning，116000

2.National Key Laboratory of Hoisting Machinery Key Technology，Changsha，410013

3.Zoomlion Heavy Industry Science amp; Technology Co.，Ltd.，Changsha，410013

4.State Key Laboratory of High-performance Precision Manufacturing，Dalian，Liaoning，116000

5.Songshan Lake Materials Laboratory，Dongguan，Guangdong，523808

6.Institute of Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing，100190

Abstract： In order to analyze the fatigue of concrete pump trucks， a data-driven method of compiling fatigue load spectra for concrete pump truck booms was proposed by utilizing big data analysis technology. The typical operating posture of concrete pump trucks was defined by analyzing the angle of boom inclination and pinch angle. Then， load information was collected according to the selected typical operating posture， and data pre-processing was performed on the collected raw signals to improve the data quality and make the fatigue load spectrum more reliable afterwards. A parametric method was used to estimate and extrapolate the" amplitude distribution of the tested load spectra to obtain the load spectra under the whole life cycle， and the load spectra were strengthened for fatigue verification. The reliability and engineering practicability of the proposed method were verified by conducting tests on a large amount of data collected from 300 pump trucks of a certain model. The results provide some references for the fatigue load spectrum preparation of the multi-joint boom structure of concrete pump trucks.

Key words： concrete pump truck； boom structure； load spectrum； fatigue test

收稿日期：20231120

基金項(xiàng)目：湖南省自然科學(xué)基金（2023JJ40688）；中聯(lián)重科股份有限公司基金（HX20230163）

0" 引言

混凝土泵車是一種長(zhǎng)臂架類工程機(jī)械，具有技術(shù)含量高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，在國(guó)防、農(nóng)業(yè)、交通等行業(yè)中發(fā)揮著不可替代的作用。臂架系統(tǒng)是混凝土泵車的核心系統(tǒng)之一，其功能是將混凝土送至澆筑位置。混凝土泵車在作業(yè)過(guò)程中由于施工環(huán)境惡劣、工況多變、同時(shí)受不同交變載荷作用等因素影響，導(dǎo)致臂架結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生疲勞損傷等故障，存在較大安全隱患［1-2］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，80%以上的災(zāi)難性事故都與疲勞失效有關(guān)。隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，各行業(yè)對(duì)混凝土泵車的需求不斷增長(zhǎng)，混凝土泵車逐漸朝著輕量化、大排量和長(zhǎng)臂架的方向發(fā)展。在此背景下，國(guó)內(nèi)一些大型工程機(jī)械企業(yè)紛紛推出了超長(zhǎng)極限米段型混凝土泵車，但該類型混凝土泵車結(jié)構(gòu)受載更加嚴(yán)酷，臂架結(jié)構(gòu)存在更大的斷裂安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析和評(píng)定對(duì)修訂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和校驗(yàn)結(jié)構(gòu)疲勞性能具有重要意義。

載荷譜編制是結(jié)構(gòu)疲勞分析的基礎(chǔ)和確定結(jié)構(gòu)與使用壽命的主要依據(jù)，航天及車輛領(lǐng)域已對(duì)其開(kāi)展了大量研究，并形成了多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范［2-4］。陳亮等［5］針對(duì)無(wú)人作戰(zhàn)機(jī)的特點(diǎn)，基于有人作戰(zhàn)機(jī)編譜技術(shù)，提出了正則化代表起落編制方法。鄭松林等［6］以轎車擺臂為研究對(duì)象，提出了一種考慮具有強(qiáng)化效果載荷的程序載荷譜編制方案，為基于強(qiáng)度潛能充分發(fā)揮的汽車結(jié)構(gòu)件輕量化設(shè)計(jì)提供了試驗(yàn)技術(shù)支撐。ZHANG［7］利用損傷一致性原則，對(duì)高速列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行了載荷譜編制，并對(duì)其損傷進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。然而，在工程機(jī)械領(lǐng)域，尤其是針對(duì)混凝土泵車，尚未形成完整的載荷譜編制體系。目前，混凝土泵車載荷譜編制存在的主要技術(shù)難點(diǎn)可歸結(jié)為：混凝土泵車臂架是一種多關(guān)節(jié)組合結(jié)構(gòu)，作業(yè)姿態(tài)靈活多變。以6節(jié)臂結(jié)構(gòu)為例，即使每節(jié)臂只取10種姿態(tài)角度，也可組合成百萬(wàn)種姿態(tài)，從百萬(wàn)種姿態(tài)中確定臂架的典型作業(yè)工況，并用于臂架疲勞載荷譜編制是十分困難的。在過(guò)去幾十年里，雖然一些學(xué)者［8-12］對(duì)混凝土泵車疲勞載荷譜進(jìn)行了研究，但都是憑經(jīng)驗(yàn)任意選取幾種常用工況展開(kāi)分析，未明確試驗(yàn)過(guò)程中典型作業(yè)姿態(tài)工況的選取依據(jù)。如果典型作業(yè)姿態(tài)工況選取不合理，會(huì)導(dǎo)致后續(xù)的載荷信息采集和載荷譜編制出現(xiàn)較大偏差。

基于上述分析，為保證混凝土泵車臂架結(jié)構(gòu)安全生命周期的服役安全，以某型號(hào)混凝土泵車為研究對(duì)象，提出了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的多關(guān)節(jié)臂架結(jié)構(gòu)疲勞載荷譜編制方法。首先針對(duì)作業(yè)姿態(tài)復(fù)雜多變的問(wèn)題，提出通過(guò)臂架傾角和夾角數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析來(lái)確定泵車臂架典型作業(yè)姿態(tài)；然后根據(jù)確定的典型作業(yè)姿態(tài)進(jìn)行載荷信息采集和載荷譜編制。所用測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)源于300多臺(tái)混凝土泵車作業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，作業(yè)范圍橫跨中國(guó)20多個(gè)省（包含直轄市），持續(xù)跟蹤3～5年，累計(jì)作業(yè)時(shí)長(zhǎng)幾萬(wàn)小時(shí)，保證了結(jié)果的可靠性和有效性。疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法滿足考核需求，具有一定的工程可行性，有利于保障產(chǎn)品安全性能。

1" 典型作業(yè)姿態(tài)確定方法

混凝土泵車臂架是一種多關(guān)節(jié)臂結(jié)構(gòu)，如圖1所示。臂架載荷與臂架姿態(tài)直接相關(guān)，從無(wú)窮的臂架作業(yè)姿態(tài)中選取出典型的作業(yè)姿態(tài)是十分有必要的。根據(jù)數(shù)據(jù)采集結(jié)果，明確占比較高、時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)、載荷包絡(luò)較保守的幾種典型姿態(tài)，針對(duì)典型姿態(tài)去采集和編譜就會(huì)容易很多。混凝土泵車在施工過(guò)程中，常用的作業(yè)姿態(tài)包括水平姿態(tài)、M形姿態(tài)、拱形姿態(tài)等，如圖2所示，可以看出，不同的作業(yè)姿態(tài)具有不同的角度特征。因此，本文在行業(yè)內(nèi)首次提出了一種基于各節(jié)臂的傾角和夾角對(duì)混凝土泵車施工姿態(tài)進(jìn)行定義和劃分的方法。

1.1" 臂架傾角和夾角的定義

臂架傾角可定義為以各臂的臂根原點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)（水平線為0°），水平線旋轉(zhuǎn)至該臂節(jié)的角度。水平線以下為負(fù)（角度范圍0°～-180°），水平線以上為正（角度范圍0°～180°）。圖3為臂架傾角示意圖，各節(jié)臂傾角記為ai（i=1，2，…，6）。根據(jù)各節(jié)臂的傾角，可以計(jì)算得到相鄰各節(jié)臂之間的夾角。相鄰臂節(jié)之間夾角定義為以各臂的臂根原點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至前一臂節(jié)掃掠過(guò)的角度范圍。相鄰臂節(jié)之間的夾角記為Ai（i=1，2，…，6）。

1臂和水平面的夾角計(jì)算公式為

A1=a1（1）

2臂和1臂、3臂和2臂、5臂和4臂、6臂和5臂的夾角計(jì)算公式（此處i=2，3，5，6）為

Ai=ai-ai-1-360°+180°" ai-ai-1gt;170°

ai-ai-1+360°+180°ai-ai-1lt;-190°

ai-ai-1+180°其他（2）

4臂和3臂的夾角計(jì)算公式為

A4=a4-a3+360°+180°" a4-a3lt;-100°

a4-a3-360°+180°a4-a3gt;190°

a4-a3+180°其他（3）

1.2" 作業(yè)姿態(tài)分類方法

按照泵車作業(yè)場(chǎng)景、作業(yè)高度、作業(yè)距離等，可以將作業(yè)姿態(tài)進(jìn)一步細(xì)分為水平姿態(tài)、直升形姿態(tài)、深拱形姿態(tài)、M形姿態(tài)、常規(guī)拱形姿態(tài)等，如圖4所示。

水平姿態(tài)通常認(rèn)為需同時(shí)滿足以下條件：

-5°≤ai≤10°∩-10°≤a5≤10°（4）

i=1，2，3，4

直升形姿態(tài)通常認(rèn)為需同時(shí)滿足以下條件：

A1gt;80°∩Aigt;160°∩70°lt;a4lt;90°（5）

i=2，3，5

M形姿態(tài)通常認(rèn)為需同時(shí)滿足以下條件：臂1與臂2反向、臂2與臂3反向、臂3與臂4反向；或同時(shí)滿足臂2與臂3反向、臂3與臂4反向、臂4與臂5反向等。這里定義為

A1gt;10°∩A2gt;150°∩A3≤150°∩A4gt;185°A1gt;10°∩A2gt;150°∩A3≤150°∩A4≤185°∩

A5gt;185°A1gt;10°∩A2≤150°∩A4≤180°∩A5gt;185°A1gt;10°∩A2≤150°∩A3gt;185°A1gt;10°∩A2≤150°∩A4gt;185°A1gt;10°∩A2gt;150°∩A3gt;150°∩A4≤150°∩

A5gt;185°（6）

深拱形姿態(tài)滿足如下條件：

A1+a2+a3lt;-20°∩ailt;0°" i=4，5，6

A1+a2lt;0°∩ailt;0°i=4，5，6（7）

常規(guī)拱形姿態(tài)滿足如下條件：

A1gt;10°∩任意ailt;0°" i=3，4，5，6

A1gt;10°∩a3≤a2∩a4≤a3

A1gt;10°∩ailt;30°i=4，5，6

A1gt;10°∩Aigt;150°i=2，3，4（8）

基于混凝土泵車臂架傾角和夾角自動(dòng)采集和遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)，根據(jù)傾角和夾角數(shù)據(jù)對(duì)臂架姿態(tài)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)分析，可以獲得各作業(yè)姿態(tài)的占比。選取N種占比較高的姿態(tài)作為典型作業(yè)姿態(tài)，同時(shí)作為后續(xù)疲勞載荷譜采集和編制的基準(zhǔn)姿態(tài)。進(jìn)行作業(yè)姿態(tài)統(tǒng)計(jì)分類時(shí)，為了盡可能地避免姿態(tài)出現(xiàn)重疊和交叉，可以先統(tǒng)計(jì)和剔除水平姿態(tài)和直升形姿態(tài)，其次統(tǒng)計(jì)和剔除M形姿態(tài)，然后統(tǒng)計(jì)和剔除深拱形姿態(tài)，最后剩余的就是常規(guī)拱形姿態(tài)。

2" 疲勞載荷譜采編方法

通過(guò)姿態(tài)劃分共獲得N種典型作業(yè)姿態(tài)，分別對(duì)這N種姿態(tài)的載荷信息進(jìn)行采集處理并編制成疲勞載荷譜，其流程如圖5所示。

2.1" 數(shù)據(jù)預(yù)處理

混凝土泵車作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，信號(hào)采集過(guò)程中通常具有多種不利影響因素，如施工條件困難、測(cè)量?jī)x器失真、記錄人員失誤等，因此，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采集到的原始信號(hào)存在失真的風(fēng)險(xiǎn)。為提高載荷譜編制的可靠性，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理是不可或缺的［13-14］。鑒于此，對(duì)采集到的載荷信號(hào)依次進(jìn)行異常值處理、噪聲濾波處理、信號(hào)合成處理。

（1）異常值處理。利用孤立森林算法（isolation forest，iForest）［15］對(duì)數(shù)據(jù)中的異常值進(jìn)行判別。假設(shè)現(xiàn)場(chǎng)采集到的原始數(shù)據(jù)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后為xj（j=0，1，…，n），n為采集時(shí)長(zhǎng)。異常評(píng)分值s的計(jì)算公式為

s（x，n）=2-E（h（x））c（n）（9）

其中，E（h（x））為一組孤立樹(shù)路徑長(zhǎng)度h（x）的平均值；c（n）為給定h（x）后的平均值。當(dāng)數(shù)據(jù)中存在異常值時(shí)，對(duì)異常值進(jìn)行剔除，異常值處理后的信號(hào)定義為x^j。

（2）噪聲濾波處理。采用Butterworth模擬濾波器對(duì)噪聲進(jìn)行濾波處理，處理方式如下：

|H（w）|2=1-11+（wwc）2m（10）

其中，wc為濾波的截止頻率；m為濾波階數(shù)；H（w）為對(duì)應(yīng)的幅頻特性；w為當(dāng)前的頻率。當(dāng)wwc時(shí)，|H（w）|2趨于1，說(shuō)明高頻信息完全通過(guò)；當(dāng)wwc時(shí)，說(shuō)明對(duì)低頻信息進(jìn)行截止。

（3）信號(hào)合成處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理完以后，按照N種典型作業(yè)姿態(tài)的統(tǒng)計(jì)占比，將N種工況下的載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行比例合成，形成全姿態(tài)混合載荷譜：

L=∑Nl=1nlGl（11）

其中，L為全姿態(tài)混合載荷譜；nl為第l種典型作業(yè)姿態(tài)的時(shí)長(zhǎng)占比，由姿態(tài)統(tǒng)計(jì)分析得到；Gl為典型作業(yè)姿態(tài)l下采集到的載荷信息。

2.2" 循環(huán)計(jì)數(shù)與參數(shù)估計(jì)

對(duì)混合載荷譜進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)［16-17］，并采用波動(dòng)中心法對(duì)載荷譜均值作一元化處理。另外為了獲得全壽命周期下的載荷譜，采用參數(shù)法對(duì)測(cè)試載荷譜的幅值分布參數(shù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)和外推［18］。幅值特性通常滿足威布爾概率分布，其概率密度函數(shù)和分布函數(shù)可分別表示為

f（z）=βη（z-γη）β-1exp（-（z-γη）β）（12）

F（z）=1-exp（（z-γη）β）（13）

式中，z為應(yīng)力幅；η、β分別為尺度參數(shù)和形狀參數(shù)，η、β均為正數(shù)；γ為位置參數(shù)。

工程上一般取超值累計(jì)頻率為10-7的應(yīng)力幅為最大應(yīng)力幅，因此，根據(jù)應(yīng)力幅的概率分布就可以計(jì)算得到最大應(yīng)力幅值σmax：

1-F（σmax）=10-7（14）

2.3" 試驗(yàn)譜強(qiáng)化

考慮到低應(yīng)力循環(huán)數(shù)較多，試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，基于載荷譜損傷等效原則，將所有等級(jí)幅值全部等效到最大應(yīng)力幅值σmax處，得到強(qiáng)化試驗(yàn)載荷譜。將強(qiáng)化載荷譜作為后續(xù)試驗(yàn)加載譜，用于驗(yàn)證產(chǎn)品疲勞性能。

產(chǎn)品損傷等于所承受應(yīng)力變化范圍的q次冪與循環(huán)次數(shù)的乘積，計(jì)算公式如下：

D=aΔσqNf（15）

式中，D為損傷；a為常數(shù)；Δσ為應(yīng)力變化范圍；q為材料常數(shù)；Nf為循環(huán)次數(shù)。

強(qiáng)化比例系數(shù)B的計(jì)算公式為

B=（Nff）1q（16）

式中，f為強(qiáng)化后的試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)。

3" 工程案例分析

3.1" 臂架典型作業(yè)姿態(tài)統(tǒng)計(jì)分析

為驗(yàn)證所提方法的正確性，選取某型號(hào)混凝土泵車所采集到的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。數(shù)據(jù)來(lái)源于300多臺(tái)相同型號(hào)混凝土泵車作業(yè)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，作業(yè)范圍橫跨中國(guó)20多個(gè)省（包含直轄市），持續(xù)跟蹤3～5年，累計(jì)作業(yè)時(shí)長(zhǎng)幾萬(wàn)小時(shí)，獲得了海量的混凝土泵車臂架傾角數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)如圖6所示，采集系統(tǒng)每秒采集100個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

對(duì)所采集的數(shù)據(jù)樣本以傾角ai（i=1，2，…，6）和各節(jié)臂夾角Ai（i=1，2，…，6）為依據(jù)進(jìn)行作業(yè)姿態(tài)分類，分類結(jié)果及各類作業(yè)時(shí)長(zhǎng)占比如表1所示。

觀察表1可發(fā)現(xiàn)：常規(guī)拱形、水平、M形姿態(tài)工況占比較大，應(yīng)選取作為該型號(hào)泵車的典型作業(yè)姿態(tài)；直升形姿態(tài)占比1%，考慮到臂架姿態(tài)接近類豎直，此時(shí)臂架彎矩等載荷非常小，所以不予考慮；深拱形姿態(tài)占比1%，考慮到臂架載荷肯定小于水平姿態(tài)，保守起見(jiàn)，將深拱形姿態(tài)占比并入水平姿態(tài)；其他姿態(tài)占比2%，考慮到多數(shù)為非標(biāo)準(zhǔn)工作工況，且占比較小，對(duì)臂架疲勞壽命影響很小，所以也不予考慮。因此，本文選取常規(guī)拱形、水平、M形姿態(tài)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)。

對(duì)于水平姿態(tài)，可取臂架最大彎矩狀態(tài)作為典型作業(yè)姿態(tài)，因此各臂節(jié)水平傾角均取0°。

對(duì)于M形姿態(tài)，可取各臂節(jié)占比最多的角度作為典型作業(yè)姿態(tài)，如圖7所示， M形1臂角度分布區(qū)間主要集中在80°左右，則取80°作為M形1臂的典型姿態(tài)角度。同理，2臂到6臂分別取40°、-40°、30°、-80°和-80°。

對(duì)于常規(guī)拱形姿態(tài)，由于姿態(tài)占比較大，所以需多選幾種角度姿態(tài)作為典型作業(yè)姿態(tài)。這里按照低拱、中拱和高拱的方式對(duì)常規(guī)拱形姿態(tài)作進(jìn)一步細(xì)分。低拱定義為1臂的傾角范圍小于30°，中拱定義為1臂的傾角范圍為30°～60°，高拱定義為1臂的傾角范圍大于60°。重新細(xì)分后各臂節(jié)角度占比如圖8所示。以低拱為例，選取各臂節(jié)占比最大的角度作為典型作業(yè)姿態(tài)，則1臂至6臂傾角分別取20°、10°、0°、0°、-10°、-10°。中拱和高拱不再贅述。

據(jù)此確定了5種典型作業(yè)姿態(tài)作為后續(xù)載荷譜采編的基準(zhǔn)姿態(tài)，工況覆蓋率達(dá)98%以上。5種典型作業(yè)姿態(tài)的各臂傾角度數(shù)統(tǒng)計(jì)如表2所示。

3.2" 疲勞載荷譜采編及應(yīng)用

針對(duì)上述5種典型作業(yè)姿態(tài)分別進(jìn)行混凝土泵送試驗(yàn)，在每節(jié)臂的根部附近截面進(jìn)行應(yīng)變信號(hào)采集，在每節(jié)臂架腹板左右兩側(cè)各布置一組應(yīng)變片，采用左右兩組應(yīng)變片的方式相互校驗(yàn)，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可靠性。采用半橋方式補(bǔ)償溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。某拱形姿態(tài)下的泵送試驗(yàn)和載荷采集現(xiàn)場(chǎng)如圖9所示，在最大工作擋位下進(jìn)行混凝土泵送，同步采用成熟可靠的HBM測(cè)試系統(tǒng)（MX1615B-R）進(jìn)行應(yīng)變數(shù)據(jù)采集。

考慮到環(huán)境、設(shè)備以及傳感器自身因素等的影響，為確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值識(shí)別，剔除數(shù)據(jù)中較大的誤差點(diǎn)，為后期數(shù)據(jù)高效濾波處理提供保障和前提。為更清晰地展示異常值處理結(jié)果，以部分應(yīng)變信息為例，進(jìn)行可視化展示，如圖10所示。圖10a所示為異常值識(shí)別結(jié)果，藍(lán)色線表示原始信號(hào)，紅色點(diǎn)為檢測(cè)出的異常值，可以看出，異常值大多處于波峰（極大值）或波谷（極小值）位置。通過(guò)孤立森林方法可將應(yīng)變信息中的部分極大值和極小值認(rèn)定為異常值。圖10b所示為剔除異常值的應(yīng)變信息，以此為基準(zhǔn)進(jìn)行接下來(lái)的數(shù)據(jù)處理。

為了進(jìn)一步提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的信噪比，對(duì)圖10中異常值處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，濾波結(jié)果如圖11所示。圖11a為初始數(shù)據(jù)（即圖10b）和濾波結(jié)果示意圖。圖11b所示為濾波后的數(shù)據(jù)，與圖10b對(duì)比可知，濾波后數(shù)據(jù)更加光滑平穩(wěn)，故采用該濾波方法可有效減少原始數(shù)據(jù)中噪聲數(shù)據(jù)的干擾，為后期載荷譜的有效分析提供基礎(chǔ)。

對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行合成處理，按照5種典型作業(yè)姿態(tài)的統(tǒng)計(jì)占比，將5種工況下的載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行比例合成，形成全姿態(tài)組合載荷譜，結(jié)果如圖12所示。

對(duì)全姿態(tài)組合載荷譜進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)，得到其均值幅值的循環(huán)特征。由于計(jì)數(shù)以后生成的是二維載荷譜，既包含均值又包含幅值，因此進(jìn)行一元化處理來(lái)統(tǒng)一均值。處理后的數(shù)據(jù)僅包含幅值，以幅值為縱坐標(biāo)，頻次為橫坐標(biāo)，即可獲得原始載荷譜超累計(jì)頻次圖，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)外推，使曲線對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)右移至107處，具體過(guò)程參照式（12）～式（14），外推后的幅值一元8級(jí)載荷譜如表3所示，相對(duì)應(yīng)的一元化處理后的波動(dòng)中心如表4所示。

由于幅值的等級(jí)次數(shù)還是非常多，試驗(yàn)加載較為復(fù)雜，時(shí)間周期較長(zhǎng)，因此利用式（15）和式（16）對(duì)載荷譜進(jìn)行強(qiáng)化，強(qiáng)化后的試驗(yàn)載荷譜即為各臂的疲勞試驗(yàn)用幅值和頻次，如表5所示，波動(dòng)中心不變。疲勞考核試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖13所示，當(dāng)疲勞試驗(yàn)經(jīng)歷等效9400工作小時(shí)后，臂架上蓋板出現(xiàn)疲勞開(kāi)裂，開(kāi)裂位置如圖14所示。疲勞試驗(yàn)結(jié)果滿足GB/T 41495—2022《混凝土泵車保養(yǎng)、維修及報(bào)廢規(guī)范》中規(guī)定的8000工作小時(shí)的使用要求。

4" 結(jié)論

（1）混凝土泵車臂架是一種多關(guān)節(jié)組合結(jié)構(gòu)，作業(yè)姿態(tài)靈活多變，具有海量的作業(yè)姿態(tài)。通過(guò)對(duì)混凝土泵車臂架各節(jié)臂傾角和夾角進(jìn)行定義，提出了試驗(yàn)過(guò)程中典型作業(yè)姿態(tài)工況的選取依據(jù)。

（2）設(shè)計(jì)了基于典型作業(yè)姿態(tài)的疲勞載荷譜采編流程，針對(duì)混凝土泵車作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，信號(hào)采集過(guò)程中的特點(diǎn)，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了清洗、參數(shù)估計(jì)和外推、試驗(yàn)載荷譜強(qiáng)化。

（3）以某型號(hào)混凝土泵車為研究案例，針對(duì)采集到的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)分類，對(duì)劃分得到的5種典型作業(yè)姿態(tài)進(jìn)行載荷譜編制，并進(jìn)行疲勞試驗(yàn)考核。結(jié)果表明，考核達(dá)到要求。

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（編輯" 袁興玲）

作者簡(jiǎn)介：

李" 鵬，男，1989年生，博士研究生。研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)振動(dòng)、結(jié)構(gòu)疲勞、結(jié)構(gòu)輕量化。E-mail：55131668@qq.com。

王一棠（通信作者），女，1993年生，博士研究生。研究方向?yàn)楣I(yè)大數(shù)據(jù)挖掘及數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的預(yù)測(cè)技術(shù)。E-mail：yitangwang@mail.dlut.edu.cn。