CN105067172B - 挖掘机铲斗受力测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种挖掘机铲斗受力测试装置及测试方法，包括右传感器安装座、右铰轴传感器、右传感器安装套筒、左传感器安装座、左铰轴传感器、左传感器安装套筒和若干电阻应变片；本发明通过对铲斗与斗杆的铰点处的结构进行改进，设置右铰轴传感器和左铰轴传感器，并在右铰轴传感器和左铰轴传感器上设有用于测量O轴处的销轴上所受的侧向力F_a、O轴处的销轴在Ox平面和Oy平面所受力F_x和F_y的若干电阻应变片；能够简单的测量出铲斗所受侧向力和在Ox平面和Oy平面所受力，测试精度高，测试方法简单，能够适用于所有的液压挖掘机和装载机。

Description

挖掘机铲斗受力测试装置及测试方法

【技术领域】

本发明涉及挖掘机铲斗受力测试领域，特别涉及一种挖掘机铲斗受力测试装置及测试方法。

【背景技术】

单斗液压挖掘机是土石方机械中应用广泛的机种之一。挖掘机工作时，铲斗所受到载荷的特性对挖掘机的研发非常重要。专利号为JP昭59-96336A的日本专利公开了一个挖掘机铲斗受力的测量方法，该方法比较简单，但存在测量精度差、无法测量侧向力的缺点。中国专利公开第CN103233493A号公开了一个矿用挖掘机工作过程的受力测试方法，但该方法只适用于钢丝绳牵引的矿用挖掘机，对常见的液压挖掘机并不适用。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种挖掘机铲斗受力测试装置及测试方法，以解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

挖掘机铲斗受力测试装置，包括右传感器安装座、右铰轴传感器、右传感器安装套筒、左传感器安装座、左铰轴传感器、左传感器安装套筒和若干电阻应变片；左传感器安装座的结构与右传感器安装座的结构对称；左铰轴传感器的结构与右铰轴传感器的结构相同；左传感器安装套筒与右传感器安装套筒的结构相同；左传感器安装座、左铰轴传感器、左传感器安装套筒的布置方式与右传感器安装座、右铰轴传感器、右传感器安装套筒的布置方式对称；挖掘机的连杆通过一个转轴与铲斗铰接，该转轴的轴心线为C；挖掘机的斗杆通过右铰轴传感器、左铰轴传感器铰接于右传感器安装座、左传感器安装座之间，右铰轴传感器和左铰轴传感器同轴，右铰轴传感器和左铰轴传感器的轴心线为O；轴心线C和轴心线O平行；右传感器安装座和左传感器安装座固定在铲斗上；轴心线C和轴心线O所在平面为Oy平面，通过轴心线O且垂直于Oy平面的平面为Ox；连杆为二力杆，在连杆上设置有用于测量连杆的受力F_C的传感器；右铰轴传感器和左铰轴传感器上设有用于测量O轴处的销轴上所受的侧向力F_a、O轴处的销轴在Ox平面和Oy平面所受力F_x和F_y的若干电阻应变片。

本发明进一步的改进在于：斗杆上与铲斗的铰轴孔内的右端固定右传感器安装套筒，右传感器安装套筒的内端封闭；右铰轴传感器包括侧向力感应段、承载段、径向力感应段和固定支座；右铰轴传感器的侧向力感应段和承载段插入到右传感器安装套筒内，右铰轴传感器的侧向力感应段的顶端与右传感器安装套筒封闭端板接触，右铰轴传感器的承载段断面外形为圆形且与右传感器安装套筒的内壁为间隙配合关系，右铰轴传感器的径向力感应段伸在斗杆的外面，右铰轴传感器通过其上的固定支座固定在右传感器安装座上。

本发明进一步的改进在于：在Oy平面上，右铰轴传感器的径向力感应段外表面，粘接电阻应变片R₁、R₂、R₃、R₄，电阻应变片R₁、R₄位于右铰轴传感器的横断面C-C上，电阻应变片R₂、R₃位于右铰轴传感器的横断面D-D上，横断面C-C横断面与D-D之间间隔设置；电阻应变片R₁～R₄组成用于测量铲斗右边所受的y向力F_yr的电桥。

本发明进一步的改进在于：右铰轴传感器的侧向力感应段径向尺寸小于安装套筒的内径，在右铰轴传感器的侧向力感应段与右传感器安装套筒的内壁之间形成了一个空间，在这个空间内的右铰轴传感器侧向力感应段的外表面的横断面E-E上对称粘接有用于测出铲斗传感器向右的侧向力F_ar的电阻应变片R₅、R₆。

本发明进一步的改进在于：右铰轴传感器的中心轴上有轴向孔，右铰轴传感器的侧向力感应段有径向孔，该径向孔与轴向孔相通形成通道，电阻应变片R₅、R₆的配套电路导线通过这个通道由右铰轴传感器内部的孔中引出。

本发明进一步的改进在于：在Ox平面上，右铰轴传感器的径向力感应段外表面，粘接电阻应变片R₇、R₈、R₉、R₁₀，电阻应变片R₇、R₁₀位于右铰轴传感器7的横断面C-C上，电阻应变片R₈、R₉位于右铰轴传感器的横断面D-D上，电阻应变片R₇～R₁₀的组成用于测量铲斗右边所受的x向力F_xr的电桥。

挖掘机铲斗受力测试方法，基于所述的挖掘机铲斗受力测试装置，包括：

通过连杆上设置用于测量连杆的受力F_C的传感器测量连杆的受力F_C的步骤；

通过右铰轴传感器上设置的电阻应变片R₁～R₄组成的电桥测量铲斗右边所受的y向力F_yr的步骤；

通过右铰轴传感器上设置的电阻应变片R₅、R₆测量铲斗传感器向右的侧向力F_ar的步骤；

通过右铰轴传感器上设置的电阻应变片R₇～R₁₀组成的电桥测量铲斗右边所受的x向力F_xr的步骤；

通过左铰轴传感器上设置的电阻应变片R₁₁～R₁₄组成的电桥测量铲斗左边所受的y向力F_yl的步骤；

通过左铰轴传感器上设置的电阻应变片R₁₅、R₁₆测量铲斗传感器向左的侧向力F_al的步骤；

通过左铰轴传感器上设置的电阻应变片R₁₇～R₂₀组成的电桥测量铲斗左边所受的x向力F_xl的步骤；

O轴处的销轴上所受的侧向力F_a、在Ox平面和Oy平面所受力F_x和F_y具体如下：

F_x＝F_xl+F_xr

F_y＝F_yl+F_yr

F_a＝F_al+F_ar

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明一种挖掘机铲斗受力测试装置及测试方法，通过对铲斗与斗杆的铰点处的结构进行改进，设置右铰轴传感器和左铰轴传感器，并在右铰轴传感器和左铰轴传感器设有用于测量O轴处的销轴上所受的侧向力F_a、O轴处的销轴在Ox平面和Oy平面所受力F_x和F_y的若干电阻应变片；能够简单的测量出铲斗所受O轴侧向力和在Ox平面和Oy平面所受力，所得测试结果可以作为挖掘机研发时其铲斗所受负荷的原始资料，对提高挖掘机质量有重要意义，测试精度高，该方法适用于所有的液压挖掘机和装载机。

【附图说明】

图1是本发明挖掘机铲斗受力测试装置的总体测试方案图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是右铰轴传感器的放大图；

图4是铲斗右边所受的y向力F_yr传感器电桥电路示意图；

图5是图1的B-B剖视图；

图6是铲斗右边所受的x向力F_xr传感器电桥电路示意图。

图中：1为铲斗、2为连杆，3为摇臂、4为铲斗油缸、5为斗杆、6为右传感器安装座、7为右铰轴传感器、8为右传感器安装套筒、9为左传感器安装座、10为左铰轴传感器、11为左传感器安装套筒。R₁～R₂₀为电阻应变片。

【具体实施方式】

请参阅图1至图6所示，本发明一种挖掘机铲斗受力测试装置，包括右传感器安装座6、右铰轴传感器7、右传感器安装套筒8、左传感器安装座9、左铰轴传感器10、左传感器安装套筒11和若干电阻应变片。

左传感器安装座9的结构右传感器安装座6的结构对称；左铰轴传感器10的结构与右铰轴传感器7的结构相同；左传感器安装套筒11与右传感器安装套筒8的结构相同。

左传感器安装座9、左铰轴传感器10、左传感器安装套筒11的布置方式与右传感器安装座6、右铰轴传感器7、右传感器安装套筒8的布置方式对称。

请参阅图1所示，挖掘机的连杆2通过一个转轴与铲斗铰接，该转轴的轴心线为C。挖掘机的斗杆5通过右铰轴传感器7、左铰轴传感器10铰接于右传感器安装座6、左传感器安装座9之间，右铰轴传感器7和左铰轴传感器10同轴，右铰轴传感器7和左铰轴传感器10的轴心线为O；轴心线C和轴心线O平行。右传感器安装座6、左传感器安装座9固定在铲斗1上，摇臂3一端与斗杆5铰接，另一端与连杆2和铲斗油缸4铰接。轴心线C和轴心线O所在平面为Oy平面，通过轴心线O且垂直于Oy平面的平面为Ox。

从图1可以看出，挖掘机工作时，所挖掘物料对铲斗1的作用力与铲斗1和斗杆5之间的铰点的作用力F_O、连杆的作用力F_C的合力F相平衡，铲斗1和斗杆5之间的铰点的作用力F_O可以分解为F_x和F_y。由于连杆2为二力杆，在连杆2上设置传感器测出连杆2的受力F_C；在O轴处的销轴上，设置传感器测出F_x和F_y；在挖掘机工作姿态已知的条件下，利用图1所示的关系，可以计算出铲斗1在xy平面的受力F。

在O轴处的销轴上，设置传感器测出销轴所受的侧向力F_a，由有关力学原理可知，F_a等于铲斗工作时所受的侧向力。

F_x、F_y、F_a的测量方法如下：

如图2所示，对铲斗1与斗杆5的铰点处的结构进行技术改造，在铲斗1的右侧设置右传感器安装座6，在斗杆5上与铲斗1的铰轴孔内的右端固定右传感器安装套筒8，右传感器安装套筒8的内端封闭；右铰轴传感器7划分为四个部分(见图3)，分别称为侧向力感应段、承载段、径向力感应段和固定支座；安装时，右铰轴传感器7的侧向力感应段和承载段插入到右传感器安装套筒8内，右铰轴传感器7的侧向力感应段的顶端与右传感器安装套筒8封闭端板接触，右铰轴传感器7的承载段断面外形为圆形且与右传感器安装套筒8的内壁为间隙配合关系，右铰轴传感器7的径向力感应段伸在斗杆5的外面，右铰轴传感器7通过其上的固定支座固定在右传感器安装座6上。

在Oy平面上、右铰轴传感器7的径向力感应段外表面，粘接电阻应变片R₁、R₂、R₃、R₄，电阻应变片R₁、R₄位于右铰轴传感器7的横断面C-C上，电阻应变片R₂、R₃位于右铰轴传感器7的横断面D-D上，横断面C-C与横断面D-D之间间隔设置，间距为l(见图3)，l>0，l的具体数值由结构确定，较大的l容易获得较强的感应信号，但同时会降低铰轴传感器的安全系数，电阻应变片R₁～R₄的组桥方式如图4，图4所示电桥的输出信号正比于铲斗右边所受的y向力F_yr。

右铰轴传感器7的侧向力感应段径向尺寸较小，与右传感器安装套筒8的内壁有一段距离，这样，在右铰轴传感器7的侧向力感应段与右传感器安装套筒8的内壁之间形成了一个空间，在这个空间内的右铰轴传感器7侧向力感应段的外表面的横断面E-E上对称粘接电阻应变片R₅、R₆，利用电阻应变片R₅、R₆，可以测出传感器向右的侧向力F_ar。右铰轴传感器7的中心轴上有轴向孔，右铰轴传感器7的侧向力感应段有径向孔，该径向孔与前述轴向孔相通形成通道，电阻应变片R₅、R₆的配套电路导线通过这个通道由右铰轴传感器7内部的孔中引出。

如图5所示，在Ox平面上、右铰轴传感器7的径向力感应段外表面，粘接电阻应变片R₇、R₈、R₉、R₁₀，电阻应变片R₇、R₁₀位于右铰轴传感器7的横断面C-C上，电阻应变片R₈、R₉位于右铰轴传感器7的横断面D-D上，电阻应变片R₇～R₁₀的组桥方式如图6，图6电桥的输出信号正比与铲斗右边所受的x向力F_xr。

测量铲斗左边所受的y向力F_yl的原理与与测量铲斗右边所受的y向力F_yr的原理相同；测量铲斗左边所受的x向力F_xl的原理与与测量铲斗右边所受的x向力F_xr的原理相同。按以下两式计算F_x、F_y。

F_x＝F_xl+F_xr

F_y＝F_yl+F_yr

测量铲斗传感器向左的侧向力F_al的原理与测量铲斗传感器向右的侧向力F_ar的原理相同。将F_al、F_ar合成后可以得到铲斗所受的侧向力F_a。

Claims (7)

1.挖掘机铲斗受力测试装置，其特征在于，包括右传感器安装座(6)、右铰轴传感器(7)、右传感器安装套筒(8)、左传感器安装座(9)、左铰轴传感器(10)、左传感器安装套筒(11)和若干电阻应变片；

左传感器安装座(9)的结构与右传感器安装座(6)的结构对称；左铰轴传感器(10)的结构与右铰轴传感器(7)的结构相同；左传感器安装套筒(11)与右传感器安装套筒(8)的结构相同；

左传感器安装座(9)、左铰轴传感器(10)、左传感器安装套筒(11)的布置方式与右传感器安装座(6)、右铰轴传感器(7)、右传感器安装套筒(8)的布置方式对称；

挖掘机的连杆(2)通过一个转轴与铲斗(1)铰接，该转轴的轴心线为C；挖掘机的斗杆(5)通过右铰轴传感器(7)、左铰轴传感器(10)铰接于右传感器安装座(6)、左传感器安装座(9)之间，右铰轴传感器(7)和左铰轴传感器(10)同轴，右铰轴传感器(7)和左铰轴传感器(10)的轴心线为O；轴心线C和轴心线O平行；右传感器安装座(6)和左传感器安装座(9)固定在铲斗(1)上；轴心线C和轴心线O所在平面为Oy平面，通过轴心线O且垂直于Oy平面的平面为Ox；

连杆(2)为二力杆，在连杆(2)上设置有用于测量连杆(2)的受力F_C的传感器；

右铰轴传感器(7)和左铰轴传感器(10)上设有用于测量O轴处的销轴上所受的侧向力F_a、O轴处的销轴在Ox平面和Oy平面所受力F_x和F_y的若干电阻应变片。

2.根据权利要求1所述的挖掘机铲斗受力测试装置，其特征在于，斗杆(5)上与铲斗(1)的铰轴孔内的右端固定右传感器安装套筒(8)，右传感器安装套筒(8)的内端封闭；右铰轴传感器(7)包括侧向力感应段、承载段、径向力感应段和固定支座；右铰轴传感器(7)的侧向力感应段和承载段插入到右传感器安装套筒(8)内，右铰轴传感器(7)的侧向力感应段的顶端与右传感器安装套筒(8)封闭端板接触，右铰轴传感器(7)的承载段断面外形为圆形且与右传感器安装套筒(8)的内壁为间隙配合关系，右铰轴传感器(7)的径向力感应段伸在斗杆(5)的外面，右铰轴传感器(7)通过其上的固定支座固定在右传感器安装座(6)上。

3.根据权利要求2所述的挖掘机铲斗受力测试装置，其特征在于，在Oy平面上，右铰轴传感器(7)的径向力感应段外表面，粘接电阻应变片R₁、R₂、R₃、R₄，电阻应变片R₁、R₄位于右铰轴传感器(7)的横断面C-C上，电阻应变片R₂、R₃位于右铰轴传感器(7)的横断面D-D上，横断面C-C与横断面D-D之间间隔设置；电阻应变片R₁～R₄组成用于测量铲斗右边所受的y向力F_yr的电桥。

4.根据权利要求2所述的挖掘机铲斗受力测试装置，其特征在于，右铰轴传感器(7)的侧向力感应段的径向尺寸小于右传感器安装套筒(8)的内径，在右铰轴传感器(7)的侧向力感应段与右传感器安装套筒(8)的内壁之间形成了一个空间，在这个空间内的右铰轴传感器(7)侧向力感应段的外表面的横断面E-E上对称粘接有用于测出铲斗传感器向右的侧向力F_ar的电阻应变片R₅、R₆。

5.根据权利要求4所述的挖掘机铲斗受力测试装置，其特征在于，右铰轴传感器(7)的中心轴上有轴向孔，右铰轴传感器(7)的侧向力感应段有径向孔，该径向孔与轴向孔相通形成通道，电阻应变片R₅、R₆的配套电路导线通过这个通道由右铰轴传感器(7)内部的孔中引出。

6.根据权利要求3所述的挖掘机铲斗受力测试装置，其特征在于，在Ox平面上，右铰轴传感器(7)的径向力感应段外表面，粘接电阻应变片R₇、R₈、R₉、R₁₀，电阻应变片R₇、R₁₀位于右铰轴传感器(7)的横断面C-C上，电阻应变片R₈、R₉位于右铰轴传感器(7)的横断面D-D上，电阻应变片R₇～R₁₀的组成用于测量铲斗右边所受的x向力F_xr的电桥。

7.挖掘机铲斗受力测试方法，其特征在于，基于权利要求1所述的挖掘机铲斗受力测试装置，包括：

通过连杆(2)上设置用于测量连杆(2)的受力F_C的传感器测量连杆(2)的受力F_C的步骤；

通过右铰轴传感器(7)上设置的电阻应变片R₁～R₄组成的电桥测量铲斗右边所受的y向力F_yr的步骤；

通过右铰轴传感器(7)上设置的电阻应变片R₅、R₆测量铲斗传感器向右的侧向力F_ar的步骤；

通过右铰轴传感器(7)上设置的电阻应变片R₇～R₁₀组成的电桥测量铲斗右边所受的x向力F_xr的步骤；

通过左铰轴传感器(10)上设置的电阻应变片R₁₁～R₁₄组成的电桥测量铲斗左边所受的y向力F_yl的步骤；

通过左铰轴传感器(10)上设置的电阻应变片R₁₅、R₁₆测量铲斗传感器向左的侧向力F_al的步骤；

通过左铰轴传感器(10)上设置的电阻应变片R₁₇～R₂₀组成的电桥测量铲斗左边所受的x向力F_xl的步骤；

O轴处的销轴上所受的侧向力F_a、在Ox平面和Oy平面所受力F_x和F_y具体如下：

F_x＝F_xl+F_xr

F_y＝F_yl+F_yr

F_a＝F_al+F_ar。