博士论文开题报告—基于“黑匣子”的掘进机载荷谱测定与分析方法研究

博士论文开题报告—基于“黑匣子”的掘进机载荷谱测定与分析方法研究内容摘要：

模块 采用 RBH8261 USB MINI 型高速数据采集卡， 如下图 5 所示， 支持 8 通道振动加速度信号采集，总采样频率 250KHz，通道数和采样频率均软件可调，与主板 USB 接口连接，并由该接口提供供电，正负 5V 电压信号输入，采集经本安型振动加速度信号调理板 （如下图 4） 输出的振动信号。 中国矿业大学 (北 京 ) 博士 研究生开报告 9 图 振动加速度信号本安调理板 图 振动信号数据采集卡 4)数据存储模块 为了增加设备的 抗振性能，达到在复杂煤矿井下采集数据时保证数据的可靠性，选用SSD512G固态硬盘作为数据存储介质，嵌入式数据库 SQLite作为数据存储容器。 图 SSD512G固态硬盘 “黑匣子”软件结构 PC界面程序为掘进机黑匣子人机交互接口，实际黑匣子工作时， Windows XP/E系统启动后，数据采集程序随即自启动。 如下图所示。 图 PC 用户程序界面图 掘进机“黑匣子”数据采集程序软件流程图如下图所示。 中国矿业大学 (北 京 ) 博士 研究生开报告 10 初 始 化创 建 数 据 库 S Q L i t e建 立 通 讯 数 据 表 建 立 振 动 数 据 表响 应 通 讯 中 断接 收 串 口 数 据开 启 通 信 数 据存 储 线 程 T h r e a d判 定 起 始 字 符写 入 数 据 库数 据 写 入 缓 存关 闭 线 程是 否 接 受 完 毕初 始 化 数 据采 集 卡启 动 采 集程 序开 启 定 时 器S e t T i m e r采 集 振 动 数 据 到缓 存开 启 S Q L i t e 事 务创 建 数 据 存 储线 程批 量 写 入振 动 数 据提 交 S Q L i t e 事 务是 否 接 受 完 毕关 闭 数 据 库S Q L i t eYYNN Y N 图 软件流程图 载荷谱简介 载荷谱 载荷谱研究是工程结构研究的重要内容。 一般来说，载荷分为静载荷和动载荷两大类。 动载荷又分为周期载荷、非周期载荷和冲击载荷。 周期载荷和非周期载荷统称为疲劳载荷。 在疲劳载荷中，峰谷值均相等的载荷称为恒幅载荷。 所有值不等，或峰谷值不等，或两者均不相等的载荷称为谱载荷 (变幅载荷 )，而峰谷值及其序列是随机出现的谱载荷则称为随机载荷 [18]。 实际工程中，零构件受到的疲劳载荷通常都属于随机载荷。 零构件在疲劳载荷作用下，每次直接测得的 在时间历程上的载荷 (即随机载荷谱或使用谱 )都不相同， 由于这种不确定性，我们无法将实测结果直接应用于理论分析与工程实践，中国矿业大学 (北 京 ) 博士 研究生开报告 11 而必须对其进行概率统计处理，处理后得到的 在时间历程上的载荷相关图谱 ，称为载荷谱[19]。 编制载荷谱要遵循损伤等效的原则，要求它能代表性的、本质的反映出零构件在各种工况下所受到的工作载荷随时间而变化的情况。 载荷谱的表达方式有数字、公式、图形、表格、矩阵等，常见的有均值谱、变均值谱、等损伤谱等，若从维数上又可分为一维和二维载荷谱。 在实际中，用的比较多的载荷谱有两种 :程序载荷谱和随机过程载荷谱。 程序载荷谱是以一组离散的统计特征值来代替连续的载荷历 程。 随机过程载荷谱是在频率域中用人工制造的振动来合成实际载荷历程。 比较而言，后者需要专用的随机疲劳实验机 (由计算机控制的电伺服机构 )，比较严密和精确，但是实验费用较高。 前者经济性好。 若我们在编制程序载荷谱过程中能够采取适当的措施，是完全能够满足工程使用要求的。 因而，程序载荷谱在实际应用中具有很好的前景。 载荷谱大致可以分为两种表示方法，分别在幅值域和频域中加以描述。 载荷在幅值域的主要特征参数有载荷信号的峰值和谷值。 平均值、方差和标准差，以及有效值。 概率密度函数和分布函数，偏态参数和峰态参数等。 由于在机械寿命 设计和试验中，用得最多的是载荷的幅值分布特性，即载荷幅值出现的大小以及其出现的频次。 通常先将载荷信号离散化，使其变成载荷数据序列，然后从中找出载荷变化的幅值大小并进行计数处理。 离散化过程 称 为一次采样，常用等时间间隔采样。 计数过程称为二次采样，又称为幅值计数法。 幅值计数法有多种，常见有峰值计数法、振程计数法、雨流计数法等。 目前，载荷幅值的计数方法还在发展之中。 第二种载荷谱的表示方法是采用载荷幅值随频率分布的描述，如果是载荷幅值的均方值随频率的分布，则称为载荷功率谱。 这是一种建立在快速傅里叶变换分析技术基础上 ，比较精确严密的随机载荷统计方法，几乎没有丢失载荷的任何信息[20]。 疲劳载荷谱研究现状和动态 疲劳载荷谱是进行疲劳寿命预估、室内模拟实验、疲劳强度分析与计算、可靠性设计的前提和基础。 自从 1945 年美国人 帕姆格伦工作的基础上提出了著名的Miner 定律以来，疲劳载荷谱便引起工程界的关注。 但直到二十世纪七十年代，伴随着电子计算机的普及、电液伺服机构在随机疲劳实验中的广泛应用，以及“雨流计数法”被更多数人所采纳，疲劳载荷谱的研究和应用才获得快速发展。 在机械、航空等领域，经过数十 年的编谱实践和工程应用，疲劳载荷谱的研究取得了许多的成果，归结如下： 中国矿业大学 (北 京 ) 博士 研究生开报告 12 （ 1）编制了大量的载荷谱，这些数据已成为疲劳设计的重要依据。 譬如，桥式起重机[21]，直升机 [22]，港口起重机 [23]，轮式拖拉机前桥 [24]，叉车门架 [25]，战斗机 [26]，运输机，拖拉机的转向节、半轴、驱动轴、机架，汽车桥壳及其半轴，铝合金自行车 [27]等等。 (2)“雨流计数法”因能真实地反映出材料的疲劳损伤规律，并且计数规则与局部应力— 应变估算疲劳寿命方法 [28][29][30]相适应，对于随机载荷不规则系数 Kw (载荷波形以正斜率穿越均值的次数与大于均值的值数之比 )大于 ~ 的情况，采用此种循环计数法统计均幅值数据已得到了国内外的公认。 (3)普遍认为，载荷顺序对疲劳损伤具有很大的影响。 文献 [31]指出“所有现行计数法 (包括雨流法 )均未计及载荷循环先后次序的影响”。 由载荷顺序所产生的损伤效应，包括损伤非线性和载荷相互作用效应，已成为造成载荷谱损伤不等效的重要原因之一 [32]。 总的来说，减小这种损伤误差有两种途径 :载荷谱的实验环节和编谱环节。 ①载荷谱的实验环节。 文献 [33]指出，大多数情况下，疲劳载荷是一个随机过程，在以往所编制载荷谱的基础上，进行程序块疲劳实验难以体现疲劳载荷的随机性，为反映这种随机性，以减小损伤误差，可以根据载荷幅值的分布规律，用蒙特卡罗法 (Monte Carlo)产生给定分布的抽样序列，模拟随机载荷历程。 与此类似，文献 [34]也提出，对一维或二维程序块中各级载荷，在等概率条件下由计算机产生的随机序列来控制其出现的次序，以消除固定次序的影响。 另外，缩短程序载荷谱的周期 (即减小载荷块内载荷频次 )，也可以减小载荷顺序引起的疲劳损伤，这一点己被荷兰国家宇航 实验室的实验结果所证实。 ②载荷谱的编谱环节。 就目前的疲劳载荷谱研究水平而言，无论采取哪一种编谱方法，都无法保证载荷谱与原载荷 — 时间历程顺序效应等同。 虽然如此，近些年来，研究人员还是取得了一些进展。 比如，文献 [35]在具体阐述了载荷顺序效应的基础上，提出了反映该效应的公式。 文献 [32]提出在处理载荷历程时，除了统计载荷循环外还需要用分段装箱的方法记录载荷顺序效应。 在编制载荷谱过程中，利用人工智能方法，对各顺序效应箱进行搜索，并依据雨流计数原则，把循环逐级插入载荷序列中，这种方法能使载荷谱与原历程的循环计数结 果完全一致，还能保证载荷顺序效应与原历程等同，并且初步给出了计算机编程框架。 另外，文献 [36]于对国内外飞机平均载荷谱编制方法存在的一些问题，给出了一种以代表每种实测科目的中值寿命 (或损伤 )的起落进行编谱的新方法，按这种新方法编谱，可以保持实际飞行科目各动作间的真实先后顺序和载荷状态 (载荷大小和作用位置 )，从而能真实地反映出载荷作用顺序对寿命的影响。 中国矿业大学 (北 京 ) 博士 研究生开报告 13 (4)大量的随机载荷统计计数结果表明，小载荷出现的频次占大多数，而其在总损伤中所占的比例却很小， Fuchs 等人通过汽车谱的实验指出，在不到全谱中 10%的大载荷 占有了整个谱损伤的 95%。 显然，把大量的不会构成疲劳损伤的小载荷舍去，可以显著缩短实验时间和降低实验费用。 多年来，在编制载荷谱的过程中，人们对此进行了大量的研究。 关于小载荷取舍的标准，文献 [35]指出，小载荷取舍的唯一标准就是“舍掉小载荷前与后对材料或零构件造成的损伤等效”，并且根据这一原则，作者建立了能满足不同载荷类型和精度要求的小载荷取舍条件。 通常采用的方法有两种： 1）按载荷一时间历程中最大载荷幅值的百分比舍去小载荷。 例如， 等人认为，舍去最大载荷的 10%对疲劳寿命不产生影响 [37]。 通过大量的程序疲劳实验指出，小于 。 ( 为服从正态分布载荷的标准差 )的载荷级可以舍去。 明平顺等人提出若不考虑极端值的影响，允许删去最大记录幅值的 8%~12%的幅值。 2）按材料疲劳极限的百分比舍去小载荷。 对各种载荷谱采用不同的取舍标准做了大量实验，结果表明低于材料疲劳极限 50%的小载荷对试样的损伤可以不计 [38]。 其他学者也提出过舍去疲劳极限或疲劳极限 ~ 以下的 小载荷。 对于按载荷一时间历程中最大载荷幅值的百分比或材料疲劳极限的百分比舍去小载荷的方法，文献 [32]认为不能保证损伤等效，而应根据载荷分布类型，载荷顺序和相互作用效应三个特征参量等效原则，按不同载荷类型确定不同的小载荷取舍标准。 另外，文献 [39]指出，采用上述两种舍去小载荷的方法都是在统计处理结束后，即累积频次分布这个环节上进行的，并且，只能删去叠加在均值上的小载荷，而对任何载荷水平上的波动小载荷无能为力。 为此，作者提出通过研究有关统计参数随不敏感带 （ 载荷时间历程测量中应变标定的百分比 ） 的变化规律来确 定最佳不敏感带的方法，能克服以上的局限，同时，可以有效地减小一些数据处理机或数据处理软件在统计计数过程中设置门槛值 (类似不敏感带 )的随意性，使计数结果更为可信。 载荷谱 的绘制 一般载荷谱的绘制过程包括：载荷的测取，载荷信号预处理，选取研究样本，载荷的随即平稳性和各态历经行检验，载荷信号统计分析，载荷信号的计数处理，载荷的累计扩展和外推等 [7][35][40]。 对以上部分环节介绍如下： 中国矿业大学 (北 京 ) 博士 研究生开报告 14 载荷的测取 本课题需要测取的载荷信号有：截割电机的功率和转矩，升降、回转两对液压缸的压力和位移信号。 都通过 传感器测取并由“黑匣子”与掘进机主控单元建立通讯来获得。 载荷信号预处理 由传感器测取的载荷信号必须先转换成为软件能够识别的实际物理意义值。 由于测试得到的载荷信号中存在着干扰信号、噪声信号、奇异信号等，它们都影响载荷谱的时域和频域特性，从而影响疲劳损伤的计算精度。 因此在信号处理过程中需要综合采用滤波、剔除奇异点等技术手段，消除或者衰减噪声和奇异信号等因素的干扰，提高载荷信号系统的信噪比，将蕴藏在信号中的有用信息识别并提取出来，为后续编制载荷谱和载荷性质分析做好基础工作。 平稳性及各态历经 性检验 在满足测试样本长度的情况下，利用所得到的样本进行总体参数的估计在统计学上需要满足信号的无偏估计和有效估计，而测试数字信号的数据处理是建立在载荷信号平稳分布的前提下。 根据随机理论，只要信号满足平稳性和各态历经性，就可以用测试载荷样本的数据来估计总体无限多情况下的载荷过程。 载荷信号统计分析 不同载荷信号 分别进行均值、方差、均方根值 等 统计分析。 载荷信号的计数处理 疲劳分析时，载荷幅值的大小是疲劳损伤的主要决定因素。 所编制载荷谱的幅值在很大程度上反应了疲劳寿命估算和疲劳试验结果的可靠 性与准确性。 计数方法是载荷谱编制的关键技术，应用不同的载荷计数方法编制的载荷谱会有很大不同，因而按照这些载荷谱进行疲劳寿命计算和试验也会得到不同的结果。 计数法的实质是在载荷计数过程中将载荷的大小和方向变化通过数学方式表达出来，显示并存储为计算机和人都可以重现的载荷变化过程。 目前，国内外已发展的计数法有十多种。 其统计特征而言常用的幅值计数法有峰值计数法、振程计数法、雨流计数法、穿级计数法、疲劳计数法、幅值计数法等。 根据统计参数特性，计数方法总体可分为两类 :单参数法和双参数法。 单参数计数法只记录载荷应力循环中中国矿业大学 (北 京 ) 博士 研究生开报告 15 的一个参数，不能给出载荷循环的全部信息特征。 双参数计数法有两个独立变量，可以记录应力循环中的全部信息，目前应用比较广泛。 下面分别比较几种常用计数法的特点。 （ 1） 穿级计数法 :记录载荷穿越每一等级的次数，根据这些数据累积建立载荷累积频次分布，但不能提供幅值的分布。 （ 2）量程计数法 :主要记录载荷由极小值到随后的极大值 (正变程 )或由极大值到随后的。