CN110793694A

CN110793694A - 一种装载机铲装机构的载荷测量方法

Info

Publication number: CN110793694A
Application number: CN201911111121.2A
Authority: CN
Inventors: 宋岩; 王继新; 马涛; 张超
Original assignee: Jilin University; Inner Mongolia First Machinery Group Corp
Current assignee: Jilin University; Inner Mongolia First Machinery Group Corp
Priority date: 2019-11-14
Filing date: 2019-11-14
Publication date: 2020-02-14
Anticipated expiration: 2039-11-14
Also published as: CN110793694B

Abstract

本发明公开一种装载机铲装机构的载荷测量方法，是将铲装机构运动状态的变化转化为铲装机构与前车架铰接点受力的变化，通过在不同工况下对铰接点受力进行分析,求解整车受力，进而求解装载机前、后轮所受垂向载荷，通过前、后轮所受垂向载荷表征铲装机构的承载载荷；不同工况分为铲掘工况和转场运输工况，通过动力学分析转移的方法，得出装载机前后轮垂向载荷，为装载机前后桥转矩分配提供了依据，最终达到提高装载机动力性和经济性的目的。

Description

一种装载机铲装机构的载荷测量方法

技术领域

本发明主要涉及工程机械技术领域，特别涉及一种装载机铲斗的载荷测量方法。

背景技术

与汽车或其他运输车辆不同，装载机用于装卸物料，使用的铲装机构会伸出车体外侧，相当于外伸梁的结构，会对车辆平衡造成影响，加之铲装机构的额定载重量占据整车质量的比重较大，铲装机构的运动状态对整车的载荷有很大的影响。因此，铲装机构的载荷分析也是装载机整车受力分析中不可忽略的一个部分。装载机的作业工况可以分为铲掘、举升、运输、卸料等几个过程，装载机在进行铲掘作业时，铲斗受到铲掘阻力的作用，而在运输、举升及卸料的过程中，装载机受到自身重力和物料重力的共同作用，铲斗的装载情况和位置直接影响装载机整车的受力情况，但是由于装载机每次铲装的物料质量不定，加之铲斗的位置状态不易测量等因素，对包括铲装机构在内的整个装载机进行受力分析具有一定的难度。

目前大部分针对于装载机铲装载荷测量方法比较单一，存在较大误差，装载机存在安全风险性较大，因此需要对装载机工作装置载荷测量方法进行改进。

发明内容

因此，本发明提供一种装载机铲装机构的载荷测量方法。通过对铲装机构在铲掘工况下和转场运输工况下的受力分析，转移到车轮的受力情况，进而通过车轮承重载荷计算出铲装机构的载荷量。

本发明所采用的技术方案如下：一种装载机铲装机构的载荷测量方法，其特征是将铲装机构运动状态的变化转化为铲装机构与前车架铰接点受力的变化，通过在不同工况下对铰接点受力进行分析,求解整车受力，进而求解装载机前、后轮所受垂向载荷，通过前、后轮所受垂向载荷表征铲装机构的承载载荷；其中，所述不同工况分为：铲掘工况和转场运输工况。

进一步地，是将所述铲装机构拆解为对铲斗、连杆、摇臂、动臂进行受力分析，其中，所述动臂铰接于前车架上，动臂前端安装铲斗，所述动臂由举升液压缸驱动；所述摇臂与动臂铰接、与连杆铰接，所述摇臂由转斗液压缸驱动；所述连杆一端与摇臂连接，另一端与铲斗连接；

受力分析时建立以动臂与前车架的铰接点为坐标原点，沿装载机行驶方向为X轴正向，垂直于地面向上为Z轴正方向的坐标系。

进一步地，对铲掘工况下铲装机构受力分析如下：

1)通过所述铲斗受到铲掘阻力、自身重力、与连杆的铰接力、与动臂的铰接力，得到X方向和Z方向的力平衡方程和绕铲斗斗尖的力矩平衡方程；

2)通过所述连杆受到自身重力、与铲斗的铰接力、与摇臂的铰接力，得到X方向和Z方向的力平衡方程和绕质心的力矩平衡方程；

3)通过所述摇臂受到自身重力、与连杆的铰接力、与动臂的铰接力、与转斗液压缸的铰接力，得到X方向和Z方向的力平衡方程和绕与动臂铰接点的力矩平横方程；

4)通过所述动臂受到自身重力、与铲斗铰接力、与摇臂铰接力、与举升液压缸铰接力、与前车架铰接力，得到X方向和Z方向的力平衡方程和绕与摇臂铰接点的力矩平衡方程；

5)然后根据：

①铲斗的插入阻力计算式：F_x＝9.8K₁K₂K₃K₄BL_c ^1.25，掘起阻力计算式：F_z＝2.2KBL_c；

②转斗液压缸的推力F_E的计算式：F_E＝p₁·A₁-p₂·A₂，以及F_E在X方向和Z方向的分力；其中，p₁、p₂分别是转斗液压油缸的无杆腔的压强和有杆腔的压强，A₁、A₂分别是转斗液压油缸的无杆腔的横截面积和有杆腔的横截面积；

③举升液压缸的推力F_F的计算式：F_F＝p₃·A₃-p₄·A₄，以及F_F在X方向和Z方向的分力；其中，p₃、p₄分别是举升液压油缸的无杆腔的压强和有杆腔的压强，A₃、A₄则分别是举升液压油缸无杆腔的横截面积和有杆腔的横截面积；

求解出连杆与摇臂的铰接力；

6)依据5)进而依次求解出1)～4)中所有受力。

进一步地，对转场运输工况下铲装机构受力分析如下：

1)把铲装机构除举升液压缸和转斗液压缸以外的所有构件看作一个构件，记作动臂组件，其内部没有相对运动；

2)对物料和铲斗的质量之和记为m₂,作用于铲斗的重心位置上；对动臂、摇臂、连杆的质量之和记为m₁,作用于动臂的质心位置上；

3)将动臂与前车架的铰接点和举升液压缸与前车架的铰接点简化在同一垂直方向上；

4)先根据达朗贝尔原理，求解m₂；然后根据m₂对铲装机构与前车架的铰接点受力情况进行分析。

进一步地，对装载机整车进行受力分析，计算车辆前后轮垂向载荷的方法是：

根据车辆行驶方程：

T_f为前轮驱动转矩，T_r为后轮驱动转矩，r为轮胎半径，F_i为坡度阻力，F_j为加速阻力，F_f为滚动阻力，F_w为空气阻力，

将各车辆所受加速阻力、滚动阻力、坡度阻力和空气阻力与车辆行驶方程联立可得：

a_v为装载机纵向加速度，m为装载机总质量，f为滚动阻力系数，F_Z为铲斗掘起阻力，θ为地面坡度，C_D为空气阻力系数，A为车辆的迎风面积，u_a为车辆行驶速度，F_EX为转斗液压缸的推力在纵向上的分力，F_FX为举升液压缸的推力在纵向上的分力，F_GX0为铲掘工况或转场工况下动臂与前车架铰接点的纵向分力；

1)在铲掘工况下，分别将作用在装载机上的力对前、后轮与道路接触面的中心取力矩，得地面作用在前轮的垂向载荷如下：

地面作用在后轮的垂向载荷如下：

2)在转场运输工况下，分别将作用在装载机上的力对前、后轮与道路接触面的中心取力矩，得地面作用在前轮的垂向载荷如下：

地面作用在后轮的垂向载荷如下：

以上，F_EZ为转斗液压缸的推力在垂向上的分力，F_FZ为举升液压缸的推力在垂向上的分力，F_GX、F_GX'分别为铲掘工况下和转场工况下动臂与前车架铰接点的纵向分力，F_GZ、F_GZ'分别为铲掘工况下和转场工况下动臂与前车架铰接点的垂向分力，l₁为装载机质心到前轮中心的纵向距离，l₂为装载机质心到后轮中心的纵向距离，m为装载机总质量，h为装载机质心距地面的高度，θ为地面坡度，l_E为E点到前轮中心的垂向距离，l_F为F点到前轮中心的垂向距离,l_G为G点到前轮中心的垂向距离,h_E为E点到路面的垂向距离，h_F为F点到路面的垂向距离，h_G为G点到路面的垂向距离。

与现有技术相比，本发明的有益效果提现在：本发明提出了一种装载机铲装机构的载荷测量方法。通过当装载机处于铲掘工况或转场工况下时，分别对其工作装置的各个构件进行动力学分析，从而进一步得出两种工况下装载机前后轮的垂向载荷，为装载机前后桥转矩分配提供了更加准确、简洁的依据，最终达到了提高装载机动力性以及经济性的目的。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为装载机铲装机构结构图；

图2为装载机动力学分析路线图；

图3为铲掘工况下铲斗受力分析图；

图4为铲掘工况下连杆受力分析图；

图5为铲掘工况下摇臂受力分析图；

图6为铲掘工况下动臂受力分析图；

图7为转场工况下装载机构受力图；

图8为装载机整车受力分析图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明。但本领域的技术人员应该知道，以下实施例并不是对本发明技术方案作的唯一限定，凡是在本发明技术方案精神实质下所做的任何等同变换或改动，均应视为属于本发明的保护范围。

如图1所示，装载机铲装机构的结构一般是由铲斗1、连杆2、摇臂3、转斗液压缸4、动臂5以及举升液压缸6组成。举升液压缸6与动臂5铰接于F点，与前车架铰接于Q点(简记为举升液压缸的上铰点)，举升液压缸6与Q点简化在同一垂直方向上；动臂5与铲斗1铰接于A点，举升液压缸6带动动臂5，动臂5带动铲斗1上下运动，动臂5与前车架铰接于G点(简记为动臂的上铰点)；转斗液压缸4与动臂5铰接于P点，与摇臂3铰接于E点；连杆2一端与摇臂3连接于C点，另一端与铲斗1连接于B点，转斗液压缸4带动摇臂3，摇臂3带动连杆2，从而使铲斗1进行翻转运动。

本发明采取的测量装载机铲装机构载荷的方案，是利用对铲装机构及整车的受力情况进行分析，然后把铲装机构的载荷量转换为求解车前后轮的垂向载荷上。

如图2所示的动力学分析路线图，工作过程中，通过举升液压缸的压力、转斗液压缸压力、液压缸杆伸长量以及铲装机构的结构尺寸，能够体现物料的重量以及铲掘受到的阻力，铲装机构受重以及受阻情况又可以转化为动臂、摇臂，液压缸与车架铰接点的受力，然后结合装载机车辆参数和纵向速度/加速度等，可计算出车辆前后轮所受的垂直载荷。将铲装机构运动状态的变化抽象成铲装机构与前车架铰接点受力的变化，分别对不同工况下铰接点的受力进行分析,求解装载机前后轮的垂向载荷，为驱动转矩分配提供依据。

在对铲装机构的载荷测量过程中，对铲装机构的受力分析可分为两种工况：转场运输工况和铲掘作业工况。在铲掘工况时，需考虑物料重力和铲掘阻力的作用；在转场运输工况时，则只需要考虑铲斗内物料重力的作用即可。

本发明可采用两种方法分别对铲装机构在铲掘工况和转场工况下进行受力分析，一种是忽略动臂的角加速度和纵向加速度，对其进行分析；另一种是考虑动臂的角加速度和装载机纵向加速度的受力分析。由于动臂的角加速度和装载机纵向加速度都很小，因此两种方法都具有一定的准确性。装载机在铲掘作业过程中，动臂的角加速度很小，此过程相当于一个准静态过程，在作业工况下装载机的纵向加速度也很小，因此在铲掘工况下忽略动臂的角加速度和装载机纵向加速度；装载机在转场运输作业过程中，考虑动臂的角加速度和装载机纵向加速度。

步骤一，在铲掘工况以及转场工况下对铲装机构进行受力分析。

在对铲装机构进行受力分析之前，先建立以动臂与前车架的铰接点G为坐标原点，沿着装载机行驶方向为X轴正向(即纵向)，垂直于地面向上为Z轴正方向(即垂向)的坐标系。

(1)在铲掘工况下对铲装机构进行受力分析

装载机在铲掘工况下，铲斗受到其自身重力和物料对其的反作用力的共同作用。而物料的反作用力不仅分布情况复杂，而且还受到物料种类、铲掘方式等因素的影响，计算过程较为复杂。为简化结构，方便计算研究，本发明将铲掘阻力简化为作用在铲斗斗尖处的水平和垂直两个方向上的力即插入阻力和掘起阻力，然后根据如下公式进行计算：

插入阻力：F_x＝9.8K₁K₂K₃K₄BL_c ^1.25

其中，K₁表示物料块度与松散程度系数，单块物料体积越大，松散度越大，K₁的值越大；K₂表示物料性质系数，K₂的值与物料的密度有关，密度越大，K₂的值越大；K₃表示物料堆积高度系数，物料高度越高，K₃的值越大；K₄表示铲斗的形状系数，一般取值为1.1～1.8，形状易于铲掘时，K₄取值越小；K₁～K₄四个系数仅是代表影响因子，都是根据长期的工作经验自定义其取值，方法是在保证其他条件不变的前提下，改变其中一个影响因子，看其改变对结果的影响，如果影响不大，该因子的影响系数就设定的小些，反之则大些。这些系数不能给定确定的数值或者范围，因为针对每一种不同的料斗、物料以及车型，系统都会有其自己的一套系数权重配置，只能根据试验确定，无法以确切的某个数值或范围限定，本发明想说明的只是如何计算阻力，需要考虑哪些因素。B表示铲斗宽度，单位是cm；L_C表示铲斗插入料堆的深度，单位为cm。

掘起阻力：F_z＝2.2KBL_c

其中，K表示开始掘起时，物料作用于铲斗的剪切应力，与物料种类有关；B表示铲斗宽度；L_C表示铲斗插入料堆的深度。

由于插入阻力和掘起阻力的计算结果受到多个因素影响，本发明根据经验公式中对铲掘阻力的简化方法，将铲掘阻力简化为作用在斗尖上的沿X方向的插入阻力F_X和沿Z方向的掘起阻力F_Z，然后从铲掘机构整体的受力平衡考虑，根据举升液压缸和转斗液压缸的压力和位移情况以及铲掘机构的几何尺寸，得到F_X和F_Z的计算公式以及铲掘机构与前车架的铰接点的受力情况。在受力分析的过程中，假设力的作用平面均在装置的对称面内，如果有关于平面对称存在的两个力，则所计算的是其合力，且假设装载机始终是正载的状态，不存在偏载的情况。

以下为铲掘工况下对装载机铲掘机构各个构件的受力分析：

1)铲斗

图3为铲斗受力分析图。铲斗受到铲掘阻力、自身重力、与连杆的铰接点的力以及与动臂的铰接点的力的共同作用，得到X方向和Z方向的力平衡公式和绕斗尖的力矩平衡公式如下：

F_X＝F_AX+F_BX-m_cgsinθ

F_Z＝F_AZ+F_BZ-m_cgcosθ

F_AXh₁+F_AZL₁+F_BXh₂+F_BZL₂-m_cgsinθ·h_mc-m_cgcosθ·l_mc＝0

其中，F_X为铲斗斗尖铲掘时所受的插入阻力；F_Z为铲斗斗尖铲掘时所受到的掘起阻力；F_AX和F_AZ分别为与动臂的铰接点A处的纵向分力和垂向分力；F_BX和F_BZ分别为与连杆的铰接点B处的纵向分力和垂向分力；m_c为铲斗的质量；L₁和h₁分别为铲尖到铰接点A的纵向距离和垂直距离；L₂和h₂分别为铲尖到铰接点B的纵向距离和垂直距离；l_mc和h_mc分别为斗尖到铲斗质心的纵向距离和垂直距离；θ为装载机行驶路面的坡度值。

2)连杆

图4为连杆受力分析图。连杆受到自身重力、与铲斗的铰接点的力以及与摇臂的铰接点的力的共同作用，得到X方向和Z方向的力平衡公式和绕质心的力矩平衡公式如下：

F_CX＝F_BX+m₃gsinθ

F_CZ＝F_BZ+m₃gcosθ

(F_BZ+F_CZ)l_g+(F_BX+F_CX)h_g＝0

其中，F_CX和F_CZ分别为与摇臂的铰接点C处的纵向分力和垂向分力；m₃为连杆的质量；l_g和h_g分别为与铲斗铰接点B到连杆质心的纵向距离和垂直距离。

3)摇臂

图5为摇臂受力分析图。摇臂受到自身重力、与连杆的铰接点的力、与动臂的铰接点的力以及与转斗液压缸的铰接点的力的共同作用，得到X方向和Z方向的力平衡公式和绕D点(摇臂与动臂的铰接点)的力矩平衡公式如下：

F_DX＝F_CX-F_EX+m₄gsinθ

F_DZ＝F_CZ-F_EZ+m₄gcosθ

F_EXh₃-F_EZl₃+F_CXh₄-F_CZl₄+m₄gh_m4.sinθ-m₄gl_m4.cosθ＝0

其中，F_DX和F_DZ分别为铰接点D处的纵向分力和垂向分力；F_EX和F_EZ分别是转斗液压缸的压力F_E在纵向和垂向上的分量；m₄为摇臂的质量；l₃和h₃分别是铰接点D至摇臂与转斗液压缸的连接点E的纵向距离和垂直距离；l₄和h₄分别是铰接点C至铰接点D的纵向距离和垂直距离；l_m4和h_m4分别是铰接点D至摇臂质心的纵向距离和垂直距离。

转斗液压缸的压力F_E的计算方法如下：

F_E＝p₁·A₁-p₂·A₂

其中，p₁、p₂分别是转斗液压油缸的无杆腔的压强和有杆腔的压强，单位是Pa；A₁、A₂分别是转斗液压油缸的无杆腔的横截面积和有杆腔的横截面积，单位是m²。

根据图1结构图，转斗液压缸的压力F_E在纵向和垂向上的分量F_EX和F_EZ的计算方法如下：引入一个角度β，该角度是G点和P点的连线GP与X方向的夹角，可以根据G点和P点之间的水平距离l_GP和垂直距离h_GP对其进行计算，该角度为一固定值，其计算公式如下：

则F_EX的计算公式为:

F_EX＝F_E·sin(90°-∠GEP-∠EGP+β)

F_EZ的计算公式为：

F_EZ＝F_E·cos(90°-∠GEP-∠EGP+β)

其中，∠GEP、∠EGP是E、G、P三点构造的三角形中的两个角，可以根据余弦公式求得，计算公式如下：

4)动臂

图6是动臂受力分析图。动臂受到自身重力、与铲斗的铰接点的力、与摇臂的铰接点的力、与举升液压缸的铰接点的力以及与前车架的铰接点的力的共同作用，得到X方向和Z方向的力平衡公式和绕G点的力矩平衡公式如下：

F_GX＝F_AX+F_DX-F_FX+m₅gsinθ

F_GZ＝F_AZ+F_DZ+m₅gcosθ-F_FZ

F_AXh₇+F_AZl₇+F_DXh₅+F_DZl₅-F_FXh₆-F_FZl₆+m₅gh_m5·sinθ+m₅gl_m5·cosθ＝0

其中，F_GX和F_GZ为动臂与前车架铰接点G处的纵向分力和垂向分力；F_FX和F_FZ分别是举升液压缸的压力F_F在纵向和垂向上的分量；m₅为动臂的质量；l₅和h₅分别是铰接点D至铰接点G的纵向距离和垂直距离；l₆和h₆分别是铰接点G至连接点F的纵向距离和垂直距离；l₇和h₇分别是铰接点A至铰接点G的纵向距离和垂直距离；l_m5和h_m5分别是铰接点G至动臂质心的纵向距离和垂直距离。

举升液压缸的推力F_F的计算方法如下：

F_F＝p₃·A₃-p₄·A₄

其中，p₃、p₄分别是举升液压油缸的无杆腔的压强和有杆腔的压强，单位是Pa；A₃、A₄则分别是举升液压油缸无杆腔的横截面积和有杆腔的横截面积，单位是m²。

根据图1结构图，F_FX和F_FZ的计算公式如下：

F_FX＝F_F·sin(∠GQF)

F_FZ＝F_F·cos(∠GQF)

在三角形GFQ中，由于GF、GQ的长度固定，利用位移传感器测量出FQ的长度，根据余弦定理，得：

对于上述受力分析，由于连杆的结构和受力情况在四个构件中最为简单，因此从连杆的受力情况入手，得到连杆与摇臂的铰接点C的受力情况计算公式如下：

进而求解出连杆与铲斗的铰接点B的受力情况如下：

对摇臂进行分析，除D点之外的其他点的受力均为已知或已求，则D点的受力情况如下：

对动臂和铲斗分析，动臂与铲斗的铰接点A的受力计算表达式如下：

由此，所有受力：F_AX和F_AZ，F_BX和F_BZ，F_CX和F_CZ，F_DX和F_DZ，F_EX和F_EZ，F_FX和F_FZ，F_GX和F_GZ，以及F_E、F_F、F_X和F_Z全部得到求解。

(2)在转场运输工况下对铲装机构进行受力分析

铲装机构在转场运输过程中，各个构件间存在许多相对转动的情况，运动情况较为复杂。但是，除动臂和铲斗外，其它构件的质量相对很小，可以将其忽略。因此，为方便计算，对此过程中的装置的受力分析，做出以下的简化：

与铲掘工况相同，在受力分析的过程中，假设力的作用平面均在铲装机构的对称面内，如果有关于平面对称存在的两个力，则所计算的是其合力，且假设装载机始终在正载的状态，不存在偏载的情况。

把铲装机构除举升液压缸和转斗液压缸以外的所有构件看作一个构件，记作动臂组件，其内部没有相对运动；

物料和铲斗的质量之和作用于铲斗的重心位置点K上,记为m₂；动臂、摇臂、连杆的质量作用于动臂的质心位置点H上,记为m₁；

根据装载机的具体结构，将动臂与前车架的铰接点G(简记为动臂的上铰点)和举升液压缸与前车架的铰接点Q简化在同一垂直方向上。

转场工况下工作装置的受力情况如图7所示。

在转场工况中，铲装机构受到前车架铰接点的力、举升液压缸的力、转斗液压缸的力、自身重力和物料重力的共同作用，由于不能保证装载机每次铲装完物料都恰好等于装载机的额定载重量，所以装载机每次铲装的物料的重量未知，因此，对转场工况下的装载机工作装置的受力分析分为两部分内容：

1)根据达朗贝尔原理，求解m₂；

2)根据第1)步求解出的物料的质量，对铲装机构与前车架的铰接点的受力情况进行分析。

1.对物料质量求解

装载机铲装机构在其对称面内做平面运动。根据达朗贝尔原理，其表达式如下：

∑M+Jα＝0

其中，∑M＝m₁+m₂，J是动臂组件绕其上铰点G的转动惯量，其表达式为：

J＝m₁·GH²+m₂·GK²

通过选定三个点组成一个三角形，用位移传感器测量三角形中某一条边的长度，根据余弦定理求出一个可用的角度，该角度即为动臂绕G点转过的角度，然后再对该角度求二阶导数，从而求得动臂绕G点转动的角加速度α。因此，选择的三角形是ΔGQF，所求的角度是∠FGQ。

在ΔGQF中，由于G、Q是前车架上的固定铰接点，因此GF、GQ的长度是固定值，只需要利用位移传感器测量FQ，根据余弦定理，得:

然后，对该角度对时间求二次导数即为动臂的角加速度，即:

动臂组件中的惯性力系绕G点转动所产生的力矩分为如下几个部分：

1)转斗液压油缸的力F_E对G点的力矩M_E。在三角形GPE中，由于GP、PE的长度是固定值，GE的长度可以利用位移传感器测量，根据余弦定理，得

M_E＝F_E·GP·sin(180°-∠GPE)

M_E＝F_E·GP·sin(∠GPE)

2)举升液压油缸的力F_F对G点的力矩M_F。

M_F＝F_F·GQ·sin(∠GQF)

3)重力对G点的力矩M_G。动臂组件的重力分为两部分m₁g和m₂g，这两部分的质心位置不同，因此应分别计算，其计算公式如下：

M_G＝-m₂g·GK·sin(∠AGF+∠QGF+∠KGA+θ)-m₁g·GH·sin(∠HGF+∠QGF+θ)

上式中的θ为装载机行驶路面的坡度值，由于F、G、A、H均在动臂上，故∠FGA、∠FGH和GH为定值，GK根据装载机配套的附表所得到，则∠KGA的计算公式如下：

4)纵向加速度产生的惯性力对G点的力矩M_V。此处惯性力是由于装载机行驶过程中产生的纵向加速度在铲装机构两个质心位置形成的惯性力a_v是纵向加速度，其计算公式如下：

M_v＝m₂a_v·GK·cos(∠AGF+∠QGF+∠KGA)+m₁a_v·GH·cos(∠HGF+∠QGF)

5)摩擦力矩M_f。此处的摩擦力矩是由于工作装置在运动过程中，各个铰接点处的销轴和轴套之间的摩擦力产生的力矩，其计算公式如下：

M_f＝f_v·R·r

其中，f_v是当量摩擦系数；R是销轴处受到的法向反作用力的总和，法向反作用力为轴套给销轴的支撑力；r是销轴的半径。

由于当量摩擦系数受多重因素的影响，f_v是一个随机变化量，R在实际过程中也随诸多因素的变化而变化，所以很难计算得到精确的数值，多数情况下根据经验得到。并且，一般情况下铰接点处为减小摩擦都进行了润滑处理，所以摩擦力矩通常被当做常数或忽略不计。

最终可以计算出铲斗和其内部物料的质量之和m₂，其计算公式如下：

2.前车架与铲装机构铰接点的受力分析

转场工况下作用在铲装机构的力包括动臂和连杆的角加速度产生的惯性力F₁、动臂和连杆的纵向加速度产生惯性力F_1v、铲斗及物料的角加速度产生的惯性力F₂、铲斗及物料的纵向加速度产生的惯性力F_2v、动臂和连杆的重力m₁g、铲斗及物料的重力m₂g、举升液压缸的推力F_F、转斗液压缸的推力F_E以及G点的X、Z两方向分力F_GX'和F_GZ'。

1)惯性力F₁、质量m₁和m₂均在动臂组件上，因此其绕G点的角加速度相同，即为α。质量m₁产生的转动惯性力F₁分量的计算公式如下：

F_1X＝m₁α·GH·sin(90°-∠QGF-∠FGH)

F_1Z＝m₁α·GH·cos(90°-∠QGF-∠FGH)

其中，∠QGF前面已求，由于F、G、H均在动臂上，因此∠FGH为定值。

2)惯性力F_1v计算公式如下：

F_1v＝m₁α_v

3)惯性力F₂在X方向和Z方向分力，计算公式如下：

F_2X＝m₂α·GK·sin(90°-∠QGF-∠FGA-∠KGA)

F_2z＝m₂α·GK·cos(90°-∠QGF-∠FGA-∠KGA)

其中，由于F、G、A均在动臂上，故∠FGA为定值。

4)惯性力F_2v计算公式如下：

F_2v＝m₂α_v

5)动臂和连杆的重力m₁g在X方向及Z方向分力，计算公式如下：

F_m1X＝m₁g·sinθ

F_m1Z＝m₁g·cosθ

6)铲斗及物料的重力m₂g在X方向及Z方向分力，计算公式如下：

F_m2X＝m₂g·sinθ

F_m2Z＝m₂g·cosθ

7)G点的受力分力F_GX'和F_GZ'，其计算公式如下：

F_GX′＝F_FX+F_EX+F_1X+F_2X+F_1v+F_2v-F_m1X-F_m2X

F_GZ′＝F_m1Z+F_mBZ-F_FZ-F_EZ-F_1Z-F_2Z

由此，在铲掘工况以及转场工况下，通过对装载机铲装机构各个构件的受力分析，为装载机整车的动力学分析以及前后桥载荷打下了基础。

步骤二，对装载机整车进行受力分析，计算车辆前、后轮垂向载荷。

车辆在行驶过程中由驱动车轮提供驱动力，同时还受到多种行驶阻力的作用，包括有加速阻力F_j、滚动阻力F_f、坡度阻力F_i和空气阻力F_w，上述四种阻力的计算公式如下：

F_j＝m·a_v

m是装载机整车的质量，单位是kg；a_v是装载机行驶过程中的纵向加速度，单位是m/s²；

F_f＝f·F_Z

f是滚动阻力系数；F_Z是车轮的垂向载荷，单位是N；

F_i＝mg·sinθ

θ是路面的坡度；

C_D是空气阻力系数；A是车辆的迎风面积，单位是m2；u_a是车辆的行驶速度，单位是km/h。

针对于前后桥独立驱动装载机，其前、后轮均为驱动轮。装载机整车受力情况如图8所示。

图8中，v为装载机纵向速度，a_v为装载机纵向加速度，F_zf为前轮的垂向力，F_zr为后轮的垂向力，m为装载机总质量，h为装载机质心距地面的高度，l₁为装载机质心到前轮中心的纵向距离，l₂为装载机质心到后轮中心的纵向距离，θ为地面坡度，F_iX为i点的纵向分力，F_iZ为i点的垂向分力，h_i为i点到前轮中心的纵向距离，l_i为i点到前轮中心的垂向距离，i点是车的质心,l_E为E点到前轮中心的垂向距离，l_F为F点到前轮中心的垂向距离,l_G为G点到前轮中心的垂向距离,h_E为E点到路面的垂向距离，h_F为F点到路面的垂向距离，h_G为G点到路面的垂向距离。

根据车辆的行驶方程：

其中，T_f为前轮驱动转矩，T_r为后轮驱动转矩。

将阻力公式以及车辆行驶方程联立可得：

其中，r为轮胎半径，此处F_GX0代表铲掘工况或转场工况下动臂与前车架铰接点的纵向分力，即代表下文中的F_GX和F_GX'。

在铲掘工况下，分别将作用在装载机上的力对前、后轮与道路接触面的中心取力矩，根据力矩平衡公式，得地面作用在前轮的垂向载荷的计算公式如下：

地面作用在后轮的垂向载荷的计算公式如下：

在转场工况下，分别将作用在装载机上的力对前、后轮与道路接触面的中心取力矩，根据力矩平衡公式，得地面作用在前轮的垂向载荷的计算公式如下：

地面作用在后轮的垂向载荷的计算公式如下：

Claims

1.一种装载机铲装机构的载荷测量方法，其特征是：将铲装机构运动状态的变化转化为铲装机构与前车架铰接点受力的变化，通过在不同工况下对铰接点受力进行分析,求解整车受力，进而求解装载机前、后轮所受垂向载荷，通过前、后轮所受垂向载荷表征铲装机构的承载载荷；

其中，所述不同工况分为：铲掘工况和转场运输工况。

2.根据权利要求1所述的载荷测量方法，其特征在于：

将所述铲装机构拆解为对铲斗、连杆、摇臂、动臂进行受力分析，其中，所述动臂铰接于前车架上，动臂前端安装铲斗，所述动臂由举升液压缸驱动；所述摇臂与动臂铰接、与连杆铰接，所述摇臂由转斗液压缸驱动；所述连杆一端与摇臂连接，另一端与铲斗连接；

3.根据权利要求2所述的载荷测量方法，其特征在于：

对铲掘工况下铲装机构受力分析的方法如下：

3)通过所述摇臂受到自身重力、与连杆的铰接力、与动臂的铰接力、与转斗液压缸的铰接力，得到X方向和Z方向的力平衡方程和绕与动臂铰接点的力矩平衡方程；

5)然后根据：

②转斗液压缸的推力F_E的计算式：F_E＝p₁·A₁-p₂·A₂，以及在X方向和Z方向的分力；其中，p₁、p₂分别是转斗液压油缸的无杆腔的压强和有杆腔的压强，A₁、A₂分别是转斗液压油缸的无杆腔的横截面积和有杆腔的横截面积；

③举升液压缸的推力F_F的计算式：F_F＝p₃·A₃-p₄·A₄，以及在X方向和Z方向的分力；其中，p₃、p₄分别是举升液压油缸的无杆腔的压强和有杆腔的压强，A₃、A₄则分别是举升液压油缸无杆腔的横截面积和有杆腔的横截面积；

求解出连杆与摇臂的铰接力；

6)进而求解出1)～4)中所有受力。

4.根据权利要求2所述的载荷测量方法，其特征在于：

对转场运输工况下铲装机构受力分析的方法如下：

5.根据权利要求1或2或3或4所述的载荷测量方法，其特征在于：

对装载机整车进行受力分析，计算车辆前、后轮垂向载荷的方法是：

根据车辆行驶方程：

1)在铲掘工况下，分别将作用在装载机上的力对前、后轮与道路接触面的中心取力矩，得地面作用在前轮的垂向载荷计算公式如下：

地面作用在后轮的垂向载荷计算公式如下：

2)在转场运输工况下，分别将作用在装载机上的力对前、后轮与道路接触面的中心取力矩，得地面作用在前轮的垂向载荷计算公式如下：

地面作用在后轮的垂向载荷的计算公式如下：

F_EZ为转斗液压缸的推力在垂向上的分力，F_FZ为举升液压缸的推力在垂向上的分力，F_GX、F_GX'分别为铲掘工况下和转场工况下动臂与前车架铰接点的纵向分力，F_GZ、F_GZ'分别为铲掘工况下和转场工况下动臂与前车架铰接点的垂向分力，l₁为装载机质心到前轮中心的纵向距离，l₂为装载机质心到后轮中心的纵向距离，m为装载机总质量，h为装载机质心距地面的高度，θ为地面坡度，l_E为E点到前轮中心的垂向距离，l_F为F点到前轮中心的垂向距离,l_G为G点到前轮中心的垂向距离,h_E为E点到路面的垂向距离，h_F为F点到路面的垂向距离，h_G为G点到路面的垂向距离。