CN109440855B - 一种挖掘机工作效率检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种挖掘机工作效率检测方法及系统，具体地：所述方法包括：获取动臂的相关参量、斗杆的相关参量、铲斗的相关参量以及所述铲斗中物料的相关参量；根据第一连接点的力矩平衡公式得到第一预测物料重量；根据第二连接点的力矩平衡公式得到第二预测物料重量；根据第三连接点的力矩平衡公式得到第三预测物料重量；由第一预测物料重量、第二预测物料重量、第三预测物料重量确定出当前工作循环下的物料重量；进一步根据所有的物料重量确定出目标物料重量，得到挖掘机的效率评价指数；进而对所述挖掘机的工作效率进行检测评价。本发明自动化程度高、精度高，能够面对所有挖掘机全生命周期内的工作效率进行实时监测。

Description

一种挖掘机工作效率检测方法及系统

技术领域

本发明涉及挖掘机技术领域。

背景技术

挖掘机作为一种快速、高效的施工作业机械，已经成为工程机械产品家族中的一个主要机种，被称为工程机械之王；其广泛应用于工业与民用建筑、交通运输、水利电力工程、农田改造、矿山采掘以及现代化军事工程等行业的机械化施工中。

其中，挖掘机的工作效率一直是衡量挖掘机技术状态的主要指标。现有技术一般是通过试验样机，设定一定工况(一般90°、180°甩方或者装车作业)，进行作业过程中挖掘机所挖掘的斗数的计量，将平均单位时间所挖掘的斗数作为评价工作效率的唯一指标。

但是，挖掘机的工作效率是整机性能、机手熟练程度、挖掘作业对象、作业工况及环境等多种因素的综合体现；仅以单位时间所挖掘的斗数无法有效、精确评价挖掘机的工作效率；通常满斗率或者说每斗所挖掘的重量、作业对象、挖掘深度、卸载高度、卸载距离、回转角度等因素也是极大影响工作效率；并且，虽然主机厂家样机测试时想办法尽量保持试验测试的一致性，但是试验测试的重复性依然不高；还有，对于用户来说，作业工况、环境多变，一致性更是无从谈起，无法准确评价及激励机手，也很难实现生产成本最低化。

因此，亟待提出一种挖掘机智能检测工作效率的技术方案，解决挖掘机工作效率测试繁琐、评价指标单一的问题。

发明内容

本发明提供了一种挖掘机工作效率检测方法及系统，具体地：

第一方面提供了一种挖掘机工作效率检测方法，所述挖掘机包括动臂、斗杆、铲斗和回转平台；所述回转平台和动臂在第一连接点进行连接，所述动臂和斗杆在第二连接点进行连接，所述斗杆和铲斗在第三连接点进行连接；所述方法包括：

获取动臂的相关参量、斗杆的相关参量、铲斗的相关参量以及所述铲斗中物料的相关参量；

根据所述动臂的相关参量、斗杆的相关参量、铲斗的相关参量和物料的相关参量，以及所述第一连接点的力矩平衡公式，得到第一预测物料重量；

根据所述斗杆的相关参量、铲斗的相关参量、物料的相关参量，以及所述第二连接点的力矩平衡公式，得到第二预测物料重量；

根据所述铲斗的相关参量、物料的相关参量，以及所述第三连接点的力矩平衡公式，得到第三预测物料重量；

由所述第一预测物料重量、第二预测物料重量、第三预测物料重量确定出当前工作循环下的物料重量；

按照获取当前工作循环下的物料重量的方式，得到预设工作循环次数下所有的物料重量，并根据所述所有的物料重量确定出目标物料重量；所述挖掘机的工作循环次数为所述挖掘机的挖掘斗数；

根据所述目标物料重量以及所述预设工作循环次数对应的作业总时长，得到所述挖掘机的效率评价指数；通过所述效率评价指数对所述挖掘机的工作效率进行检测评价。

第二方面提供了一种挖掘机工作效率检测系统，所述系统包括：

相关参量获取模块，用于获取挖掘机的动臂的相关参量、挖掘机的斗杆的相关参量、挖掘机的铲斗的相关参量以及所述铲斗中物料的相关参量；

第一预测物料重量得到模块，用于根据所述动臂的相关参量、斗杆的相关参量、铲斗的相关参量和物料的相关参量，以及第一连接点的力矩平衡公式，得到第一预测物料重量；第一连接点为所述挖掘机的回转平台和动臂的连接处；

第二预测物料重量得到模块，用于根据所述斗杆的相关参量、铲斗的相关参量、物料的相关参量，以及第二连接点的力矩平衡公式，得到第二预测物料重量；所述第二连接点为所述动臂和斗杆的连接处；

第三预测物料重量得到模块，用于根据所述铲斗的相关参量、物料的相关参量，以及第三连接点的力矩平衡公式，得到第三预测物料重量；所述第三连接点为斗杆和铲斗的连接处；

当前物料重量得到模块，用于由所述第一预测物料重量、第二预测物料重量、第三预测物料重量确定出当前工作循环下的物料重量；

目标物料重量得到模块，用于按照获取当前工作循环下的物料重量的方式，得到预设工作循环次数下所有的物料重量，并根据所述所有的物料重量确定出目标物料重量；所述挖掘机的工作循环次数为所述挖掘机的挖掘斗数；

工作效率检测模块，用于根据所述目标物料重量以及所述预设工作循环次数对应的作业总时长，得到所述挖掘机的效率评价指数；通过所述效率评价指数对所述挖掘机的工作效率进行检测评价。

本发明提供的挖掘机工作效率检测的技术方案，具有如下技术效果：

本发明自动化程度高、精度高，能够面对所有挖掘机全生命周期内的工作效率进行实时监测。本发明检测过程成本低，在自动或半自动挖掘机的基础上能够进行简单改装获取。通过本发明的工作效率的检测以及大量数据的获取，能够为挖掘机的智能化和产品技术升级提供大数据基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本说明书实施例提供的整机示意图；

图2是本说明书实施例提供的一种挖掘机工作效率检测方式流程图；

图3(a)是本说明书实施例提供的动臂的重心位置的示意图；

图3(b)是本说明书实施例提供的斗杆的重心位置的示意图；

图3(c)是本说明书实施例提供的铲斗及物料的重心位置的示意图；

图4是本说明书实施例提供的挖掘终了点示意图

图5是本说明书实施例提供的卸料点示意图；

图6是本说明书实施例得到的满斗率统计示意图；

图7是本说明书实施例得到的物料重量统计示意图；

图8是本说明书实施例得到的斗数时间统计示意图；

图9是本说明书实施例得到的回转角度统计示意图；

图10是本说明书实施例得到的提升高度统计示意图；

图11是本说明书实施例得到的扬程统计示意图；

图12是本说明书实施例得到的动臂油缸做功统计示意图；

图13是本说明书实施例得到的斗杆油缸做功统计示意图；

图14是本说明书实施例得到的铲斗油缸做功统计示意图；

图15是本说明书实施例得到的挖掘点分布频率统计示意图；

图16是本说明书实施例得到的卸料点分布频率统计示意图；

图17是本说明书实施例得到的工作效率统计示意图。

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做出创造性劳动的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，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本说明书实施案例提供了一种挖掘机工作效率检测的技术方案，如图1所示，所述挖掘机包括动臂、斗杆、铲斗和回转平台；所述回转平台和动臂在第一连接点(C)进行连接，所述动臂和斗杆在第二连接点(F)进行连接，所述斗杆和铲斗在第三连接点(Q)进行连接；其中图1中的G1-G9为挖掘机中对应组件的重心位置。如图2所示，一种挖掘机工作效率检测方法，包括，：

S202.获取动臂的相关参量、斗杆的相关参量、铲斗的相关参量以及所述铲斗中物料的相关参量；

具体地，所述动臂的相关参量可以包括动臂的油缸作用力、动臂油缸相对第一连接点的综合力臂、动臂相对所述第一连接点的转动惯量；

所述斗杆的相关参量可以包括斗杆的油缸作用力、斗杆油缸相对第二连接点的综合力臂、斗杆相对所述第一连接点和所述第二连接点的转动惯量；

所述铲斗的相关参量可以包括铲斗的油缸作用力、铲斗油缸相对第三连接点的综合力臂、铲斗相对所述第一连接点、第二连接点和第三连接点的转动惯量；

所述物料的相关参量可以包括物料相对所述第一连接点、第二连接点和第三连接点的转动惯量。

进一步地，步骤S202中获取动臂的相关参量、斗杆的相关参量、铲斗的相关参量以及物料的相关参量，可以包括下述的步骤S402-S410：

S402.获取动臂的第一惯量相关参数和第一油缸相关参数、斗杆的第二惯量相关参数和第二油缸相关参数、铲斗的第三惯量相关参数和第三油缸相关参数，以及所述铲斗中物料的第四惯量相关参数；

具体地，所述第一惯量相关参数包括：所述动臂的重量m₁；如图3(a)所示，所述动臂的两端相连得到的直线长度L₁；所述动臂的重心位置到第一连接点的直线距离r₁；动臂的重心位置到第一连接点的直线，与动臂两端相连得到的直线构成的夹角ω₁；动臂两端相连得到的直线L₁和水平面的夹角θ₁(未示出)；

所述第一油缸相关参数包括：所述动臂的油缸缸径D₁和杆径d₁，以及动臂的油缸大腔压力p₁₁和小腔压力p₁₂；

所述第二惯量相关参数包括：所述斗杆的重量m₂；如图3(b)所示，斗杆相连得到的直线L₂；所述斗杆的重心位置到第二连接点的直线距离r₂；斗杆的重心位置到第二连接点的直线，与斗杆两端相连得到的直线构成的夹角ω₂；所述斗杆两端相连得到是直线和水平面夹角θ₂(未示出)；

所述第二油缸相关参数包括：所述斗杆油缸缸径D₂和杆径d₂，以及所述斗杆油缸大腔压力p₂₁和小腔压力p₂₂；

所述第三惯量相关参数包括：所述铲斗的重量m₃；如图3(c)所示，铲斗两端相连得到的直线长度L₃；铲斗的重心位置到第三连接点的直线距离r₃；铲斗的重心位置到第三连接点的直线，与铲斗两端组成的直线构成的夹角ω₃；铲斗两端相连得到的直线和水平面夹角θ₃(未示出)；其中，也可以通过检测挖掘机的摇臂的角度，然后通过挖掘机的六连杆机构进行换算得到铲斗的L₃和水平面夹角θ₃。

所述第三油缸相关参数包括：所述铲斗油缸缸径D₃和杆径d₃，以及所述铲斗油缸大腔压力p₃₁和小腔压力p₃₂；

所述第四惯量相关参数包括：所述物料的重量m4；如图3(c)所示，所述物料的重心位置到第三连接点的直线距离r₄；物料的重心位置到第三连接点的直线，与铲斗两端相连得到的直线构成的夹角ω₄；其中物料的该参数可以是通过多次试验综合确定得出。

需要给与说明的是，本实施例为了获取对应的预测物料重量，可以进一步根据动臂两端相连得到的直线L1和水平面的夹角θ₁、斗杆两端相连得到是直线和水平面夹角θ₂、铲斗两端相连得到的直线和水平面夹角θ₃，计算得到对应的角加速度；具体是：

动臂角加速度α₁：

斗杆角加速度α₂：

铲斗加速度α₃：

其中，θ₁(t)、θ₂(t)、θ₃(t)分别为θ₁、θ₂、θ₃相对时间t的记录表达函数。

S404.根据所述第一惯量相关参数得到所述动臂相对所述第一连接点的转动惯量，根据所述第一油缸相关参数得到所述动臂的油缸作用力；

具体地，所述动臂相对所述第一连接点的转动惯量为

所述动臂的油缸作用力为

S406.根据所述第二惯量相关参数得到所述斗杆相对所述第一连接点和所述第二连接点的转动惯量，根据所述第二油缸相关参数得到所述斗杆的油缸作用力；

具体地，所述斗杆相对所述第一连接点和所述第二连接点的转动惯量分别为：

所述斗杆的油缸作用力为

S408.根据所述第三惯量相关参数得到所述铲斗相对所述第一连接点、第二连接点和第三连接点的转动惯量，根据所述第三油缸相关参数得到所述铲斗的油缸作用力；

所述铲斗相对所述第一连接点、第二连接点和第三连接点的转动惯量分别为：

其中，

为C点到Q点的距离，

为

和水平面的夹角，两者均可以通过已知的挖掘机工作装置的姿态求出。

所述铲斗的油缸作用力为

S410.根据所述第四惯量相关参数得到所述物料相对所述第一连接点、第二连接点和第三连接点的转动惯量。

所述物料相对所述第一连接点、第二连接点和第三连接点的转动惯量分别为：

S204.根据所述动臂的相关参量、斗杆的相关参量、铲斗的相关参量和物料的相关参量，以及所述第一连接点的力矩平衡公式，得到第一预测物料重量；

具体地，第一连接点的力矩平衡公式为：

其中，g为重力加速度；E₁为动臂油缸对C点的综合力臂，其可以通过已知的挖掘机工作装置的姿态求出。此时，第一连接点的力矩平衡公式中只有一个未知数m₄，求出的解记为m′₄(第一预测物料重量)。

S206.根据所述斗杆的相关参量、铲斗的相关参量、物料的相关参量，以及所述第二连接点的力矩平衡公式，得到第二预测物料重量；

具体地，第二连接点的力矩平衡公式为：

其中，g为重力加速度；E₂为斗杆油缸对F点的综合力臂，其可以通过已知的挖掘机工作装置的姿态求出。此时，第二连接点的力矩平衡公子中只有一个未知数m₄，求出的解记为m″₄(第二预测物料重量)。

S208.根据所述铲斗的相关参量、物料的相关参量，以及所述第三连接点的力矩平衡公式，得到第三预测物料重量；

具体地，第三连接点的力矩平衡公式为：

其中g为重力加速度；E₃为铲斗油缸对Q点的综合力臂，其可以通过已知的挖掘机工作装置的姿态求出。此时，第一连接点的力矩平衡公式中只有一个未知数m₄，求出的解记为m′₄(第三预测物料重量)。

S210.所述第一预测物料重量、第二预测物料重量、第三预测物料重量确定出当前工作循环下的物料重量；

具体地，一个计算循环结束，当前工作循环下的物料重量m₄可以为m₄＝(m′₄+m″₄+m″′₄)/3。需要说明的是，可以将动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸三个力矩平衡公式下得到的任意单个的物料重量作为当前工作循环下的物料重量m₄；或者是多个预测物料重量通过别的组合方式进行加权平均求解得到的物料重量，作为当前工作循环下的物料重量m₄。

其中，在各个连接点的力矩平衡公式中可以看到，涉及的参量其实包括动态参量和静态参量；详细地，动态参量比如包括转动惯量、角加速度等动态的参量；静态参量可以包括重量、综合力臂等静态的参量。

进一步给与说明的是，为了提高物料重量数据以及后续工作效率检测的准确度，可以一并考虑动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸、摇臂、连杆等的重量m₅、m₆、m₇、m₈、m₉等。进一步地，为了提高物料重量数据以及后续工作效率检测的准确度，可以增加一个平台角度传感器来补偿挖掘机自身在不平地面所造成的角度误差。还有，为了提高测量准确度，可以进行多次循环计算，进行优化处理。

S212.按照获取当前工作循环下的物料重量的方式，得到预设工作循环次数下所有的物料重量，并根据所述所有的物料重量确定出目标物料重量；所述挖掘机的工作循环次数为所述挖掘机的挖掘斗数；

需要给与说明的是，一个工作循环可以理解为当前挖掘终了点开始直至下一个挖掘终了点，或卸料点开始直至下一个卸料点。详细地：以挖掘机的回转支承的中心轴与所在地面的交点作为原点(图1中的o点)，进行挖掘终了点和卸料点的定义，

挖掘终了点：铲斗挖掘(铲斗油缸大腔压力P₃₀>15Mpa)后，铲斗姿态QV连线与水平面的夹角∠OQV>-25°(假设水平面过Q点，铲斗V点在水平面之下此夹角为负数)，定义此时挖掘机工作装置的Q点所在的位置为挖掘终了点(X0,Y0)，如图4所示；

卸料点：铲斗卸料(铲斗油缸小腔压力P₃₁>5Mpa或者铲斗操作手柄“开斗”信号持续时间≥0.4S)后，铲斗姿态QV连线与水平面小于-95°(假设水平面过Q点，铲斗V点在水平面之下此夹角为负数)，定义此时挖掘机工作装置的Q点所在的位置为卸料点(X1,Y1)，如图5所示。

S214.根据所述目标物料重量以及所述预设工作循环次数对应的作业总时长，得到所述挖掘机的效率评价指数；通过所述效率评价指数对所述挖掘机的工作效率进行检测评价。

具体地，工作效率评价指标计算：

其中，Q为工作效率，单位t/h(吨每小时)；T为作业总时长，单位h(小时)；∑m₄为作业时间T内的挖土量，单位t(吨)。

需要给与说明的是，本说明书实施例中获取预测物料重量的过程属于自动称重的过程。由于实际挖掘物料时的状态复杂，不可控的因素太多；而通常挖掘机的机手提升装满物料的铲斗离开挖掘面且无障碍时才操作机器回转；因此，利用机器有回转动作时所检测到的各个油缸压力来计算物料重量(自动称重)才相对准确。

其中，本说明书实施例得到的工作效率属于特定工况下的实际工作效率；本说明书中还可以对不同工况下的工作效率进行比对，其中对不同工况下的工作效率的对比可以包括对得到的预测物料的重量进行修正，并进一步利用修正的物料重量进行效率检测分析，具体可以包括：

将所有的物料重量转换成一般工况下的修正物料重量；

利用所述修正物料重量以及所述预设工作循环次数对应的作业总时长，得到所述挖掘机一般工况下的修正效率评价指数；

通过所述一般工况下的修正效率评价指数对所述挖掘机不同工况下的工作效率进行检测评价或对比。

进一步地，作为一种可行的实施方式，所述方法还可以包括：

S602.获取所述预设工作循环次数下的平均物料影响系数，并获取所述预设工作循环次数下的平均卸料影响系数；

一种可行的实施方式中，所述获取所述预设工作循环次数下的平均物料影响系数，可以包括：

根据第一公式

得到第i次工作循环中的物料影响系数；

其中，P_31i(t)为第i次工作循环中(该工作循环中的一个时间区域，优先定义为第i-1次卸料点至第i次挖掘终了点之间的时间段)所述铲斗的油缸大腔压力相对时间的数据记录表达函数，设定P_31i(t)大于等于8Mpa(P_31i(t)≥8Mpa)；m_4i为第i次工作循环的物料重量；C1为常数；C₁和特定机型的挖掘机，在特定物料工况下挖掘时，铲斗大腔压力P_31i(t)≥8Mpa的部分，相对时间的积分，再除以此次所挖掘的物料重量的倒数相关

可由实验标定得到。

按照获取第i次工作循环中的物料影响系数的方式，得到所述预设工作循环次数下的所有物料影响系数；

将所述所有物料影响系数进行加权平均，得到所述平均物料影响系数。

一种可行的实施方式中，所述获取所述预设工作循环次数下的平均卸料影响系数，包括：

获取第i次工作循环中的卸料高度H、卸料扬程L以及所述回转平台相对于所述挖掘机的组合行走架的回转角度β；所述组合行走架和所述回转平台通过回转支承支承进行连接；

根据第二公式k_2i＝C₂h_i+C₃L_i+C₄β_i，得到第i次工作循环中的卸料影响系数；其中，C₂、C₃、C₄为常数，C2与动臂和斗杆的开收速度相关，并且，C₃与动臂和斗杆的开收速度相关，C₄和所述挖掘机的回转速度相关，均可以通过试验来标定；h_i、L_i、β_i分别为第i次工作循环的卸料高度、卸料扬程、回转角度；

按照获取第i次工作循环中的卸料影响系数的方式，得到所述预设工作循环次数下的所有卸料影响系数；

根据第三公式

得到所述预设工作循环次数下的平均卸料影响系数；其中，m_4i为第i次工作循环的物料重量；

表示单次循环平均物料重量，n为预设工作循环次数。

一种可行的实施方式中，获取当前工作循环中回转平台相对于所述挖掘机的组合行走架的回转角度β_i，可以包括：

采集所述回转支承的内齿在当前工作循环中移动(回转)的齿数脉冲；

根据检测得到的齿数脉冲，以及所述回转支承的内齿圈的总齿数，得到所述回转平台相对于组合行走架的回转角度β；其中，在所述回转平台的纵向轴线平行于所述组合行走架的纵向轴线，并且所述挖掘机的行走马达位于驾驶室后时，则标定β₀＝0°；

根据公式

得到当前工作循环中回转平台相对于所述挖掘机的组合行走架的回转角度βi，其中n_齿为齿数脉冲。

具体地，是利用如下的推导公式进行回转角度βi的计算：

······

一种实施例中，所述挖掘机还可以包括接近开关传感器；所述接近开关传感器设置在所述回转平台上，并且所述接近开关传感器的感应端上下对准所述挖掘机的回转支承的内齿；

当所述挖掘机的回转马达通过齿轮传动的方式带动所述回转平台相对所述组合行走架转动时，所述接近开关传感器用于检测所述回转支承的内齿经过所述接近开关传感器的感应端的齿数脉冲n_齿。

其中，一般规定方向：左转n_齿为正，右转n_齿为负。具体地，可以通过检测回转马达A、B油口压力或者回转先导手柄的两个先导油口压力进行左回转还是右回转的判断。

S604.根据所述效率评价指数、平均物料影响系数和平均卸料影响系数，得到所述挖掘机的第一修正工作效率；

S606.按照得到所述第一修正工作效率的方式，得到多个预测修正工作效率；

S608.通过控制变量法，对多个预测修正工作效率进行比较分析。

具体地，比较分析过程包括不同工况下的工作效率对比：

假设工况一：机手甲、机器A、工作效率Q′、平均物料影响系数k₁′、平均卸料影响系数k₂′；修正后的工作效率：Q′_正＝Q′×k₁′×k₂′；

假设工况二：机手乙、机器B、工作效率Q″、平均物料影响系数k₁″、平均卸料影响系数k₂″；修正后的工作效率：Q″_正＝Q″×k₁″×k₂″；

那么，如果k₁′＞k₁″，则说明工况一的物料挖掘难度大于工况二；

如果k₂′＞k₂″，则说明工况一的卸料或者装车条件难度大于工况二；

如果Q′_正＞Q″_正，则说明机手甲和机器A组合的工作效率大于机手乙和机器B组合；

如果机手甲＝机手乙(机手甲乙都是同一个人或者同一技术水平)，且Q′_正＞Q″_正，则说明机器A的工作效率大于机器B的工作效率。这便可以针对不同吨位或者不同品牌挖掘机工作效率的对比；

如果机器A＝机器B(机手甲乙操作同一台机器)，且Q′_正＞Q″_正，则说明机手甲的技术水平高于机手乙；

为了进一步提高对比的准确度，对比时间可以根据需要进行适当加长和选取。并且，本实施例可以针对挖掘机群、全生命周期的检测。

需要给与说明的是，本说明书还可以通过如下的方法进行满斗重量(单位Kg)的标定：

方法一：输入标定；手动输入满斗重量值，比如输入365Kg，系统则按365Kg的物料标定为100％的满斗率；

方法二：挖掘物料标定；机手实际操作机器挖掘物料，选择一次机手比较满意的物料重量标定为满斗重量值。

本实施例中对满斗重量的标定的方式，相比较手动输入标定的方式更加简单灵活且更准确。本实施例中挖掘机的工作效率评价为多少吨每小时，评价更准确；同时引入物料影响系数和卸料影响系数，可针对不同机器、不同机手、不同物料、不同装车工况下，进行转化成特定条件下的工作效率进行对比，能够更精细地进行工作效率的分析检测。

本说明书中能够在一个工作循环下，根据数据的获取和处理计算，得到如图6所示的满斗率统计示意图、如图7所示的物料重量统计示意图，如图8所示的斗数时间统计示意图、如图9所示的回转角度统计示意图、如图10所示的提升高度统计示意图、如图11所示的扬程统计示意图、如图12所示的动臂油缸做功统计示意图、如图13所示的斗杆油缸做功统计示意图、如图14所示的铲斗油缸做功统计示意图；并且，本实施例中进而能够追踪统计回转、动臂、斗杆、铲斗姿态及挖掘终了点和卸料点频率分布：如图15所示的挖掘点(终了点)分布频率统计示意图、图16所示的卸料点分布频率统计示意图；其中，图17是本说明书实施例中的工作效率统计示意图。本实施例中通过准确的工作效率的对比，以及相关数据的可视化展示，能够更加准确激励机手。

本说明书实施例还提供了一种挖掘机工作效率检测系统，所述系统包括：

相关参量获取模块，用于获取挖掘机的动臂的相关参量、挖掘机的斗杆的相关参量、挖掘机的铲斗的相关参量以及所述铲斗中物料的相关参量；

第一预测物料重量得到模块，用于根据所述动臂的相关参量、斗杆的相关参量、铲斗的相关参量和物料的相关参量，以及第一连接点的力矩平衡公式，得到第一预测物料重量；第一连接点为所述挖掘机的回转平台和动臂的连接处；

第二预测物料重量得到模块，用于根据所述斗杆的相关参量、铲斗的相关参量、物料的相关参量，以及第二连接点的力矩平衡公式，得到第二预测物料重量；所述第二连接点为所述动臂和斗杆的连接处；

第三预测物料重量得到模块，用于根据所述铲斗的相关参量、物料的相关参量，以及第三连接点的力矩平衡公式，得到第三预测物料重量；所述第三连接点为斗杆和铲斗的连接处；

当前物料重量得到模块，用于由所述第一预测物料重量、第二预测物料重量、第三预测物料重量确定出当前工作循环下的物料重量；

目标物料重量得到模块，用于按照获取当前工作循环下的物料重量的方式，得到预设工作循环次数下所有的物料重量，并根据所述所有的物料重量确定出目标物料重量；所述挖掘机的工作循环次数为所述挖掘机的挖掘斗数；

工作效率检测模块，用于根据所述目标物料重量以及所述预设工作循环次数对应的作业总时长，得到所述挖掘机的效率评价指数；通过所述效率评价指数对所述挖掘机的工作效率进行检测评价。

需要给与说明的是，装置实施例的发明构思与所述方法实施例相同，具体地模块对应的单元内容可以参照方法实施例中的描述，对此不再赘述。

本发明提供的挖掘机工作效率检测的技术方案，具有如下技术效果：

本发明通过获取动臂的相关参量、斗杆的相关参量、铲斗的相关参量以及所述铲斗中物料的相关参量；基于获取到的参量以及各自对应的力矩平衡公式，得到基于每个连接点处预测得到的物料重量；之后，通过对预测得到的多个物料重量确定出当前工作循环下的物料重量，进一步地确定出预设工作循环次数下所有的物料重量，进而得到能够进行工作效率评价的目标物料重量；使得基于所述目标物料重量得到的效率评价指数，对挖掘机的工作效率进行有效准确的检测评价。

本发明自动化程度高、精度高，能够面对所有挖掘机全生命周期内的工作效率进行实时监测。本发明检测过程成本低，在自动或半自动挖掘机的基础上能够进行简单改装获取。通过本发明的工作效率的检测以及大量数据的获取，能够为挖掘机的智能化和产品技术升级提供大数据基础。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种挖掘机工作效率检测方法，所述挖掘机包括动臂、斗杆、铲斗和回转平台；所述回转平台和动臂在第一连接点进行连接，所述动臂和斗杆在第二连接点进行连接，所述斗杆和铲斗在第三连接点进行连接；其特征在于，所述方法包括：

获取动臂的相关参量、斗杆的相关参量、铲斗的相关参量以及所述铲斗中物料的相关参量；

根据所述动臂的相关参量、斗杆的相关参量、铲斗的相关参量和物料的相关参量，以及所述第一连接点的力矩平衡公式，得到第一预测物料重量；

根据所述斗杆的相关参量、铲斗的相关参量、物料的相关参量，以及所述第二连接点的力矩平衡公式，得到第二预测物料重量；

根据所述铲斗的相关参量、物料的相关参量，以及所述第三连接点的力矩平衡公式，得到第三预测物料重量；

由所述第一预测物料重量、第二预测物料重量、第三预测物料重量确定出当前工作循环下的物料重量；

按照获取当前工作循环下的物料重量的方式，得到预设工作循环次数下所有的物料重量，并根据所述所有的物料重量确定出目标物料重量；所述挖掘机的工作循环次数为所述挖掘机的挖掘斗数；

根据所述目标物料重量以及所述预设工作循环次数对应的作业总时长，得到所述挖掘机的效率评价指数；通过所述效率评价指数对所述挖掘机的工作效率进行检测评价。

2.根据权利要求1所述的挖掘机工作效率检测方法，其特征在于，所述方法还包括：

获取所述预设工作循环次数下的平均物料影响系数，并获取所述预设工作循环次数下的平均卸料影响系数；

根据所述效率评价指数、平均物料影响系数和平均卸料影响系数，得到所述挖掘机的第一修正工作效率；

按照得到所述第一修正工作效率的方式，得到多个预测修正工作效率；

通过控制变量法，对多个预测修正工作效率进行比较分析。

3.根据权利要求2所述的挖掘机工作效率检测方法，其特征在于，所述获取所述预设工作循环次数下的平均物料影响系数，包括：

根据第一公式

得到第i次工作循环中的物料影响系数；

其中，P_31i(t)为第i次工作循环中所述铲斗的油缸大腔压力相对时间的数据记录表达函数，设定P_31i(t)大于等于8Mpa；m_4i为第i次工作循环的物料重量；C₁为常数；

按照获取第i次工作循环中的物料影响系数的方式，得到所述预设工作循环次数下的所有物料影响系数；

将所述所有物料影响系数进行加权平均，得到所述平均物料影响系数。

4.根据权利要求2所述的挖掘机工作效率检测方法，其特征在于，所述获取所述预设工作循环次数下的平均卸料影响系数，包括：

获取第i次工作循环中的卸料高度H、卸料扬程L以及所述回转平台相对于所述挖掘机的组合行走架的回转角度β；所述组合行走架和所述回转平台通过回转支承进行连接；

根据第二公式k₂₁＝C₂h_i+C₃L_i+C₄β_i，得到第i次工作循环中的卸料影响系数；其中，C₂、C₃、C₄为常数，C2与动臂和斗杆的开收速度相关，C₃与动臂和斗杆的开收速度相关，C₄和所述挖掘机的回转速度相关；h_i、L_i、β_i分别为第i次工作循环的卸料高度、卸料扬程、回转角度；

按照获取第i次工作循环中的卸料影响系数的方式，得到所述预设工作循环次数下的所有卸料影响系数；

根据第三公式

得到所述预设工作循环次数下的平均卸料影响系数；其中，m_4i为第i次工作循环的物料重量；

表示单次循环平均物料重量，n为预设工作循环次数。

5.根据权利要求1所述的挖掘机工作效率检测方法，其特征在于，所述动臂的相关参量包括动臂的油缸作用力、动臂油缸相对第一连接点的综合力臂、动臂相对所述第一连接点的转动惯量；

所述斗杆的相关参量包括斗杆的油缸作用力、斗杆油缸相对第二连接点的综合力臂、斗杆相对所述第一连接点和所述第二连接点的转动惯量；

所述铲斗的相关参量包括铲斗的油缸作用力、铲斗油缸相对第三连接点的综合力臂、铲斗相对所述第一连接点、第二连接点和第三连接点的转动惯量；

所述物料的相关参量包括物料相对所述第一连接点、第二连接点和第三连接点的转动惯量。

6.根据权利要求5所述的挖掘机工作效率检测方法，其特征在于，所述获取动臂的相关参量、斗杆的相关参量、铲斗的相关参量以及物料的相关参量，包括：

获取动臂的第一惯量相关参数和第一油缸相关参数、斗杆的第二惯量相关参数和第二油缸相关参数、铲斗的第三惯量相关参数和第三油缸相关参数，以及所述铲斗中物料的第四惯量相关参数；

根据所述第一惯量相关参数得到所述动臂相对所述第一连接点的转动惯量，根据所述第一油缸相关参数得到所述动臂的油缸作用力；

根据所述第二惯量相关参数得到所述斗杆相对所述第一连接点和所述第二连接点的转动惯量，根据所述第二油缸相关参数得到所述斗杆的油缸作用力；

根据所述第三惯量相关参数得到所述铲斗相对所述第一连接点、第二连接点和第三连接点的转动惯量，根据所述第三油缸相关参数得到所述铲斗的油缸作用力；

根据所述第四惯量相关参数得到所述物料相对所述第一连接点、第二连接点和第三连接点的转动惯量。

7.根据权利要求6所述的挖掘机工作效率检测方法，其特征在于，

所述第一惯量相关参数包括：所述动臂的重量m₁；所述动臂的两端相连得到的直线长度L₁；所述动臂的重心位置到第一连接点的直线距离r₁；动臂的重心位置到第一连接点的直线，与动臂两端相连得到的直线构成的夹角ω₁；动臂两端相连得到的直线L₁和水平面的夹角θ₁；

所述第一油缸相关参数包括：所述动臂的油缸缸径D₁和杆径d₁，以及动臂的油缸大腔压力p₁₁和小腔压力p₁₂；

所述第二惯量相关参数包括：所述斗杆的重量m₂；斗杆相连得到的直线L₂；所述斗杆的重心位置到第二连接点的直线距离r₂；斗杆的重心位置到第二连接点的直线，与斗杆两端相连得到的直线构成的夹角ω₂；所述斗杆两端相连得到是直线和水平面夹角θ₂；

所述第二油缸相关参数包括：所述斗杆油缸缸径D₂和杆径d₂，以及所述斗杆油缸大腔压力p₂₁和小腔压力p₂₂；

所述第三惯量相关参数包括：所述铲斗的重量；铲斗两端相连得到的直线长度L₃；铲斗的重心位置到第三连接点的直线距离r₃；铲斗的重心位置到第三连接点的直线，与铲斗两端组成的直线构成的夹角ω₃；铲斗两端相连得到的直线和水平面夹角θ₃；

所述第三油缸相关参数包括：所述铲斗油缸缸径D₃和杆径d₃，以及所述铲斗油缸大腔压力p₃₁和小腔压力p₃₂；

所述第四惯量相关参数包括：所述物料的重量m₄；所述物料的重心位置到第三连接点的直线距离r4；物料的重心位置到第三连接点的直线，与铲斗两端相连得到的直线构成的夹角ω₄。

8.根据权利要求4所述的挖掘机工作效率检测方法，其特征在于，获取当前工作循环中回转平台相对于所述挖掘机的组合行走架的回转角度βi，包括：

采集所述回转支承的内齿在当前工作循环中回转的齿数脉冲；

根据检测得到的齿数脉冲，以及所述回转支承的内齿圈的总齿数，得到所述回转平台相对于组合行走架的回转角度β；其中，在所述回转平台的纵向轴线平行于所述组合行走架的纵向轴线，并且所述挖掘机的行走马达位于驾驶室后时，则标定β₀＝0°；

根据公式

得到当前工作循环中回转平台相对于所述挖掘机的组合行走架的回转角度β_i，其中n_齿为齿数脉冲。

9.根据权利要求8所述的挖掘机工作效率检测方法，其特征在于，所述挖掘机还包括接近开关传感器；所述接近开关传感器设置在所述回转平台上，并且所述接近开关传感器的感应端上下对准所述挖掘机的回转支承的内齿；

当所述挖掘机的回转马达通过齿轮传动的方式带动所述回转平台相对所述组合行走架转动时，所述接近开关传感器用于检测所述回转支承的内齿经过所述接近开关传感器的感应端的齿数脉冲。

10.一种挖掘机工作效率检测系统，其特征在于，所述系统包括：

相关参量获取模块，用于获取挖掘机的动臂的相关参量、挖掘机的斗杆的相关参量、挖掘机的铲斗的相关参量以及所述铲斗中物料的相关参量；

第一预测物料重量得到模块，用于根据所述动臂的相关参量、斗杆的相关参量、铲斗的相关参量和物料的相关参量，以及第一连接点的力矩平衡公式，得到第一预测物料重量；第一连接点为所述挖掘机的回转平台和动臂的连接处；

第二预测物料重量得到模块，用于根据所述斗杆的相关参量、铲斗的相关参量、物料的相关参量，以及第二连接点的力矩平衡公式，得到第二预测物料重量；所述第二连接点为所述动臂和斗杆的连接处；

第三预测物料重量得到模块，用于根据所述铲斗的相关参量、物料的相关参量，以及第三连接点的力矩平衡公式，得到第三预测物料重量；所述第三连接点为斗杆和铲斗的连接处；

当前物料重量得到模块，用于由所述第一预测物料重量、第二预测物料重量、第三预测物料重量确定出当前工作循环下的物料重量；

目标物料重量得到模块，用于按照获取当前工作循环下的物料重量的方式，得到预设工作循环次数下所有的物料重量，并根据所述所有的物料重量确定出目标物料重量；所述挖掘机的工作循环次数为所述挖掘机的挖掘斗数；

工作效率检测模块，用于根据所述目标物料重量以及所述预设工作循环次数对应的作业总时长，得到所述挖掘机的效率评价指数；通过所述效率评价指数对所述挖掘机的工作效率进行检测评价。

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