一种非平稳随机循环工况下的参数化载荷模型

一 种 非 平 稳 随 机 循 环 工 况 下 的 参 数 化 载 荷 模 型
姜 涛 ，付 志 翼 ，王安 麟
（同济 大学 机械与能源工程学院 ，上海 ２０１８０４）
摘 要 ：为解决土方 工程机械非平稳 随机循环 工况下 ，其零 部件设计 与试 验中载荷表达 的难题 ，提 出一 种参数化 载荷模 型．以液压挖掘 机多路阀 回转联为研究对象 ，将其 阀 口压力 载荷数据 通过小 波变换分 解为载 荷随机项 和载荷趋势 项 ；其 中具有平稳 随机特征的载荷 随机项 利用 功率谱估 计等处 理实 现其 “随机 项 函数 ” 表达 ，具 有非平稳特征 的载荷趋势项利用 随机变量表征工况 的函数拟合实 现其 “趋势 项 函数 ”表达 ；再将 两者 组合重构 为“循环工况载荷 函数 ”．仿真 与试验数 据对 比证明 ，该 函数较好地 复现了非平 稳随机循 环工 况下多 路 阀载荷 的随机特征 ．研究表 明构建 载荷模 型的方法 ，对 于实现面 向循环工 况特征 的非 平稳 随机 载荷 的参 数 化表达 ，具有 工程化应用的重要参考价值 ． 关 键 词 ：循环工况载荷 ；液压挖掘机 ；多路 阀；整机 试验 ；参数化模 型 中图分类号 ：ＴＵ ６２１ 文献标志码 ：Ａ 文章编号 ：１００５—３０２６（２０１６）０６—０８４５—０６
能测 试 研究 多在 室 内台架 或计 算机 仿真 环境 中开 展 ．在 台架试 验加 载 或仿 真设 置边 界条 件 时 ，采用 何种 载荷 信 号对 研究 结 果有 很 大 影 响 ＿２ Ｊ．如果 仅 采用 恒 定 载 荷 、阶跃 别 较 大 ，势 必 造 成研 究 结 论 的偏差 ；如 果直 接 采 用 有 限 的整 机 测试 数 据 加
第３７卷 第６期 ２０ １ ６年 ６月
东 北 大 学 学 报 （ 自 然 科 学 版 ） Ｊｏｕｍａｌ ｏｆ Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ）
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５—３０２６．２０１６．０６．０１８
Ｖ ｏ１．３７ ，Ｎ ｏ．６ Ｊｕｎ． ２ ０ １ ６
Ｐａｒａｍ ｅｔｅｒｉｚｅｄ Ｌｏａｄ Ｍ ｏｄｅｌ Ｕｎｄｅｒ Ｎｏｎ－ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ Ｒａｎｄｏｍ
Ｃｙｃｌｉｃ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ
ＪＩＡＮＧ Ｔａｏ。ＦＵ Ｚｈｉ—ｙｉ，ＷＡＮＧ Ａｎ—ｌｉｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａ ｎｇｈａｉ ２０１８０４，Ｃｈｉｎａ．Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ：ＪＩＡＮＧ Ｔａｏ，Ｅ—ｍａｌｌ：ｊｉａｎｇｔａｏ＠ ｔｏｎｇｊｉ．ｅｄｕ．ｃａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｏｆ ｅａｒｔｈｍｏｖｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ｕｎｄｅｒ ｎｏｎ—ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ ｒａｎｄｏｍ ｃｙｃｌｉｃ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｔｅｓｔｓ ｏｆ ｉｔｓ ｃｏｍ ｐｏｎｅｎｔｓ， ａ ｐａｒａｍ ｅｔｅｒｉｚｅｄ ｍ ｏｄｅｌ ｗ ａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈ ｅ ｍ ｕｌｔｉ－ｗａｙ ｖａｌｖｅ ｉｎ ｔｈ ｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｅｘｃａｖａｔｏｒ，ｔｈ ｅ ｏｕｔｌｅｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｔ ｖａｌｖｅ ｐｏｒｔ ｗａｓ ｄｅｃｏｍｐｏｓｅｄ ｉｎｔｏ ｒａｎｄｏｍ ｔｅｒｍ ａｎ ｄ ｆｉｅｎｄ ｔｅｒｍ ｂｙ ｗａｖｅｌｅｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ．Ｔｈｅ ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ ｒａｎ ｄｏｍ ｔｅｒｍ ｗａｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｂｙ “ｒａｎ ｄｏｍ ｔｅｒｍ ｆｕｎｃｔｉｏｎ’’ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｅｓｔｉｍ ａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｄｅｎｓｉｔｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｎｏｎ—ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ ｆｉｅｎｄ ｔｅｒｍ ｗａｓ ｅｘｐｒｅｓｓｅｄ ｂｙ “ｔｒｅｎｄ ｔｅｒｍ ｆｕｎｃｔｉｏｎ’’ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｔｏ ｆｉｔ ｗｉｔｈ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ—ｖａｒｉａｂｌｅｓ． Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｔｗ ｏ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｃｏｍ ｂｉｎｅｄ ｔｏ ｇｅｎｅｒａｔｅ “ｃｙｃｌｉｃ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｌｏａｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ”． Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎ ｄ ｔｅｓｔ ｄａｔａ ｐｒｏｖｅ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｃａｎ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔ ｒａｎ ｄｏｍ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｉｎ ｍｕｌｔｉ．．ｗａｙ ｖａｌｖｅ ｕｎｄｅｒ ｎｏｎ－－ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ ｒａｎｄｏｍ ｃｙｃｌｉｃ ｃｏｎｄｉｔ ｉｏｎｓ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｌｓｏ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈ ｅ ｍ ｏｄｅｌｉｎｇ ｍ ｅｔｈ ｏｄ ｗｉｌｌ ｂｅ ａｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｖｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｒｅａｌｉｚｉｎｇ ｔｈ ｅ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｎｏｎ—ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ ｒａｎ ｄｏｍ ｌｏａｄ ｗｉｔｈ ｃｙｃｌｉｃ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｉｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｃｙｃｌｉｃ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｌｏａｄ； ｈｙｄｒ ａｕｌｉｃ ｅｘｃａｖａｔｏｒ； ｍｕｌｔｉ—ｗａｙ ｖａｌｖｅ； ｏｖｅｒａｌｌ ｔｅｓｔ； ｐａ ｒ ａｍ ｅｔｅｒｉｚｅｄ ｍ ｏｄｅｌ
以挖 掘机 为 代表 的土 方工 程机 械一 般在 循 环 工况下作业 ，由于结构参数 、工作模式 、工作介质 及 操 纵 习惯等 多 方 面 因 素 的影 响 ｕｌ Ｊ，各零 部 件 载 荷 为具 有 循环 工 况 特 征 的非 平 稳 随机 载 荷 ．随着 试验与仿真技术的发展 ，为 了降低研发成本 、提高 试验可重复性 ，对 土方工程机械零部件的动态性