工程机械内燃机载荷再现及外推方法技术

本发明专利技术公开了一种工程机械内燃机载荷再现及外推的方法，属于工程机械内燃机载荷谱编制技术领域，该方法包括如下步骤：(1)扭矩、转速同步峰谷值提取；(2)扭矩、转速同步剔除小载荷；(3)扭矩、转速数据重采样；(4)扭矩、转速数据同步计数；(5)阈值选取；(6)中低载荷区间比例外推；(7)POT模型极值外推；(8)极值外推后的载荷同步计数。本发明专利技术解决了工程机械在典型作业阶段，内燃机扭矩、转速双参数载荷同步再现困难的问题，该方法对内燃机中低载荷进行比例外推，对极值载荷进行POT模型极值外推，提高了内燃机极值载荷再现和外推的精度，同时又简单、适用。

【技术实现步骤摘要】
工程机械内燃机载荷再现及外推方法
本专利技术涉及工程机械内燃机载荷谱编制
，尤其涉及一种工程机械内燃机载荷再现及外推方法。
技术介绍
工程机械(例如：装载机和挖掘机)在工作过程中具有环境恶劣、工况多变、连续工作时间长等特点，这对工程机械内燃机的可靠性和耐用性造了成很大的挑战，所以再现工程机械内燃机的载荷并进行全寿命外推对工程机械内燃机的研究具有重要意义，并且再现出的内燃机载荷还可以用于内燃机的零部件可靠性分析，例如对曲轴、连杆、缸体以及活塞等的疲劳分析都是基于内燃机的整机载荷谱下进行的。工程机械内燃机的载荷通常由多个参数组成，其中对内燃机影响较大的参数是扭矩和转速，它们能反映出内燃机工作时的受载力以及受载频率。然而，目前对两个载荷参数同时实现载荷再现和外推的研究文献相对较少，如何同时对内燃机的转速和扭矩载荷再现和外推是工程机械内燃机进行可靠性分析的一个重要课题。专利公开号为CN103678256A，专利技术人骆清国等的专利技术专利“车用发动机载荷谱编制方法”中通过计算载荷过渡时间矩阵、载荷保持时间矩阵，编制了车用发动机载荷谱，但该方法在载荷外推过程中没有考虑极值载荷的影响，所以编制出的载荷谱偏于保守。综上所述，对工程机械内燃机的扭矩和转速载荷同时进行再现和外推，并且在外推过程中考虑极值载荷的影响是工程机械内燃机载荷再现和外推需要迫切研究的方向。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种工程机械内燃机载荷再现及外推方法，以解决内燃机转速和扭矩载荷同时再现、极值载荷外推困难的问题。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：工程机械内燃机载荷再现及外推方法，包括以下步骤：(1)扭矩、转速同步峰谷值提取峰谷值数据代表了载荷的转折情况，包含了载荷的重要信息。对扭矩和转速进行峰谷值提取时，要同时提取扭矩和转速峰谷值对应时间的数据，具体步骤为：(1.1)先对扭矩进行峰谷值提取，并记录扭矩峰谷值所对应的时间序列矩阵TtTt＝[T1,T2,T3......Tn]；(1.2)再对转速进行峰谷值提取，并记录转速峰谷值所对应的时间序列矩阵TrTr＝[T1',T2',T3'......Tn']；(1.3)将时间序列矩阵Tt和Tr合并成总的峰谷值时间序列矩阵为T＝[T1,T1',T2,T2',T3,T3'......Tn,Tn']；(1.4)按照总的时间序列矩阵提取对应时间采集的转速或扭矩样本点，得到同时包含转速和扭矩峰谷值时刻的转速或扭矩峰谷值时间序列；(2)扭矩、转速同步剔除小载荷进行小载荷剔除时，为了保证扭矩和转速的数据点时刻保持一致，要同时对扭矩、转速进行小载荷的剔除，具体步骤为：某一时刻扭矩对应的载荷值与前后两个时刻对应的载荷值之间的绝对差值都小于一个阈值△1，同时该时刻对应的转速载荷值与前后两个时刻对应的转速载荷值之间的绝对差值也都小于一个阈值△2，这时同时剔除该时刻的扭矩和转速数据值；(3)扭矩、转速数据重采样(3.1)为了方便后面进行同步计数并且提高计数精度，两个数据点之间的时间步要尽可能的短并且等间隔，因此进行扭矩、转速的重采样，提高采样率，缩短前后两个载荷数据点之间的时间步；为了重采样时更多的落在真实采集的载荷数据点上，将重采样率提高到原采样频率的整数倍，所以重采样之后前后两个数据点之间的时间步△t为：△t＝1/mf(1)其中，f为原采样频率；m为重采样频率与原采样频率的比值；(3.2)由于提高了采样频率，重采样时会有一些数据点为空，这时采用插值法补全数据为空的样本点，即若重采样时某一时刻的数据点为空，则利用该时刻相邻的前后两个数据点进行两点一次插值，其公式为：其中xi为数据点为空的时刻；yi为该时刻线性插值后的数据点值；xi+1为后一时刻；yi+1为后一时刻的数据点值；xi-1为前一时刻；yi-1为前一时刻数据点的值。(4)扭矩、转速数据同步计数对扭矩、转速数据进行同步计数，统计出采集到的扭矩、转速数据所在的区间以及该区间发生的累计时间，具体步骤为：(4.1)先对扭矩、转速数据进行散点图绘制，找到扭矩、转速数据各自的区间范围，再划分扭矩、转速区间；(4.2)对扭矩、转速进行区间统计：找到某一时刻对应的扭矩和转速载荷值所在的区间，将该区间的时间累积一次，累积一次相当于该区间的时间增加一个重采样后的时间步△t；(5)阈值选取在进行扭矩、转速载荷的外推之前，先选取扭矩和转速载荷的阈值，阈值以上的极值载荷采用POT模型极值外推，阈值以下的中低载荷采用比例外推。转速和扭矩数据的阈值选取原则相同：在该阈值下产生的极值样本容量不大于总的采集样本容量的即：其中，nu为极值样本容量；n为总的采集样本容量；的取值由载荷变化的剧烈程度决定；(6)中低载荷区间比例外推由步骤(5)求出扭矩和转速的阈值，当步骤(4)中扭矩和转速的区间都在各自的阈值以下时，说明这部分区间载荷是中低载荷，对步骤(4)统计出的中低载荷区间的累积时间直接进行比例外推，比例外推系数k为：k＝T×w％/t(4)其中，T为工程机械内燃机的预期寿命；w％为该工况的占比；t为采集样本载荷的时间；(7)POT模型极值外推对于极值载荷所在的区间的累计时间不能像步骤(6)那样直接比例外推，要先进行POT模型极值外推，再对外推后的载荷时间序列进行扭矩和转速的同步计数，POT模型外推的具体步骤为：(7.1)广义帕累托分布(GPD)拟合极值载荷GPD的累计分布函数表达式为：其中，σ为尺度参数；ξ为形状参数；u为阈值；(7.2)极值外推利用POT模型进行外推时，只对极值载荷进行外推，外推后的极值是原极值载荷对应的GPD概率提升α％的结果，α值由不同工况下载荷的变化剧烈程度决定。(8)极值外推后的载荷同步计数对极值外推后的长期载荷时间序列进行扭矩和转速的同步计数时，为了节省同步计数的时间，不需要对外推后的所有载荷数据点都进行同步计数，只需要对阈值以上的极值载荷所在的区间再次进行区间累计时间的统计，而中低载荷所在区间的累计时间采用步骤(6)中比例外推的结果。进一步的，所述步骤(2)中，扭矩小载荷剔除阈值△1和转速小载荷剔除阈值△2的计算公式为：△1或△2＝(△max-△min)×θ×2(6)其中，△max是采集到的扭矩或转速载荷循环的最大幅值；△min是采集到的扭矩或转速载荷循环的最小幅值；θ是小载荷剔除门槛；进一步的，所述步骤(4)中，划分扭矩、载荷的区间范围时，根据散点图中载荷的集中情况非等间隔的划分区间，载荷不集中的地方，划分的区间范围稍大一点，载荷集中的地方，区间范围划分的细一点。进一步的，所述步骤(8)中，对极值外推后的长期载荷时间序列进行扭矩和转速的同步计数时，不需要对所有载荷数据点都进行同步计数，只需要对阈值以上的极值本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.工程机械内燃机载荷再现及外推方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：/n(1)扭矩、转速同步峰谷值提取；/n(2)扭矩、转速同步剔除小载荷；/n(3)扭矩、转速数据重采样；/n(4)扭矩、转速数据同步计数；/n(5)阈值选取；/n(6)中低载荷区间比例外推；/n(7)POT模型极值外推；/n(8)极值外推后的载荷同步计数。/n

【技术特征摘要】
1.工程机械内燃机载荷再现及外推方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)扭矩、转速同步峰谷值提取；
(2)扭矩、转速同步剔除小载荷；
(3)扭矩、转速数据重采样；
(4)扭矩、转速数据同步计数；
(5)阈值选取；
(6)中低载荷区间比例外推；
(7)POT模型极值外推；
(8)极值外推后的载荷同步计数。


2.根据权利要求1所述的工程机械内燃机载荷再现及外推方法，其特征在于，
步骤(1)扭矩、转速同步峰谷值提取中，对扭矩和转速进行峰谷值提取时，要同时提取扭矩和转速峰谷值对应时间的数据，具体步骤为：
(1.1)先对扭矩进行峰谷值提取，并记录扭矩峰谷值所对应的时间序列矩阵TtTt＝[T1,T2,T3......Tn]；
(1.2)再对转速进行峰谷值提取，并记录转速峰谷值所对应的时间序列矩阵Tr
Tr＝[T1',T2',T3'......Tn']；
(1.3)将时间序列矩阵Tt和Tr合并成总的峰谷值时间序列矩阵为T＝[T1,T1',T2,T2',T3,T3'......Tn,Tn']；
(1.4)按照总的时间序列矩阵提取对应时间采集的转速或扭矩样本点，得到同时包含转速和扭矩峰谷值时刻的转速或扭矩峰谷值时间序列。


3.根据权利要求1所述的工程机械内燃机载荷再现及外推方法，其特征在于，
步骤(2)扭矩、转速同步剔除小载荷中，进行小载荷剔除时，为了保证扭矩和转速的数据点时刻保持一致，要同时对扭矩、转速进行小载荷的剔除，具体步骤为：
某一时刻扭矩对应的载荷值与前后两个时刻对应的载荷值之间的绝对差值都小于一个阈值△1，同时该时刻对应的转速载荷值与前后两个时刻对应的转速载荷值之间的绝对差值也都小于一个阈值△2，这时同时剔除该时刻的扭矩和转速数据值；
扭矩小载荷剔除阈值△1和转速小载荷剔除阈值△2的计算公式为：
△1或△2＝(△max-△min)×θ×2(1)
其中，△max是采集到的扭矩或转速载荷循环的最大幅值；△min是采集到的扭矩或转速载荷循环的最小幅值；θ是小载荷剔除门槛。


4.根据权利要求1所述的工程机械内燃机载荷再现及外推方法，其特征在于，步骤(3)扭矩、转速数据重采样的步骤具体如下：
(3.1)为了方便后面进行同步计数并且提高计数精度，两个数据点之间的时间步要尽可能的短并且等间隔，因此进行扭矩、转速的重采样，提高采样率，缩短前后两个载荷数据点之间的时间步；
为了重采样时更多的落在真实采集的载荷数据点上，将重采样率提高到原采样频率的整数倍，所以重采样之后前后两个数据点之间的时间步△t为：
△t＝1/mf(2)
其中，f为原采样频率；m为重采样频率与原采样频率的比值；
(3.2)由于提高了采样频率，重采样时会有一些数据点为空，这时采用插值法补全数据为空的样本点，即若重采样时某一时刻的数据点为空，则利用该时刻相邻的前后两个数据点进行两点一次插值，其公式为：



其中为数据点为空的时刻；yi为该时刻线性插值后的数据点值；xi+1为后一时刻；yi+1...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘超勤，王继新，苏丽达，沈雨鹰，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22