CN110565732A - 液压挖掘机铲斗与斗杆姿态关联系数评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了液压挖掘机铲斗与斗杆姿态关联系数评价方法，评价方法包括以下步骤：第一步：测量以下几点的数据：D1：用第一位移传感器测得的铲斗油缸行程；D2：用第二位移传感器测得的斗杆油缸行程；D3：用第三位移传感器测得的动臂油缸行程；第二步：将第一步测量的数据分别传输给与第一、二、三传感器电连接的数据采集仪；第三步：斗杆挖掘力在铲斗切削刃板上的分力评价；第四步：铲斗与斗杆姿态关联系数评价。此方法给液压系统流量分配提供评价依据，设计合理的斗杆切削力谱，降低挖掘阻力，减小工作装置动应力，提升其可靠性，同时降低挖掘机挖掘油耗。

Description

液压挖掘机铲斗与斗杆姿态关联系数评价方法

技术领域

本发明属于挖掘机实验技术领域，具体涉及液压挖掘机铲斗与斗杆姿态关联系数评价方法。

背景技术

挖掘力是衡量液压挖掘机工作装置性能的重要指标之一。许多有关挖掘机工作装置研究方面的论文均将挖掘力作为其分析、计算和优化设计的主要指标。在国家标准和国际标准中，挖掘力的测试方法均为测量特定姿下的最大挖掘力。而在对挖掘机进行性能测试时，也常作为一项主要检测指标，并制定了相关的测试标准。

在国家标准和国际标准中，挖掘力的测试方法均为测量特定姿下的最大挖掘力。具体定义为，铲斗最大挖掘力是铲斗处于由铲斗液压缸和连杆机构产生的最大输出力矩位置时的与图1中半径C的圆弧相切的挖掘力；斗杆最大挖掘力是斗杆处于由斗杆液压缸和图1中规定的铲斗位置所产生的最大输出力矩位置时与图1中半径B的圆弧相切的挖掘力。

挖掘机实际挖掘工况是一个复合挖掘过程，包括铲斗缸挖掘与斗杆缸挖掘，同时动臂缸辅助挖掘，工作装置的运动姿态时刻变化。此过程中，铲斗理论挖掘力因只于自身传动机构有关，不受工作装置姿态影响；斗杆理论挖掘力的力臂、切削角受到铲斗姿态影响，合理的挖掘姿态将提高理论切削力，降低挖掘阻力，减小工作装置动应力，提升其可靠性，同时降低挖掘机挖掘油耗，因此研究铲斗缸与斗杆缸的运动关联性有极大的意义，且液压挖掘机技术领域缺乏此方面的研究。

发明内容

根据现有技术的不足，本发明给出了斗杆挖掘力在铲斗切削刃板上的分力即斗杆切削力计算方法，同时给出了铲斗与斗杆姿态关联系数评价方法与目标值。

本发明按以下技术方案实现；

液压挖掘机铲斗与斗杆姿态关联系数评价方法，包括以下步骤：

第一步：测量以下几点的数据：

D1：用第一位移传感器测得的铲斗油缸行程；

D2：用第二位移传感器测得的斗杆油缸行程；

第二步：根据所述铲斗油缸行程和所述斗杆油缸行程得到斗杆挖掘力臂和铲斗挖掘力臂，根据斗杆挖掘力臂、铲斗挖掘力臂以及斗杆长度的几何关系得到斗杆挖掘力臂与铲斗挖掘半径圆弧切线的夹角β₄，并将第一步测量的数据分别传输给与第一、二、三传感器电连接的数据采集仪；

其中，β₃＝π/2-β₂-β₄

式中：

β₂为铲斗切削刃板与铲斗挖掘半径的夹角，为设计值；

β₃为斗杆切削角；

第三步：斗杆挖掘力在铲斗切削刃板上的分力评价：

如果F_切削等于F_斗杆，则证明斗杆挖掘力在挖掘过程中没有损失，其计算公式如下：

F_切削＝F_斗杆*cosβ₃

式中：

F_切削为斗杆挖掘力在铲斗切削刃板上的分力；

F_斗杆为斗杆挖掘力，即斗杆沿斗杆挖掘力臂圆弧切线的挖掘力；

第四步：铲斗与斗杆姿态关联系数评价：

C＝T₁/T₂

式中：

T₁为铲斗入土挖掘至斗杆切削角β₃变为0°的时间；

T₂为铲斗入土挖掘至铲斗离开土壤的挖掘时间为挖掘总时间；

C为铲斗与斗杆姿态关联系数，挖掘机水平挖掘时此方法定为0.45～0.55。

进一步，所述数据采集仪放置在液压挖掘机驾驶室内，通过外接24V锂电池，把各个传感器信号线接入数据采集仪，数据采集仪与电脑连接，能够时刻采集与显示。

本发明有益效果：

本发明的方法给液压系统流量分配提供评价依据，设计合理的斗杆切削力谱 (斗杆理论挖掘力、斗杆理论切削力及斗杆切削角度为Y轴，斗杆油缸入土挖掘时间为X轴，采集实际挖掘时油缸位移参数绘制的动态挖掘力谱)，降低挖掘阻力，减小工作装置动应力，提升其可靠性，同时降低挖掘机挖掘油耗。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书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为现有的挖掘力测试示意图(1a为铲斗最大挖掘力，1b为斗杆最大挖掘力)；

图2为本发明的液压挖掘机挖掘力动态测试装置结构图；

图3为本发明的斗杆挖掘力关键参数示意图；

图4为优化前的数据结果曲线图；

图5为优化后的数据结果曲线图；

图6为铲斗油缸供油系统简易工作原理图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。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。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

图1给出了现有的挖掘力测试示意图，铲斗最大挖掘力是铲斗处于由铲斗液压缸和连杆机构产生的最大输出力矩位置时的与图1中半径C的圆弧相切的挖掘力；斗杆最大挖掘力是斗杆处于由斗杆液压缸和图1中规定的铲斗位置所产生的最大输出力矩位置时与图1中半径B的圆弧相切的挖掘力。

挖掘机实际挖掘工况是一个复合挖掘过程，包括铲斗缸挖掘与斗杆缸挖掘，同时动臂缸辅助挖掘，工作装置的运动姿态时刻变化。此过程中，铲斗理论挖掘力因只于自身传动机构有关，不受工作装置姿态影响；斗杆理论挖掘力的力臂、切削角受到铲斗姿态影响，合理的挖掘姿态将提高理论切削力，降低挖掘阻力，减小工作装置动应力，提升其可靠性，同时降低挖掘机挖掘油耗，因此研究铲斗缸与斗杆缸的运动关联性有极大的意义。

如图2所示，本发明公开了一种液压挖掘机挖掘力动态测试装置，包括试验用液压挖掘机、多个位移传感器和数据采集仪，试验用液压挖掘机包括铲斗1、四连杆2、铲斗油缸3、斗杆5和斗杆油缸6、动臂8和动臂油缸9等组成，铲斗1通过四连杆2与斗杆5、铲斗油缸3连接，斗杆5与动臂8、斗杆油缸6连接，动臂8与转台、动臂油缸9连接，在铲斗油缸3安装第一位移传感器4，在斗杆油缸6安装第二位移传感器7，在动臂油缸9安装第三位移传感器10，第一位移传感器4、第二位移传感器7和第三位移传感器10均与数据采集仪电连接。

按照图2所示安装完位移传感器，数据采集仪放置在液压挖掘机驾驶室内，通过外接24V锂电池，把各个传感器信号线接入数据采集仪，数据采集仪与电脑连接，可时刻采集与显示。

打开数据采集仪采集信号，启动试验用液压挖掘机，使挖掘处于水平面上，挖掘用的物料上表面与挖机放置面同水平，操作手柄启动铲斗与斗杆开始挖掘，回转90°后卸载，工作装置返回开始下次挖掘，保证每次挖掘物料的表面与第一次同等高度与挖掘距离，持续操作10次以上后，存储数据，再将取得的数据分别代入评价斗杆挖掘力的分力公式：F_切削＝F_斗杆*cosβ₃、铲斗与斗杆姿态关联系数公式：C＝T₁/T₂。

评价斗杆挖掘力的分力公式：F_切削＝F_斗杆*cosβ₃中，如果根据测试得到的数据算出的值，不存在F_切削等于F_斗杆的挖掘点，则证明斗杆挖掘力在挖掘过程中损失较大，需要调整设计。

评价铲斗与斗杆姿态关联系数公式：C＝T₁/T₂，C要求大于0.5，同样，如果根据测试得到的数据算出C的值小于0.5，则证明处于铲斗油缸与斗杆油缸动态匹配不理想的状态，需要调整液压流量分配。

如图3所示，液压挖掘机铲斗与斗杆姿态关联系数进行评价的方法，包括以下步骤：

第一步：测量以下几点的数据：

D1：用第一位移传感器4测得的铲斗油缸3行程，单位mm；

D2：用第二位移传感器7测得的斗杆油缸5行程，单位mm；

D3：用第三位移传感器10测得的动臂油缸9行程，单位mm；

第二步：将上述数据分别传输给与上述传感器电连接的数据采集仪；

第三步：斗杆挖掘力在铲斗切削刃板上的分力评价方法：采用这个指标来衡量，如果F_切削等于F_斗杆，则证明斗杆挖掘力在挖掘过程中没有损失，其计算公式如下：

F_切削＝F_斗杆*cosβ₃

式中：

F_切削为理论上斗杆挖掘力在铲斗切削刃板上的分力，单位KN；

F_斗杆为理论上斗杆挖掘力，即斗杆沿斗杆挖掘力臂(斗杆与动臂前叉连接轴距铲斗切削刃板的连线)圆弧切线的挖掘力，单位KN；

β₃为斗杆切削角(铲斗切削刃板与斗杆挖掘力臂法线的夹角)，单位为°。

以上公式β₃计算方法：如果β₃等于0°，则证明F_切削等于F_斗杆，其计算公式如下：

β₃＝π/2-β₂-β₄

式中：

β₂为铲斗切削刃板与铲斗挖掘半径(铲斗与斗杆连接轴至铲斗切削刃板的连线)的夹角，为设计值，相对算法为常数，单位°；

β₄为斗杆挖掘力臂与铲斗挖掘半径圆弧切线的夹角；

以上式中β₄计算方法：当β₄＝π/2-β₂，则证明F_切削等于F_斗杆，计算公式如下：

β₄＝acos((L_FV ²+L_HV ²-L_FH ²)/(2*L_FV*L_HV))

式中：

L_FV为斗杆挖掘力臂，单位mm；

L_HV为铲斗挖掘力臂，为设计值，相对算法为常数，单位mm；

L_FH为斗杆长度(铲斗与斗杆连接轴至斗杆与动臂前叉连接轴的距离)，为设计值，相对算法为常数，单位mm。

其中斗杆挖掘力臂L_FV与铲斗油缸长度有关，计算公式如下：

L_FV＝f₁(L_MG)

式中：

f₁为斗杆挖掘力臂与铲斗油缸长度的关系式；

L_MG为铲斗油缸长度，单位mm。

第四步：铲斗与斗杆姿态关联系数评价方法:将实土挖掘过程中采集的油缸位移数据代入第三步中的公式，绘制斗杆挖掘力与斗杆切削力的动态力谱，计算公式如下：

C＝T₁/T₂

式中：

T₁为铲斗入土挖掘至斗杆切削角β₃变为0°的时间，单位s；

T₂为铲斗入土挖掘至铲斗离开土壤的挖掘时间为挖掘总时间(斗杆油缸大腔压力大于斗杆油缸小腔压力的时间)，单位s；

C为铲斗与斗杆姿态关联系数，挖掘机水平挖掘时此方法定为0.45～0.55。

综上，此方法给液压系统流量分配提供评价依据，设计合理的斗杆切削力谱 (斗杆理论挖掘力、斗杆理论切削力及斗杆切削角度为Y轴，斗杆油缸入土挖掘时间为X轴，采集实际挖掘时油缸位移参数绘制的动态挖掘力谱)，降低挖掘阻力，减小工作装置动应力，提升其可靠性，同时降低挖掘机挖掘油耗。

以下给出上述算法的应用实例分析：

1实验方法

在某型液压挖掘机工作装置油缸上安装位移传感器，包括斗杆油缸、铲斗油缸、动臂油缸。挖掘工况为水平地面挖掘，每次挖掘均为同等工况下的水平表面入土挖掘，旋转90°卸载，多次重复挖掘。

1.1优化前测量数据

图4给出了优化前的数据结果(图中，从上向下的曲线以此代表斗杆理论挖掘力、斗杆理论切削力、斗杆切削角度、斗杆油缸入土挖掘信号)。

通过计算分析，可得出以下结果：从铲斗入土斗杆油缸开始挖掘(斗杆油缸入土挖掘信号，即斗杆油缸无杆腔压力大于有杆腔压力的时间)，经过约5s可到达0°，即斗杆挖掘力等于斗杆切削力F_切削＝F_斗杆。图4中的斗杆理论挖掘力与斗杆理论切削力曲线显示力的变化，斗杆油缸入土挖掘信号显示斗杆的挖土做功时间为6.0s。

1.2控制系统分析

针对上述出现的斗杆切削角度变化速度慢的因素分析，主要为铲斗油缸挖掘速度慢。

图6中所示为铲斗主阀阀芯的先导限位块，限制铲斗油缸无杆腔的进油量，由提升动臂时的先导PCk端，使铲斗阀芯向右移动的位移量减小。

在挖掘机挖掘水平面土方时，主要是铲斗挖掘与斗杆挖掘，为了控制挖掘土方深度，需提升动臂，这时动臂的先导油将铲斗的阀芯顶回去一些，造成铲斗挖掘速度变慢，而相应的斗杆挖掘速度不受影响，破坏了铲斗与斗杆挖掘配合角度关系。铲斗挖掘速度跟不上斗杆挖掘速度，斗杆挖掘切削角一直处于较大位置，造成斗杆挖掘阻力变大，主泵负载大流量变小，挖掘速度整体变慢，挖掘机工作装置配合关系进入恶性循环，影响整机工作经济性。

1.3优化措施与验证

1)优化措施合理性分析

图6中的铲斗主阀阀芯的先导限位块主要功能是满足铲斗挖掘、斗杆挖掘与动臂提升三个动作的复合操作。在挖掘机调试阶段调试此复合动作协调性时，挖机手通常采用的操作方式为铲斗与斗杆的先导手柄达最大行程位置，然后提升动臂，动臂表现出提升不动的现象；而在挖掘机实际工作中，操作此复合动作时，可以操作铲斗与斗杆的先导手柄不至最大行程位置，提升动臂，动臂是可以提升的，因此有必要取消铲斗主阀阀芯的先导限位块。

2)优化效果验证

图5给出了优化后的数据结果(图中，从上向下的曲线以此代表斗杆理论挖掘力、斗杆理论切削力、斗杆切削角度、斗杆油缸入土挖掘信号)。

通过计算分析，可得出以下结果：从铲斗入土斗杆油缸开始挖掘(斗杆油缸入土挖掘信号)，经过约T1＝2.2s可到达0°，即斗杆挖掘力等于斗杆切削力F 切削＝F斗杆。图5中的斗杆理论挖掘力与斗杆理论切削力曲线显示力的变化，斗杆油缸入土挖掘信号显示斗杆的挖土做功时间为T2＝4.3s，优化比例关系T1/ T2≈0.5。

1.4总结

通过应用铲斗与斗杆姿态关系算法仿真复现出实际挖掘过程的斗杆挖掘力随斗杆切削角的变化曲线，分析控制系统的可能影响铲斗与斗杆油缸流量的关键因素，优化改进后，此款液压挖掘机在水平地面挖掘同水平物料时斗杆挖掘时间由6.0s降低为4.3s，提升了挖掘效率，斗杆油缸入土挖掘信号(斗杆油缸大腔压力大于小腔压力的时间)可作为斗杆实际挖掘力分析得出斗杆油缸压力较改进前降低，实际挖掘姿态得到优化，降低了斗杆切削阻力，进而降低斗杆结构的动应力，提升其可靠性，降低挖掘油耗。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (2)

1.液压挖掘机铲斗与斗杆姿态关联系数评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：测量以下几点的数据：

D1：用第一位移传感器测得的铲斗油缸行程；

D2：用第二位移传感器测得的斗杆油缸行程；

第二步：根据所述铲斗油缸行程和所述斗杆油缸行程得到斗杆挖掘力臂和铲斗挖掘力臂，根据斗杆挖掘力臂、铲斗挖掘力臂以及斗杆长度的几何关系得到斗杆挖掘力臂与铲斗挖掘半径圆弧切线的夹角β₄，并将第一步测量的数据分别传输给与第一、二、三传感器电连接的数据采集仪；

其中，β₃＝π/2-β₂-β₄

式中：

β₂为铲斗切削刃板与铲斗挖掘半径的夹角，为设计值；

β₃为斗杆切削角；

第三步：斗杆挖掘力在铲斗切削刃板上的分力评价：

如果F_切削等于F_斗杆，则证明斗杆挖掘力在挖掘过程中没有损失，其计算公式如下：

F_切削＝F_斗杆*cosβ₃

式中：

F_切削为斗杆挖掘力在铲斗切削刃板上的分力；

F_斗杆为斗杆挖掘力，即斗杆沿斗杆挖掘力臂圆弧切线的挖掘力；

第四步：铲斗与斗杆姿态关联系数评价：

C＝T₁/T₂

式中：

T₁为铲斗入土挖掘至斗杆切削角β₃变为0°的时间；

T₂为铲斗入土挖掘至铲斗离开土壤的挖掘时间为挖掘总时间；

C为铲斗与斗杆姿态关联系数，挖掘机水平挖掘时此方法定为0.45～0.55。

2.根据权利要求1所述的液压挖掘机铲斗与斗杆姿态关联系数评价方法，其特征在于：所述数据采集仪放置在液压挖掘机驾驶室内，通过外接24V锂电池，把各个传感器信号线接入数据采集仪，数据采集仪与电脑连接，能够时刻采集与显示。