装载机传动系载荷谱的测取与应用研究

【摘要】：本文结合国家自然科学基金资助项目“轮式工程车辆传动系载荷谱关键技术研究”、国家“863”计划主题项目“大型露天采矿技术与装备”中的“75m3大型露天矿用挖掘机研制”课题以及校企合作项目“某型装载机传动系载荷谱编制方法研究与应用研究”，以某装载机传动系为研究对象，综合运用数理统计、信号分析和处理、结构有限元分析和疲劳设计等理论，基于实测装载机多工况传动系载荷的时间历程，编制了疲劳载荷谱并进行典型零件疲劳寿命预测，形成了较为完善的装载机传动系疲劳载荷谱测试、编制及应用的研究方法，以提高国产装载机的自主研发水平。 在广泛查阅国内外相关文献基础上，综述了载荷谱测试及编制技术研究现状。根据装载机传动系载荷特点，提出了装载机传动系统载荷谱测试方案。经过测试得到五种工况下传动系主要零件的动态转矩和转速数据。提出了装载机传动系实测载荷信号小波分形剔除奇异点的方法，通过与幅值门限法、梯度门限法以及统计平滑方法进行比较，该方法能更有效地剔除奇异点，同时可对信号进行阈值滤波消除信号中的噪声，提高信号处理效率。 根据装载机明显的分段作业特性，提出了划分作业段的方法。给出了度量装载机传动系载荷谱分散性的分位数外推的基本方法，对比分析时域和雨流域频次外推，提出了基于作业段雨流计数结果进行非参数外推重构的“铲-续-铲”谱编制方法，该方法编制的载荷谱比较接近装载机实际使用的载荷情况，反映了装载机进行频繁换挡的循环作业过程；为了便于实施零件疲劳试验，采用损伤等效的方法，编制了轴类零件的8级程序加载谱。利用编制的多工况合成载荷谱，应用应力疲劳分析法对变速箱输出法兰进行了基于有限元的应力寿命预估。 以传动系齿轮类零件的载荷测试为基础，通过研究定轴传动和行星传动中齿轮载荷的计数统计、合成以及外推方法，提出了传动系齿轮类零件的载荷谱编制方法，编制了装载机轮边行星减速器合成作业段载荷谱，运用Romax分析软件，对装载机轮边行星传动齿轮进行了弯曲疲劳寿命预测，预测结果表明轮边减速器齿轮强度满足设计要求。通过敏度分析，研究齿轮输入载荷参数以及齿根圆角参数对寿命的影响。结果表明与行星轮相比，太阳轮损伤对载荷幅值的增大以及齿根圆角参数的恶化比较敏感，损伤增加幅度大。 提出了一种与用户实际使用关联的装载机试验场耐久性试验方法，该方法可再现装载机在实际使用中的载荷和损伤，避免试验的盲目性。为制定有效的耐久性试验计划，通过研究输入数据的收集、压缩、处理以及载荷谱等效等关键技术，分析了与用户关联的试验场试验技术和优化目标，建立了以最小误差和最短时间为目标的多目标优化模型，利用NSGA-II算法，采用基于参考点的多目标优化方法，得到能反映专家偏好的最优解集。该方法可以有效地反映用户实际使用时的载荷情况，能及时发现和改进设备寿命设计中的偏差，指导装载机产品定型或验证试验。 本文测取的载荷谱是装载机传动系抗疲劳设计和疲劳试验加载的重要依据，本文提出的方法可以为其他工程车辆传动系载荷谱测取及疲劳设计提供参考。