CN103616192B - 一种挖掘机的振动舒适度评价方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施方式公开了一种挖掘机的振动舒适度评价方法，包括：在挖掘机处于振动试验工况时，采集挖掘机所产生的振动对应的加速度信号；接收加速度信号，并利用三分之一倍频程谱评价方法进行人体振动舒适度的评价，以及利用振动传递率评价方法或者峰值隔振率评价方法进行减震器性能的评价。本发明实施方式还公开了一种挖掘机的振动舒适度评价系统。通过上述方式，本发明能够在挖掘机产生振动时系统地对人体振动舒适度以及减震器性能进行科学的评价，进而为改进挖掘机减震性能的薄弱环节提供依据。

Description

一种挖掘机的振动舒适度评价方法及系统

技术领域

本发明涉及重型机械领域，特别是涉及一种挖掘机的振动舒适度评价方法及系统。

背景技术

挖掘机是用铲斗挖掘高于或低于承机面的物料，并装入运输车辆或卸至堆料场的土方机械。挖掘机在其行走或作业过程中会产生振动，进而使得位于挖掘机驾驶室的挖掘机操作者会受到振动的影响。

本申请发明人在长期研发中发现，现有技术中一般是根据国标制定的四种姿态进行测试挖掘机所产生的振动，此测试方法测点位置少，姿态简单，没有针对挖掘机处于不同的工况下所产生的振动进行测试，且该方法没有对产生的振动进行具体的分析与评价，进而不能在挖掘机产生振动时系统地对人体振动舒适度以及减震器性能进行评价。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种挖掘机的振动舒适度评价方法及系统，能够在挖掘机产生振动时系统地对人体振动舒适度以及减震器性能进行科学的评价，进而为改进挖掘机减震性能的薄弱环节提供依据。

为解决上述技术问题，本发明的一方面是：提供一种挖掘机的振动舒适度评价方法，包括：在挖掘机处于振动试验工况时，采集挖掘机的所产生的振动对应的加速度信号；接收加速度信号，并利用三分之一倍频程谱评价方法进行人体振动舒适度的评价，以及利用振动传递率评价方法或者峰值隔振率评价方法进行减震器性能的评价。

其中，振动试验工况为行走试验工况、模拟挖掘试验工况、实际挖掘试验工况、单次冲击试验工况或者定置试验工况。

其中，三分之一倍频程谱评价方法的评价处理过程为：获取加速度信号频域中的傅立叶变换值，具体如下公式（1）所示：

$X\left(f\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)\exp (-j2\mathrm{\πkn}/N)---\left(1\right)$

其中，X(f)为频域中的傅立叶变换值，x(n)为一组加速度信号对应的长度为N的有限长序列，j为复数单位，k为整数；根据频域中的傅立叶变换值获取加速度信号的功率谱密度函数，具体如下公式（2）所示：

$S_x\left(f\right)=\frac{1}{N_{\mathrm{FFT}}}\underset{i=1}{\mathrm{\Σ}}{X_i}^{*}\left(f\right)X_i\left(f\right)---\left(2\right)$

其中，S_x(f)为加速度信号的功率谱密度函数，X_i(f)为加速度信号第i个数据段的傅立叶变换，X_i ^*(f)为X_i(f)的共轭复数，N_FFT＝f_s/Δf＝2^p，f_s为加速度信号的采样频率，Δf为频率分辨率的带宽，p为正整数；根据功率谱密度函数获取加速度信号的频带内各离散频率的合成功率谱，具体如下公式（3）所示：

$S_x\left(f_n\right)={\∫}_{f_L}^{f_U}{S}_x\left(f\right)\mathrm{df}---\left(3\right)$

其中，S_x(f_n)为频带内各离线频率的合成功率谱，f_U为每个频带的频率上限，f_L为每个频带的频率下限，f_U＝2^1/6f_c，f_L＝2^-1/6f_c，f_c为频带中心频率；根据频带内各离线频率的合成功率谱获取加速度信号的频带的振动功率谱，具体如下公式（4）所示：

$S_{x.n}=\underset{{\text{f}}_{L.n}\≤f_i\≥f_{U.n}}{\mathrm{\Σ}}{S}_{x.n}\left(f_i\right)---\left(4\right)$

其中，S_x.n为频带的振动功率谱；根据频带的振动功率谱获取加速度信号的三分之一倍频程幅值，具体如下公式（5）所示：

$A_n=\sqrt{S_{x,n}}---\left(5\right)$

其中，A_n为三分之一倍频程幅值；根据三分之一倍频程幅值获取加权处理后的三分之一倍频程幅值，具体如下公式（6）所示：

$A_{\mathrm{rms}}=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_n{\left(P_n{A}_n\right)}^2}---\left(6\right)$

其中，A_rms为加权处理后的三分之一倍频程幅值，P_n为不同频率段的加权值，A_rms越小其对应的人体振动舒适度越高。

其中，振动传递率评价方法的评价处理过程为：获取加速度信号频域中的傅立叶变换值，具体如下公式（7）所示：

$X\left(f\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)\exp (-j2\mathrm{\πkn}/N)---\left(7\right)$

其中，X(f)为频域中的傅立叶变换值，x(n)为一组加速度信号对应的长度为N的有限长序列，j为复数单位，k为整数；根据频域中的傅立叶变换值获取加速度信号的功率谱密度函数，具体如下公式（8）所示：

$S_x\left(f\right)=\frac{1}{N_{\mathrm{FFT}}}\underset{i=1}{\mathrm{\Σ}}{X_i}^{*}\left(f\right)X_i\left(f\right)---\left(8\right)$

其中，S_x(f)为加速度信号的功率谱密度函数，X_i(f)为加速度信号第i个数据段的傅立叶变换，X_i ^*(f)为X_i(f)的共轭复数，N_FFT＝f_s/Δf＝2^p，f_s为加速度信号的采样频率，Δf为频率分辨率的带宽，p为正整数；根据功率谱密度函数获取加速度信号的频带内各离散频率的合成功率谱，具体如下公式（9）所示：

$S_x\left(f_n\right)={\∫}_{f_L}^{f_U}{S}_x\left(f\right)\mathrm{df}---\left(9\right)$

其中，S_x(f_n)为频带内各离线频率的合成功率谱，f_U为每个频带的频率上限，f_L为每个频带的频率下限，f_U＝2^1/6f_c，f_L＝2^-1/6f_c，f_c为频带中心频率；根据频带内各离线频率的合成功率谱获取加速度信号的频带的振动功率谱，具体如下公式（10）所示：

$S_{x.n}=\underset{{\text{f}}_{L.n}\≤f_i\≥f_{U.n}}{\mathrm{\Σ}}{S}_{x.n}\left(f_i\right)---\left(10\right)$

其中，S_x.n为频带的振动功率谱；利用公式（7）-（10）分别获取振动激励侧采集的加速度信号的频带的振动功率谱S_x1,n、振动响应侧采集的加速度信号的频带的振动功率谱S_x2,n；根据频带的振动功率谱获取振动传递率，具体如下公式（11）所示：

$T_{\mathrm{dB}}=201g\left|\frac{S_{x1,n}}{S_{x2,n}}\right|---\left(11\right)$

其中，T_dB为振动传递率，T_dB越大则减震器性能越好。

其中，峰值隔振率评价方法的评价处理过程为：根据加速度信号中的振动峰值加速度获取峰值隔振率，具体如下公式（12）所示：

$T_{\mathrm{dB}1}=201g\left|\frac{a_a}{a_p}\right|---\left(12\right)$

其中，T_dB1为峰值隔振率，a_a为振动激励侧采集的加速度信号中的振动峰值加速度，a_p为振动响应侧采集的加速度信号中的振动峰值加速度，T_dB1越大则减震器性能越好。

其中，接收加速度信号，并利用三分之一倍频程谱评价方法进行人体振动舒适度的评价，以及利用振动传递率评价方法或者峰值隔振率评价方法进行减震器性能的评价的步骤中，对行走试验工况、模拟挖掘试验工况以及实际挖掘试验工况中采集的加速度信号利用三分之一倍频程谱评价方法进行人体振动舒适度的评价以及利用振动传递率评价方法进行减震器性能的评价；对单次冲击试验工况中采集的加速度信号利用三分之一倍频程谱评价方法进行人体振动舒适度的评价以及利用峰值隔振率评价方法进行减震器性能的评价；对定置试验工况中采集的加速度信号利用振动传递率评价方法进行减震器性能的评价。

为解决上述技术问题，本发明的另一方面是：提供一种挖掘机的振动舒适度评价系统，包括：加速度传感器（201）以及数据处理模块（202），其中加速度传感器（201）以及数据处理模块（202）安装于挖掘机上，加速度传感器（201）与数据处理模块（202）连接；加速度传感器（201）用于在挖掘机处于振动试验工况时，采集挖掘机所产生的振动对应的加速度信号；数据处理模块（202）用于接收加速度信号，并利用三分之一倍频程谱评价方法进行人体振动舒适度的评价，以及利用振动传递率评价方法或者峰值隔振率评价方法进行减震器性能的评价。

其中，振动试验工况为行走试验工况、模拟挖掘试验工况、实际挖掘试验工况、单次冲击试验工况或者定置试验工况。

其中，加速度传感器（201）的数量为十四个，分别为第一加速度传感器（1）至第十四加速度传感器（14）；其中，第一加速度传感器（1）的激励侧与挖掘机的上车架（205）左侧连接，第二加速度传感器（2）的响应侧与挖掘机的驾驶室（206）左侧连接，第三加速度传感器（3）的激励侧与上车架（205）右侧连接，第四加速度传感器（4）的响应侧与驾驶室（206）右侧连接，第五加速度传感器（5）的激励侧与挖掘机的发动机的左前位置（207）连接，第六加速度传感器（6）的响应侧与挖掘机的左前车架（208）连接，第七加速度传感器（7）的激励侧与发动机的右前位置（209）连接，第八加速度传感器（8）的响应侧与挖掘机的右前车架（210）连接，第九加速度传感器（9）的激励侧与发动机的左后位置（211）连接，第十加速度传感器（10）的响应侧与挖掘机的左后支架（212）连接，第十一加速度传感器（11）的激励侧与发动机的右后位置（213）连接，第十二加速度传感器（12）的响应侧与挖掘机的右后支架（214）连接，第十三加速度传感器（13）与驾驶室（206）的座椅支座（204）连接，第十四加速度传感器（14）与挖掘机的下车架（203）中部位置连接。

其中，在行走试验工况中，数据处理模块（202）用于对第十四加速度传感器（14）采集的加速度信号中的加速度值取平均值；数据处理模块（202）用于判断加速度值的平均值是否位于6.5～7.5g的数值范围内，若是则数据处理模块（202）用于对此时第一加速度传感器（1）至第四加速度传感器（4）以及第十三加速度传感器（13）采集的加速度信号进行人体振动舒适度的评价以及减震器性能的评价，其中g为重力加速度。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明通过在挖掘机处于振动试验工况时，采集挖掘机所产生的振动对应的加速度信号，接收加速度信号，并利用三分之一倍频程谱评价方法进行人体振动舒适度的评价，以及利用振动传递率评价方法或者峰值隔振率评价方法进行减震器性能的评价，能够在挖掘机产生振动时系统地对人体振动舒适度以及减震器性能进行科学的评价，进而为改进挖掘机减震性能的薄弱环节提供依据。

附图说明

图1是本发明挖掘机的振动舒适度评价方法一实施方式的流程图；

图2是本发明挖掘机的振动舒适度评价方法一实施方式中挖掘机的侧视图；

图3是本发明挖掘机的振动舒适度评价方法一实施方式中三分之一倍频程谱评价方法的流程图；

图4是本发明挖掘机的振动舒适度评价方法一实施方式中振动传递率评价方法的流程图；

图5是本发明挖掘机的振动舒适度评价系统一实施方式的原理框图；

图6是本发明挖掘机的振动舒适度评价系统一实施方式中第一加速度传感器至第四加速度传感器以及第十四加速度传感器在挖掘机上的安装位置图；

图7是图6中局部A的放大图；

图8是本发明挖掘机的振动舒适度评价系统一实施方式中第五加速度传感器至第八加速度传感器在挖掘机上的安装位置图；

图9是本发明挖掘机的振动舒适度评价系统一实施方式中第九加速度传感器至第十二加速度传感器在挖掘机上的安装位置图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，均属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明挖掘机的振动舒适度评价方法一实施方式包括：

步骤S11：在挖掘机处于振动试验工况时，采集挖掘机所产生的振动对应的加速度信号；

在挖掘机处于振动试验工况时，采集挖掘机所产生的振动对应的加速度信号，其中，振动试验工况为行走试验工况、模拟挖掘试验工况、实际挖掘试验工况、单次冲击试验工况或者定置试验工况。加速度信号中包括有加速度值以及对应的采集时间。

行走试验工况为挖掘机处于移动行走的工况，即如图2所示，挖掘机在试验工装（行走路面）101上移动行走，挖掘机在移动行走时，地面的不平度导致的冲击与挖掘机的发动机所产生的振动两者的综合效应致使挖掘机移动行走时产生机身的振动，机身的振动进而通过挖掘机驾驶室的座椅传递到位于其上的人体。

在模拟挖掘试验工况中，挖掘机处于最大功率模式下，在硬地面上铲斗从离地开始进行挖掘动作，动臂提升兼回转复合动作至回转90°开始卸料后，完成一个工作循环。模拟挖掘试验工况为实际挖掘试验工况的模拟，即模拟挖掘试验工况只模拟实际挖掘的动作过程而不进行挖掘。

实际挖掘试验工况为上述模拟挖掘试验工况的真实工况，此工况中挖掘机的挖掘深度和卸载高度大于最大值的80%，并作回转90°卸料，实际挖掘试验工况可分为石方、土方（3级土壤）。

单次冲击试验工况采用摇摆冲击试验进行模拟，即在硬地面上，挖掘机处于最大半径工作姿态且最大功率模式下，动臂从最高点向最低点全速下降，铲斗离地面约50mm时动臂全速上升，如此重复上述动作过程使挖掘机处于摇摆状态下而产生振动。

定置试验工况为挖掘机的发动机油门从1档逐步升高到10档的工况。

步骤S12：接收加速度信号，并利用三分之一倍频程谱评价方法进行人体振动舒适度的评价，以及利用振动传递率评价方法或者峰值隔振率评价方法进行减震器性能的评价。

接收上述加速度信号，并利用三分之一倍频程谱评价方法进行人体振动舒适度的评价，以及利用振动传递率评价方法或者峰值隔振率评价方法进行减震器性能的评价。人体振动舒适度的评价即评价位于挖掘机的驾驶室座椅上的人在受到振动时人体的舒适度，减震器性能的评价即评价当挖掘机产生振动时减震器的减震性能。上述三种评价方法具体的评价处理过程如下所述：

三分之一倍频程谱评价方法用于人体振动舒适度的评价，其基于经典振动理论以及成熟人体工程学理论，请参阅图3，三分之一倍频程谱评价方法对应的评价处理过程包括以下步骤：

步骤S1211：获取加速度信号频域中的傅立叶变换值；

获取采集的加速度信号频域中的傅立叶变换值，具体如下公式（1）所示：

$X\left(f\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)\exp (-j2\mathrm{\πkn}/N)---\left(1\right)$

其中，X(f)为频域中的傅立叶变换值，x(n)为一组加速度信号对应的长度为N的有限长序列，j为复数单位，k为整数。

步骤S1212：根据频域中的傅立叶变换值获取加速度信号的功率谱密度函数；

根据步骤S1211获取的频域中的傅立叶变换值X(f)进一步获取加速度信号的功率谱密度函数，具体如下公式（2）所示：

$S_x\left(f\right)=\frac{1}{N_{\mathrm{FFT}}}\underset{i=1}{\mathrm{\Σ}}{X_i}^{*}\left(f\right)X_i\left(f\right)---\left(2\right)$

其中，S_x(f)为加速度信号的功率谱密度函数，X_i(f)为加速度信号第i个数据段的傅立叶变换，通过将第i个数据段中包括的各个n值代入上述公式（1）而获得X_i(f)，X_i ^*(f)为X_i(f)的共轭复数，N_FFT为公式（2）中获取加速度信号的功率谱密度函数所使用的加速度信号的数据长度（数据个数），上述第i个数据段指将N_FFT个数据划分成一定数量的数据段中的某一个数据段，N_FFT＝f_s/Δf＝2^p，f_s为加速度信号的采样频率，Δf为频率分辨率的带宽，p为正整数，N_FFT小于或等于上述公式（1）中的N。

步骤S1213：根据功率谱密度函数获取加速度信号的频带内各离散频率的合成功率谱；

根据步骤S1212获取的功率谱密度函数S_x(f)进一步获取加速度信号的频带内各离散频率的合成功率谱，具体如下公式（3）所示：

$S_x\left(f_n\right)={\∫}_{f_L}^{f_U}{S}_x\left(f\right)\mathrm{df}---\left(3\right)$

其中，S_x(f_n)为频带内各离线频率的合成功率谱，f_U为每个频带的频率上限，f_L为每个频带的频率下限，f_U＝2^1/6f_c，f_L＝2^-1/6f_c，f_c为频带中心频率，不同频带的频带中心频率f_c具体如下表1所示：

表1频带中心频率f_c值

频带中心频率/Hz	频带中心频率/Hz	频带中心频率/Hz	频带中心频率/Hz
				1.00	3.15	10.0	31.5
1.25	4.00	12.5	40.0
				1.60	5.00	16.0	50.0
2.00	6.30	20.0	63.0
				2.50	8.00	25.0	80.0

本实施方式中f_c的取值范围为1～40Hz以作为加速度信号的研究区域，在其他实施方式中，也可根据需要选取其他数值范围的f_c进行研究，此处不作过多限制。

步骤S1214：根据频带内各离线频率的合成功率谱获取加速度信号的频带的振动功率谱；

根据步骤S1213获取的频带内各离线频率的合成功率谱S_x(f_n)进一步获取加速度信号的频带的振动功率谱，具体如下公式（4）所示：

$S_{x.n}=\underset{{\text{f}}_{L.n}\≤f_i\≥f_{U.n}}{\mathrm{\Σ}}{S}_{x.n}\left(f_i\right)---\left(4\right)$

其中，S_x.n为频带的振动功率谱，S_x.n(f_i)为将对应的n代入上述公式（3）而获得。

步骤S1215：根据频带的振动功率谱获取加速度信号的三分之一倍频程幅值；

根据步骤S1214获取的频带的振动功率谱S_x.n进一步获取加速度信号的三分之一倍频程幅值，具体如下公式（5）所示：

$A_n=\sqrt{S_{x,n}}---\left(5\right)$

其中，A_n为三分之一倍频程幅值，A_n即为S_x.n对应的平方根。

步骤S1216：根据三分之一倍频程幅值获取加权处理后的三分之一倍频程幅值。

根据步骤S1215获取的三分之一倍频程幅值A_n进一步获取加权处理后的三分之一倍频程幅值，具体如下公式（6）所示：

$A_{\mathrm{rms}}=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_n{\left(P_n{A}_n\right)}^2}---\left(6\right)$

其中，A_rms为加权处理后的三分之一倍频程幅值，P_n为不同频率段的加权值。本实施方式中三分之一倍频程谱评价方法评价的为人体垂直方向上的振动舒适度，在成熟人体工程学理论中4～8Hz的频率带为人体敏感区，人体的感觉随着频率远离上述人体敏感区而逐渐变得迟钝，因此P_n的大小随着频带中心频率所处的频带的不同而不同，P_n可通过成熟人体工程学查得。根据成熟人体工程学理论有：加权处理后的三分之一倍频程幅值A_rms越小，人体感觉越迟钝，即此时A_rms对应的人体振动舒适度越高，人体感觉越舒适。至此，完成利用三分之一倍频程谱评价方法对人体振动舒适度的评价处理过程。

振动传递率评价方法用于减震器性能的评价，请参阅图4，振动传递率评价方法对应的评价处理过程包括以下步骤：

步骤S1221：获取加速度信号频域中的傅立叶变换值；

获取加速度信号频域中的傅立叶变换值，具体如下公式（7）所示：

$X\left(f\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)\exp (-j2\mathrm{\πkn}/N)---\left(7\right)$

其中，X(f)为频域中的傅立叶变换值，x(n)为一组加速度信号对应的长度为N的有限长序列，j为复数单位，k为整数。

步骤S1222：根据频域中的傅立叶变换值获取加速度信号的功率谱密度函数；

根据频域中的傅立叶变换值X(f)进一步获取加速度信号的功率谱密度函数，具体如下公式（8）所示：

$S_x\left(f\right)=\frac{1}{N_{\mathrm{FFT}}}\underset{i=1}{\mathrm{\Σ}}{X_i}^{*}\left(f\right)X_i\left(f\right)---\left(8\right)$

其中，S_x(f)为加速度信号的功率谱密度函数，X_i(f)为加速度信号第i个数据段的傅立叶变换，X_i ^*(f)为X_i(f)的共轭复数，N_FFT＝f_s/Δf＝2^p，f_s为加速度信号的采样频率，Δf为频率分辨率的带宽，p为正整数。

步骤S1223：根据功率谱密度函数获取加速度信号的频带内各离散频率的合成功率谱；

根据功率谱密度函数S_x(f)进一步获取加速度信号的频带内各离散频率的合成功率谱，具体如下公式（9）所示：

$S_x\left(f_n\right)={\∫}_{f_L}^{f_U}{S}_x\left(f\right)\mathrm{df}---\left(9\right)$

其中，S_x(f_n)为频带内各离线频率的合成功率谱，f_U为每个频带的频率上限，f_L为每个频带的频率下限，f_U＝2^1/6f_c，f_L＝2^-1/6f_c，f_c为频带中心频率，不同频带的频带中心频率f_c具体如上表1所示。

步骤S1224：根据频带内各离线频率的合成功率谱获取加速度信号的频带的振动功率谱；

根据频带内各离线频率的合成功率谱S_x(f_n)获取加速度信号的频带的振动功率谱，具体如下公式（10）所示：

$S_{x.n}=\underset{{\text{f}}_{L.n}\≤f_i\≥f_{U.n}}{\mathrm{\Σ}}{S}_{x.n}\left(f_i\right)---\left(10\right)$

其中，S_x.n为频带的振动功率谱。

步骤S1225：利用公式（7）-（10）分别获取振动激励侧、响应侧采集的加速度信号的频带的振动功率谱；

利用上述公式（7）-（10）分别获取振动激励侧采集的加速度信号的频带的振动功率谱S_x1,n、振动响应侧采集的加速度信号的频带的振动功率谱S_x2,n。

步骤S1226：根据频带的振动功率谱获取振动传递率。

根据上述频带的振动功率谱S_x1,n、S_x2,n获取振动传递率，具体如下公式（11）所示：

$T_{\mathrm{dB}}=201g\left|\frac{S_{x,n}}{S_{x1,n}}\right|---\left(11\right)$

其中，T_dB为振动传递率。挖掘机的驾驶室以及发动机的减震器为悬架系统，一般而言悬架系统的振动传递率是指激励侧振动大小与响应侧振动大小的比值，但挖掘机的驾驶室以及发送机的悬架系统受到的振动属于随机振动，因此基于激励侧振动大小与响应侧振动大小的比值采用上述公式（7）获取挖掘机悬架系统的振动传递率，T_dB越大则减震器性能越好，例如当振动传递率T_dB＞20时，则表示振动功率从主动边（振动激励侧）传递到被动边（振动响应侧）衰减了10倍以上，说明悬架系统具有良好的减震效果。至此，完成利用振动传递率评价方法对减震器性能的评价处理过程。

峰值隔振率评价方法用于减震器性能的评价，其对应的评价处理过程为：

根据加速度信号中的振动峰值加速度获取峰值隔振率，具体如下公式（12）所示：

$T_{\mathrm{dB}1}=201g\left|\frac{a_a}{a_p}\right|---\left(12\right)$

其中，T_dB1为峰值隔振率，a_a为振动激励侧采集的加速度信号中的振动峰值加速度，a_p为振动响应侧采集的加速度信号中的振动峰值加速度。T_dB1越大则表明减震器的减震性能越好。至此，完成利用峰值隔振率评价方法对减震器性能的评价处理过程。

在上述接收加速度信号，并利用三分之一倍频程谱评价方法进行人体振动舒适度的评价，以及利用振动传递率评价方法或者峰值隔振率评价方法进行减震器性能的评价的步骤（即步骤S12）中，对行走试验工况、模拟挖掘试验工况以及实际挖掘试验工况中采集的加速度信号分别利用上述三分之一倍频程谱评价方法进行人体振动舒适度的评价以及分别利用振动传递率评价方法进行减震器性能的评价。

在上述接收加速度信号，并利用三分之一倍频程谱评价方法进行人体振动舒适度的评价，以及利用振动传递率评价方法或者峰值隔振率评价方法进行减震器性能的评价的步骤（即步骤S12）中，对单次冲击试验工况中采集的加速度信号分别利用上述三分之一倍频程谱评价方法进行人体振动舒适度的评价以及分别利用峰值隔振率评价方法进行减震器性能的评价。

在上述接收加速度信号，并利用三分之一倍频程谱评价方法进行人体振动舒适度的评价，以及利用振动传递率评价方法或者峰值隔振率评价方法进行减震器性能的评价的步骤（即步骤S12）中，对定置试验工况中采集的加速度信号利用振动传递率评价方法进行减震器性能的评价。

可以理解，本发明挖掘机的振动舒适度评价方法一实施方式通过在挖掘机处于振动试验工况时，采集挖掘机所产生的振动对应的加速度信号，接收加速度信号，并利用三分之一倍频程谱评价方法进行人体振动舒适度的评价，以及利用振动传递率评价方法或者峰值隔振率评价方法进行减震器性能的评价。

通过上述方式，在采集到加速度信号后自动进行评价处理以降低人工成本和提高数据评价处理的效率；三分之一倍频程谱评价方法中基于经典振动理论以及成熟人体工程学理论对加速度信号进行评价处理以提高评价结果的科学性，振动传递率评价方法以及峰值隔振率评价方法中针对挖掘机产生的随机振动，相应利用振动能量传递作为随机振动中减震器性能的评价标准，有效解决振动激励侧与响应侧的相位差问题，确保振动试验过程中振动激励的一致性以保证不同振动试验批次和不同减震器或挖掘机在同一试验条件下加速度信号的可比性；实现系统地对人体振动舒适度以及减震器性能进行科学的评价，根据评价结果找出挖掘机上减震性能较差的环节、部件，进而为改进挖掘机减震性能的薄弱环节提供依据。

请一并参阅图5-9，本发明挖掘机的振动舒适度评价系统一实施方式包括：

加速度传感器201以及数据处理模块202，其中加速度传感器201以及数据处理模块202均安装于挖掘机上，加速度传感器201与数据处理模块202连接。

加速度传感器201用于在挖掘机处于振动试验工况时，采集挖掘机所产生的振动对应的加速度信号。其中，振动试验工况为行走试验工况、模拟挖掘试验工况、实际挖掘试验工况、单次冲击试验工况或者定置试验工况。

数据处理模块202用于接收加速度信号，并利用三分之一倍频程谱评价方法进行人体振动舒适度的评价，以及利用振动传递率评价方法或者峰值隔振率评价方法进行减震器性能的评价，其具体的评价处理过程如上述实施方式所述，此处不再赘述。

本实施方式中，用于采集加速度信号的加速度传感器的数量为十四个，分别为第一加速度传感器1至第十四加速度传感器14，各个加速度传感器在挖掘机上的安装位置具体如下所述：

第一加速度传感器1的激励侧与挖掘机的上车架205左侧连接，第二加速度传感器2的响应侧与挖掘机的驾驶室206左侧连接，上车架205与驾驶室206中间设置有减震器，第一加速度传感器1与第二加速度传感器2分别安装在减震器两端，第一加速度传感器1与第二加速度传感器2尽量安装在同一条垂线上以达到更好的评价效果。

第三加速度传感器3的激励侧与上车架205右侧连接，第四加速度传感器4的响应侧与驾驶室206右侧连接，第五加速度传感器5的激励侧与挖掘机的发动机的左前位置207连接，其中发动机的左侧设置有减震器，第六加速度传感器6的响应侧与挖掘机的左前车架208连接，第七加速度传感器7的激励侧与发动机的右前位置209连接，其中发动机的右侧同样设置有减震器，第八加速度传感器8的响应侧与挖掘机的右前车架210连接，第九加速度传感器9的激励侧与发动机的左后位置211连接，第十加速度传感器10的响应侧与挖掘机的左后支架212连接，第十一加速度传感器11的激励侧与发动机的右后位置213连接，第十二加速度传感器12的响应侧与挖掘机的右后支架214连接。其中，第三加速度传感器3至第十二加速度传感器12中两两在对应安装时也与第一加速度传感器1和第二加速度传感器2两个传感器的执行相同的安装标准，即使两个传感器尽量安装在同一条垂线上以达到更好的评价效果。

第十三加速度传感器13与驾驶室206的座椅支座204连接，第十四加速度传感器14与挖掘机的下车架203中部位置连接。在其他实施方式中，可根据需要在挖掘机的其他位置增设加速度传感器以进行相应的振动舒适度评价，此处不作过多限制。数据处理模块可以安装于挖掘机的驾驶室中，或者安装于挖掘机的其他位置，此处不作过多限制。

其中，在行走试验工况、模拟挖掘试验工况以及实际挖掘试验工况中三分之一倍频程谱评价方法所评价处理的加速度信号由设置于驾驶室206的座椅支座204处的第十三加速度传感器13对应采集。在行走试验工况、模拟挖掘试验工况以及实际挖掘试验工况中振动传递率评价方法由第一加速度传感器1以及第三加速度传感器3对应采集振动激励侧的加速度信号进而获取频带的振动功率谱S_x1,n，以及由第二加速度传感器2以及第四加速度传感器4对应采集振动响应侧的加速度信号进而获取频带的振动功率谱S_x2,n。数据处理模块利用第一加速度传感器1以及第二加速度传感器2一对激励侧与响应侧对应的加速度传感器采集的加速度信号获取S_x1,n、S_x2,n，进而获取相应的振动传递率T_dB，同理利用第三加速度传感器3以及第四加速度传感器4采集的加速度信号对应获取振动传递率T_dB。可以理解，若第一加速度传感器1以及第二加速度传感器对应获取的振动传递率T_dB大于第三加速度传感器3以及第四加速度传感器4获取振动传递率T_dB，则表明第一加速度传感器1以及第二加速度传感器2安装位置处的减震器性能优于第三加速度传感器3以及第四加速度传感器4安装位置处的减震器性能。行走试验工况、模拟挖掘试验工况以及实际挖掘试验工况中减震器性能的评价具体为对安装于驾驶室的减震器的减震性能的评价。

此外，在行走试验工况中为了确保行走振动试验对比分析的可靠性与准确性，数据处理模块202用于对设置于挖掘机的下车架203中部位置的第十四加速度传感器14采集的加速度信号中的加速度值取平均值；数据处理模块202用于判断加速度值的平均值是否位于6.5～7.5g的数值范围内，其中g为重力加速度，若加速度值的平均值位于该数值范围内，则数据处理模块202用于对此时第一加速度传感器1、第二加速度传感器2、第三加速度传感器3、第四加速度传感器4以及第十三加速度传感器13所采集的加速度信号进行人体振动舒适度的评价以及减震器性能的评价，即当加速度值的平均值位于该数值范围时则认为第一加速度传感器1至第四加速度传感器4以及第十三加速度传感器13所采集的加速度信号是有效的，此时可通过挖掘机的报警器输出报警信号提示有效；若加速度值的平均值没有位于该数值范围内，则不对此时第一加速度传感器至第四加速度传感器以及第十三加速度传感器所采集的加速度信号进行人体振动舒适度的评价以及减震器性能的评价，直到判断得到第十四加速度传感器14所采集的加速度信号中的加速度值的平均值位于上述数值范围内。

其中，在单次冲击试验工况中三分之一倍频程谱评价方法所评价处理的加速度信号由设置于驾驶室206的座椅支座204处的第十三加速度传感器13对应采集。在单次冲击试验工况中峰值隔振率评价方法的振动峰值加速度a_a由第一加速度传感器1以及第三加速度传感器3对应采集；在单次冲击试验工况中振动传递率评价方法的振动峰值加速度a_p由第二加速度传感器2以及第四加速度传感器4对应采集。数据处理模块为利用第一加速度传感器1采集的a_a与第二加速度传感器2采集的a_p对应获取峰值隔振率T_dB1，同理利用第三加速度传感器3采集的a_a与第四加速度传感器4采集的a_p对应获取峰值隔振率T_dB1。

其中，在定置试验工况中振动传递率评价方法由第五加速度传感器5、第七加速度传感器7、第九加速度传感器9以及第十一加速度传感器11对应采集振动激励侧的加速度信号进而获取频带的振动功率谱S_x1,n，振动传递率评价方法中由第六加速度传感器6、第八加速度传感器8、第十加速度传感器10以及第十二加速度传感器12对应采集振动响应侧的加速度信号进而获取频带的振动功率谱S_x2,n。数据处理模块利用第五加速度传感器5以及第六加速度传感器6一对激励侧与响应侧对应的加速度传感器采集的加速度信号获取S_x1,n、S_x2,n，进而获取相应的振动传递率T_dB，同理利用第七加速度传感器7与第八加速度传感器8、第九加速度传感器9与第十加速度传感器10、第十一加速度传感器11与第十二加速度传感器12采集的加速度信号对应获取振动传递率T_dB。定置试验工况中减震器性能的评价具体为对安装于发动机上的减震器的减震性能的评价。

可以理解，本发明挖掘机的振动舒适度评价系统一实施方式通过在挖掘机处于振动试验工况时，加速度传感器201采集挖掘机所产生的振动对应的加速度信号，数据处理模块202接收加速度信号，并利用三分之一倍频程谱评价方法进行人体振动舒适度的评价，以及利用振动传递率评价方法或者峰值隔振率评价方法进行减震器性能的评价。通过上述方式实现在挖掘机的多个振动关键位置点设置加速度传感器以及针对不同的振动试验工况利用相应的舒适度评价方法对人体振动舒适度、减震器性能进行系统的评价；能够在挖掘机产生振动时系统地对人体振动舒适度以及减震器性能进行科学的评价，进而为改进挖掘机减震性能的薄弱环节提供依据。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种挖掘机的振动舒适度评价方法，其特征在于，包括：

在挖掘机处于振动试验工况时，采集所述挖掘机所产生的振动对应的加速度信号；

接收所述加速度信号，并利用三分之一倍频程谱评价方法进行人体振动舒适度的评价，以及利用振动传递率评价方法或者峰值隔振率评价方法进行减震器性能的评价，

其中，所述振动试验工况为行走试验工况、模拟挖掘试验工况、实际挖掘试验工况、单次冲击试验工况或者定置试验工况，

所述接收所述加速度信号，并利用三分之一倍频程谱评价方法进行人体振动舒适度的评价，以及利用振动传递率评价方法或者峰值隔振率评价方法进行减震器性能的评价的步骤中，

对所述行走试验工况、模拟挖掘试验工况以及实际挖掘试验工况中采集的加速度信号利用三分之一倍频程谱评价方法进行人体振动舒适度的评价以及利用振动传递率评价方法进行减震器性能的评价；

对所述单次冲击试验工况中采集的加速度信号利用三分之一倍频程谱评价方法进行人体振动舒适度的评价以及利用峰值隔振率评价方法进行减震器性能的评价；

对所述定置试验工况中采集的加速度信号利用振动传递率评价方法进行减震器性能的评价，

所述峰值隔振率评价方法的评价处理过程为：

根据所述加速度信号中的振动峰值加速度获取峰值隔振率，具体如下公式(12)所示：

$T_{dB1}=20\lg \left|\frac{a_a}{a_p}\right|---\left(12\right)$

其中，T_dB1为所述峰值隔振率，a_a为振动激励侧采集的加速度信号中的振动峰值加速度，a_p为振动响应侧采集的加速度信号中的振动峰值加速度，T_dB1越大则所述减震器性能越好。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述三分之一倍频程谱评价方法的评价处理过程为：

获取所述加速度信号频域中的傅立叶变换值，具体如下公式(1)所示：

$X\left(f\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(n\right)\exp (-j2\mathrm{\π}kn/N)---\left(1\right)$

其中，X(f)为所述频域中的傅立叶变换值，x(n)为一组所述加速度信号对应的长度为N的有限长序列，j为复数单位，k为整数；

根据所述频域中的傅立叶变换值获取加速度信号的功率谱密度函数，具体如下公式(2)所示：

$S_x\left(f\right)=\frac{1}{N_{FFT}}\underset{i=1}{\Σ}{X_i}^{*}\left(f\right)X_i\left(f\right)---\left(2\right)$

其中，S_x(f)为所述加速度信号的功率谱密度函数，X_i(f)为所述加速度信号第i个数据段的傅立叶变换，X_i ^*(f)为X_i(f)的共轭复数，N_FFT＝f_s/Δf＝2^p，f_s为所述加速度信号的采样频率，Δf为频率分辨率的带宽，p为正整数；

根据所述功率谱密度函数获取加速度信号的频带内各离散频率的合成功率谱，具体如下公式(3)所示：

$S_x\left(f_n\right)={\∫}_{f_L}^{f_U}{S}_x\left(f\right)df---\left(3\right)$

其中，S_x(f_n)为所述频带内各离线频率的合成功率谱，f_U为每个频带的频率上限，f_L为每个频带的频率下限，f_U＝2^1/6f_c，f_L＝2^-1/6f_c，f_c为频带中心频率；

根据所述频带内各离线频率的合成功率谱获取加速度信号的频带的振动功率谱，具体如下公式(4)所示：

$S_{x.n}=\underset{f_{L.n}\≤f_i\≥f_{U.n}}{\Σ}{S}_{x.n}\left(f_i\right)---\left(4\right)$

其中，S_x.n为所述频带的振动功率谱；

根据所述频带的振动功率谱获取加速度信号的三分之一倍频程幅值，具体如下公式(5)所示：

$A_n=\sqrt{S_{x,n}}---\left(5\right)$

其中，A_n为所述三分之一倍频程幅值；

根据所述三分之一倍频程幅值获取加权处理后的三分之一倍频程幅值，具体如下公式(6)所示：

$A_{rms}=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_n{\left(P_n{A}_n\right)}^2}---\left(6\right)$

其中，A_rms为所述加权处理后的三分之一倍频程幅值，P_n为不同频率段的加权值，A_rms越小其对应的人体振动舒适度越高。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述振动传递率评价方法的评价处理过程为：

获取所述加速度信号频域中的傅立叶变换值，具体如下公式(7)所示：

$X\left(f\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(n\right)\exp (-j2\mathrm{\π}kn/N)---\left(7\right)$

其中，X(f)为所述频域中的傅立叶变换值，x(n)为一组所述加速度信号对应的长度为N的有限长序列，j为复数单位，k为整数；

根据所述频域中的傅立叶变换值获取加速度信号的功率谱密度函数，具体如下公式(8)所示：

$S_x\left(f\right)=\frac{1}{N_{FFT}}\underset{i=1}{\Σ}{X_i}^{*}\left(f\right)X_i\left(f\right)---\left(8\right)$

其中，S_x(f)为所述加速度信号的功率谱密度函数，X_i(f)为所述加速度信号第i个数据段的傅立叶变换，X_i ^*(f)为X_i(f)的共轭复数，N_FFT＝f_s/Δf＝2^p，f_s为所述加速度信号的采样频率，Δf为频率分辨率的带宽，p为正整数；

根据所述功率谱密度函数获取加速度信号的频带内各离散频率的合成功率谱，具体如下公式(9)所示：

$S_x\left(f_n\right)={\∫}_{f_L}^{f_U}{S}_x\left(f\right)df---\left(9\right)$

其中，S_x(f_n)为所述频带内各离线频率的合成功率谱，f_U为每个频带的频率上限，f_L为每个频带的频率下限，f_U＝2^1/6f_c，f_L＝2^-1/6f_c，f_c为频带中心频率；

根据所述频带内各离线频率的合成功率谱获取加速度信号的频带的振动功率谱，具体如下公式(10)所示：

$S_{x.n}=\underset{f_{L.n}\≤f_i\≥f_{U.n}}{\Σ}{S}_{x.n}\left(f_i\right)---\left(10\right)$

其中，S_x.n为所述频带的振动功率谱；

利用所述公式(7)-(10)分别获取振动激励侧采集的加速度信号的频带的振动功率谱S_x1,n、振动响应侧采集的加速度信号的频带的振动功率谱S_x2,n；

根据所述频带的振动功率谱获取振动传递率，具体如下公式(11)所示：

$T_{dB}=20\lg \left|\frac{S_{x1,n}}{S_{x2,n}}\right|---\left(11\right)$

其中，T_dB为所述振动传递率，T_dB越大则所述减震器性能越好。

4.一种挖掘机的振动舒适度评价系统，其特征在于，包括：

加速度传感器(201)以及数据处理模块(202)，其中所述加速度传感器(201)以及数据处理模块(202)安装于挖掘机上，所述加速度传感器(201)与数据处理模块(202)连接；

所述加速度传感器(201)用于在挖掘机处于振动试验工况时，采集所述挖掘机所产生的振动对应的加速度信号；所述数据处理模块(202)用于接收所述加速度信号，并利用三分之一倍频程谱评价方法进行人体振动舒适度的评价，以及利用振动传递率评价方法或者峰值隔振率评价方法进行减震器性能的评价，

其中，所述振动试验工况为行走试验工况、模拟挖掘试验工况、实际挖掘试验工况、单次冲击试验工况或者定置试验工况，

所述接收所述加速度信号，并利用三分之一倍频程谱评价方法进行人体振动舒适度的评价，以及利用振动传递率评价方法或者峰值隔振率评价方法进行减震器性能的评价的步骤中，

对所述行走试验工况、模拟挖掘试验工况以及实际挖掘试验工况中采集的加速度信号利用三分之一倍频程谱评价方法进行人体振动舒适度的评价以及利用振动传递率评价方法进行减震器性能的评价；

对所述单次冲击试验工况中采集的加速度信号利用三分之一倍频程谱评价方法进行人体振动舒适度的评价以及利用峰值隔振率评价方法进行减震器性能的评价；

对所述定置试验工况中采集的加速度信号利用振动传递率评价方法进行减震器性能的评价，

所述峰值隔振率评价方法的评价处理过程为：

根据所述加速度信号中的振动峰值加速度获取峰值隔振率，具体如下公式(12)所示：

$T_{dB1}=20\lg \left|\frac{a_a}{a_p}\right|---\left(12\right)$

其中，T_dB1为所述峰值隔振率，a_a为振动激励侧采集的加速度信号中的振动峰值加速度，a_p为振动响应侧采集的加速度信号中的振动峰值加速度，T_dB1越大则所述减震器性能越好。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，

所述加速度传感器(201)的数量为十四个，分别为第一加速度传感器(1)至第十四加速度传感器(14)；

其中，所述第一加速度传感器(1)的激励侧与所述挖掘机的上车架(205)左侧连接，第二加速度传感器(2)的响应侧与所述挖掘机的驾驶室(206)左侧连接，第三加速度传感器(3)的激励侧与所述上车架(205)右侧连接，第四加速度传感器(4)的响应侧与所述驾驶室(206)右侧连接，第五加速度传感器(5)的激励侧与所述挖掘机的发动机的左前位置(207)连接，第六加速度传感器(6)的响应侧与所述挖掘机的左前车架(208)连接，第七加速度传感器(7)的激励侧与所述发动机的右前位置(209)连接，第八加速度传感器(8)的响应侧与所述挖掘机的右前车架(210)连接，第九加速度传感器(9)的激励侧与所述发动机的左后位置(211)连接，第十加速度传感器(10)的响应侧与所述挖掘机的左后支架(212)连接，第十一加速度传感器(11)的激励侧与所述发动机的右后位置(213)连接，第十二加速度传感器(12)的响应侧与所述挖掘机的右后支架(214)连接，第十三加速度传感器(13)与所述驾驶室(206)的座椅支座(204)连接，第十四加速度传感器(14)与所述挖掘机的下车架(203)中部位置连接。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，

在所述行走试验工况中，所述数据处理模块(202)用于对所述第十四加速度传感器(14)采集的加速度信号中的加速度值取平均值；

所述数据处理模块(202)用于判断所述加速度值的平均值是否位于6.5～7.5g的数值范围内，若是则所述数据处理模块(202)用于对此时第一加速度传感器(1)至第四加速度传感器(4)以及第十三加速度传感器(13)采集的加速度信号进行人体振动舒适度的评价以及减震器性能的评价，其中g为重力加速度。