某履帶裝甲車輛傳動(dòng)軸動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)采集及分析

魏領(lǐng)軍，劉海鷗，陳慧巖，石 鋒

(1.北京交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院，北京 102611；2.北京理工大學(xué)，北京 100081；3.中國(guó)汽車工程研究院，重慶 401122)

由于履帶裝甲車輛測(cè)試軸的高速旋轉(zhuǎn)及緊湊空間限制，以現(xiàn)有測(cè)試裝置的安裝空間、結(jié)構(gòu)形式和信號(hào)的發(fā)送接收方式完成對(duì)關(guān)鍵部位測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)測(cè)試難度較大，所以如何直接測(cè)試綜合傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，獲得可靠性高的數(shù)據(jù)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)履帶裝甲車輛行業(yè)的一個(gè)難題[1]。

在測(cè)試過程中，由于受到測(cè)試環(huán)境、測(cè)試軟硬件等的限制，所獲得的實(shí)測(cè)載荷信號(hào)一般都包含大量的干擾信號(hào)。如果對(duì)試驗(yàn)所測(cè)載荷信號(hào)不進(jìn)行分析和處理而直接進(jìn)行載荷譜編制，那么所編制的載荷譜與實(shí)際載荷工況相差較大，致使整個(gè)研究工作失去意義。實(shí)測(cè)的隨機(jī)載荷時(shí)間歷程除了受主要工作載荷影響外，還會(huì)受設(shè)備、天氣等很多次要的幅值載荷干擾，這些載荷對(duì)載荷信號(hào)編譜分析影響較大。如何高效地去除這些無(wú)效干擾轉(zhuǎn)矩信號(hào)是一件細(xì)致且煩瑣的工作。

1 測(cè)試點(diǎn)的選取

實(shí)車測(cè)試中，首先確定有效測(cè)點(diǎn)，并在有限的測(cè)點(diǎn)上得到綜合傳動(dòng)系統(tǒng)更多的載荷信息，因此，需結(jié)合載荷測(cè)試需求、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩測(cè)試裝置設(shè)計(jì)以及安裝要求來選擇測(cè)試設(shè)備。通過對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪、軸承和主軸的轉(zhuǎn)矩載荷譜情況進(jìn)行詳細(xì)分析，確定傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩測(cè)試的3個(gè)典型測(cè)試點(diǎn)。這3個(gè)測(cè)點(diǎn)分別布置在傳動(dòng)裝置輸入軸、左輸出軸和右輸出軸上，載荷傳動(dòng)裝置的測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。實(shí)車測(cè)試中按不同比例分配路面，完成實(shí)車試驗(yàn)。按不同擋位、不同工況、不同轉(zhuǎn)速對(duì)實(shí)車測(cè)試?yán)锍踢M(jìn)行合理分配，并不斷完成各點(diǎn)轉(zhuǎn)矩載荷數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

圖1 載荷傳動(dòng)裝置測(cè)點(diǎn)布置簡(jiǎn)圖

2 測(cè)試系統(tǒng)用傳感器的標(biāo)定

傳感器在使用前對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定非常重要，只有通過標(biāo)定才能確保使用的各種傳感器在測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)具有較高的測(cè)試精度和準(zhǔn)確性[2]。傳感器標(biāo)定常用方法是通過試驗(yàn)驗(yàn)證得出傳感器輸入量與輸出量之間的定量關(guān)系，即標(biāo)定數(shù)據(jù)和相關(guān)曲線等，傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)如重復(fù)性、靈敏度、遲滯特性和靜態(tài)線性度等需要靜態(tài)標(biāo)定來確定[3]。

2.1 傳感器靜態(tài)特性標(biāo)定

傳感器靜態(tài)特性標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)條件是大氣壓力為86～106 kPa，相對(duì)濕度為20%～80%，環(huán)境溫度為15～35 ℃，標(biāo)定現(xiàn)場(chǎng)不應(yīng)有影響標(biāo)定結(jié)果的沖擊、振動(dòng)、加速度、振源、電磁干擾等因素。傳感器標(biāo)定時(shí)，標(biāo)定過程中被標(biāo)定傳感器的精度要比使用的所有測(cè)量?jī)x器的精度至少低一個(gè)等級(jí)[4]。對(duì)測(cè)試所得數(shù)據(jù)進(jìn)行除噪等技術(shù)處理后，依據(jù)最終的處理數(shù)據(jù)結(jié)果可以確定傳感器的滯后性、重復(fù)性、靈敏度線性度等靜態(tài)特性指標(biāo)[5]。

2.2 傳感器動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定

對(duì)試驗(yàn)用傳感器動(dòng)態(tài)特性的標(biāo)定就是確定傳感器與動(dòng)態(tài)響應(yīng)之間的參數(shù)關(guān)系。例如，常用的僅有一個(gè)時(shí)間常數(shù)參數(shù)的一階傳感器，以及有固有阻尼比和頻率兩個(gè)參數(shù)的二階傳感器[6]。

由于動(dòng)態(tài)標(biāo)定所用的設(shè)備及標(biāo)定過程比較復(fù)雜，所以軸轉(zhuǎn)矩測(cè)試系統(tǒng)在標(biāo)定條件下的放置時(shí)間不少于8 h，保證其溫度與標(biāo)定條件相同且穩(wěn)定。轉(zhuǎn)矩測(cè)試系統(tǒng)在標(biāo)定前充分預(yù)熱，預(yù)熱時(shí)間不少于10 min。試驗(yàn)用RFTS轉(zhuǎn)矩傳感器標(biāo)定過程如圖2所示，其部分技術(shù)參數(shù)見表1。標(biāo)定過程中一定要注意預(yù)加載的應(yīng)用。

表1 RFTS轉(zhuǎn)矩傳感器部分技術(shù)參數(shù)

圖2 試驗(yàn)用傳感器標(biāo)定過程

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的搭建

傳動(dòng)軸是用于轉(zhuǎn)矩測(cè)試的傳動(dòng)裝置零件，其上粘貼著測(cè)試用的應(yīng)變計(jì)，安裝著固定電路系統(tǒng)的傳動(dòng)軸及其附件零件如圖3所示。應(yīng)變計(jì)牢固粘貼于傳動(dòng)軸上，組成惠斯通電橋，形成傳感器前端。調(diào)理系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)組成測(cè)試系統(tǒng)的二次儀表。調(diào)理系統(tǒng)采用非接觸方式供電和數(shù)據(jù)傳輸，通常體積小，直接安裝在傳動(dòng)軸上。由于載荷譜測(cè)試是遙測(cè)進(jìn)行的，設(shè)備的安裝比較麻煩，所以在整車進(jìn)行吊艙時(shí)，試驗(yàn)員首先要將總體的線路和采集模塊進(jìn)行適當(dāng)布置，以保證線路和采集模塊的安裝正確和調(diào)試可靠，如圖4所示。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)安裝示意圖

圖4 現(xiàn)場(chǎng)布線圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心組成為硬件和軟件兩部分，硬件包含的主要儀器設(shè)備有數(shù)據(jù)采集裝置、無(wú)線發(fā)射模塊、信號(hào)調(diào)理電路、傳感器及筆記本電腦等；軟件系統(tǒng)的組成部分主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、分析模塊和數(shù)據(jù)管理模塊等，根據(jù)相關(guān)系統(tǒng)要求和硬件系統(tǒng)提供的接口，對(duì)其進(jìn)行分析功能設(shè)計(jì)[7]。

整套載荷譜采集系統(tǒng)包括兩個(gè)模塊A和B。A模塊負(fù)責(zé)兩個(gè)通道，A1通道負(fù)責(zé)輸出左側(cè)輸出軸轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)，A2通道負(fù)責(zé)右側(cè)輸出軸轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)；B模塊負(fù)責(zé)輸入軸轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本量確定

在實(shí)際數(shù)據(jù)采集過程中，由于數(shù)據(jù)的分布是無(wú)法事先假定的，所以本文采用適應(yīng)性更廣的非參數(shù)密度估計(jì)方法。采用非參數(shù)估計(jì)的小樣本方法能大大節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用，表2為借助數(shù)理統(tǒng)計(jì)中非參數(shù)估計(jì)方法在內(nèi)蒙古包頭試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)所采集的數(shù)據(jù)偽損傷計(jì)算結(jié)果。

表2 不同駕駛員對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)里程的偽損傷計(jì)算結(jié)果

依據(jù)表2對(duì)應(yīng)于2 080 km的偽損傷對(duì)數(shù)的樣本Bias(x)為-1.331，樣本Var(x)為0.110，帶寬為0.083。

其樣本Bias(x)、樣本Var(x)和帶寬匯總于表3。其中左、右輸出軸偽損傷密度對(duì)數(shù)的帶寬分別為0.028和 0.030。

表3 載荷變異系數(shù)的計(jì)算結(jié)果

表4參考了韋來生編著的《數(shù)理統(tǒng)計(jì)》中數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理非參數(shù)容許區(qū)間置信水平與總體比列的關(guān)系對(duì)應(yīng)表，對(duì)于左半軸來說，對(duì)應(yīng)于置信度95%、相對(duì)誤差5%的最小樣本量為n=260 (0.950；0.990)，其統(tǒng)計(jì)學(xué)意義是，不同的駕駛員駕駛裝甲車輛在砂石路面上的行走距離超過260×8=2 080 km時(shí)，用由此所得的左半軸轉(zhuǎn)矩時(shí)域數(shù)據(jù)樣本計(jì)算得到的左半軸偽損傷密度對(duì)數(shù)的平均值與總體偽損傷密度對(duì)數(shù)均值的相對(duì)偏差不超過5%的概率不低于95%；對(duì)于右半軸來說，這一數(shù)值為1 930 km，所以該試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本最小數(shù)據(jù)量應(yīng)為2 080 km（左右半軸樣本數(shù)據(jù)取量大，能保障數(shù)據(jù)的完整性）。

表4 非參數(shù)容許區(qū)間-相當(dāng)于置信水平與總體比例的樣本容量

5 載荷測(cè)試信號(hào)的時(shí)域分析及修正

信號(hào)時(shí)域分析即是對(duì)測(cè)試信號(hào)的時(shí)間歷程進(jìn)行相關(guān)分析和波形分析。對(duì)測(cè)試信號(hào)有效的最直接分析方法是波形分析，一方面可觀察信號(hào)特征，另一方面可獲取信號(hào)的均值、均方值、方差等統(tǒng)計(jì)參數(shù)，對(duì)測(cè)試信號(hào)特征的描述起到重要作用[8]。

異常值主要由測(cè)試環(huán)境、測(cè)試儀器、數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)算機(jī)出錯(cuò)等引起。去除載荷數(shù)據(jù)異常值的方法很多，本文應(yīng)用最常用的異常數(shù)據(jù)判定與去除的拉依達(dá)準(zhǔn)則是在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的總體x服從正態(tài)分布的前提下進(jìn)行的。

式中：P為正態(tài)分布概率密度函數(shù)；x為試驗(yàn)數(shù)據(jù)的總體；3σ與μ分別為正態(tài)分布總體的標(biāo)準(zhǔn)差和數(shù)學(xué)期望。該理論核心是在一定置信度下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本處于μ-3σ與μ+3σ之間。將小于μ-3σ和大于μ+3σ的試驗(yàn)數(shù)據(jù)視為異常數(shù)據(jù)予以剔除。

對(duì)于采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)x1,x2,x3,…,xn，具體計(jì)算過程如下。

第一步，計(jì)算出平均值，公式為：

若試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)xi(1≤i≤n)的殘差滿足則認(rèn)為xi為正常值，否則視為異常值應(yīng)當(dāng)去除。

試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)車輛在沙石路面從加速起步到切換至2、3擋，最后到降速停車這樣一個(gè)60 s周期內(nèi)所獲得的輸出軸轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)和車速數(shù)據(jù)存在毛刺。此外，輸出軸轉(zhuǎn)矩都存在比較嚴(yán)重的偏置。因此，首先對(duì)全部數(shù)據(jù)進(jìn)行去除毛刺處理，然后對(duì)輸出軸轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行去除偏置量處理。修正前、后的時(shí)域波形，如圖5所示，紅色橫線為轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)偏移中心。

圖5 修正前、后的時(shí)域波形圖

考慮到砂石路試驗(yàn)場(chǎng)一圈的里程接近8 km，因此，在切割這一數(shù)據(jù)時(shí)，將每8 km分割為1個(gè)樣本數(shù)據(jù)。這樣，將數(shù)據(jù)切割為10個(gè)樣本，再通過TecWare對(duì)所獲得的全部10個(gè)樣本數(shù)據(jù)的輸出軸轉(zhuǎn)矩時(shí)域數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行Range-Pair計(jì)數(shù)，同時(shí)將這10個(gè)樣本數(shù)據(jù)左右輸出軸所對(duì)應(yīng)的總偽損傷數(shù)值加以匯總，這一數(shù)據(jù)對(duì)于確定履帶裝甲車輛在行駛時(shí)的最小樣本量是至關(guān)重要的過程數(shù)據(jù)。在計(jì)算偽損傷時(shí)，考慮到傳動(dòng)系所涉及到的主要金屬材料類別，選取表征材料S-N曲線的Basquin方程N(yùn)·σb=Ab中的材料參數(shù)b=5。

載荷-壽命的S-N冪函數(shù)公式[9]為：

式中：S為載荷幅值；S0為材料常數(shù)；k為載荷-壽命曲線斜率；Nf為對(duì)應(yīng)S的疲勞壽命。

由式（4）可得：

累計(jì)損傷D為：

式中：ni為第i級(jí)試驗(yàn)載荷Si作用下的雨流計(jì)數(shù)循環(huán)數(shù)；Nfi為第i級(jí)載荷Si作用下的壽命。

將式（5）帶入式（6）得：

將所獲得的偽損傷總數(shù)值除以8 km，得到履帶裝甲車輛在沙石路上每行駛1 km，左、右輸出軸對(duì)應(yīng)的偽損傷，即所謂的偽損傷密度，表2為坨里沙石路面所得典型數(shù)據(jù)（涵蓋車輛從起步到擋位變換最后停車的全過程數(shù)據(jù)）偽損傷數(shù)據(jù)匯總表，其包含起始時(shí)刻，輸出軸對(duì)應(yīng)的偽損傷、偽損傷密度、偽損傷密度對(duì)數(shù)等信息。

6 載荷幅值對(duì)計(jì)數(shù)原理

幅值對(duì)計(jì)數(shù)法的基礎(chǔ)是雨流計(jì)數(shù)法，在只保留幅值信息忽略均值信息的情況下，可通過雨流矩陣轉(zhuǎn)化成幅值對(duì)計(jì)數(shù)結(jié)果，對(duì)直觀地評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后的效果具有較好作用。圖6和圖7分別為雨流計(jì)數(shù)法與幅值對(duì)計(jì)數(shù)法之間的關(guān)系圖，圖7所示的幅值對(duì)計(jì)數(shù)法可以由圖6的雨流計(jì)數(shù)法得到，其中“bin”為雨流計(jì)數(shù)中的計(jì)量單位。

圖6 雨流計(jì)數(shù)法

圖7 幅值對(duì)計(jì)數(shù)法

7 雨流計(jì)數(shù)結(jié)果

轉(zhuǎn)矩載荷信號(hào)中高頻噪聲成分在雨流矩陣中表現(xiàn)為幅值很小頻次較高的載荷循環(huán)，對(duì)零部件的疲勞壽命影響非常小[10]，但是對(duì)疲勞加載試驗(yàn)和載荷數(shù)據(jù)處理會(huì)造成較大的負(fù)擔(dān)。如果采用一般的數(shù)字濾波器去除轉(zhuǎn)矩頻域上信號(hào)的高頻噪聲，雖能去除高頻噪聲，但會(huì)改變轉(zhuǎn)矩值的大小，也可能將高頻噪聲和瞬時(shí)載荷沖擊一起濾除[11]，以至影響到實(shí)測(cè)載荷數(shù)據(jù)對(duì)傳動(dòng)軸疲勞損傷的計(jì)算，進(jìn)而影響傳動(dòng)軸疲勞壽命的預(yù)測(cè)和載荷譜編制效果的準(zhǔn)確性。

雨流濾波方法簡(jiǎn)便易行且能有效濾除高頻噪聲，在對(duì)實(shí)測(cè)載荷數(shù)據(jù)做雨流計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)后，再舍去雨流矩陣中的小幅值雨流循環(huán)，若單純從疲勞分析看，可以完全去除基本不產(chǎn)生疲勞損傷的雨流循環(huán)。該方法在確保疲勞損傷基本不變的情況下，能夠?qū)d荷疲勞試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理起到加速的效果。

雨流濾波直接刪除低于某閾值的雨流循環(huán)如圖8所示，以“from-to”格式表示雨流矩，在主對(duì)角線上雨流循環(huán)幅值為0，沿副對(duì)角線兩邊遞增，藍(lán)線表示設(shè)置幅值的閾值，經(jīng)雨流濾波，設(shè)置兩條藍(lán)線間的雨流循環(huán)頻次為0。

圖8 雨流濾波方法示意圖

多工況動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩分析及信號(hào)處理方法與現(xiàn)有成熟技術(shù)（FIR型濾波、通用閾值濾波）從累積循環(huán)次數(shù)及累積偽損傷角度進(jìn)行對(duì)照的差別效果圖，如圖9和圖10所示。

由圖9可知，相較于實(shí)測(cè)載荷信號(hào)，經(jīng)過FIR型濾波器的載荷信號(hào)，其累積循環(huán)次數(shù)極大地減少了，這說明信號(hào)變得過于光滑，改變了實(shí)測(cè)信號(hào)的一些特性；經(jīng)過通用閾值濾波后的載荷信號(hào)，其累積循環(huán)次數(shù)介于FIR型濾波器處理結(jié)果和多工況信號(hào)處理結(jié)果之間，而多工況信號(hào)處理后的載荷信號(hào)，其累積循環(huán)次數(shù)與實(shí)測(cè)信號(hào)很接近，這說明在去噪的基礎(chǔ)上并沒有過多地改變實(shí)測(cè)信號(hào)的特性。

圖9 累積循環(huán)次數(shù)對(duì)照

由圖10可知，相對(duì)于實(shí)測(cè)載荷信號(hào)，經(jīng)過FIR型濾波器處理后，其累積損傷極大地減少，不僅去掉了干擾噪聲也去掉了有效載荷，從而形成對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)的“過處理”；而經(jīng)過多工況信號(hào)處理后的載荷信號(hào)，其累積損傷比實(shí)測(cè)信號(hào)低，但是比經(jīng)過通用閾值去噪后的載荷信號(hào)高，這說明多工況信號(hào)處理去噪的方法只去掉了無(wú)效干擾噪聲對(duì)零部件造成的損傷，更好地保留了有效載荷數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)處理恰到好處，而通用閾值小波去噪的方法去掉了部分有效載荷。

圖10 累積偽損傷對(duì)照

8 結(jié)論

本文以載荷譜編制需要可信度較高的數(shù)據(jù)作為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)不同數(shù)據(jù)預(yù)處理計(jì)數(shù)方法所得結(jié)果進(jìn)行了分析，即對(duì)傳動(dòng)軸載荷測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析、時(shí)域數(shù)據(jù)修正、擋位分割及各擋位數(shù)據(jù)里程統(tǒng)計(jì)，使用的雨流濾波方法在去除高頻噪聲方面有效、簡(jiǎn)便、易行，即在時(shí)域數(shù)據(jù)修正、擋位分割、各擋位數(shù)據(jù)里程統(tǒng)計(jì)、信號(hào)預(yù)處理結(jié)果評(píng)價(jià)等方面對(duì)實(shí)測(cè)載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)后，能有效舍去矩陣中的小幅值雨流循環(huán)，且基本可以去除不產(chǎn)生疲勞損傷的雨流循環(huán)；能在保證疲勞損傷變化很小的情況下，對(duì)載荷疲勞試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理起到加速的效果。最后對(duì)載荷數(shù)據(jù)預(yù)處理方法的合理性及適用性進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終得到可信度較高的傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)，為后續(xù)編譜工作打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。