CN103234701B - 一种稳定性监测系统及挖掘机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种稳定性监测系统及挖掘机，属于工程机械监控领域，其中，该监测系统包括若干测力装置1、处理器2和控制器3。若干测力装置1设于挖掘机的回转支承4的底座5的内圆周上，并均匀分布于底座5的内圆周上。测力装置1通过处理器2与控制器3相连。本发明的技术方案系统集成度高、简单易行、涵盖工况广的挖掘机整机稳定性实时监控系统，能实现挖掘机倾斜度监控、挖掘机各工况下所受弯矩实时监控、挖掘机运行方向识别、临界倾翻弯矩辅助控制等功能。

Description

一种稳定性监测系统及挖掘机

技术领域

本发明属于工程机械监控领域，涉及一种监测系统，尤其涉及一种稳定性监测系统及包括该系统的挖掘机。

背景技术

挖掘机是一种多用途土石方施工机械，主要进行土石方挖掘、装载，还可进行土地平整、修坡、吊装等作业，在公路、铁路等道路施工，桥梁建设，城市建设，机场港口及水利施工中得到广泛应用。挖掘机进行作业的环境复杂多变，挖掘机需要随工况变化不断移动及整机姿态调整，操作安全性很大程度上依赖驾驶员的驾驶经验。当挖掘机工作平台存在较大坡度，承载平台松软易塌，通行道路坑洼起伏较大，或者进行吊装作业时，挖掘机容易整机失稳，若操作员处理不当，就会发生挖掘机倾翻的严重后果。

传统提升操作安全性的方法有：1、增加配重，加宽履带板，提高整机稳定性；2、采用较大视野的驾驶室，及安装后置摄像头，以提高驾驶员观察工况的能力；3、采用各种实时监测设备检测挖机稳定性，处理信号后反馈给驾驶员，并在必要时自动对整机做限制性控制。

在发明本发明之前，本发明的发明人发现现有技术存在以下的问题：通过更改整机造型以提升稳定性的方法具有一定的局限性，不能无上限的改制；增加配重，加宽履带板等措施所起的作用有限。而采用较大视野驾驶室，安装后置摄像头等措施，也仅仅旨在提升驾驶员的感知能力，对驾驶员的操作水平仍有较大依赖，且附加装置耐久性不佳。

发明内容

有鉴于此，本发明提出提供一种改动较小、系统集成度高、简单易行、涵盖工况广的挖掘机整机稳定性实时监控系统，能实现挖掘机倾斜度监控、挖掘机各工况下所受弯矩实时监控、挖掘机运行方向识别、临界倾翻弯矩辅助控制等功能。

为达到上述目的，具体技术方案如下：

一方面，一种稳定性监测系统，应用于监测挖掘机，包括若干测力装置、处理器和控制器，若干所述测力装置设于挖掘机的回转支承的底座内圆周上，并均匀分布于所述底座的内圆周上，所述测力装置用于监测底座内圆周的受力，所述测力装置通过所述处理器与所述控制器相连。

优选的，还包括监测所述挖掘机倾斜情况的倾角传感器，所述倾角传感器设于所述挖掘机的下车架上，所述倾角传感器通过所述处理器与所述控制器相连。

优选的，还包括将测力装置产生的信号传输至处理器的信号传输单元，所述测力装置通过信号传输单元与所述处理器连接。

优选的，所述测力装置的数量为4个。

优选的，所述信号传送单元为频分制多路遥感装置。

优选的，所述4个测力装置均匀分布于所述底座上对应所述挖掘机行走方向的前、后、左、右四个方向的位置上。

优选的，所述测力装置包括垂直设于所述底座内圆周的空心圆截面杆、若干个均匀设于所述空心圆截面杆外圆周的应变片。

优选的，所述测力装置还包括连接板和紧固螺栓，所述连接板与所述底座连接，所述测力装置的一端与所述底座连接，所述测力装置的另一端通过所述紧固螺栓与所述连接板连接。

优选的，所述应变片包括第一组应变片和第二组应变片，所述第一组和第二组应变片均分别包括两个沿空心圆截面杆的纵向分布的应变片和两个横向分布的应变片共计8个应变片，所述8个应变片接成直流全桥电路检测应变，且所述第一组和第二组应变片中的纵向分布的应变片、横向分布的应变片依次分别串联形成半桥。

另一方面，一种挖掘机，其包括如上述的监测系统。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

1、系统结构简单，测量、信号传递、信号处理与反馈集成度较高；

2、采用8个应变片组成全桥测量应变，系统精度较高；

3、结构紧凑，易于安装及随设计变化进行相应的更改。

4、整体安装方便，结构布局合理，自动化程度高，适用性广。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明的实施例的系统框图；

图2是本发明的实施例的挖掘机示意图；

图3是本发明的实施例的底座示意图；

图4是本发明的实施例的测力装置示意图；

图5是本发明的实施例的测力装置布线示意图；

图6是本发明的实施例的应力变化图；

图7是本发明的实施例的测力装置对应布线示意图的应变片位置图。

其中，1为测力装置、2为处理器、3为控制器、4为回转支承、5为底座、6为倾角传感器、7为空心圆截面杆、8为应变片、9为连接板、10为紧固螺栓。

具体实施方式

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

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下将结合附图对本发明的实施例做具体阐释。

如图1中所示的本发明的实施例的一种挖掘机稳定性监测系统，应用于监测挖掘机，包括若干测力装置1、处理器2和控制器3。如图2和图3中所示，测力装置1设于挖掘机的回转支承4的底座5的内圆周上。如图3中所示，若干测力装置1均匀分布于底座5的内圆周上。如图1中所示，测力装置1通过处理器2与控制器3相连。

本发明的实施例通过布置在挖掘机底座5的测力装置测出挖掘机底座在测力装置所在方向上实时所受压力的大小，将信号汇总并经处理器2计算处理后，传输至位于驾驶室的控制器3。从而根据计算出的挖掘机上车部分相对下车架的转向，以及挖掘机底座以上部分所受的弯矩大小，得出挖掘机的整机工况，判断危险点。在危险可能发生时，由控制器3做出警示信号；在危险即将发生时，由控制器3辅助整机控制。

本发明的实施例系统集成度高、简单易行、涵盖工况广的挖掘机整机稳定性实时监控系统，能实现挖掘机倾斜度监控、挖掘机各工况下所受弯矩实时监控、挖掘机运行方向识别、临界倾翻弯矩辅助控制等功能

优选的，测力装置1可采用压力传感器，测力装置1的数量可设置4个。

优选的，4个测力装置1可均匀分布于挖掘机行走方向的前、后、左、右四个方向上，即挖掘机下车架纵向从前往后方向为坐标系X正方向设立直角坐标系。

如图4中所示，在本发明的实施例中，测力装置1包括垂直设于底座内圆周的空心圆截面杆7、若干个均匀设于空心圆截面杆7外圆周的应变片8。

将8个相同规格的应变片8均匀贴在空心圆截面杆7的四周，应变片8纵向布置四个，横向四个，采用空心圆截面杆7以减小该附加的传感器结构对原有结构实际应力的影响。8个应变片8实际电阻分别用R1～R8表示，其初始值相同，接线如图5所示，测量电路由该8个应变片接成直流全桥电路检测应变，每个桥臂由沿杆纵切面相对的两个应变片串联而成。测力装置1还包括连接板9和紧固螺栓10，两块连接板9与底座5固定连接，测力装置1的空心圆截面杆7置于两块连接板9的中间，通过紧固螺栓10挤压垫块对空心圆截面杆7施加预紧力，调整测力装置1的测量初始状态。挖掘机底座5纵向受力所产生的形变引起两块连接板9相对位置变化，通过测量测力装置1上空心圆截面杆7的应变，等效挖掘机底座5在两块连接板9之间的平均应变，继而得出该处的应力状态。

如图4、图5和图7中所示，应变片包括第一组应变片和第二组应变片，第一组应变片包括两个沿空心圆截面杆的纵向分布的应变片R1、R3和两个横向分布的应变片R6、R8，并分别形成桥臂Ⅰ与桥臂Ⅱ；第二组应变片包括两个沿空心圆截面杆的纵向分布的应变片R2、R4和两个横向分布的应变片R5、R7，并分别形成桥臂Ⅲ与桥臂Ⅳ；桥臂Ⅰ与桥臂Ⅱ、Ⅳ相邻，与桥臂Ⅲ相对，第一组和第二组应变片中的应变片分别串联形成半桥，8个应变片接成直流电流应变全桥。

应变电桥的输出电压和相邻两臂的电阻变化率之差，或者相对两臂电阻变化率之和成正比，当电桥四臂接入相同的应变片时，有：

$V=\frac{{\mathrm{KE}}_0}{4}({\mathrm{\ϵ}}_I-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{II}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{III}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{IV}})$

在该测力装置1结构中，对于单一的一个应变片来说，影响其电阻变化的因数有三个：第一，纵向平均应力；第二纵向偏载等效弯矩产生附加应力；第三温度影响。第一影响因素对所有纵向应变片的影响均为ΔR，对所有横向应变片的影响均为μΔR。第二影响因素对所有沿空心圆截面杆纵向剖切面对称的应变片产生大小相等，正负相反的电阻变化。第三影响因素对所有应变片电阻产生相同的影响。

对于桥臂Ⅰ来说，其电阻变化率为：

$\frac{{\mathrm{\ΔR}}_I}{R_I}=\frac{{\mathrm{\ΔR}}_1}{R_1+R_3}{|}_P+\frac{{\mathrm{\ΔR}}_1}{R_1+R_3}{|}_M+\frac{{\mathrm{\ΔR}}_1}{R_1+R_3}{|}_T+\frac{{\mathrm{\ΔR}}_3}{R_1+R_3}{|}_P-\frac{{\mathrm{\ΔR}}_3}{R_1+R_3}{|}_M+\frac{{\mathrm{\ΔR}}_3}{R_1+R_3}{|}_T=K{\mathrm{\ϵ}}_I$

在该式中，在纵向平均应力σ_p作用下，和两式相等；

纵向偏载等效弯矩M作用下，和两式大小相等，方向相反；

在温度变化的作用下，和两式相等。

由此扩展到全桥，并由于偏心载荷等效弯矩和温度变化所产生的影响彼此抵消；初始阻值相等R1=R2=…=R8；纵向平均应力σ_p的影响 $\mathrm{\ΔR}1{|}_p=\mathrm{\ΔR}2{|}_p=L=\mathrm{\ΔR}8{|}_p,$ 经推导计算，输出电压：

$V=\frac{{\mathrm{KE}}_0}{4}({\mathrm{\ϵ}}_I-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{II}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{III}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{IV}})=\frac{1}{2}{\mathrm{KE}}_0{\mathrm{\ϵ}}_p(1+\mathrm{\μ})$

其中，ε_Ⅰ～ε_Ⅳ为四个桥臂的电阻变化率，K为应变片灵敏系数，E₀为电桥恒定输入电压，ε_p为测力装置1传递底座5纵向压力而产生的纵向应变值，μ为空心圆截面杆7的材料泊松比，水平横向应变片所测的应变值为纵向应变的-μ倍。

在该测力装置1结构中，同一桥臂相串联的两个应变片消除了载荷偏心的影响；应变片横纵布置在串联组对后接相邻半桥，可以补偿温度效应，并使相对比单应变片的结果扩大（1+μ）倍；采用全桥接法，又使以上电压输出结果加倍。

在本发明的实施例中，还包括信号传输单元，测力装置1通过信号传输单元与处理器2连接。并优选信号传送单元为频分制多路遥感装置。频分制多路遥感装置包括发射机和接收机，发射机包括放大器、付载波发生器、调制器、高频振荡器；接收机包括放大器、解调器，滤波器、付载波解调器。

将测力装置1的测量电路输出的电信号经放大器放大后送入付载波发生器，对付载波进行调制，各路付载波的中心频率不同，经调制后的各路付载波混合，并调制高频振荡器的主载波，再以电磁波形式由天线发射。接收机将收到的主载波放大、解调，送至各路带通滤波器，其通频带与发射机各路付载波中心频率相对应，各滤波器滤出的付载波送至付载波解调器，得到与原路信号相似的电信号，放大后送入处理器2，经倍数运算后得到各测量电路的应变值，进而计算得出对应的应力值σ1～σ4。

处理器2进一步计算底座平均应力：

底座承受上车部分的重量为：G₁=σ₀·S

S为底座环形截面面积。

四个应力与平均应力的差值为：Δσ_i=σ_i-σ₀   i=1～4

如下图6所示，四个应力去掉平均应力后，可视为底座应力平面绕通过该圆心的旋转轴翻转一定角度α，设旋转轴P与如下坐标系成角度m，底座内径为R，由几何关系可得：

Δσ₁·ctanα=R·sinm；Δσ₂·ctanα=R·cosm

可得： $\tan m=\frac{{\mathrm{\Δ\σ}}_1}{{\mathrm{\Δ\σ}}_2}$

上车架前后方向与下车架相对旋转角度，即驾驶员正前方与挖机底盘前进方向的角度为：

$n=\frac{\mathrm{\π}}{2}-\arctan m$

亦可得出应力平面倾斜角度： $\tan \mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\Δ\σ}}_1}{R\sin m},$ （或： $\tan \mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\Δ\σ}}_2}{R\cos m},$ 角度极限状态下修正前式）。

底座5应力平面内基于平均应力水平，最大应力变化值为：Δσ_m=Rtanα

底座最大应力值：σ_m=σ₀+Δσ_m=σ₀+Rtanα

底座所受弯矩为：M=Δσ_m·W_D

W_D为底座5环形截面的抗弯截面模量。

即，由测力装置1所测的四个应力值，计算得出挖掘机上车架相对下车架的旋转角度，从而判断出挖掘机行驶方向，以及上车部分整体对底座5的弯矩。一般情况下，上车架前方（工作装置一方）较后方（配重一方）对回转支撑4的弯矩作用大，特殊情况下，当挖掘机铲斗撑地或挖掘动作切入硬质物料时，受地面对铲斗向上的力的作用较大，下车架底座5所受弯矩方向相反，即以上计算得出的旋转角度需增加180°，此种情况由驾驶员直接判断即可。

如图1中所示，在本发明的实施例中，优选还包括倾角传感器6，倾角传感器设于挖掘机的下车架上，倾角传感器6通过处理器2与控制器1相连

由布置在下车架上的倾角传感器6测得的值得出挖掘机整机的倾斜情况，结合上车部分旋转角度与所形成的弯矩，得出挖掘机实时工况。对固定的挖掘机机型有固定的重心与各个方向的固定倾翻线，由以上所得倾角计算得出下车架对倾翻线的重心力矩。结合由底座5测力装置1数据计算得到的上车部分的重力与弯矩值，计算得到挖掘机整机实时的稳定性。

当挖掘机处于稳定状态时，稳定力矩大于倾翻力矩，有：

G₁·L₁+G₂·L₂≥k·M

L₁、L₂分别为上车部分重力值G₁和下车部分重力值G₂对倾翻线的力臂，随挖掘机整机倾斜角度γ变化而调整力臂值，具体为整机处于水平放置时的力臂值的cosγ倍；k为安全系数；M为上车部分对底座的弯矩值。

优选控制器3上设有显示器，可在显示器上查阅挖掘机整机实时工况，包括整机倾角、上车架相对下车架旋转角度（挖机前进方向）、上车架倾翻力矩。并优选控制器3上设有报警装置，当上式稳定力矩小于1.2倍倾翻力矩（k=1.2）时，控制器3控制整机发出声光警示信号。当稳定力矩小于1.1倍的倾翻力矩（k=1.1）时，控制器3控制挖掘机做减小倾翻力矩的操作，实现自动避险功能。控制器3上还设有锁止开关，控制器3通过解除锁止开关可关闭自动控制功能。

本发明的实施例中还包括一种挖掘机，其中，设置有上述监测系统，由于上述监测系统具有上述技术效果，因此，设有该监测系统的挖掘机也应具备相应的技术效果，其具体实施过程与上述实施例类似，兹不赘述。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种稳定性监测系统，应用于监测挖掘机，其特征在于，包括若干测力装置、处理器和控制器，若干所述测力装置设于挖掘机的回转支承的底座内圆周上，并均匀分布于所述底座的内圆周上，所述测力装置包括垂直设于所述底座内圆周的空心圆截面杆、若干个均匀设于所述空心圆截面杆外圆周的应变片，所述测力装置用于监测底座内圆周所受压力，所述测力装置通过所述处理器与所述控制器相连。

2.如权利要求1所述的监测系统，其特征在于，还包括监测所述挖掘机倾斜情况的倾角传感器，所述倾角传感器设于所述挖掘机的下车架上，所述倾角传感器通过所述处理器与所述控制器相连。

3.如权利要求1所述的监测系统，其特征在于，还包括将测力装置产生的信号传输至处理器的信号传输单元，所述测力装置通过信号传输单元与所述处理器连接。

4.如权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述测力装置的数量为4个。

5.如权利要求3所述的监测系统，其特征在于，所述信号传送单元为频分制多路遥感装置。

6.如权利要求4所述的监测系统，其特征在于，所述4个测力装置均匀分布于所述底座上对应所述挖掘机行走方向的前、后、左、右四个方向的位置上。

7.如权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述测力装置还包括连接板和紧固螺栓，所述连接板与所述底座连接，所述测力装置的一端与所述底座连接，所述测力装置的另一端通过所述紧固螺栓与所述连接板连接。

8.如权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述应变片包括第一组应变片和第二组应变片，所述第一组和第二组应变片均分别包括两个沿空心圆截面杆的纵向分布的应变片和两个横向分布的应变片共计8个应变片，所述8个应变片接成直流全桥电路检测应变，且所述第一组和第二组应变片中的纵向分布的应变片、横向分布的应变片依次分别串联形成半桥。

9.一种挖掘机，其特征在于，包括如权利要求1至6、7、8任一项所述的监测系统。