【文章內(nèi)容簡介】 模塊 采用 RBH8261 USB MINI 型高速數(shù)據(jù)采集卡， 如下圖 5 所示， 支持 8 通道振動加速度信號采集，總采樣頻率 250KHz，通道數(shù)和采樣頻率均軟件可調(diào)，與主板 USB 接口連接，并由該接口提供供電，正負 5V 電壓信號輸入，采集經(jīng)本安型振動加速度信號調(diào)理板 （如下圖 4） 輸出的振動信號。 中國礦業(yè)大學 (北 京 ) 博士 研究生開報告 9 圖 振動加速度信號本安調(diào)理板 圖 振動信號數(shù)據(jù)采集卡 4)數(shù)據(jù)存儲模塊 為了增加設(shè)備的 抗振性能，達到在復(fù)雜煤礦井下采集數(shù)據(jù)時保證數(shù)據(jù)的可靠性，選用SSD512G固態(tài)硬盤作為數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)，嵌入式數(shù)據(jù)庫 SQLite作為數(shù)據(jù)存儲容器。 圖 SSD512G固態(tài)硬盤 “黑匣子”軟件結(jié)構(gòu) PC界面程序為掘進機黑匣子人機交互接口，實際黑匣子工作時， Windows XP/E系統(tǒng)啟動后，數(shù)據(jù)采集程序隨即自啟動。如下圖所示。 圖 PC 用戶程序界面圖 掘進機“黑匣子”數(shù)據(jù)采集程序軟件流程圖如下圖所示。 中國礦業(yè)大學 (北 京 ) 博士 研究生開報告 10 初 始 化創(chuàng) 建 數(shù) 據(jù) 庫 S Q L i t e建 立 通 訊 數(shù) 據(jù) 表 建 立 振 動 數(shù) 據(jù) 表響 應(yīng) 通 訊 中 斷接 收 串 口 數(shù) 據(jù)開 啟 通 信 數(shù) 據(jù)存 儲 線 程 T h r e a d判 定 起 始 字 符寫 入 數(shù) 據(jù) 庫數(shù) 據(jù) 寫 入 緩 存關(guān) 閉 線 程是 否 接 受 完 畢初 始 化 數(shù) 據(jù)采 集 卡啟 動 采 集程 序開 啟 定 時 器S e t T i m e r采 集 振 動 數(shù) 據(jù) 到緩 存開 啟 S Q L i t e 事 務(wù)創(chuàng) 建 數(shù) 據(jù) 存 儲線 程批 量 寫 入振 動 數(shù) 據(jù)提 交 S Q L i t e 事 務(wù)是 否 接 受 完 畢關(guān) 閉 數(shù) 據(jù) 庫S Q L i t eYYNN Y N 圖 軟件流程圖 載荷譜簡介 載荷譜 載荷譜研究是工程結(jié)構(gòu)研究的重要內(nèi)容。一般來說，載荷分為靜載荷和動載荷兩大類。動載荷又分為周期載荷、非周期載荷和沖擊載荷。周期載荷和非周期載荷統(tǒng)稱為疲勞載荷。在疲勞載荷中，峰谷值均相等的載荷稱為恒幅載荷 。所有值不等，或峰谷值不等，或兩者均不相等的載荷稱為譜載荷 (變幅載荷 )，而峰谷值及其序列是隨機出現(xiàn)的譜載荷則稱為隨機載荷 [18]。實際工程中，零構(gòu)件受到的疲勞載荷通常都屬于隨機載荷。 零構(gòu)件在疲勞載荷作用下，每次直接測得的 在時間歷程上的載荷 (即隨機載荷譜或使用譜 )都不相同， 由于這種不確定性，我們無法將實測結(jié)果直接應(yīng)用于理論分析與工程實踐，中國礦業(yè)大學 (北 京 ) 博士 研究生開報告 11 而必須對其進行概率統(tǒng)計處理，處理后得到的 在時間歷程上的載荷相關(guān)圖譜 ，稱為載荷譜[19]。編制載荷譜要遵循損傷等效的原則，要求它能代表性的、本質(zhì)的反映出零構(gòu)件在各種工況下所受到的工作載荷隨時間而變化的情況。 載荷譜的表達方式有數(shù)字、公式、圖形、表格、矩陣等，常見的有均值譜、變均值譜、等損傷譜等，若從維數(shù)上又可分為一維和二維載荷譜。在實際中，用的比較多的載荷譜有兩種 :程序載荷譜和隨機過程載荷譜。程序載荷譜是以一組離散的統(tǒng)計特征值來代替連續(xù)的載荷歷 程 。隨機過程載荷譜是在頻率域中用人工制造的振動來合成實際載荷歷程。比較而言，后者需要專用的隨機疲勞實驗機 (由計算機控制的電伺服機構(gòu) )，比較嚴密和精確，但是實驗費用較高 。前者經(jīng)濟性好。若我們在編制程序載荷譜過程中能夠采取適當?shù)拇胧峭耆軌驖M足工程使用要求的。因而，程序載荷譜在實際應(yīng)用中具有很好的前景。 載荷譜大致可以分為兩種表示方法，分別在幅值域和頻域中加以描述。載荷在幅值域的主要特征參數(shù)有載荷信號的峰值和谷值 。平均值、方差和標準差，以及有效值 。概率密度函數(shù)和分布函數(shù)，偏態(tài)參數(shù)和峰態(tài)參數(shù)等。由于在機械壽命 設(shè)計和試驗中，用得最多的是載荷的幅值分布特性，即載荷幅值出現(xiàn)的大小以及其出現(xiàn)的頻次。通常先將載荷信號離散化，使其變成載荷數(shù)據(jù)序列，然后從中找出載荷變化的幅值大小并進行計數(shù)處理。 離散化過程 稱 為一次采樣，常用等時間間隔采樣 。計數(shù)過程稱為二次采樣，又稱為幅值計數(shù)法。幅值計數(shù)法有多種，常見有峰值計數(shù)法、振程計數(shù)法、雨流計數(shù)法等。目前，載荷幅值的計數(shù)方法還在發(fā)展之中。第二種載荷譜的表示方法是采用載荷幅值隨頻率分布的描述，如果是載荷幅值的均方值隨頻率的分布，則稱為載荷功率譜。這是一種建立在快速傅里葉變換分析技術(shù)基礎(chǔ)上 ，比較精確嚴密的隨機載荷統(tǒng)計方法，幾乎沒有丟失載荷的任何信息[20]。 疲勞載荷譜研究現(xiàn)狀和動態(tài) 疲勞載荷譜是進行疲勞壽命預(yù)估、室內(nèi)模擬實驗、疲勞強度分析與計算、可靠性設(shè)計的前提和基礎(chǔ)。自從 1945 年美國人 帕姆格倫工作的基礎(chǔ)上提出了著名的Miner 定律以來，疲勞載荷譜便引起工程界的關(guān)注。但直到二十世紀七十年代，伴隨著電子計算機的普及、電液伺服機構(gòu)在隨機疲勞實驗中的廣泛應(yīng)用，以及“雨流計數(shù)法”被更多數(shù)人所采納，疲勞載荷譜的研究和應(yīng)用才獲得快速發(fā)展。 在機械、航空等領(lǐng)域，經(jīng)過數(shù)十 年的編譜實踐和工程應(yīng)用，疲勞載荷譜的研究取得了許多的成果，歸結(jié)如下： 中國礦業(yè)大學 (北 京 ) 博士 研究生開報告 12 （ 1）編制了大量的載荷譜，這些數(shù)據(jù)已成為疲勞設(shè)計的重要依據(jù)。譬如，橋式起重機[21]，直升機 [22]，港口起重機 [23]，輪式拖拉機前橋 [24]，叉車門架 [25]，戰(zhàn)斗機 [26]，運輸機，拖拉機的轉(zhuǎn)向節(jié)、半軸、驅(qū)動軸、機架，汽車橋殼及其半軸，鋁合金自行車 [27]等等。 (2)“雨流計數(shù)法”因能真實地反映出材料的疲勞損傷規(guī)律，并且計數(shù)規(guī)則與局部應(yīng)力— 應(yīng)變估算疲勞壽命方法 [28][29][30]相適應(yīng)，對于隨機載荷不規(guī)則系數(shù) Kw (載荷波形以正斜率穿越均值的次數(shù)與大于均值的值數(shù)之比 )大于 ~ 的情況，采用此種循環(huán)計數(shù)法統(tǒng)計均幅值數(shù)據(jù)已得到了國內(nèi)外的公認。 (3)普遍認為，載荷順序?qū)ζ趽p傷具有很大的影響。文獻 [31]指出“所有現(xiàn)行計數(shù)法 (包括雨流法 )均未計及載荷循環(huán)先后次序的影響”。由載荷順序所產(chǎn)生的損傷效應(yīng)，包括損傷非線性和載荷相互作用效應(yīng)，已成為造成載荷譜損傷不等效的重要原因之一 [32]?？偟膩碚f，減小這種損傷誤差有兩種途徑 :載荷譜的實驗環(huán)節(jié)和編譜環(huán)節(jié)。 ①載荷譜的實驗環(huán)節(jié)。文獻 [33]指出，大多數(shù)情況下，疲勞載荷是一個隨機過程，在以往所編制載荷譜的基礎(chǔ)上，進行程序塊疲勞實驗難以體現(xiàn)疲勞載荷的隨機性，為反映這種隨機性，以減小損傷誤差，可以根據(jù)載荷幅值的分布規(guī)律，用蒙特卡羅法 (Monte Carlo)產(chǎn)生給定分布的抽樣序列，模擬隨機載荷歷程。與此類似，文獻 [34]也提出，對一維或二維程序塊中各級載荷，在等概率條件下由計算機產(chǎn)生的隨機序列來控制其出現(xiàn)的次序，以消除固定次序的影響。另外，縮短程序載荷譜的周期 (即減小載荷塊內(nèi)載荷頻次 )，也可以減小載荷順序引起的疲勞損傷，這一點己被荷蘭國家宇航 實驗室的實驗結(jié)果所證實。 ②載荷譜的編譜環(huán)節(jié)。就目前的疲勞載荷譜研究水平而言，無論采取哪一種編譜方法，都無法保證載荷譜與原載荷 — 時間歷程順序效應(yīng)等同。雖然如此，近些年來，研究人員還是取得了一些進展。比如，文獻 [35]在具體闡述了載荷順序效應(yīng)的基礎(chǔ)上，提出了反映該效應(yīng)的公式。文獻 [32]提出在處理載荷歷程時，除了統(tǒng)計載荷循環(huán)外還需要用分段裝箱的方法記錄載荷順序效應(yīng) 。在編制載荷譜過程中，利用人工智能方法，對各順序效應(yīng)箱進行搜索，并依據(jù)雨流計數(shù)原則，把循環(huán)逐級插入載荷序列中，這種方法能使載荷譜與原歷程的循環(huán)計數(shù)結(jié) 果完全一致，還能保證載荷順序效應(yīng)與原歷程等同，并且初步給出了計算機編程框架。另外，文獻 [36]于對國內(nèi)外飛機平均載荷譜編制方法存在的一些問題，給出了一種以代表每種實測科目的中值壽命 (或損傷 )的起落進行編譜的新方法，按這種新方法編譜，可以保持實際飛行科目各動作間的真實先后順序和載荷狀態(tài) (載荷大小和作用位置 )，從而能真實地反映出載荷作用順序?qū)勖挠绊憽? 中國礦業(yè)大學 (北 京 ) 博士 研究生開報告 13 (4)大量的隨機載荷統(tǒng)計計數(shù)結(jié)果表明，小載荷出現(xiàn)的頻次占大多數(shù)，而其在總損傷中所占的比例卻很小， Fuchs 等人通過汽車譜的實驗指出，在不到全譜中 10%的大載荷 占有了整個譜損傷的 95%。顯然，把大量的不會構(gòu)成疲勞損傷的小載荷舍去，可以顯著縮短實驗時間和降低實驗費用。多年來，在編制載荷譜的過程中，人們對此進行了大量的研究。 關(guān)于小載荷取舍的標準，文獻 [35]指出，小載荷取舍的唯一標準就是“舍掉小載荷前與后對材料或零構(gòu)件造成的損傷等效”，并且根據(jù)這一原則，作者建立了能滿足不同載荷類型和精度要求的小載荷取舍條件。 通常采用的方法有兩種： 1）按載荷一時間歷程中最大載荷幅值的百分比舍去小載荷。例如， 等人認為，舍去最大載荷的 10%對疲勞壽命不產(chǎn)生影響 [37]。 通過大量的程序疲勞實驗指出，小于 ? 。 (? 為服從正態(tài)分布載荷的標準差 )的載荷級可以舍去 。明平順等人提出若不考慮極端值的影響，允許刪去最大記錄幅值的 8%~12%的幅值。 2）按材料疲勞極限的百分比舍去小載荷。對各種載荷譜采用不同的取舍標準做了大量實驗，結(jié)果表明低于材料疲勞極限 50%的小載荷對試樣的損傷可以不計 [38]。其他學者也提出過舍去疲勞極限或疲勞極限 ~ 以下的 小載荷。 對于按載荷一時間歷程中最大載荷幅值的百分比或材料疲勞極限的百分比舍去小載荷的方法，文獻 [32]認為不能保證損傷等效，而應(yīng)根據(jù)載荷分布類型，載荷順序和相互作用效應(yīng)三個特征參量等效原則，按不同載荷類型確定不同的小載荷取舍標準。 另外，文獻 [39]指出，采用上述兩種舍去小載荷的方法都是在統(tǒng)計處理結(jié)束后，即累積頻次分布這個環(huán)節(jié)上進行的，并且，只能刪去疊加在均值上的小載荷，而對任何載荷水平上的波動小載荷無能為力。為此，作者提出通過研究有關(guān)統(tǒng)計參數(shù)隨不敏感帶 （ 載荷時間歷程測量中應(yīng)變標定的百分比 ） 的變化規(guī)律來確 定最佳不敏感帶的方法，能克服以上的局限，同時，可以有效地減小一些數(shù)據(jù)處理機或數(shù)據(jù)處理軟件在統(tǒng)計計數(shù)過程中設(shè)置門檻值 (類似不敏感帶 )的隨意性，使計數(shù)結(jié)果更為可信 。 載荷譜 的繪制 一般載荷譜的繪制過程包括：載荷的測取，載荷信號預(yù)處理，選取研究樣本，載荷的隨即平穩(wěn)性和各態(tài)歷經(jīng)行檢驗，載荷信號統(tǒng)計分析，載荷信號的計數(shù)處理，載荷的累計擴展和外推等 [7][35][40]。 對以上部分環(huán)節(jié)介紹如下： 中國礦業(yè)大學 (北 京 ) 博士 研究生開報告 14 載荷的測取 本課題需要測取的載荷信號有：截割電機的功率和轉(zhuǎn)矩，升降、回轉(zhuǎn)兩對液壓缸的壓力和位移信號。都通過 傳感器測取并由“黑匣子”與掘進機主控單元建立通訊來獲得。 載荷信號預(yù)處理 由傳感器測取的載荷信號必須先轉(zhuǎn)換成為軟件能夠識別的實際物理意義值。由于測試得到的載荷信號中存在著干擾信號、噪聲信號、奇異信號等，它們都影響載荷譜的時域和頻域特性，從而影響疲勞損傷的計算精度。因此在信號處理過程中需要綜合采用濾波、剔除奇異點等技術(shù)手段，消除或者衰減噪聲和奇異信號等因素的干擾，提高載荷信號系統(tǒng)的信噪比，將蘊藏在信號中的有用信息識別并提取出來，為后續(xù)編制載荷譜和載荷性質(zhì)分析做好基礎(chǔ)工作。 平穩(wěn)性及各態(tài)歷經(jīng) 性檢驗 在滿足測試樣本長度的情況下，利用所得到的樣本進行總體參數(shù)的估計在統(tǒng)計學上需要滿足信號的無偏估計和有效估計，而測試數(shù)字信號的數(shù)據(jù)處理是建立在載荷信號平穩(wěn)分布的前提下。根據(jù)隨機理論，只要信號滿足平穩(wěn)性和各態(tài)歷經(jīng)性，就可以用測試載荷樣本的數(shù)據(jù)來估計總體無限多情況下的載荷過程。 載荷信號統(tǒng)計分析 不同載荷信號 分別進行均值、方差、均方根值 等 統(tǒng)計分析 。 載荷信號的計數(shù)處理 疲勞分析時，載荷幅值的大小是疲勞損傷的主要決定因素。所編制載荷譜的幅值在很大程度上反應(yīng)了疲勞壽命估算和疲勞試驗結(jié)果的可靠 性與準確性。計數(shù)方法是載荷譜編制的關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)用不同的載荷計數(shù)方法編制的載荷譜會有很大不同，因而按照這些載荷譜進行疲勞壽命計算和試驗也會得到不同的結(jié)果。計數(shù)法的實質(zhì)是在載荷計數(shù)過程中將載荷的大小和方向變化通過數(shù)學方式表達出來，顯示并存儲為計算機和人都可以重現(xiàn)的載荷變化過程。 目前，國內(nèi)外已發(fā)展的計數(shù)法有十多種。其統(tǒng)計特征而言常用的幅值計數(shù)法有峰值計數(shù)法、振程計數(shù)法、雨流計數(shù)法、穿級計數(shù)法、疲勞計數(shù)法、幅值計數(shù)法等。根據(jù)統(tǒng)計參數(shù)特性，計數(shù)方法總體可分為兩類 :單參數(shù)法和雙參數(shù)法。單參數(shù)計數(shù)法只記錄載荷應(yīng)力循環(huán)中中國礦業(yè)大學 (北 京 ) 博士 研究生開報告 15 的一個參數(shù)，不能給出載荷循環(huán)的全部信息特征 。雙參數(shù)計數(shù)法有兩個獨立變量，可以記錄應(yīng)力循環(huán)中的全部信息，目前應(yīng)用比較廣泛。下面分別比較幾種常用計數(shù)法的特點。 （ 1） 穿級計數(shù)法 :記錄載荷穿越每一等級的次數(shù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)累積建立載荷累積頻次分布，但不能提供幅值的分布 。 （ 2）量程計數(shù)法 :主要記錄載荷由極小值到隨后的極大值 (正變程 )或由極大值到隨后的