一种轮式装载机传动系载荷信号测试与分析处理的方法 【技术领域】
本发明涉及工程车辆动力系统优化设计领域，尤其涉及一种轮式装载机传动系载荷信号测试与分析处理的方法。
背景技术
轮式装载机作为工程机械的一种典型装备，在工程施工领域起着重要作用，其性能直接影响着工程效率与质量。随着现代装备设计技术的全面进步，轮式装载机的各项性能都有了显著提高，但产品整体质量存在着动力性、经济性、可靠性等方面的性能差距。主要归因于产品设计与性能分析过程中，仍停留在传统的静强度设计方法上，对于动载荷考虑不充分。故此应在设计过程中，综合考虑动载荷的作用过程，特别是传动系统的动载荷对装载机动力系统设计与性能试验研究的影响更应全面考虑，以完善产品设计与产品试验。
对于动载荷的获取，主要依赖于现代测试技术，国内外在此领域的研究较为成熟，为轮式装载机的载荷测试提供了充分条件，但轮式装载机传动系统载荷测试部位复杂，部分测点较难实现，测试工作过程中必然存在各种冲击、振动产生的伪信号。
由于轮式装载机特殊的工作状况，决定了其整个工作过程不是平稳随机过程，对于轮式装载机传动系测试得到的载荷时间历程，通常按各态历经的平稳随机信号来进行时频分析，提取统计特征，因此必须对测试信号进行平稳处理，以便准确编制载荷谱并优化轮式装载机动力性。
【发明内容】
本发明的目的在于：提供一种轮式装载机传动系载荷信号测试与分析处理的方法，解决轮式装载机传动系载荷在线实测以及载荷测试信号的处理问题，尽量降低伪信号对载荷谱生成的干扰，实现传动系载荷谱的真实性，将传动系载荷谱用于轮式装载机动力性优化设计的虚拟试验，精确接近装载机真实工作环境，大幅缩短轮式装载机性能试验时间，提高优化设计精度。
本发明的技术解决方案是该传动系载荷信号测试、载荷信号分析处理的具体步骤如下：
其中，轮式装载机传动系载荷信号测试由传动系载荷信号测试模块完成：(1)选择ZL50轮式装载机作为试验机型，整机工作性能良好；
(2)确定测试线路，采用“V型”行进路线，按“五段”工作循环方式采集信号，即空载前进段、铲掘装载段、满载后退段、满载前进卸料段与空载后退段；
(3)确定测试条件，按指定测试线路测试，测试不少于50个工作循环；
(4)由相互联接的信号采集器和记录仪构成传动系载荷信号测试模块，传动系载荷信号测试模块完成对传动系载荷信号的采集和记录，信号采集器包括扭矩传感器、转速传感器、电控信号记录仪、压力传感器和位移传感器；在变速箱中间轴上布置扭矩传感器，扭矩传感器测试轮式装载机发动机输出轴扭矩；在变速箱前输出轴上布置扭矩传感器，测试变速箱输出至前驱动桥扭矩；在变速箱后输出轴上布置扭矩传感器，测试变速箱输出至后驱动桥扭矩；在变速箱中间轴上布置转速传感器，测试装载机发动机飞轮到变矩器间的转速；在装载机变速箱上布置电控信号记录仪，测量轮式装载机前进档位、后退档位信号；在动臂油缸大小腔布置压力传感器，测试动臂缸大腔压力、动臂缸小腔压力；在动臂油缸布置位移传感器，测试动臂缸位移；共9个通道得到9项载荷信号；
其中，载荷信号分析处理由载荷信号分析处理模块完成，载荷信号分析处理模块对记录仪记录的载荷信号进行分析处理，载荷信号分析处理模块由随机信号的离散、滤波、去除异常峰值、去除趋势项和消除零漂环节构成；载荷信号处理过程中采用同工作循环不同工况信号分割、不同工作循环相同工况合并的方式，即把工作循环按照空载运行、铲掘装载、重载运输、举升卸载四种工况对每个工作循环的信号进行分割，数据转化后再分别将以上四种工况的信号进行合并，确保所得信号为各态历经平稳时间历程。
其中，在信号采集中，考虑装载机工作条件恶劣，采用“近程无线遥测”测试扭矩信号，选用3套美国BINSFELD扭矩传感器扭矩遥测系统，型号为TT9000；采用“有线测试”测试转速、油压与位移信号；转速传感器选用霍尔式转速传感器，型号为ZS-6-01-10L；油压传感器选用PTP503，量程不小于40Mpa，电压输出；位移传感器型号选为NS-500L，精度0.1％；选用16通道WS-5922系列嵌入式数据采集记录仪。
经测试与分析处理后得到的载荷信号可以继续采用雨流计数双参数法实现载荷样本载荷循环的统计计数，按照各工况拓展分析检验，确定母体分布函数，并计算母体极值，生成各工况下载荷的均、幅值二维载荷谱，再根据工作循环生成程序加载谱，将程序加载谱加载于轮式装载机虚拟样机，仿真分析轮式装载机发动机输出扭矩特性，辅助确定轮式装载机使用性能。
本发明具有以下优点：1、采用V型工作路线，分空载前进、铲掘装载、满载后退、满载前进与卸载、空载后退五个作业段，既考虑了轮式装载机实际作业环境与程序，又方便了测试结果分析，并能保证载荷测量的准确性；2、可以由若干名熟练驾驶员操作，获得工作斗数达100斗以上的平稳随机数据作为载荷样本，真实可靠，为载荷测试信号处理提供依据；3、分析处理过程中剔除发动机与机体等振动、噪声干扰信号，交互滤波并剔除异常峰值，保证有用信号的真值；4、采用按工况分割与合并的信号处理方式，通过时频分析、雨流法统计生成各工况载荷均值、幅值的二维载荷谱，生成的载荷谱可应用于轮式装载机虚拟样机，完成整机动力性的虚拟试验；5、本发明解决了目前国内轮式装载机传动系载荷在线实测以及载荷测试信号的处理问题，在此基础生成的实测载荷谱为轮式装载机功率分流研究、整机的动力性试验分析提供了重要依据，对提高轮式装载机动力系统集成设计质量和水平、缩短试验与研制周期具有重要意义。
【附图说明】
图1是本发明的技术解决方案的流程框图。
图2是本发明的轮式装载机工作路线与工作段示意图。
图3是本发明的载荷信号测试示意图。
图4是本发明的采集的原始载荷时间历程信号图。
图5是本发明的信号处理效果图。
图6是本发明的信号按工况分割合并效果图。
图7是本发明后续产生的某工况二维8级载荷谱图。
图8是本发明后续产生的程序加载谱。
【具体实施方式】
本发明旨在应用于轮式装载机动力系统性能优化的领域，在传动系载荷信号测试、载荷信号分析处理的基础上得到编制的载荷谱，将载荷谱用于轮式装载机的优化设计，下面结合附图进一步说明技术解决方案，但实施例不应理解为是对技术方案的限制，任何近似的变化都在本发明的保护范围之内。
实施例：如图1所示，依以下步骤进行轮式装载机传动系载荷信号测试与分析处理：
1.轮式装载机载荷信号地测试：按照发动机输出扭矩、变速箱输出至前驱动桥扭矩、变速箱输出至后驱动桥扭矩、装载机中间轴转速、前进档位、后退档位、动臂缸大腔压力、动臂缸小腔压力、动臂缸位移共9项测试内容确定测试的1-9个通道，轮式装载机传动系载荷信号测试按如下步骤进行：
(1)选择测试样机、确定测试条件；选择ZL50轮式装载机，要求工作性能良好；准备原生土、石方、松散土作为典型装卸料场，要求物料充足；确定样机工作路线，载荷测试过程装载机按“V型”行进路线，配备3名驾驶技术熟练的驾驶员，按照空载前进段、铲掘装载段、满载后退段、前进卸料段与空载后退段共5段作业循环工作，每人测试不少于40个工作循环斗数；见图2；
(2)选择测试仪器，构建测试系统；装载机工作条件恶劣，测试系统选用16通道WS-5922系列嵌入式数据采集记录仪；选用3套美国BINSFELD扭矩传感器扭矩遥测系统，型号为TT9000，配套3个测扭应变计，对3个扭矩信号进行近程无线遥测；选用霍尔式转速传感器，型号为ZS-6-01-10L，测试发动机输出轴转速；选用2个PTP503型、量程不小于40Mpa、电压输出的油压传感器，测试动臂缸大、小腔油压信号；选用NS-500L型，精度0.1％的位移传感器，测试动臂缸位移；见图3；
(3)各测点布置与传感器安装；在变速箱中间轴上布置扭矩传感器，测试轮式装载机发动机输出轴扭矩；在变速箱前输出轴传动法兰布置扭矩传感器，测试变速箱输出至前驱动桥扭矩；在变速箱后输出轴传动法兰布置扭矩传感器，测试变速箱输出至后驱动桥扭矩；在变速箱中间轴布置转速传感器，测试装载机发动机飞轮到变矩器间的转速；在轮式装载机变速箱布置挡位传感器，测量轮式装载机变速箱前进档位、后退档位信号；在动臂油缸大、小腔布置压力传感器，测试动臂缸大、小腔压力；在动臂油缸布置位移传感器，测试动臂缸位移；共9项测试信号；
(4)扭矩测试仪器的标定；确定扭矩测试仪器的各通道的标定系数，即单位电压的扭矩值、动臂缸大小腔的压力值、动臂油缸的位移值；
(5)组装、固定测试仪器；在制作好的固定支架上将测试仪器连接、组装，包括遥测应变仪、各类传感器与数据采集记录仪的连接，记录仪与电脑的连接，以及电源与各测试仪器的连接；
(6)载荷信号测试；依次进行原生土、石方、松散土物料下的120个工作循环，并记录各通道数据；
2.载荷测试信号的分析处理：
(1)信号预处理；测试出的轮式装载机载荷信号为时间历程模拟信号，即时域信号，见图4；根据建立的标定系统对获得的扭矩载荷进行标定，通过自功率谱分析，知测试的传动系扭矩信号为低频信号，将连续的载荷时间历程信号离散化，转化为文本文件，采用低通滤波去除干扰信号及高频成分，并利用幅值门限法去除信号的奇异峰值，使处理后信号纯净，见图5；
(2)信号按工况分段处理；根据通道5、6的档位信号，判断前进、后退段起点；依据通道7、8的动臂缸压力信号，判断铲掘装载段起点；依据通道9的动臂缸位移信号，判断卸料段起点；将空载前进、后退作为空载行驶工况，将铲掘装载段做为铲掘装载工况，将满载后退、满载前进作为满载运行工况，将卸料段作为卸载工况，把每个工作循环中的空载行驶工况、铲掘装载工况、满载运行工况、卸载工况的同段数据合并、调零，通过功率谱分析，确定每个工况载荷信号为各态历经随机过程，经分割再合并的平稳随机时域信号经过分析与格式转换，符合装载机工作实际，见图6。
在传动系载荷信号测试与分析处理的基础上，可以进行后续的载荷谱编制及虚拟试验仿真分析：对每个工作段数据文件应用雨流计数法进行载荷计数统计，得到样本均、幅值载荷循环统计直方图，应用数理统计理论检验均值符合正态分布，幅值符合威布尔分布，确定测试载荷随机过程母体的极值，及载荷谱分级级数，生成二维载荷谱，见图7；以总体均值为静载荷、以各级幅值为变幅动载荷，得到程序加载谱；按照载荷工况，每工况以“低-高-低”次序，见图8；通过仿真环境设置，为轮式装载机虚拟样机加载程序加载谱，分析轮式装载机工作特性，确定装载机动力性能参数及功率分流状况。