CN114323605B - 一种挖掘机铲斗齿尖阻力测试装置、系统及挖掘轨迹控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种挖掘机铲斗齿尖阻力测试装置、系统及挖掘轨迹控制系统及方法，能够经济精确的获取铲斗铲尖阻力。阻力测试装置设置在铲斗主体上，包括滑道、压力传感器、主刃板和端板；所述滑道对称固定安装在铲斗主体上；所述铲斗主体包括底板和侧板；所述端板固定在铲斗底板上，滑道固定在端板上；所述主刃板活动连接在所述滑道内，且所述主刃板靠近端板的一侧设置有与所述传感器孔一相适配的传感器孔二；所述压力传感器穿设在所述传感器孔一和传感器孔二内，且通过数据传输线与数据采集器连接。通过传感器孔来固定压力传感器并不需要定制，可自由更换，成本较低，使用方便，周期短。

Description

一种挖掘机铲斗齿尖阻力测试装置、系统及挖掘轨迹控制系 统及方法

技术领域

本发明属于工程机械零部件技术领域，具体涉及一种挖掘机铲斗齿尖阻力测试装置、系统及挖掘轨迹控制系统及方法。

背景技术

挖掘机是市场保有量最大、用途最为广泛的一类土石方工程机械，铲斗和斗齿是挖掘机核心零部件，直接与作业介质相互作用，承受较大的冲击载荷，在粘土、冻土、沙石等极端恶劣工况下会出现铲斗开裂，斗齿断裂等问题，严重影响挖机作业效率。目前挖机缺少阻力直接测试装置，机手操作时不能准确的评估挖掘阻力大小，在挖掘、破碎大块岩石工况时常常出现超负荷作业，导致铲斗磨损严重。在铲斗设计过程中获取挖掘阻力的方法主要是离散元仿真分析，考虑因素较少，物料形状及参数较均匀，缺乏试验测试数据的校核，故结果偏差较大。

另外，现有挖掘阻力测试方法多采用在油缸部位安装压力传感器、位移传感器，在各铰点部位安装销轴传感器，测得挖掘作业时各传感器数值，通过理论推导计算出铲斗挖掘阻力值，如发明专利“一种挖掘机挖掘阻力间接测量装置”（CN201721471712.7）和发明专利“基于位置计算的装载机铲装作业阻力实时测试方法”（CN111103081A）。

现有测试技术主要存在两个缺点，一是传感器安装及采集系统较复杂，销轴传感器需定制，周期长、成本高；二是测试精度低，铲斗阻力计算公式复杂，推导计算的结果不能真实、直观的反应铲斗挖掘作业所受阻力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种挖掘机铲斗齿尖阻力测试装置、系统及挖掘轨迹控制系统及方法，能够经济精确的获取铲斗铲尖阻力。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明提供一种挖掘机铲斗齿尖阻力测试装置，所述装置设置在铲斗主体上，包括滑道、压力传感器、主刃板和端板；

所述滑道对称固定安装在铲斗主体上；所述铲斗主体包括底板和侧板；

所述端板固定在铲斗底板上，所述滑道固定在端板上，所述端板沿宽度方向间隔一定距离设置多个传感器孔一；

所述主刃板活动连接在所述滑道内，且所述主刃板靠近端板的一侧设置有与所述传感器孔一相适配的传感器孔二；

所述压力传感器穿设在所述传感器孔一和传感器孔二内，且通过数据传输线与数据采集器连接。

上述设置达到的效果：当齿尖受力时，主刃板受压，往端板方向滑动，从而对压力传感器产生挤压，从而齿尖阻力通过压力传感器采集，压力传感器连接至数据采集器，可以在显示器上显示，机手可实时查看作业时齿尖阻力情况。通过传感器孔来固定压力传感器并不需要定制，可自由更换，成本较低，使用方便，周期短。

本发明通过对铲斗结构进行改造，加装压力传感器，通过传感器直接采集齿尖受力值，不需要计算转换，实现铲斗作业时齿尖阻力的测试，测试结果精确度高，对原铲斗改动小，不影响铲斗作业。

进一步设置：所述滑道包括对称分布在左右侧的两个滑道，分别焊接在端板两侧；所述滑道内部采用滚珠结构。

上述设置达到的效果：通过左右对称分布的滑道和滚珠结构，减小主刃板在滑道中运动摩擦阻力，提高阻力测试的敏感性和准确性。

进一步设置：所述滑道为U型结构，远离端板一端为敞开式构造，主刃板嵌套连接在滑道中；且所述滑道的敞开式端口可拆卸固定连接有端盖。

上述设置达到的效果：端盖有利于防止主刃板掉落，敞开式构造和端盖有利于主刃板的安装于更换。

进一步设置：所述主刃板和端盖中间嵌入有柔性材料；

所述端板与主刃板中间缝隙中安装有密封条，所述密封条采用柔性材料加工制造，并覆盖所述压力传感器。

上述设置达到的效果：柔性材料有利于减小部件之间的碰撞，减少主刃板的损耗；密封条可以有效避免作业物料落入端板与主刃板缝隙中造成压力传感器损坏。

进一步设置：所述压力传感器采用圆柱形小尺寸结构，所述传感器孔一和传感器孔二均为圆柱形；

所述传感器数据传输线从端板和主刃板缝隙处引出。

上述设置达到的效果：压力传感器沿铲斗宽度方向间隔一段距离布置，根据预估铲斗作业时齿尖受力选择合适的量程和精度，传感器数据传输线从端板和主刃板缝隙处引出，连接至驾驶室数据采集器，在显示器上显示，机手可实时查看作业时齿尖阻力情况。

进一步设置：滑道与侧板之间焊接有L型加强筋。

上述设置达到的效果：L型加强筋有利于加强滑道与铲斗主体的连接，降低铲斗作业时由于碰撞而造成滑道与铲斗主体断开的风险。

第二方面，一种阻力测试系统，包括如第一方面所述的阻力测试装置和数据采集器；所述数据采集器设置在驾驶室内，通过连接显示器显示压力传感器采集的压力值。

上述设置达到的效果：阻力测试装置与数据采集器相配合，压力传感器连接至数据采集器，可以在显示器上显示，机手可实时查看作业时齿尖阻力情况。

第三方面，本发明提供一种挖掘轨迹控制系统，包括如第一方面所述的阻力测试系统，还包括控制器、姿态调整机构以及姿态采集装置；

所述控制器分别与所述阻力测试系统、姿态调整机构和姿态采集装置连接，用于通过与所述阻力测试系统和姿态采集装置连接获取齿尖阻力和挖掘姿态，并根据所述齿尖阻力和挖掘姿态生成相应的动作指令传输给所述姿态调整机构，控制挖掘机动作；

所述姿态调整机构用于根据所述控制器的动作指令调整挖掘姿态，包括分别通过电磁阀与所述控制器连接的动臂油缸、翻斗油缸和铲斗油缸；

所述姿态采集装置用于采集挖掘姿态并输送给所述控制器，包括分别安装在所述动臂油缸、翻斗油缸和铲斗油缸上的位移传感器和倾角传感器；所述位移传感器用于采集油缸伸长量，所述倾角传感器用于采集液压缸角度。

上述设置达到的效果：基于齿尖阻力值建立挖掘轨迹控制系统，实时调节挖掘姿态，避免作业时挖掘阻力过大导致铲斗过快磨损、断裂。

进一步设置：所述控制器控制挖掘机动作的方法包括自动控制和手动控制；

所述自动控制的方法包括：

通过阻力测试系统获取齿尖阻力；

若齿尖阻力大于预警值，则通过姿态采集装置获取进行现有挖掘姿态分析，得到现有挖掘姿态；

根据现有挖掘姿态控制所述姿态调整机构进行挖掘姿态调整，直到齿尖阻力小于预警值；

所述手动控制的方法包括：

通过阻力测试系统获取齿尖阻力；

若齿尖阻力大于预警值，则输出告警信号至显示器直到齿尖阻力小于预警值。

上述设置达到的效果：本发明能够实现铲斗作业过程中齿尖阻力实时测试及采集，将测试的阻力值与预警值比较，实现挖掘作业轨迹手动和自动控制，降低因缺乏阻力数据而导致铲斗齿尖受力过大造成的开裂、断齿。

第四方面，本发明提供一种挖掘轨迹控制方法，基于第一方面所述的阻力测试装置，包括以下步骤：

通过阻力测试装置获取齿尖阻力；

若齿尖阻力大于预警值，则获取此时挖掘姿态，进行挖掘姿态调整，直到齿尖阻力小于预警值；

记录齿尖阻力，以测试的齿尖阻力基础数据，对应挖掘姿态，构建相应载荷谱和相关数据库。

上述设置达到的效果：以测试的齿尖阻力基础数据，构建相应载荷谱和相关数据库，从而为工作装置、整机能耗匹配等方面的正向设计提供依据，通过数据库，可以校核仿真结果，提高了计算精度，使挖掘阻力仿真结果更加贴近实际工程中，扩大仿真技术的使用范围，通过仿真的手段，可以降低试验成本，缩短设计时间，对铲斗优化设计研发具有重大意义。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本专利通过对铲斗结构进行改造，加装压力传感器，实现铲斗作业时齿尖阻力的测试，测试结果精确度高，对原铲斗改动小，不影响铲斗作业。

附图说明

图1为铲斗结构图；

图2为齿尖阻力测试装置组成图；

图3为滑道与主刃板装配关系图；

图4为主刃板开孔图；

图5为端板开孔图；

图6为挖掘轨迹控制系统；

图7为挖掘轨迹自动控制逻辑图。

图中：

1、铲斗主体；2、齿尖阻力测试装置；11、侧板；12、底板；21、滑道；22、端板；23、密封条；24、端盖；25、压力传感器；26、主刃板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本实施例的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实施例的限制。

实施例一：

本实施例提供一种挖掘机铲斗齿尖阻力测试装置2，安装在铲斗主体1上，如图1-4所示，主要包括压力传感器25、左右侧滑道21、端盖24、主刃板26、端板22、密封条23和加强筋，主刃板26与铲斗主体1分离，压力传感器25安装在主刃板26和端板22圆柱孔内，主刃板26可在两侧左右滑道21中滑动。

如图1所示，铲斗主体1包括侧板11和底板12。

如图4-5所示，端板22延宽度方向间隔一定距离设置圆柱孔，与铲斗底板12焊接，主刃板26靠近端板22的一侧根据端板22开孔情况对称设置圆柱孔，压力传感器25置于端板22与主刃板26圆柱孔内，主刃板26为可活动部件，插入两侧滑道21中，当齿尖受力时，主刃板26受压，往端板22方向滑动，从而对压力传感器25产生挤压，齿尖阻力则通过压力传感器25采集。

如图2-3所示，左右侧滑道21分别焊接在端板22两侧，内部可采用滚珠结构，以减小主刃板26在滑道21中运动摩擦阻力。滑道21为U型结构，远离端板22一端为敞开式构造，当主刃板26嵌入滑道21后，采用螺栓连接将端盖24固定在滑道21敞开式端口，防止主刃板26脱落，主刃板26和滑道21端盖24中间可嵌入柔性材料，以减小部件之间的碰撞。滑道21与铲斗侧板11之间焊接L型加强筋，加强滑道21与铲斗主体1的连接，降低铲斗作业时由于碰撞而造成滑道21与铲斗主体1断开的风险。

密封条23安装在端板22与主刃板26中间缝隙中，采用柔性材料加工制造，覆盖压力传感器25，避免作业物料落入端板22与主刃板26缝隙中造成压力传感器25损坏。

压力传感器25采用圆柱形小尺寸结构，沿铲斗宽度方向间隔一段距离布置，根据预估铲斗作业时齿尖受力选择合适的量程和精度，传感器数据传输线从端板22和主刃板26缝隙处引出，连接至驾驶室数据采集器，在显示器上显示，机手可实时查看作业时齿尖阻力情况。

实施例二：

本实施例提供一种阻力测试系统，包括如实施例一所述的阻力测试装置2和数据采集器；所述数据采集器设置在驾驶室内，通过显示器显示压力传感器25采集的压力值。显示器可以单独设置或者集成在挖机中控屏上，不限制显示器位置。

阻力测试装置2与数据采集器相配合，压力传感器25连接至数据采集器，可以在显示器上显示，机手可实时查看作业时齿尖阻力情况。

实施例三：

本实施例提供一种挖掘轨迹控制系统，其控制逻辑如附图6、7所示。

本实施例基于实施例一所述的齿尖阻力测试装置2，匹配以控制器动臂油缸、翻斗油缸以及铲斗油缸内置位移传感器和倾角传感器。位移传感器和倾角传感器采集伸长量、液压缸角度信息，确定各关节的位姿，当齿尖阻力大于预警值时，调整油缸动作，避免阻力继续增加。动臂油缸、翻斗油缸以及铲斗油缸是挖机本身结构件，可以调整挖掘姿态。

如附图6所示。挖掘作业开始前开启阻力测试系统，实时检测铲斗齿尖阻力值并在驾驶室显示器上显示。挖掘轨迹控制系统包括两种模式，即手动模式和自动模式，手动模式即传统的机手操作方式，自动控制模式执行器根据铲斗齿尖阻力大小和工作装置的运动指令来确定运动轨迹，运动指令由算法产生。无论是手动模式还是自动模式，都需要设定阻力预警值，将实时检测齿尖阻力与预警值比较，从而根据比较结果人工或自动调整挖掘轨迹。

挖掘轨迹自动控制系统由位移传感器、倾角传感器、控制器、电磁阀等组成，选择自动模式后，系统采集油缸伸长量、液压缸角度信息，根据各关节的位姿确定现有挖掘姿态。利用齿尖阻力测试装置2检测挖掘作业过程中齿尖阻力值，并传输至驾驶室显示器，实时与阻力预警值进行比较，根据比较结果，控制器产生相应的动作指令，电磁阀接收控制器信号，控制动臂油缸、铲斗油缸以及斗杆油缸运动行程及顺序，以降低挖掘作业齿尖阻力，使齿尖阻力值低于预警值。

控制器用于产生相应的动作指令，电磁阀接收控制器信号，控制动臂油缸、铲斗油缸以及斗杆油缸运动行程及顺序。

实施例四：

本实施例提供一种挖掘轨迹控制方法，基于实施例二所述的阻力测试系统，包括以下步骤：

通过阻力测试系统获取齿尖阻力；

若齿尖阻力大于预警值，则进行挖掘姿态调整，直到齿尖阻力小于预警值；

记录齿尖阻力，以测试的齿尖阻力基础数据，对应工况介质参数，构建相应载荷谱和相关数据库。工况介质参数包括挖掘姿态。

具体来说，进行挖掘姿态调整的步骤包括：

通过传感器确定挖掘姿态，即通过位移传感器读取油缸位移，倾角传感器读取油缸角度，最后得到现有挖掘姿态；

根据挖掘姿态，将实时检测齿尖阻力与预警值比较，通过一定的控制算法产生相应的运动指令，即控制动臂油缸、翻斗油缸以及铲斗油缸，实现挖掘轨迹的调整。具体运动指令的生成可以参考相应载荷谱和相关数据库中的数据，根据齿尖阻力与工况及姿态对应参数的对应关系，进行姿态调整。

更具体来说，如图6-7所示，控制方法包括自动控制方法和手动控制方法。

本实施例的挖掘轨迹控制方法以测试的齿尖阻力基础数据，构建相应载荷谱和相关数据库，从而为工作装置、整机能耗匹配等方面的正向设计提供依据，通过数据库，可以校核仿真结果，提高了计算精度，使挖掘阻力仿真结果更加贴近实际工程中，扩大仿真技术的使用范围，通过仿真的手段，可以降低试验成本，缩短设计时间，对铲斗优化设计研发具有重大意义。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”，“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种挖掘机铲斗齿尖阻力测试装置，其特征在于，所述装置设置在铲斗主体上，包括滑道、压力传感器、主刃板和端板；

所述滑道对称固定安装在铲斗主体上；所述铲斗主体包括底板和侧板；

所述端板固定在铲斗底板上，所述滑道固定在端板上，所述端板沿宽度方向间隔一定距离设置多个传感器孔一；

所述主刃板活动连接在所述滑道内，且所述主刃板靠近端板的一侧设置有与所述传感器孔一相适配的传感器孔二；

所述压力传感器穿设在所述传感器孔一和传感器孔二内，且通过数据传输线与数据采集器连接；

所述滑道包括对称分布在左右侧的两个滑道，分别焊接在端板两侧；所述滑道内部采用滚珠结构；

所述滑道为U型结构，远离端板一端为敞开式构造，主刃板嵌套连接在滑道中；且所述滑道的敞开式端口可拆卸固定连接有端盖。

2.根据权利要求1所述的挖掘机铲斗齿尖阻力测试装置，其特征在于，所述主刃板和端盖中间嵌入有柔性材料；

所述端板与主刃板中间缝隙中安装有密封条，所述密封条采用柔性材料加工制造，并覆盖所述压力传感器。

3.根据权利要求1所述的挖掘机铲斗齿尖阻力测试装置，其特征在于，所述压力传感器采用圆柱形小尺寸结构，所述传感器孔一和传感器孔二均为圆柱形；

所述传感器数据传输线从端板和主刃板缝隙处引出。

4.根据权利要求1所述的挖掘机铲斗齿尖阻力测试装置，其特征在于，滑道与侧板之间焊接有L型加强筋。

5.一种阻力测试系统，其特征在于，包括如权利要求1-4任一项所述的阻力测试装置和数据采集器；所述数据采集器设置在驾驶室内，通过连接显示器显示压力传感器采集的压力值。

6.一种挖掘轨迹控制系统，其特征在于，包括如权利要求5的阻力测试系统，还包括控制器、姿态调整机构以及姿态采集装置；

所述控制器分别与所述阻力测试系统、姿态调整机构和姿态采集装置连接，用于通过与所述阻力测试系统和姿态采集装置连接获取齿尖阻力和挖掘姿态，并根据所述齿尖阻力和挖掘姿态生成相应的动作指令传输给所述姿态调整机构，控制挖掘机动作；

所述姿态调整机构用于根据所述控制器的动作指令调整挖掘姿态，包括分别通过电磁阀与所述控制器连接的动臂油缸、翻斗油缸和铲斗油缸；

所述姿态采集装置用于采集挖掘姿态并输送给所述控制器，包括分别安装在所述动臂油缸、翻斗油缸和铲斗油缸上的位移传感器和倾角传感器；所述位移传感器用于采集油缸伸长量，所述倾角传感器用于采集液压缸角度。

7.根据权利要求6所述的挖掘轨迹控制系统，其特征在于，所述控制器控制挖掘机动作的方法包括自动控制和手动控制；

所述自动控制的方法包括：

通过阻力测试系统获取齿尖阻力；

若齿尖阻力大于预警值，则通过姿态采集装置获取进行现有挖掘姿态分析，得到现有挖掘姿态；

根据现有挖掘姿态控制所述姿态调整机构进行挖掘姿态调整，直到齿尖阻力小于预警值；

所述手动控制的方法包括：

通过阻力测试系统获取齿尖阻力；

若齿尖阻力大于预警值，则输出告警信号至显示器直到齿尖阻力小于预警值。

8.一种挖掘轨迹控制方法，基于如权利要求1-4任一项所述的阻力测试装置，包括以下步骤：

通过阻力测试装置获取齿尖阻力；

若齿尖阻力大于预警值，则获取此时挖掘姿态，进行挖掘姿态调整，直到齿尖阻力小于预警值；

记录齿尖阻力，以测试的齿尖阻力基础数据，对应挖掘姿态，构建相应载荷谱和相关数据库。