基于雨流计数法的轮式装载机载荷谱编制系统研究

高天宇，李焕良，王鹏飞，高 阳

（解放军理工大学野战工程学院，江苏 南京210007）

装载机作为常用的轮式工程机械，在建筑、矿山、交通中具有广泛的应用，对提高工程作业速度，减少工程作业成本，提高工程作业质量，减低工程作业强度等方面发挥了重要的作用[1]。特别是在军事方面，军用装载机作为一种常见的工程装备，在执行各项工程保障任务中发挥了中流砥柱的作用。

随着国家经济不断发展向前，我国生产制造能力具有了较大的提高，在装载机械领域也有了迅速进展，但与其他发达国家的产品相对比，我国的产品在性能与制造工艺水平上仍具有较大的差距。重要的零部件，如液压缸等零部件的寿命远远低于发达国家的产品[2]，这不仅仅影响着工程建设的进程，同时也制约着国民经济的发展。

国内企业设计的方式虽然与发达国家相关公司并不太大区别，但是由于在设计阶段时就缺少重要零部件的载荷数据，所以使得产品的寿命无法得到更好的控制[3]。所以，为了增加我国装载机产品的使用寿命，提升其可靠性，获取装载机作业时零部件受到的真实载荷情况的工作势在必行。针对上述需求，设计了一种基于雨流计数法的轮式装载机载荷谱编制系统。

1 系统原理分析

1.1 液压系统油压采集原理

轮式装载机作为常见的工程作业装备，其工作环境十分恶劣，工作装置液压缸受到物料颗粒种类与松散度的不同而承受着复杂压力。所以，为了更好的设计及改进装备性能，提升装备寿命，必须要获取真实有效的液压系统载荷数据[4]。装载机的作业过程，主要依靠动臂带动摇臂、摇臂带动铲斗进行工作，其中摇臂油缸和转动油缸起到了重要作用[5]。本实验在装载机摇臂液压缸处安装压力传感器，通过传感器将物理信号转换电信号，传输到采集节点，再由采集节点与数据采集终端连接来测得装载机工作时液压缸实时受到的压力值。

1.2 雨流计数法原理

将载荷谱时间历程曲线旋转90°放置，如图1所示。将载荷历程看作多层屋顶，假想有雨滴沿最大波峰或波谷处开始往下流。若无屋顶阻拦，则雨滴反向，继续流至端点。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。当雨流遇到来自上面屋顶流下的雨时就停止流动，并构成了一个循环。根据雨滴流动的起点和终点，画出各个循环，将所有循环逐一取出来，并记录其峰谷值。每一雨流的水平长度可以作为该循环的幅值[5]。此循环中波峰值与波谷值的和的平均数为该循环的幅值的均值。

图1 雨流计数法原理图

2 系统总体设计

2.1 系统设计要求

针对轮式装载机在作业过程中所处环境复杂多样，受到的载荷同样是实时变换，其载荷采集系统的设计主要满足以下几点要求：

（1）系统设计应具有稳定性，操作简便，同时传感器的安装不应过度复杂；

（2）系统进行数据采集过程中，应满足实时采集装备所受载荷情况，不应间断；

（3）系统能对采集的数据应用雨流计数法进行载荷谱编制。

装载机作为一种典型的循环工作装备，其工作过程可分为铲装、运输、卸载和返回四个工序，即将铲斗插入到物料中，将物料装满，然后使铲斗提升至运输阶段高度，向后退出一段距离后，向前驶向卸载点，提升铲斗到卸载高度，转动翻斗油缸将物料卸下，最后将铲斗恢复至原位，空载返回到物料处。系统能够在装载机进行循环作业时，同步采集到液压缸的实时数据，并记录存储。同时，将采集到的数据实时反馈到用户操作界面，供实验者通过图像观测装载机液压系统变化情况，提供简单的数据分析，并进行载荷谱的编制。

2.2 系统设计方案

针对轮式装载机的特点，结合系统应满足的相关设计要求，本文采用多个传感器与采集节点来搭建采集网络，进行数据采集系统的设计，其结构示意图如图2所示。

图2 系统结构设计示意图

根据液压系统工作原理，找出摇臂液压缸在实验样机的具体位置，分别在实验样机上对液压系统进行改装。将摇臂液压缸油路管卸下，换上带有油压压力传感器的新油路管，如此完成对实验样机液压系统改装。将油压压力传感器连接到数据采集节点，将数据采集节点与电脑终端相连接，实时同步采集实验样机压力测点的载荷数值，实现对装载机受载情况的监控。

3 系统硬件设计

本实验利用数据采集节点SP401，SP401基于ARM微芯片开发，可以进行数据的采集并存储，并可将采集的数据传输至数据采集终端，从而进行数据的分析与处理。节点SP401的结构图如图3.

图3 节点SP401结构示意图

3.1 电源模块

设计采用0~3 V和0~5 V两种电压保证整个电路正常运转，节点中内置一块500mh的蓄电池，可以满足0~3 V或0~5 V电压的需要，为整个电路供电。

3.2 电压放大模块

电压放大模块为整个硬件设计的核心部分，实验过程中，传感器与节点相连，由于受到实装空间大小的制约，不利于节点的安装和固定。通过在模块中安装120Ω~1000Ω的电阻，利用放大调理电路和改变接线的顺序，实现1/4桥，半桥，全桥三种不同测量方式，以满足不同接线方式和接线距离的需要。本实验利用四分之一桥的连接方式，避免了节点与传感器连接距离不足带来的不良影响。

3.3 采集处理模块

集成以ARM微芯片的数据采集处理模块，可以对传感器传输来的电信号进行连续采集，并内置Butterworth滤波器对采集到的数据进行滤波处理，且保证同步精度不低于0.1 ms.

3.4 存储模块

当轮式装载机正常工作时，需要实时采集各个测点所受载荷情况。存储模块将采集处理模块采集到的数据储存在容量为2M的数据存储器中，以备数据的输出与利用。

4 系统软件设计

利用VB语言进行数据传输终端软件设计，将节点采集到的数据输出到电脑显示屏上，实现友好性操作。系统软件总体流程如下。

首先，电脑开机后，点击图标进入软件系统界面。安装数据采集节点，将数据采集节点与传感器相连，与之建立通信，实现数据采集。

其次，修改采集数据参数，包括数据采集的开始时间、数据采集频率、电阻桥的连接方式、电桥灵敏度等参数，完成数据采集前准备。

最后，点击软件同步采集按钮，开始对各个数据采集点载荷数据的实时同步采集，并通过曲线图或者图标进行显示，方便使用者对采集的数据进行操作。图4为实验采集过程中软件显示界面。

图4 软件显示界面

5 实验结果

本试验采集并储存同一时间，同一工况下，液压缸所受载荷情况。实验选取了“V”作业方式。整个实验进行45个循环作业，采集到两个摇臂油缸液压值各43组有效数据。以其中一个摇臂油缸油压值为例，采集到的载荷数据值如图5所示。

图5 摇臂油缸油压值波形图

通过雨流计数法，对采集到的数据利用线性回归最小二乘法，得到载荷的幅值-频次直方图和均值-频次直方图[6-7]，如图6所示，幅值-频次直方图服从威布尔分布，均值-频次直方图服从正态分布，故采集到的数据真实有效，满足实验预期效果，符合系统设计要求。

Conover发现将载荷谱分成8级可以精确地反映其疲劳效应。故将幅值按 1.000、0.950、0.850、0.725、0.575、0.425、0.275、0.125 进行分级。将采集到的数据进行分级，得到8级均幅值载荷谱，如表1.其中表格中间8×8数据代表频次。8级均幅值载荷谱的编制，对轮式装载机液压缸台架实验提供了数据支撑。

图6 装载机摇臂油缸幅值与均值直方图

表1 8级均幅值载荷谱

6 结束语

本文研究开发的基于物联网技术的轮式装载机载荷数据采集系统，不仅实现了对装载机工作过程中液压系统与液压系统各个测点受载数值的同步采集，满足系统性能指标。同时还具有良好的人机交互界面和数据分析能力，使用户可以更便捷的对采集到的数据进行处理与分析。其数据存储模块为研究装载机受载情况，并编制了8级均幅值载荷谱，为分析装载机零部件寿命情况提供了大数据支持，同时也为装载机的改进改型提供了数据支撑。

[1]刘惟信.机械可靠性设计[M].北京：清华大学出版社，2008.

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[3]门玉琢，李显生，于海波.与用户相关的汽车可靠性试验新方法[J].机械工程学报，2008，44（2）：223-229.

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[7]赵晓鹏，姜 丁，张 强，等.雨流计数法在整车载荷谱分析中的应用[J].军事交通学院汽车工程系，2005，31（1）:47-49.