CN102966137B - 一种降低挖掘机振动的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种降低挖掘机振动的方法及装置，用以解决现有技术中降低挖掘机振动的方式效果较差的问题。该方法包括：确定能够使挖掘机产生共振的发动机的多个共振转速；获取挖掘机座椅的三向振动加速度以及发动机转速；计算三向振动加速度的均方根值；判断均方根值是否大于第一预设值；如果是，则调整发动机的输出转矩，以使发动机的转速与最接近的共振转速的差值不小于第二预设值该方案有效降低了挖掘机的振动。

Description

一种降低挖掘机振动的方法及装置

技术领域

本发明涉及工程机械领域，具体而言，涉及一种降低挖掘机振动的方法及装置。

背景技术

挖掘机是一种按照一定顺序，连续或者间歇地进行挖掘、装载和平整作业的工程机械，广泛用于道路桥梁建设、工业和民用建筑施工及市政工程等土石方施工中，在工程机械中占据着重要的位置。

振动和噪声是影响工程挖掘机工作的两个重要因素，发动机是挖掘机的主要振动源和噪声源，其振动直接影响挖掘机整机可靠性，同时也影响司机的乘坐的舒适性，从而降低了司机的工作效率。因此，需要采取相关措施有效地减小挖掘机的振动和噪声。

有研究表明，工程机械约40％的故障来自液压系统，15％的故障来自发动机，而发动机的故障绝大部分情况下是由其自身振动和外界冲击产生的振动直接或间接造成的。因此，有必要改善挖掘机作业过程中的NVH(Noise，Vibration&Harshness)噪声、振动与舒适性，以提高整机的可靠性和舒适性。

现有技术一般是通过动力总成悬置系统来降低挖掘机的振动，动力总成悬置系统是挖掘机上的一个重要的子系统，其隔振性能的优劣直接影响挖掘机整机的NVH性能。合理地设计动力总成悬置系统，可减小动力总成振动向驾驶室的传递，并降低由此激发的整机振动噪声，提升挖掘机的性能。悬置是用于减少振动的传递并起到支承作用的汽车动力总成部件，通过悬置元件来降低挖掘机的振动仅是一种被动隔振方法。然而，悬置等被动隔振元件在产品出厂时已经定型，无法随着动力总成系统的使用工况自适应地调整，器隔振效果较差。同时，隔振系统的主动控制需要外部能量地不断输出，能量耗费较大。并且，随着挖掘机工作时限的增加，悬置元件的减振性能可能会随之减弱，不利于动力总成的减振降噪。

发明内容

本发明提供了一种降低挖掘机振动的方法及装置，用以解决现有技术中降低挖掘机振动的方式不能够根据挖掘机实际情况进行控制，减振效果较差的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种降低挖掘机振动的方法，包括：确定能够使挖掘机产生共振的发动机的多个共振转速；获取挖掘机座椅的三向振动加速度以及发动机转速；计算三向振动加速度的均方根值；判断均方根值是否大于第一预设值；如果是，则调整发动机的输出转矩，以使发动机的转速与最接近的共振转速的差值不小于第二预设值。

进一步地，上述方法还包括：在判断均方根值是否大于第一预设值之后，根据挖掘机当前工况计算发动机需求转矩；根据需求转矩确定该转矩对应的发动机转速；如果需求转矩对应的发动机转速等于多个共振转速中的转速，则调整发动机的输出转矩，以使发动机的转速与最接近的共振转速的差值不小于第二预设值。

其中，上述确定能够使挖掘机产生共振的发动机的多个共振转速包括：控制发动机执行升速和降速操作；采集发动机升速以及降速时挖掘机座椅的三向振动加速度、发动机的转速；根据座椅的三向振动加速度、发动机的转速绘制三维频谱图；根据三维频谱图确定能够使挖掘机产生共振的多个发动机转速。

进一步地，上述方法还包括：在提高或降低发动机输出转矩后，确定当前处理结果，处理结果中包括挖掘机座机的三向振动加速度的均方根值、发动机的转速、发动机输出转矩、控制输出转矩的发动机节气门开度；判断资源库中是否存在当前处理结果；如果不存在，则将当前处理结果保存在资源库。

进一步地，上述方法还包括：在根据发动机需求转矩确定该转矩对应的发动机转速之后，比较发动机需求转矩与发动机实际输出转矩；如果发动机需求转矩大于实际输出转矩，则提高发动机节气门开度；如果发动机需求转矩小于实际输出转矩，则降低发动机节气门开度。

根据本发明的另一个方面，提供了一种降低挖掘机振动的装置，包括：第一确定模块，用于确定能够使挖掘机产生共振的发动机的多个共振转速；获取模块，用于获取挖掘机座椅的三向振动加速度以及发动机转速；第一计算模块，用于计算三向振动加速度的均方根值；第一判断模块，用于判断均方根值是否大于第一预设值；调整模块，用于则调整发动机的输出转矩，以使发动机的转速与最接近的共振转速的差值不小于第二预设值。

进一步地，上述装置还包括：第二计算模块，用于在判断均方根值是否大于第一预设值之后，根据挖掘机当前工况计算发动机需求转矩；第二确定模块，用于根据需求转矩确定该转矩对应的发动机转速；调整模块，用于当需求转矩对应的发动机转速等于多个共振转速中的转速时，则调整发动机的输出转矩，以使发动机的转速与最接近的共振转速的差值不小于第二预设值。

进一步地，上述第一确定模块包括：控制单元，用于控制发动机执行升速和降速操作；采集单元，用于采集发动机升速以及降速时挖掘机座椅的三向振动加速度、发动机的转速；绘制单元，用于根据座椅的三向振动加速度、发动机转速绘制出三维频谱图；确定单元，用于根据三维频谱图确定能够使挖掘机产生共振的多个发动机转速。

进一步地，上述装置还包括：第三确定模块，用于在提高或降低发动机输出转矩后，确定当前处理结果，处理结果中包括挖掘机座椅的三向振动加速度的加权均方根值、发动机的转速、发动机输出转矩、控制输出转矩的发动机节气门开度；第二判断模块，用于判断资源库中是否存在当前处理结果；存储模块，用于当第三判断模块的判断结果为否时，则将当前处理结果保存在资源库。

进一步地，上述装置还包括：比较模块，用于在根据发动机需求转矩确定该转矩对应的发动机转速之后，比较发动机需求转矩与发动机实际输出转矩；提高模块，用于当比较模块的比较结果为发动机需求转矩大于实际输出转矩，则提高发动机节气门开度；降低模块，用于当比较模块的比较结果为发动机需求转矩小于实际输出转矩，则降低发动机节气门开度。

本发明的技术方案，通过挖掘机座椅的三向振动加速度的均方根值判断是否需要对发动机进行主动控制以降低挖掘机各部分零件的振动，同时，通过调节发动机输出转矩，以使输出转矩对应的发动机转速不为能够使挖掘机产生共振的转速，从而实现根据挖掘机实际工况来对发动机进行主动控制，有效降低了挖掘机的振动。

附图说明

图1是本发明降低挖掘机振动的方法流程图；

图2是本发明挖掘机主动控制预处理的流程图；

图3是本发明降低挖掘机振动的装置的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明实施例作进一步详细的说明。

图1是本发明降低挖掘机振动的方法流程图。

如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤101：确定能够使挖掘机产生共振的发动机的多个共振转速；

步骤102：获取挖掘机座椅上的三向振动加速度以及发动机转速；

步骤103：计算挖掘机座椅三向振动加速度的均方根值；

步骤104：判断挖掘机座椅三向振动加速度的均方根值是否大于第一预设值；

步骤105：如果步骤104中的结果为是，则调整发动机的输出转矩，以使发动机的转速与最接近的共振转速的差值不小于第二预设值。

其中，上述第一预设值表示出了挖掘机座机的振动强度，该预设值的设置主要依据挖掘机使用过程中驾驶员能够承受的振动程度，也可以根据标杆挖机或设计者的要求来设置。上述第二预设值用于表示发动机转速与挖掘机共振转速的接近程度，该阈值可根据实验数据来设定，通常设定为50转/分。

基于对不同方向的振动的要求不同，优选地，在上述步骤103中，可以通过计算挖掘机座机的三向振动加速度的加权均方值作为确定是否需要降低挖掘机振动的条件。座椅振动加权加速度的均方根值可以采用以下公式来进行计算：

$a_{\mathrm{Ej}}={(k_x^2{a}_{\mathrm{xj}}^2+k_y^2{a}_{\mathrm{yj}}^2+k_z^2{a}_{\mathrm{zj}}^2)}^{1/2};$

其中，a_Ej为加权加速度均方根值；a_xj、a_yj与a_zj为单轴向加速度；k_x、k_y与k_z为单轴向加速度的加权系数，该系数可以根据对各方向上的振动的要求不同而取不同的值。

为了在提高挖掘机工作效率的基础上降低挖掘机的振动，在执行上述步骤104之后，还可以执行以下步骤：根据挖掘机当前工况计算发动机需求转矩；根据需求转矩确定该转矩对应的发动机转速；如果需求转矩对应的发动机转速等于多个共振转速中的转速，则调整发动机的输出转矩，以使发动机的转速与最接近的共振转速的差值不小于第二预设值。其中，计算挖掘机当前作业需求的转矩，可根据转矩需求的方法反推转矩，即Tneed＝Tengine*idriveline，需求转矩＝发动机输出转矩*传动系速比。具体地，可以根据挖掘机作业过程中的载荷回来确定挖掘机当前作业实际所输出的转矩。实际操作中，可以根据挖掘机的作业对象，例如软性粘土、松沙质土、紧密沙质土、较紧密砂砾混合土、砂砾压原石以及软岩等，土质不同，在工作过程中挖掘机载荷也不同。可以根据挖掘机的液压系统的压力来确定挖掘机的工作状态，从而分析其作业载荷，确定发动机实际输出转矩。同时，也可以根据现有技术中的“分工况节能控制”等方式，根据挖掘机工况来确定发动机输出转矩。

在执行上述步骤101之前，需要进行挖掘机主动控制的预处理，确定能够使挖掘机产生共振的发动机的多个共振转速，如图2所示，具体可以通过以下步骤来实现：

步骤201：控制发动机执行升速和降速操作；

步骤202：采集发动机升速以及降速时挖掘机座椅的三向振动加速度、发动机的转速；

具体地，在挖掘机作业过程中，可以以10s为周期循环执行信号采集的操作，可以是通过在挖掘机座椅以及发动机上安装的传感器来进行信号的采集。

步骤203：根据三向振动加速度、发动机的转速绘制三维频谱图；

步骤204：根据三维频谱图确定能够使挖掘机产生共振的多个发动机转速。

其中，该预处理的过程可以在挖掘机每次启动时自动执行，为了便于后续对上述多个共振转速的调用，在根据三维频谱图确定能够使挖掘机产生共振的多个发动机转速之后，可以将多个发动机转速存入资源库。

本实施例还可以存储发动机主动控制策略，以便在挖掘机的使用过程中更加方便快捷的对发动机进行主动控制，以减小挖掘机的共振，基于此，在执行上述步骤105之后，上述方法还可以包括以下步骤：

确定当前处理结果，处理结果中包括挖掘机座椅的三向振动加速度的均方根值、发动机的转速、发动机输出转矩、控制输出转矩的发动机节气门开度；判断资源库中是否存在当前处理结果；如果不存在，则将当前处理结果保存在资源库。

在挖掘机的使用中，如果将每次工作的处理结果都存储到资源后，在后续的使用中，可以根据当前发动机的转速以及挖掘机座椅的三向加速度均方根值确定当前发动机的主动控制策略，从而调用存储的控制策略。

在上述步骤105之后，还需要确定出发动机需求转矩与发动机实际输出转矩的大小关系，其中，挖掘机需求转矩为挖掘机工作所需的转矩，确保发动机实际输出转矩接近甚至等于挖掘机工作所需转矩可以明显提高挖掘机工作效率。具体地，如果发动机需求转矩大于实际输出转矩，则提高发动机节气门开度；如果发动机需求转矩小于实际输出转矩，则降低发动机节气门开度。而在上述步骤105中，还需要进一步调节发动机输出转矩，以使发动机输出转矩不为上述存储在资源库中的共振转速中的任意一个转速，也就是说，需要进一步的调节以避开能够使挖掘机产生共振的发动机转速，从而确定出合适的发动机节气门开度，最后将发动机节气门开度信号发送给发动机ECU，由ECU来执行增大节气门或减小节气门的操作。

本发明还提供了一种降低挖掘机振动的装置，图3是该降低挖掘机振动的装置的结构框图。

如图3所示，该装置30包括以下组成部分：

第一确定模块31，用于确定能够使挖掘机产生共振的发动机的多个共振转速；

获取模块32，用于获取挖掘机座椅上的三向振动加速度以及发动机转速；

第一计算模块33，用于计算三向振动加速度的加权均方根值；

第一判断模块34，用于判断均方根值是否大于第一预设值；

调整模块35，用于则调整所述发动机的输出转矩，以使所述发动机的转速与所述最接近的共振转速的差值不小于第二预设值；

为了在提高挖掘机工作效率的基础上降低挖掘机的振动，上述装置30还可以包括以下模块：第二计算模块，用于在判断均方根值是否大于第一预设值之后，根据挖掘机当前工况计算发动机需求转矩；第二确定模块，用于根据需求转矩确定该转矩对应的发动机转速；调整模块，用于当需求转矩对应的发动机转速等于多个共振转速中的转速时，则调整发动机的输出转矩，以使发动机的转速与最接近的共振转速的差值不小于第二预设值。

其中，在对发动机进行主动控制之前，需要进行挖掘机主动控制的预处理，得出能够确定能够使挖掘机产生共振的发动机的多个共振转速。基于此，上述第一确定模块31包括：控制单元，用于控制发动机执行升速和降速操作；采集单元，用于采集发动机升速以及降速时挖掘机座椅的三向振动加速度、发动机的转速；绘制单元，用于根据三向振动加速度、发动机的转速得出三维频谱图；确定单元，用于根据三维频谱图确定能够使挖掘机产生共振的多个发动机转速。

进一步地，为了便于后续对上述多个共振转速的调用，在根据三维频谱图确定能够使挖掘机产生共振的多个发动机转速之后，将多个发动机转速存入资源库。

本实施例还可以存储发动机主动控制策略，以便在挖掘机的使用过程中更加方便快捷的对发动机进行主动控制，以减小挖掘机的共振。基于此，上述装置还可以包括：第三确定模块，用于在提高或降低发动机输出转矩后，确定当前处理结果，处理结果中包括三向振动加速度的均方根值、发动机的转速、发动机输出转矩、控制输出转矩的发动机节气门开度；第二判断模块，用于判断资源库中是否存在当前处理结果；存储模块，用于当第三判断模块的判断结果为否时，则将当前处理结果保存在资源库。

上述装置还可以包括：比较模块，用于在根据发动机需求转矩确定该转矩对应的发动机转速之后，比较发动机需求转矩与发动机实际输出转矩；提高模块，用于当比较模块的比较结果为发动机需求转矩大于实际输出转矩，则提高发动机节气门开度；降低模块，用于当比较模块的比较结果为发动机需求转矩小于实际输出转矩，则降低发动机节气门开度。

本发明实施例的技术方案，通过挖掘机座椅的三向振动加速度的均方根值判断是否需要对发动机进行主动控制以降低挖掘机各部分零件的振动，并且通过调整发动机输出转矩使发动机的输出转矩接近发动机需求转矩，提高发动机的效率，同时，调节发动机输出转矩，以使输出转矩对应的发动机转速不为能够使挖掘机产生共振的转速，从而实现根据挖掘机实际工况来对发动机进行主动控制，有效降低了挖掘机的振动。同时，将每次对发动机主动控制的各项参数都存储在资源库中，以便挖掘机下次作业时调用，明显的提高了挖掘机减振的效率。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种降低挖掘机振动的方法，其特征在于，包括：

确定能够使挖掘机产生共振的发动机的多个共振转速；

获取挖掘机座椅的三向振动加速度以及发动机转速；

计算所述三向振动加速度的均方根值；

判断所述均方根值是否大于第一预设值；

如果是，则调整所述发动机的输出转矩，以使所述发动机的转速与最接近的共振转速的差值不小于第二预设值，所述最接近的共振转速为与上述获取的发动机转速最接近的共振转速；

所述确定能够使挖掘机产生共振的发动机的多个共振转速包括：

控制发动机执行升速和降速操作；

采集发动机升速以及降速时挖掘机座椅的三向振动加速度、发动机的转速；

根据所述座椅的三向振动加速度、所述发动机的转速绘制三维频谱图；

根据所述三维频谱图确定能够使挖掘机产生共振的多个发动机转速。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在判断所述均方根值是否大于第一预设值之后，根据挖掘机当前工况计算发动机需求转矩；

根据所述需求转矩确定该转矩对应的发动机转速；

如果所述需求转矩对应的发动机转速等于所述多个共振转速中的转速，则调整所述发动机的输出转矩，以使所述发动机的转速与所述最接近的共振转速的差值不小于所述第二预设值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在提高或降低所述发动机输出转矩后，确定当前处理结果，所述处理结果中包括所述挖掘机座椅的三向振动加速度的均方根值、所述发动机的转速、所述发动机输出转矩、控制输出转矩的发动机节气门开度；

判断资源库中是否存在当前处理结果；

如果不存在，则将当前处理结果保存在所述资源库。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在根据所述发动机需求转矩确定该转矩对应的发动机转速之后，比较所述发动机需求转矩与发动机实际输出转矩；

如果所述发动机需求转矩大于所述实际输出转矩，则提高发动机节气门开度；

如果所述发动机需求转矩小于所述实际输出转矩，则降低发动机节气门开度。

5.一种降低挖掘机振动的装置，其特征在于，包括：

第一确定模块，用于确定能够使挖掘机产生共振的发动机的多个共振转速；

获取模块，用于获取挖掘机座椅的三向振动加速度以及发动机转速；

第一计算模块，用于计算所述三向振动加速度的均方根值；

第一判断模块，用于判断所述均方根值是否大于第一预设值；

调整模块，用于调整所述发动机的输出转矩，以使所述发动机的转速与最接近的共振转速的差值不小于第二预设值，所述最接近的共振转速为与上述获取的发动机转速最接近的共振转速。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

第二计算模块，用于在判断所述均方根值是否大于第一预设值之后，根据挖掘机当前工况计算发动机需求转矩；

第二确定模块，用于根据所述需求转矩确定该转矩对应的发动机转速；

调整模块，用于当所述需求转矩对应的发动机转速等于所述多个共振转速中的转速时，则调整所述发动机的输出转矩，以使所述发动机的转速与所述最接近的共振转速的差值不小于所述第二预设值。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一确定模块包括：

控制单元，用于控制发动机执行升速和降速操作；

采集单元，用于采集发动机升速以及降速时挖掘机座椅的三向振动加速度、发动机的转速；

绘制单元，用于根据所述座椅的三向振动加速度、所述发动机转速绘制出三维频谱图；

确定单元，用于根据所述三维频谱图确定能够使挖掘机产生共振的多个发动机转速。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

第三确定模块，用于在提高或降低所述发动机输出转矩后，确定当前处理结果，所述处理结果中包括所述挖掘机座椅的三向振动加速度的加权均方根值、所述发动机的转速、所述发动机输出转矩、控制输出转矩的发动机节气门开度；

第二判断模块，用于判断资源库中是否存在当前处理结果；

存储模块，用于当所述第二判断模块的判断结果为否时，则将当前处理结果保存在所述资源库。

9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

比较模块，用于在根据所述发动机需求转矩确定该转矩对应的发动机转速之后，比较所述发动机需求转矩与发动机实际输出转矩；

提高模块，用于当所述比较模块的比较结果为所述发动机需求转矩大于所述实际输出转矩，则提高发动机节气门开度；

降低模块，用于当所述比较模块的比较结果为所述发动机需求转矩小于所述实际输出转矩，则降低发动机节气门开度。