CN114878045A - 挖掘机挖掘阻力测量方法 - Google Patents

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CN114878045A CN202210372003.2A CN202210372003A CN114878045A CN 114878045 A CN114878045 A CN 114878045A CN 202210372003 A CN202210372003 A CN 202210372003A CN 114878045 A CN114878045 A CN 114878045A
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Abstract

本发明公开了一种挖掘机挖掘阻力测量方法，包括：以起重臂跟脚销为原点，建立直角坐标系；以斗杆处于水平状态下的某个位置为初始位置，确定初始位置下铲斗提梁销与推压轴沿斗杆方向的距离；在挖掘机工作时，实时获取斗杆的推压力、提升钢丝绳的提升力、斗杆与水平方向的夹角、斗杆相对初始位置的推压行程，以起重臂跟脚销所在位置、铲斗提梁销所在位置、以及铲斗提梁销所在位置和提升钢丝绳在顶部滑轮上的切点之间的连线和起重臂跟脚销所在位置和顶部滑轮中心之间的连线的延长线交点构建三角形模型，计算推压力与提升力的夹角，在铲斗斗齿齿尖建立力平衡关系，计算挖掘阻力。本发明能够实现挖掘机不同挖掘轨迹下的挖掘阻力的实时测量。

Description

挖掘机挖掘阻力测量方法
技术领域
本发明涉及挖掘机技术领域，尤其涉及一种挖掘机挖掘阻力测量方法。
背景技术
矿山设备的自动化、信息化和智能化是建成智慧矿山的基础，而矿用挖掘机是主要的矿山设备之一，矿用挖掘机的智能化与无人化的实现，对于建设智慧矿山具有重大意义。矿用挖掘机主要用于露天矿的土壤、岩石、矿石、煤炭等的剥离和采装作业，可与矿用卡车及破碎站等匹配。挖掘机在挖掘的过程中，由于铲斗的位置是实时变化的，即挖掘机的挖掘轨迹是实时变化的，挖掘机所受到的挖掘阻力也在不断的变化。而挖掘阻力与挖掘机的工作效率和工作能耗直接关联，通常情况下，挖掘阻力越大，挖掘机的工作效率和能耗也较大，因此，若能够确定挖掘机的不同挖掘轨迹下的挖掘阻力，则可以通过对比不同挖掘轨迹下的挖掘阻力确定较好的挖掘轨迹，从而提高挖掘机的工作效率，降低挖掘机的工作能耗。
然而，在挖掘机的实际工作过程中，由于挖掘机作业场地的多样性和复杂性、以及挖掘机的挖掘轨迹不断变化等因素，挖掘机所受到的挖掘阻力无法通过安装传感器等测量仪器直接检测，导致目前难以确定挖掘机在工作过程中所受到的挖掘阻力。
因此，提供一种挖掘机挖掘阻力测量方法，以确定挖掘机的挖掘阻力，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的部分或全部技术问题，本发明提供一种挖掘机挖掘阻力测量方法。
本发明的技术方案如下：
提供了一种挖掘机挖掘阻力测量方法，所述方法包括：
以起重臂跟脚销所在位置为原点，水平方向和竖直方向中一个为X轴，另一个为Y轴，建立坐标系；
以斗杆处于水平状态下的某个位置为初始位置，确定初始位置下铲斗提梁销与推压轴沿斗杆方向的距离；
在挖掘机工作时，实时获取斗杆的推压力、提升钢丝绳的提升力、斗杆与水平方向的夹角、斗杆相对初始位置的推压行程，以起重臂跟脚销所在位置、铲斗提梁销所在位置、以及第一连线和第二连线的延长线交点构建三角形，基于构建的三角形，以顶部滑轮半径近似代替顶部滑轮中心到延长线交点的距离，利用实时获取的参数实时计算推压力与提升力的夹角，在铲斗斗齿的齿尖位置分别沿斗齿切向和斗齿法向建立推压力、提升力和挖掘阻力的平衡关系，计算铲斗的切向挖掘阻力和法向挖掘阻力，根据切向挖掘阻力和法向挖掘阻力计算挖掘阻力，其中，第一连线表示铲斗提梁销所在位置和提升钢丝绳在顶部滑轮上的切点之间的连线，第二连线表示起重臂跟脚销所在位置和顶部滑轮中心之间的连线。
在一些可能的实现方式中，斗杆在水平状态下的位置通过安装在A型架上的测距仪进行测量。
在一些可能的实现方式中，斗杆与水平方向的夹角通过安装在鞍座上的倾角传感器进行测量。
在一些可能的实现方式中，斗杆的推压力利用以下方式获取：
在推压轴上安装扭矩传感器，根据扭矩传感器检测到的扭矩，利用以下公式计算斗杆的推压力；
Figure 812817DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 787726DEST_PATH_IMAGE002
表示斗杆的推压力，
Figure 3944DEST_PATH_IMAGE003
表示扭矩，
Figure 886449DEST_PATH_IMAGE004
表示推压小齿轮分度圆半径。
在一些可能的实现方式中，提升钢丝绳的提升力通过安装在顶部滑轮上的力传感器进行测量。
在一些可能的实现方式中，斗杆相对初始位置的推压行程利用以下方式获取：
在推压轴上安装旋转编码器，根据旋转编码器输出的脉冲数，利用以下公式计算斗杆相对初始位置的推压行程；
Figure 566829DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 774957DEST_PATH_IMAGE006
表示斗杆相对初始位置的推压行程，
Figure 416154DEST_PATH_IMAGE007
表示斗杆从初始位置移动至当前 位置时推压编码器输出的脉冲数，
Figure 102350DEST_PATH_IMAGE008
表示旋转编码器旋转一圈对应的脉冲数，
Figure 902816DEST_PATH_IMAGE009
表示推压 小齿轮转动一圈对应的推压行程。
在一些可能的实现方式中，所述以起重臂跟脚销所在位置、铲斗提梁销所在位置、以及第一连线和第二连线的延长线交点构建三角形，基于构建的三角形，以顶部滑轮半径近似代替顶部滑轮中心到延长线交点的距离，利用实时获取的参数实时计算推压力与提升力的夹角，包括：
利用实时获取的参数实时计算铲斗提梁销到起重臂跟脚销的距离、铲斗提梁销和起重臂跟脚销之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的夹角；
以起重臂跟脚销所在位置、铲斗提梁销所在位置、以及延长线交点构建三角形，基于构建的三角形，以顶部滑轮半径近似代替顶部滑轮中心到延长线交点的距离，利用铲斗提梁销到起重臂跟脚销的距离、铲斗提梁销和起重臂跟脚销之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的夹角、实时获取的参数实时计算提升钢丝绳与起重臂的夹角；
利用提升钢丝绳与起重臂的夹角、实时获取的参数实时计算推压力与提升力的夹角。
在一些可能的实现方式中，所述基于构建的三角形，以顶部滑轮半径近似代替顶部滑轮中心到延长线交点的距离，利用铲斗提梁销到起重臂跟脚销的距离、铲斗提梁销和起重臂跟脚销之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的夹角、实时获取的参数实时计算提升钢丝绳与起重臂的夹角，包括：
以顶部滑轮半径近似代替顶部滑轮中心到延长线交点的距离，确定起重臂跟脚销到延长线交点的第一距离近似值，根据起重臂跟脚销到延长线交点的第一距离近似值、铲斗提梁销到起重臂跟脚销的距离、铲斗提梁销和起重臂跟脚销之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的夹角，利用三角形余弦定理计算铲斗提梁销到延长线交点的第一距离近似值；
根据铲斗提梁销到起重臂跟脚销的距离、铲斗提梁销到延长线交点的第一距离近似值、铲斗提梁销和起重臂跟脚销之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的夹角，利用三角形正弦定理计算铲斗提梁销和延长线交点之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的第一夹角近似值；
根据铲斗提梁销和延长线交点之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的第一夹角近似值、顶部滑轮半径，利用三角形正弦函数计算顶部滑轮中心到延长线交点的距离近似值；
根据顶部滑轮中心到延长线交点的距离近似值，确定起重臂跟脚销到延长线交点的第二距离近似值，根据起重臂跟脚销到延长线交点的第二距离近似值、铲斗提梁销到起重臂跟脚销的距离、铲斗提梁销和起重臂跟脚销之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的夹角，利用三角形余弦定理计算铲斗提梁销到延长线交点的第二距离近似值；
根据铲斗提梁销到起重臂跟脚销的距离、铲斗提梁销到延长线交点的第二距离近似值、铲斗提梁销和起重臂跟脚销之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的夹角，利用三角形正弦定理计算铲斗提梁销和延长线交点之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的第二夹角近似值作为提升钢丝绳与起重臂的夹角。
在一些可能的实现方式中，利用以下公式实时计算提升力与推压力的夹角；
Figure 281844DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 410338DEST_PATH_IMAGE012
表示提升力与推压力的夹角，
Figure 900225DEST_PATH_IMAGE013
表示起重臂与水平方向的夹角，
Figure 555197DEST_PATH_IMAGE014
表示斗杆 与水平方向的夹角，
Figure 642145DEST_PATH_IMAGE016
表示提升钢丝绳与起重臂的夹角。
在一些可能的实现方式中，推压力、提升力和挖掘阻力的平衡关系为：
Figure 523513DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 817091DEST_PATH_IMAGE002
表示斗杆的推压力，
Figure 592149DEST_PATH_IMAGE019
表示提升钢丝绳的提升力，
Figure 250664DEST_PATH_IMAGE020
表示铲斗的切向挖 掘阻力，
Figure 478383DEST_PATH_IMAGE021
表示铲斗的法向挖掘阻力，
Figure 310072DEST_PATH_IMAGE022
表示斗杆与铲斗斗齿切向的夹角。
本发明技术方案的主要优点如下：
本发明的挖掘机挖掘阻力测量方法能够实现挖掘机的提升力与推压力的大小及方向的实时测量，实现挖掘机在不同挖掘轨迹下的挖掘阻力的实时测量，从而通过对比不同挖掘轨迹下的挖掘阻力确定最佳的挖掘轨迹，显著提高挖掘机的工作效率，降低挖掘机的工作能耗。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，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为本发明一实施例提供的挖掘机挖掘阻力测量方法所使用的一种挖掘机的结构示意图；
图2为图1所示的挖掘机在不同工作状态下的结构示意图；
图3为本发明一实施例的挖掘机挖掘阻力测量方法的流程图。
附图标记说明：
1-工作平台，2-A型架，3-起重臂，4-斗杆，5-铲斗，6-顶部滑轮，7-绷绳，8-提升钢丝绳，9-测距仪，10-倾角传感器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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。
以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。
参见图1，该附图1示出了本发明一实施例提供的挖掘机挖掘阻力测量方法所适用的一种挖掘机，该挖掘机为常规的矿用挖掘机，包括：工作平台1、A型架2、起重臂3、斗杆4、铲斗5、顶部滑轮6、推压机构、提升机构、绷绳7和提升钢丝绳8等。起重臂3铰接在工作平台1前端，固定长度的绷绳7将起重臂3的头部和工作平台1上的A型架2连接，以将斜置的起重臂3拉住，起重臂3头部安装顶部滑轮6，用以提供提升钢丝绳8的换向。挖掘机在作业时，铲斗5在提升钢丝绳8的提升力和斗杆4的推压力的共同作用下完成对物料的挖掘。
参见图1-3，附图中，点B表示铲斗提梁销所在位置，点G表示推压轴所在位置，点A表示延长线交点，点O1表示顶部滑轮中心，点H表示铲斗斗齿齿尖位置，本发明一实施例提供了一种挖掘机挖掘阻力测量方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1，以起重臂跟脚销所在位置为原点，水平方向和竖直方向中一个为X轴，另一个为Y轴，建立坐标系；
步骤S2，以斗杆处于水平状态下的某个位置为初始位置，确定初始位置下铲斗提梁销与推压轴沿斗杆方向的距离；
步骤S3，在挖掘机工作时，实时获取斗杆的推压力、提升钢丝绳的提升力、斗杆与水平方向的夹角、斗杆相对初始位置的推压行程，以起重臂跟脚销所在位置、铲斗提梁销所在位置、以及第一连线和第二连线的延长线交点构建三角形，基于构建的三角形，以顶部滑轮半径近似代替顶部滑轮中心到延长线交点的距离，利用实时获取的参数实时计算推压力与提升力的夹角，在铲斗斗齿的齿尖位置分别沿斗齿切向和斗齿法向建立推压力、提升力和挖掘阻力的平衡关系，计算铲斗的切向挖掘阻力和法向挖掘阻力，根据切向挖掘阻力和法向挖掘阻力计算挖掘阻力，其中，第一连线表示铲斗提梁销所在位置和提升钢丝绳在顶部滑轮上的切点之间的连线，第二连线表示起重臂跟脚销所在位置和顶部滑轮中心之间的连线。
本发明一实施例提供的挖掘机挖掘阻力测量方法通过在挖掘机工作过程中实时监测挖掘机的推压力、提升力、斗杆倾角和推压行程，并根据挖掘机的实时挖掘轨迹建立三角形模型，以计算确定提升力的方向，进而在铲斗斗齿的齿尖处根据推压力、提升力和挖掘阻力的平衡关系，计算确定挖掘阻力的大小和方向，能够实现挖掘机在不同挖掘轨迹下的挖掘阻力的实时测量，从而通过对比不同挖掘轨迹下的挖掘阻力确定最佳的挖掘轨迹，显著提高挖掘机的工作效率，降低挖掘机的工作能耗。
以下以起重臂跟脚销所在位置为原点O、水平方向为X轴、竖直方向为Y轴建立坐标系为例，对本发明一实施例提供的挖掘机挖掘阻力测量方法的步骤及原理进行具体说明。相对应地，以竖直方向为X轴，水平方向为Y轴建立坐标系时的步骤及原理可以参照下述内容。
由于挖掘机的各个组成部件的结构尺寸和连接关系是确定的，为此，可以在挖掘机开始工作前通过直接测量等方式预先确定起重臂与水平方向的夹角、铲斗提梁销与推压轴沿垂直于斗杆方向的距离、顶部滑轮半径、推压轴所在位置坐标、起重臂跟脚销到顶部滑轮中心的距离、铲斗提梁销与铲斗斗齿齿尖的相对位置、以及斗杆与铲斗斗齿切向或法向的夹角等参数，以便于后续在挖掘机工作时进行挖掘阻力的计算求解。
本发明一实施例中，斗杆在水平状态下的位置可以通过安装在A型架上的测距仪9进行测量。
其中，测距仪9的安装位置可以选择为斗杆处于水平状态时斗杆端部所正对的A型架的位置。
由于初始位置的设定直接影响挖掘阻力的计算求解过程，若在挖掘机工作时，没有准确定位初始位置，即定位的初始位置与实际设定的初始位置存在偏差，则会导致挖掘阻力的计算出现偏差。为此，本发明一实施例中，通过在A型架上安装测距仪，通过测距仪测量斗杆处于水平状态时斗杆端部与测距仪的距离，能够实现斗杆的初始位置的精确定位。具体地，当测距仪测量得到的距离与初始位置对应的距离相同，则表示斗杆处于初始位置。
本发明一实施例中，斗杆与水平方向的夹角通过安装在鞍座上的倾角传感器10进行测量。其中，当斗杆处于水平状态时，倾角传感器10的数值为0。
通过在鞍座上安装倾角传感器，能够准确测出斗杆与水平方向的夹角。
本发明一实施例中，斗杆的推压力利用以下方式获取：
在推压轴上安装扭矩传感器，根据扭矩传感器检测到的扭矩，利用以下公式计算斗杆的推压力；
Figure 815003DEST_PATH_IMAGE024
其中，
Figure 441157DEST_PATH_IMAGE025
表示斗杆的推压力，
Figure 156172DEST_PATH_IMAGE003
表示扭矩，
Figure 791552DEST_PATH_IMAGE004
表示推压小齿轮分度圆半径。
本发明一实施例中，提升钢丝绳的提升力
Figure 682148DEST_PATH_IMAGE026
通过安装在顶部滑轮上的力传感器进 行测量。
进一步地，为了实现提升力的测量，并便于传感器的装配，本发明一实施例中，采用集成有压力传感器的压力测量轴作为顶部滑轮轴，根据压力传感器的检测信号实时计算测量提升力。
本发明一实施例中，斗杆相对初始位置的推压行程利用以下方式获取：
在推压轴上安装旋转编码器，根据旋转编码器输出的脉冲数，利用以下公式计算斗杆相对初始位置的推压行程；
Figure 682465DEST_PATH_IMAGE028
其中，
Figure 556880DEST_PATH_IMAGE029
表示斗杆相对初始位置的推压行程，
Figure 58269DEST_PATH_IMAGE007
表示斗杆从初始位置移动至当前位 置时推压编码器输出的脉冲数，
Figure 334529DEST_PATH_IMAGE030
表示旋转编码器旋转一圈对应的脉冲数，
Figure 505747DEST_PATH_IMAGE009
表示推压小齿 轮转动一圈对应的推压行程。
进一步地，本发明一实施例中，在步骤S3中，以起重臂跟脚销所在位置、铲斗提梁销所在位置、以及第一连线和第二连线的延长线交点构建三角形，基于构建的三角形，以顶部滑轮半径近似代替顶部滑轮中心到延长线交点的距离，利用实时获取的参数实时计算推压力与提升力的夹角，包括以下步骤：
步骤S310，利用实时获取的参数实时计算铲斗提梁销到起重臂跟脚销的距离、铲斗提梁销和起重臂跟脚销之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的夹角；
步骤S320，以起重臂跟脚销所在位置、铲斗提梁销所在位置、以及延长线交点构建三角形，基于构建的三角形，以顶部滑轮半径近似代替顶部滑轮中心到延长线交点的距离，利用铲斗提梁销到起重臂跟脚销的距离、铲斗提梁销和起重臂跟脚销之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的夹角、实时获取的参数实时计算提升钢丝绳与起重臂的夹角；
步骤S330，利用提升钢丝绳与起重臂的夹角、实时获取的参数实时计算推压力与提升力的夹角。
具体地，本发明一实施例中，在步骤S310中，铲斗提梁销到起重臂跟脚销的距离利用以下公式计算；
Figure 867459DEST_PATH_IMAGE032
铲斗提梁销和起重臂跟脚销之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的夹角利用以下公式计算；
Figure 579063DEST_PATH_IMAGE034
其中，
Figure 772147DEST_PATH_IMAGE035
表示铲斗提梁销到起重臂跟脚销的距离，
Figure 176583DEST_PATH_IMAGE037
表示铲斗提梁销和起重臂 跟脚销之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的夹角，
Figure 963274DEST_PATH_IMAGE013
表示起重臂与水平 方向的夹角，
Figure 478569DEST_PATH_IMAGE039
表示铲斗提梁销所在位置坐标。
铲斗提梁销所在位置坐标
Figure 791738DEST_PATH_IMAGE040
可以利用以下公式计算；
Figure 367076DEST_PATH_IMAGE042
其中，
Figure 437800DEST_PATH_IMAGE043
表示推压轴所在位置坐标，
Figure 694469DEST_PATH_IMAGE045
表示铲斗提梁销到推压轴的距离，
Figure 799828DEST_PATH_IMAGE014
表 示斗杆与水平方向的夹角，
Figure 608384DEST_PATH_IMAGE046
表示铲斗提梁销和推压轴之间的连线与斗杆方向的夹角，当 斗杆向上转动时，斗杆与水平方向的夹角取为负值，当斗杆向下转动时，斗杆与水平方向的 夹角取为正值。
铲斗提梁销到推压轴的距离
Figure 166405DEST_PATH_IMAGE048
可以利用以下公式计算；
Figure 226765DEST_PATH_IMAGE050
铲斗提梁销和推压轴之间的连线与斗杆方向的夹角
Figure 780106DEST_PATH_IMAGE046
可以利用以下公式计算；
Figure 900509DEST_PATH_IMAGE052
其中，
Figure 539300DEST_PATH_IMAGE053
表示初始位置下铲斗提梁销与推压轴沿斗杆方向的距离，
Figure 137772DEST_PATH_IMAGE006
表示斗杆相 对初始位置的推压行程，b表示铲斗提梁销与推压轴沿垂直于斗杆方向的距离。
本发明一实施例中，步骤S320中，基于构建的三角形，以顶部滑轮半径近似代替顶部滑轮中心到延长线交点的距离，利用铲斗提梁销到起重臂跟脚销的距离、铲斗提梁销和起重臂跟脚销之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的夹角、实时获取的参数实时计算提升钢丝绳与起重臂的夹角，进一步包括以下步骤：
步骤S321，以顶部滑轮半径近似代替顶部滑轮中心到延长线交点的距离，确定起重臂跟脚销到延长线交点的第一距离近似值，根据起重臂跟脚销到延长线交点的第一距离近似值、铲斗提梁销到起重臂跟脚销的距离、铲斗提梁销和起重臂跟脚销之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的夹角，利用三角形余弦定理计算铲斗提梁销到延长线交点的第一距离近似值。
具体地，铲斗提梁销到延长线交点的第一距离近似值利用以下公式计算：
Figure 952144DEST_PATH_IMAGE055
其中，
Figure 633661DEST_PATH_IMAGE057
表示铲斗提梁销到延长线交点的第一距离近似值，
Figure 369536DEST_PATH_IMAGE058
表示铲斗提梁销 到起重臂跟脚销的距离，
Figure 896332DEST_PATH_IMAGE060
表示起重臂跟脚销到延长线交点的第一距离近似值，
Figure 565211DEST_PATH_IMAGE062
，
Figure 824154DEST_PATH_IMAGE063
表示起重臂跟脚销到顶部滑轮中心的距离，
Figure 781746DEST_PATH_IMAGE064
表示顶部滑轮半径，
Figure 784337DEST_PATH_IMAGE065
表示铲斗提梁销和起重臂跟脚销之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的 夹角。
步骤S322，根据铲斗提梁销到起重臂跟脚销的距离、铲斗提梁销到延长线交点的第一距离近似值、铲斗提梁销和起重臂跟脚销之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的夹角，利用三角形正弦定理计算铲斗提梁销和延长线交点之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的第一夹角近似值。
具体地，铲斗提梁销和延长线交点之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的第一夹角近似值利用以下公式计算：
Figure 635618DEST_PATH_IMAGE067
其中，
Figure 331042DEST_PATH_IMAGE035
表示铲斗提梁销到起重臂跟脚销的距离，
Figure 510350DEST_PATH_IMAGE069
表示铲斗提梁销和延长线 交点之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的第一夹角近似值，
Figure 51053DEST_PATH_IMAGE056
表示铲 斗提梁销到延长线交点的第一距离近似值，
Figure 960103DEST_PATH_IMAGE070
表示铲斗提梁销和起重臂跟脚销之间的连 线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的夹角。
步骤S323，根据铲斗提梁销和延长线交点之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的第一夹角近似值、顶部滑轮半径，利用三角形正弦函数计算顶部滑轮中心到延长线交点的距离近似值。
具体地，顶部滑轮中心到延长线交点的距离近似值利用以下公式计算；
Figure 888745DEST_PATH_IMAGE072
其中，
Figure 820929DEST_PATH_IMAGE074
表示顶部滑轮中心到延长线交点的距离近似值。
步骤S324，根据顶部滑轮中心到延长线交点的距离近似值，确定起重臂跟脚销到延长线交点的第二距离近似值，根据起重臂跟脚销到延长线交点的第二距离近似值、铲斗提梁销到起重臂跟脚销的距离、铲斗提梁销和起重臂跟脚销之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的夹角，利用三角形余弦定理计算铲斗提梁销到延长线交点的第二距离近似值。
具体地，铲斗提梁销到延长线交点的第二距离近似值利用以下公式计算：
Figure 165323DEST_PATH_IMAGE076
其中，
Figure 256775DEST_PATH_IMAGE078
表示铲斗提梁销到延长线交点的第二距离近似值，
Figure 966105DEST_PATH_IMAGE035
表示铲斗提梁销 到起重臂跟脚销的距离，
Figure 447902DEST_PATH_IMAGE080
表示起重臂跟脚销到延长线交点的第二距离近似值，
Figure 330408DEST_PATH_IMAGE082
，
Figure 10788DEST_PATH_IMAGE083
表示起重臂跟脚销到顶部滑轮中心的距离，
Figure 218915DEST_PATH_IMAGE084
表示顶部滑轮中心到 延长线交点的距离近似值，
Figure 860112DEST_PATH_IMAGE085
表示铲斗提梁销和起重臂跟脚销之间的连线与起重臂跟脚 销和延长线交点之间的连线的夹角。
步骤S325，根据铲斗提梁销到起重臂跟脚销的距离、铲斗提梁销到延长线交点的第二距离近似值、铲斗提梁销和起重臂跟脚销之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的夹角，利用三角形正弦定理计算铲斗提梁销和延长线交点之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的第二夹角近似值作为提升钢丝绳与起重臂的夹角。
具体地，铲斗提梁销和延长线交点之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的第二夹角近似值利用以下公式计算：
Figure 546308DEST_PATH_IMAGE087
其中，
Figure 364352DEST_PATH_IMAGE088
表示铲斗提梁销到起重臂跟脚销的距离，
Figure 477802DEST_PATH_IMAGE089
表示铲斗提梁销和延长 线交点之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的第二夹角近似值，即提升钢 丝绳与起重臂的夹角，
Figure 606295DEST_PATH_IMAGE091
表示铲斗提梁销到延长线交点的第二距离近似值，
Figure 830603DEST_PATH_IMAGE092
表示铲斗 提梁销和起重臂跟脚销之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的夹角。
本发明一实施例中，步骤S330中，计算推压力与提升力的夹角利用以下公式计算；
Figure 423258DEST_PATH_IMAGE094
其中，
Figure 35505DEST_PATH_IMAGE095
表示推压力与提升力的夹角。
进一步地，本发明一实施例中，将挖掘机的推压力和提升力转移到铲斗斗齿的齿尖，在铲斗斗齿的齿尖位置分别沿斗齿切向和斗齿法向建立推压力、提升力和挖掘阻力的平衡关系。
具体地，推压力、提升力和挖掘阻力的平衡关系表示为：
Figure 713611DEST_PATH_IMAGE097
其中，
Figure 679293DEST_PATH_IMAGE002
表示斗杆的推压力，
Figure 126455DEST_PATH_IMAGE019
表示提升钢丝绳的提升力，
Figure 581707DEST_PATH_IMAGE020
表示铲斗的切向挖掘 阻力，
Figure 809426DEST_PATH_IMAGE021
表示铲斗的法向挖掘阻力，
Figure 641116DEST_PATH_IMAGE022
表示斗杆与铲斗斗齿切向的夹角。
根据上述的平衡关系，可以直接计算得到铲斗的切向挖掘阻力和法向挖掘阻力。
进一步地，根据铲斗的切向挖掘阻力和法向挖掘阻力，可以利用以下公式计算挖掘阻力的大小和方向；
Figure DEST_PATH_IMAGE099
Figure DEST_PATH_IMAGE101
其中，
Figure 473942DEST_PATH_IMAGE102
表示挖掘阻力，
Figure DEST_PATH_IMAGE103
表示挖掘阻力与铲斗斗齿切向的夹角。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种挖掘机挖掘阻力测量方法，其特征在于，包括：
以起重臂跟脚销所在位置为原点，水平方向和竖直方向中一个为X轴，另一个为Y轴，建立坐标系；
以斗杆处于水平状态下的某个位置为初始位置，确定初始位置下铲斗提梁销与推压轴沿斗杆方向的距离；
在挖掘机工作时，实时获取斗杆的推压力、提升钢丝绳的提升力、斗杆与水平方向的夹角、斗杆相对初始位置的推压行程，以起重臂跟脚销所在位置、铲斗提梁销所在位置、以及第一连线和第二连线的延长线交点构建三角形，基于构建的三角形，以顶部滑轮半径近似代替顶部滑轮中心到延长线交点的距离，利用实时获取的参数实时计算推压力与提升力的夹角，在铲斗斗齿的齿尖位置分别沿斗齿切向和斗齿法向建立推压力、提升力和挖掘阻力的平衡关系，计算铲斗的切向挖掘阻力和法向挖掘阻力，根据切向挖掘阻力和法向挖掘阻力计算挖掘阻力，其中，第一连线表示铲斗提梁销所在位置和提升钢丝绳在顶部滑轮上的切点之间的连线，第二连线表示起重臂跟脚销所在位置和顶部滑轮中心之间的连线。
2.根据权利要求1所述的挖掘机挖掘阻力测量方法，其特征在于，斗杆在水平状态下的位置通过安装在A型架上的测距仪进行测量。
3.根据权利要求1所述的挖掘机挖掘阻力测量方法，其特征在于，斗杆与水平方向的夹角通过安装在鞍座上的倾角传感器进行测量。
4.根据权利要求1所述的挖掘机挖掘阻力测量方法，其特征在于，斗杆的推压力利用以下方式获取：
在推压轴上安装扭矩传感器，根据扭矩传感器检测到的扭矩，利用以下公式计算斗杆的推压力；
Figure 716458DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 836860DEST_PATH_IMAGE002
表示斗杆的推压力，
Figure 210073DEST_PATH_IMAGE003
表示扭矩，
Figure 605282DEST_PATH_IMAGE004
表示推压小齿轮分度圆半径。
5.根据权利要求1所述的挖掘机挖掘阻力测量方法，其特征在于，提升钢丝绳的提升力通过安装在顶部滑轮上的力传感器进行测量。
6.根据权利要求1所述的挖掘机挖掘阻力测量方法，其特征在于，斗杆相对初始位置的推压行程利用以下方式获取：
在推压轴上安装旋转编码器，根据旋转编码器输出的脉冲数，利用以下公式计算斗杆相对初始位置的推压行程；
Figure 685234DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 710958DEST_PATH_IMAGE006
表示斗杆相对初始位置的推压行程，
Figure 243571DEST_PATH_IMAGE007
表示斗杆从初始位置移动至当前位置时 推压编码器输出的脉冲数，
Figure 770367DEST_PATH_IMAGE008
表示旋转编码器旋转一圈对应的脉冲数，
Figure 908087DEST_PATH_IMAGE009
表示推压小齿轮转 动一圈对应的推压行程。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的挖掘机挖掘阻力测量方法，其特征在于，所述以起重臂跟脚销所在位置、铲斗提梁销所在位置、以及第一连线和第二连线的延长线交点构建三角形，基于构建的三角形，以顶部滑轮半径近似代替顶部滑轮中心到延长线交点的距离，利用实时获取的参数实时计算推压力与提升力的夹角，包括：
利用实时获取的参数实时计算铲斗提梁销到起重臂跟脚销的距离、铲斗提梁销和起重臂跟脚销之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的夹角；
以起重臂跟脚销所在位置、铲斗提梁销所在位置、以及延长线交点构建三角形，基于构建的三角形，以顶部滑轮半径近似代替顶部滑轮中心到延长线交点的距离，利用铲斗提梁销到起重臂跟脚销的距离、铲斗提梁销和起重臂跟脚销之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的夹角、实时获取的参数实时计算提升钢丝绳与起重臂的夹角；
利用提升钢丝绳与起重臂的夹角、实时获取的参数实时计算推压力与提升力的夹角。
8.根据权利要求7所述的挖掘机挖掘阻力测量方法，其特征在于，所述基于构建的三角形，以顶部滑轮半径近似代替顶部滑轮中心到延长线交点的距离，利用铲斗提梁销到起重臂跟脚销的距离、铲斗提梁销和起重臂跟脚销之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的夹角、实时获取的参数实时计算提升钢丝绳与起重臂的夹角，包括：
以顶部滑轮半径近似代替顶部滑轮中心到延长线交点的距离，确定起重臂跟脚销到延长线交点的第一距离近似值，根据起重臂跟脚销到延长线交点的第一距离近似值、铲斗提梁销到起重臂跟脚销的距离、铲斗提梁销和起重臂跟脚销之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的夹角，利用三角形余弦定理计算铲斗提梁销到延长线交点的第一距离近似值；
根据铲斗提梁销到起重臂跟脚销的距离、铲斗提梁销到延长线交点的第一距离近似值、铲斗提梁销和起重臂跟脚销之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的夹角，利用三角形正弦定理计算铲斗提梁销和延长线交点之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的第一夹角近似值；
根据铲斗提梁销和延长线交点之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的第一夹角近似值、顶部滑轮半径，利用三角形正弦函数计算顶部滑轮中心到延长线交点的距离近似值；
根据顶部滑轮中心到延长线交点的距离近似值，确定起重臂跟脚销到延长线交点的第二距离近似值，根据起重臂跟脚销到延长线交点的第二距离近似值、铲斗提梁销到起重臂跟脚销的距离、铲斗提梁销和起重臂跟脚销之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的夹角，利用三角形余弦定理计算铲斗提梁销到延长线交点的第二距离近似值；
根据铲斗提梁销到起重臂跟脚销的距离、铲斗提梁销到延长线交点的第二距离近似值、铲斗提梁销和起重臂跟脚销之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的夹角，利用三角形正弦定理计算铲斗提梁销和延长线交点之间的连线与起重臂跟脚销和延长线交点之间的连线的第二夹角近似值作为提升钢丝绳与起重臂的夹角。
9.根据权利要求7所述的挖掘机挖掘阻力测量方法，其特征在于，利用以下公式实时计算提升力与推压力的夹角；
Figure 167030DEST_PATH_IMAGE010
其中，
Figure 249256DEST_PATH_IMAGE011
表示提升力与推压力的夹角，
Figure 251847DEST_PATH_IMAGE012
表示起重臂与水平方向的夹角，
Figure 978495DEST_PATH_IMAGE013
表示斗杆与水 平方向的夹角，
Figure 673918DEST_PATH_IMAGE014
表示提升钢丝绳与起重臂的夹角。
10.根据权利要求9所述的挖掘机挖掘阻力测量方法，其特征在于，推压力、提升力和挖掘阻力的平衡关系为：
Figure 243440DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 784142DEST_PATH_IMAGE002
表示斗杆的推压力，
Figure 630876DEST_PATH_IMAGE016
表示提升钢丝绳的提升力，
Figure 231621DEST_PATH_IMAGE017
表示铲斗的切向挖掘阻 力，
Figure 288439DEST_PATH_IMAGE018
表示铲斗的法向挖掘阻力，
Figure 632833DEST_PATH_IMAGE019
表示斗杆与铲斗斗齿切向的夹角。
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