CN116562438A - 一种挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法及倾翻预警系统 - Google Patents

一种挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法及倾翻预警系统 Download PDF

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CN116562438A CN202310493027.8A CN202310493027A CN116562438A CN 116562438 A CN116562438 A CN 116562438A CN 202310493027 A CN202310493027 A CN 202310493027A CN 116562438 A CN116562438 A CN 116562438A
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张乐涛
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Abstract

本发明公开了一种挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法及系统，属于挖掘机控制技术领域。方法包括：当挖掘机工作方式为斜坡挖掘作业，获取挖掘机所处斜坡的倾斜角度；基于所述倾斜角度获取挖掘机重心位置以及挖掘机重力在垂直于斜坡方向上的第一分力；获取挖掘机的实际倾翻力矩，并基于所述挖掘机重心位置以及挖掘机重力的第一分力，获取挖掘机的稳定力矩；至少根据所述稳定力矩与所述实际倾翻力矩的大小关系判断当前工作方式下挖掘机是否会倾翻。倾翻预警系统则提供了倾翻预测方法时间的结构基础。本发明能够实现对挖掘机在斜坡作业时是否会发生倾翻情形的预测，提升倾翻预测的准确度，保障挖掘机斜坡作业时的安全稳定性。

Description

一种挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法及倾翻预警系统
技术领域
本发明涉及一种挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法及倾翻预警系统，属于挖掘机控制技术领域。
背景技术
挖掘机作为多用途土石方施工机械，在市政工程、矿山开采、水利电力方面应用广泛。对挖掘机而言，斜坡作业是较为复杂的多复合动作，也是其最基本的功能，是评价挖掘机作业能力不可或缺的一部分。
斜坡作业易出现失稳现象，特别是斜坡回转时挖掘机失稳将发生倾翻，轻则损坏挖掘机、破坏施工现场进而影响施工进度，重则会在场施工人员造成生命危险，因此保障挖掘机斜坡作业安全平稳是非常有必要的。
现有技术中挖掘机作业稳定性的计算方法多用于平地作业，不适用斜坡作业，即使目前也有提出重心范围预警的方法，但因其计算较为粗略，与实际重心位置误差较大，对预防挖掘机斜坡作业倾翻的技术指导意义小。
发明内容
本发明的目的是，提供一种挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法及倾翻预警系统，实现对挖掘机在斜坡作业时是否会发生倾翻的预测，提升倾翻预测的准确度，保障挖掘机斜坡作业时的安全性。本发明是通过以下技术方案实现的。
第一方面，本发明提供一种挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法，包括：当挖掘机工作方式为斜坡挖掘作业：
获取挖掘机所处斜坡的倾斜角度；
基于所述倾斜角度获取挖掘机重心位置以及挖掘机重力在垂直于斜坡方向上的第一分力；
获取挖掘机的实际倾翻力矩，并基于所述挖掘机重心位置以及挖掘机重力的第一分力，获取挖掘机的稳定力矩；
至少根据所述稳定力矩与所述实际倾翻力矩的大小关系判断当前工作方式下挖掘机是否会倾翻。
以上技术方案提供了挖掘机在斜坡挖掘作业时，是否存在倾翻风险的判断思路。
进一步的，本发明还研究了挖掘机在斜坡作业时的回转能力影响因素，具体的，本发明方法还包括：当挖掘机工作方式为斜坡满斗回转作业：
获取挖掘机所处斜坡的倾斜角度以及挖掘机回转马达额定输出扭矩；
根据所述挖掘机回转马达额定输出扭矩获取挖掘机斜坡满斗回转对应的最大斜坡倾斜角度；
根据所述挖掘机所处斜坡倾斜角度与所述最大斜坡倾斜角度的大小关系，判断挖掘机满斗回转作业是否能够完成。
可选的，所述挖掘机斜坡满斗回转对应的最大斜坡倾斜角度θ′根据以下公式计算：
T＞(M1+ρgVr)rcsinθ'；
式中，T为挖掘机回转马达额定输出扭矩；M1为上车质量；ρ为物料密度；g为重力加速度；Vr为额定斗容量；rc为上车重心到挖掘机回转中心的距离。
当挖掘机以满斗状态在斜坡上进行回转作业时，根据以上公式能够获知挖掘机在该满斗状态下能倾斜的最大角度范围，从而提前判断该满斗状态下的挖掘机是否能在既定的斜坡上进行并完成回转作业，能够实现挖掘机斜坡作业时回转能力的预测。
可选的，本发明方法还包括，当挖掘机工作方式为斜坡回转作业，且为空载回转作业：
根据挖掘机所处斜坡的倾斜角度θ以及重心位置计算挖掘机上车重心到挖掘机回转中心的距离，并将其作为挖掘机的空载回转作业范围，公式表示为：
式中，T为挖掘机回转马达额定输出扭矩；M1为上车质量。
通过以上技术方案，本发明能够在挖掘机处于既定倾斜角度的斜坡时，实时获得挖掘机斜坡空载回转的作业范围，为司机的操作提供参考。
可选的，所述基于所述倾斜角度获取挖掘机重心位置，包括：
获取挖掘机的斜坡回转角度、动臂姿态、斗杆姿态以及铲斗姿态信息；
根据斜坡倾斜角度、斜坡回转角度、动臂姿态、斗杆姿态以及铲斗姿态信息，获取挖掘机斜坡作业姿态信息；
根据所述挖掘机斜坡作业姿态信息获得挖掘机重心位置。
以上可选的实施方式，通过结合斜坡倾斜角度以及挖掘机各部件的实时姿态信息可以得出挖掘机实时且精确的重心位置，从而能够实现对挖掘机斜坡作业倾翻风险的精准判断。
可选的，所述获取挖掘机的斜坡回转角度、动臂姿态、斗杆姿态以及铲斗姿态信息，包括：
根据回转支承转角确定挖掘机的斜坡回转角度；
根据斜坡倾斜角度以及动臂油缸位置确定动臂姿态信息；
根据斗杆油缸位置以及动臂油缸位置确定斗杆姿态信息；
根据铲斗油缸位置以及斗杆油缸位置确定铲斗姿态信息。
可选的，所述获取挖掘机的实际倾翻力矩，并基于挖掘机重心位置以及挖掘机重力在垂直于斜坡方向上的第一分力，获取挖掘机的稳定力矩，包括：
根据挖掘机当前挖掘模式确定履带倾翻线的位置；
获取所述挖掘机重心位置到所述履带倾翻线的距离h；
所述挖掘机斜坡作业的稳定力矩为所述距离h与挖掘机整机重力的第一分力的乘积；
获取挖掘机斜坡作业输出力F及其作用点到履带倾翻线的距离l；
所述挖掘机斜坡作业的实际倾翻力矩为所述输出力F与所述距离l的乘积，
可选的，所述获取挖掘机斜坡作业输出力F，包括：
获取动臂油缸大腔及小腔压力、斗杆油缸大腔及小腔压力、铲斗油缸大腔及小腔压力，以及相应的活塞承压面积；
根据所获取的数据计算动臂、斗杆、铲斗的输出力；
根据所述动臂、斗杆、铲斗的输出力，挖掘机斜坡作业姿态以及挖掘机结构数据计算挖掘机斜坡作业输出力F。
以上可选的实施方式中，所述挖掘机结构数据即挖掘机斗杆、铲斗的铰链、四杆机构等连接结构关系，根据挖掘机姿态、结构关系以及各油缸的输出力，可以通过受力转化计算得到挖掘机的作业输出力，具体推导计算过程可采用现有技术，不予赘述。
可选的，所述至少根据所述稳定力矩与所述实际倾翻力矩的大小关系判断当前工作方式下挖掘机是否会倾翻，包括：
判断是否同时满足以下三个条件，若同时满足，则判断为当前工作方式下挖掘机不会倾翻：
条件一：所述稳定力矩大于所述实际倾翻力矩；
条件二：挖掘机重心位置处于履带各侧边线围成的区域内；
条件三：挖掘机整机重力在所处斜坡上的第一分力乘以地面与履带的摩擦系数，大于挖掘机整机重力在所处斜坡上的第二分力与上车回转运动的合力；
其中，所述第二分力的方向平行于斜坡方向。
当挖掘机斜坡作业同时满足这三个条件时，可以保证即使在挖掘机当前作业有回转趋势的情况下，挖掘机在斜坡上也不会发生倾翻、侧翻或者滑移，能够进一步保障挖掘机在斜坡上作业的安全与稳定。可选的，判断是否满足所述条件一，包括：
根据所述挖掘机斜坡作业稳定力矩与实际倾翻力矩，计算稳定系数K，公式为：
式中，M1为上车质量；M2为下车质量；g为重力加速度；h为挖掘机重心位置到履带倾翻线的距离；θ为斜坡倾斜角度；F为挖掘机斜坡作业输出力；l为输出力作用点到履带倾翻线的距离；
判断是否满足K>1，若是则满足所述条件一。
可选的，所述条件三中，上车回转运动力表示为：
Fc＝M1a+Jα/rc+Mr/rc；
式中，rc为上车重心到挖掘机回转中心的距离；a为上车加速度；α为上车角加速度，且α＝a/rc；J为上车转动惯量；Mr为回转摩擦阻力矩；
所述条件三表示为：
(M1+M2)gsinθ+Fc＜μ(M1+M2)gcosθ；
式中，μ为地面与履带的摩擦系数。
可选的，挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法还包括，若判断结果为挖掘机当前工作方式下会倾翻，则输出报警信号，即实现了可能倾翻时的预警，能够保障外界及时获知挖掘机有倾翻风险从而及时作出应对措施。
第二方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现第一方面所述的挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法。
第三方面，本发明还提供了一种挖掘机斜坡作业的倾翻预测系统，包括：
挖掘机斜坡作业姿态信息采集模块，用于采集挖掘机斜坡作业姿态信息并输出，所述挖掘机斜坡作业姿态信息用于计算挖掘机重心位置；
挖掘机斜坡作业输出力测量模块，用于测量挖掘机斜坡作业执行机构状态信息并输出，所述挖掘机斜坡作业执行机构状态信息用于计算挖掘机斜坡作业输出力；
判断预警模块，用于根据挖掘机斜坡作业姿态信息采集模块和挖掘机斜坡作业输出力测量模块输出的数据，采用第一方面所述的挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法进行挖掘机当前工作方式下的倾翻预测，并根据倾翻预测结果输出预警信号。
可选的，所述挖掘机斜坡作业姿态信息采集模块包括：倾角传感器、陀螺仪以及多个位移传感器；
所述倾角传感器及陀螺仪分别设置在挖掘机回转支承上，分别用于采集挖掘机所处斜坡的倾斜角度及挖掘机斜坡回转角度；
挖掘机动臂油缸上设有第一位移传感器，用于采集动臂油缸位置，所述动臂油缸位置用于确定动臂姿态；
挖掘机斗杆油缸上设有第二位移传感器，用于采集斗杆油缸位置，所述斗杆油缸位置用于确定斗杆姿态；
挖掘机铲斗油缸上设有第三位移传感器，用于采集铲斗油缸位置，所述铲斗油缸位置用于确定铲斗姿态。
通过采集到的倾角传感器和位移传感器的信号，可以准确地得知挖掘机当前姿态信息，进而得出较为精确的重心位置，为所述稳定系数K的计算减小误差，为进一步减少挖掘机倾翻状况的发生提供了支持。
可选的，所述挖掘机斜坡作业输出力测量模块包括：多个压力传感器；
挖掘机动臂油缸大腔中设有第一压力传感器，用于采集动臂油缸大腔压力；
挖掘机动臂油缸小腔中设有第二压力传感器，用于采集动臂油缸小腔压力；
挖掘机斗杆油缸大腔中设有第三压力传感器，用于采集斗杆油缸大腔压力；
挖掘机斗杆油缸小腔中设有第四压力传感器，用于采集斗杆油缸小腔压力；
挖掘机铲斗油缸大腔中设有第五压力传感器，用于采集铲斗油缸大腔压力；
挖掘机铲斗油缸小腔中设有第六压力传感器，用于采集铲斗油缸小腔压力；
所述动臂油缸大小腔压力、斗杆油缸大小腔压力以及铲斗油缸大小腔压力分别用于计算挖掘机动臂油缸输出力、挖掘机斗杆油缸输出力以及挖掘机铲斗油缸输出力；
所述挖掘机动臂油缸输出力、挖掘机斗杆油缸输出力以及挖掘机铲斗油缸输出力用于计算挖掘机作业输出力F。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
1、通过获取与对比挖掘机斜坡作业实际倾翻力矩和稳定力矩，以及挖掘机斜坡满斗回转时能作业的最大斜坡倾斜角度与当前斜坡倾斜角度，提供了适用于挖掘机斜坡作业的稳定性判断思路，解决了现有技术中没有针对挖掘机斜坡作业的倾翻风险预测方案的缺陷，能够提高挖掘机在斜坡上作业的安全性；
2、通过获取挖掘机作业时各部件的姿态信息，再结合挖掘机当前所处斜坡倾角和上车回转角度，可以精确地依据挖掘机当前姿态信息得出其重心位置，解决了现有技术中对挖掘机重心位置计算粗略误差较大的问题，保障了挖掘机斜坡作业稳定性判断的精确度；
3、结合挖掘机重心位置与倾翻线之间的关系，并考虑溜坡滑移情形提出了进一步保障挖掘机斜坡作业不发生倾翻的条件，并能够避免挖掘机斜坡作业时发生滑移，进一步保障了斜坡作业的安全性
4、针对斜坡回转作业工况，考虑满斗回转及空斗回转情形，分别提出了挖掘机满斗回转能力和空载回转作业范围的确定思路，可在挖掘机斜坡回转作业时为司机提供控制参考，进一步保障挖掘机斜坡作业的安全稳定性。
附图说明
图1(a)、图1(b)、图1(c)、图1(d)所示分别为挖掘机斜坡作业方式为纵向挖掘作业、横向挖掘作业、纵向破碎作业、横向破碎作业时的实际履带倾翻力矩示意图；
图2所示为本发明的一种实施例中在挖掘机斜坡作业的一种工况下的斜坡稳定性系数计算示意图；
图3所示为本发明的一种实施例中挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法的流程示意图。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，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”等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，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的技术构思为：考虑挖掘机斜坡挖掘作业下影响倾翻的因素，在挖掘作业时，根据挖掘机斜坡作业时所处斜坡的倾斜角度，结合挖掘机的实施姿态，计算挖掘机实时重心位置，并根据挖掘机在斜坡上的实际工作方式确定履带倾翻线，进而确定挖掘机斜坡作业时的稳定力矩及倾翻力矩，并根据两者之间的关系判断是否会发生倾翻，以能够在挖掘机可能倾翻时及时预警。
实施例1
(一)、基于上述技术构思，本实施例提供了一种挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法，具体实现如下。
当挖掘机工作方式为斜坡挖掘作业，挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法可采用以下步骤：
S11，获取挖掘机当前所处斜坡的倾斜角度；
S12，基于所述倾斜角度获取挖掘机重心位置以及挖掘机重力在斜坡上的第一分力；
S13，获取挖掘机的实际倾翻力矩，并基于所述挖掘机重心位置以及挖掘机重力在垂直于斜坡方向上的第一分力，获取挖掘机的稳定力矩；
S14，至少根据所述稳定力矩与所述实际倾翻力矩的大小关系判断当前工作方式下挖掘机是否会倾翻。
步骤S11中，本实施例可通过在回转支承上上安装陀螺仪获取斜坡倾斜角度。
步骤S12中，本实施例获取挖掘机重心位置可采用以下步骤：
S121，获取挖掘机的斜坡回转角度、动臂姿态、斗杆姿态以及铲斗姿态信息，具体包括：
根据回转支承转角确定挖掘机的斜坡回转角度；
根据所述斜坡倾角以及动臂油缸位置确定动臂姿态信息；
根据斗杆油缸位置以及动臂油缸位置确定斗杆姿态信息；
根据铲斗油缸位置以及斗杆油缸位置确定铲斗姿态信息
S122，根据所述斜坡倾斜角度、斜坡回转角度、动臂姿态、斗杆姿态以及铲斗姿态信息，获取挖掘机斜坡作业姿态信息；
S123，根据所述挖掘机斜坡作业姿态信息获得挖掘机重心位置，具体包括：
步骤S13中，获取挖掘机的实际倾翻力矩，并基于所述挖掘机重心位置以及挖掘机重力在垂直于斜坡方向上的第一分力，获取挖掘机的稳定力矩，具体包括：
S131，根据挖掘机当前挖掘模式确定履带倾翻线的位置；
S132，获取所述挖掘机重心位置到所述履带倾翻线的距离h，所述挖掘机斜坡作业的实际倾翻力矩为所述距离h与挖掘机整机重力在所处斜坡上的第一分力的乘积；
S133，获取挖掘机斜坡作业输出力F及其作用点到履带倾翻线的距离l；所述挖掘机斜坡作业稳定力矩为所述输出力F与所述距离l的乘积。
上述步骤S133中，获取挖掘机斜坡作业输出力F的方法包括：
获取动臂油缸大腔及小腔压力、斗杆油缸大腔及小腔压力、铲斗油缸大腔及小腔压力，以及相应的活塞承压面积；
根据所获取的数据计算动臂、斗杆、铲斗的输出力，以及挖掘机结构数据计算挖掘机斜坡作业输出力F。挖掘机结构数据即挖掘机斗杆、铲斗的铰链、四杆机构等连接结构关系，根据挖掘机姿态、结构关系以及各油缸的输出力，可以通过受力转化计算得到挖掘机的作业输出力。
在根据挖掘机当前挖掘模式确定履带倾翻线的位置时，可首先通过挖掘机手柄输出曲线或脚踏输出曲线获得挖掘机当前作业方式，通过陀螺仪获取履带与上车相对姿态，根据二者获得挖掘机当前挖掘模式进而确定履带倾翻线的位置。
参考图1(a)至图1(d)所示，不同作业方式下，履带倾翻线可能为履带侧边线或者履带前、后边线。如图1(a)，纵向挖掘作业时，输出力为铲斗挖掘力，倾翻力臂为铲斗切削刃到履带倾翻线的距离；如图1(b)，横向挖掘作业时，输出力为铲斗挖掘力，倾翻力臂为铲斗切削刃到履带倾翻线的距离；如图1(c)，纵向破碎作业时，输出力为破碎力，倾翻力臂为破碎锤到履带倾翻线的距离；如图1(d)，横向破碎作业时，输出力为破碎力，倾翻力臂为破碎锤到履带倾翻线的距离。
图2示出了挖掘作业方式下的一种斜坡作业状态示意图，其中，根据挖掘机动臂斗杆铲斗姿态可确定图中的前履带倾翻线为实际履带倾翻线，挖掘机重心位置到履带倾翻线的距离hy，将距离hy与挖掘机整机重力在所处斜坡上的垂直于斜坡方向的第一分力相乘就能得到挖掘机斜坡作业的稳定力矩。若挖掘机斜坡作业输出力F，其作用点到履带倾翻线之间的距离l，将挖掘机斜坡作业输出力F与距离l相乘就能得到挖掘机斜坡作业的实际倾翻力矩。
本实施例的步骤S14在实际进行倾翻预测时，所考虑的判断条件有：
条件一：稳定力矩大于实际倾翻力矩；
条件二：挖掘机重心位置处于履带各侧边线围成的区域内；
条件三：挖掘机整机重力在所处斜坡上的第一分力乘以地面与履带的摩擦系数，大于挖掘机整机重力在平行于斜坡方向的第二分力与上车回转运动的合力。
针对条件一判断的实现，挖掘机斜坡作业稳定力矩与实际倾翻力矩之间的大小关系，可以用两者的比值来表示，本实施例将其定义为稳定系数，表示为：
式中，M1为上车质量；M2为下车质量；g为重力加速度；hy为挖掘机当前重心位置到履带前边倾翻线的距离；θ为斜坡倾斜角度；F为挖掘机斜坡作业输出力；l为输出力作用点到履带倾翻线的距离；
当K>1时即代表稳定力矩大于实际倾翻力矩，此时挖掘机没有倾翻风险，同时可以认为当K<＝1时，挖掘机存在倾翻的可能性，需要采取相应的防止倾翻的措施。
本实施例中，挖掘机斜坡作业的稳定性判断不止考虑满足不发生倾翻这一个条件，还考虑是否不发生侧翻以及不发生滑移，以能够更好地保障斜坡作业的稳定性，使得上述稳定系数K的判断有意义。
为了保证挖掘机在斜坡上不发生侧翻，本实施例提出条件二：挖掘机重心位置应当处于履带各侧边线围成的区域内。以图2为例，应当在满足hy＞0的同时满足hx>0，即挖掘机重心位置到每侧履带侧边线的距离均要大于0，该条件的判断可通过重心位置坐标与各履带侧边线坐标之间的关系实现。
针对上述条件三，为了保证挖掘机斜坡作业不发生滑移，挖掘机整机重力在垂直于斜坡方向的第一分力乘以地面与履带的摩擦系数，应当大于挖掘机整机重力在平行于斜坡方向的第二分力与上车回转运动的合力。
挖掘机有回转趋势时，会对挖掘机整机重力在所处斜坡上的第二分力造成影响，若回转力与第二分力方向一致，则为正，若回转力与第二分力方向相反，则为负。可根据回转支承上的陀螺仪判断回转方向，加速度传感器获得上车回转的加速度a，上车回转运动方程为：
Fc＝M1a+Jα/rc+Mr/rc；
式中，Fc表示上车回转云动力，rc为上车重心到挖掘机回转中心的距离；a为上车加速度；α为上车角加速度，α＝a/rc；J为上车转动惯量；Mr为回转摩擦阻力矩；
上述条件三保证斜坡作业不发生滑移的公式为：
(M1+M2)gsinθ+Fc＜μ(M1+M2)gcosθ；
式中，μ为地面与履带的摩擦系数。
综上，以图2所示的工作方式为例，本实施例要保证挖掘机斜坡作为稳定不发生倾翻等情形的条件表示为：
当以上任一条件不满足，则预测为挖掘机可能会发生倾翻等稳定性事故，此时可向司机或其它现场人员输出报警信息。
(二)、斜坡满斗回转能力预测
考虑挖掘机斜坡满斗回转作业情形，本实施例还提供了一种该工作方式下挖掘机斜坡满斗回转能力的预测方法，包括：
S21，获取挖掘机当前所处斜坡的倾斜角度以及挖掘机回转马达额定输出扭矩；
S22，根据所述挖掘机回转马达额定输出扭矩获取挖掘机斜坡满斗回转对应的最大斜坡倾斜角度；
S23，根据所述挖掘机当前所处斜坡倾斜角度与所述最大斜坡倾斜角度的大小关系，判断挖掘机满斗回转作业是否能够完成。
本实施例步骤S21中，可通过挖掘机操作手册、样机信息或型式试验获得挖掘机回转马达额定输出扭矩T。
挖掘机斜坡满斗回转时，需克服挖掘机上车与铲斗物料的重力在斜坡上分力，保证挖掘机在斜坡作业能力。本实施例用挖掘机回转作业最大斜坡倾斜角度θ′来表示挖掘机斜坡满斗回转能力。因此步骤S22中，挖掘机斜坡满斗回转能力即挖掘机回转作业最大斜坡倾斜角度θ′表示：
T＞(M1+ρgVr)rcsinθ'；
式中，T为挖掘机回转马达额定输出扭矩；M1为上车质量；ρ为物料密度；g为重力加速度；Vr为额定斗容量；rc为上车重心到挖掘机回转中心的距离。
当挖掘机当前所处斜坡倾斜角度大于θ′时，表示当前挖掘机斜坡满斗回转作业能力不足，无法完成，此时可向挖掘机操作人员发出预警信号。
(三)、斜坡空斗回转作业能力预测
考虑挖掘机斜坡空斗回转作业情形，本实施例还提供了一种该工作方式下挖掘机斜坡空斗回转范围的预测方法，包括：
当挖掘机工作方式为斜坡回转作业，且为空载回转作业：
当挖掘机如处于某一倾斜角度为θ的斜坡，则其空载回转能够作业范围也可根据重心位置实时确定。本实施例根据挖掘机所处斜坡的倾斜角度θ以及重心位置计算挖掘机上车重心到挖掘机回转中心的距离，并将其作为挖掘机的空载回转作业范围，公式表示为：
式中，T为挖掘机回转马达额定输出扭矩；M、为上车质量。
该空载回转作业范围可为挖掘机操作人员提供空载回转过程中的控制参考，或者用于在挖掘机实际回转状态不符合上述距离公式时输出报警，能够更全面的保障挖掘机作业过程中的稳定安全性。
实施例2
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现实施例1所介绍的挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法。
实施例3
在实施例1的基础上，本实施例提供了一种挖掘机斜坡作业的倾翻预测系统，其能够采取实施例1中所介绍的挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法实现挖掘机斜坡作业时的倾翻预测即预警，系统包括：
挖掘机斜坡作业姿态信息采集模块，用于采集挖掘机斜坡作业姿态信息，所述挖掘机斜坡作业姿态信息用于计算挖掘机重心位置；
挖掘机斜坡作业输出力测量模块，用于测量挖掘机斜坡作业执行机构状态信息，所述挖掘机斜坡作业执行机构状态信息用于计算挖掘机斜坡作业输出力；
判断预警模块，用于根据挖掘机斜坡作业姿态信息采集模块和挖掘机斜坡作业输出力测量模块输出的数据，采用任一步所述挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法进行挖掘机当前工作方式下的倾翻预测，并根据倾翻预测结果输出预警信号。
为了得到较为精准的挖掘机重心位置，本实施例中，所述挖掘机斜坡作业姿态信息采集模块包括倾角传感器、陀螺仪以及多个位移传感器；
在挖掘机回转支承上分别安装倾角传感器以及陀螺仪，用于采集挖掘机所处斜坡倾斜角度及挖掘机斜坡回转角度；挖掘机动臂油缸、斗杆油缸以及铲斗油缸上分别设有第一位移传感器、第二位移传感器以及第三位移传感器，用于采集动臂油缸位置、斗杆油缸位置和铲斗油缸位置，这些位置信息分别可以用于确定动臂姿态、斗杆姿态以及铲斗姿态，从而确定挖掘机重心位置。
本实施例中，所述挖掘机斜坡作业输出力测量模块包括多个压力传感器；
在挖掘机动臂油缸大小腔、斗杆油缸大小腔以及铲斗油缸大小腔中分别设置压力传感器，用于采集动臂油缸压力、斗杆油缸压力和铲斗油缸压力，根据采集到的数据计算动臂油缸输出力、斗杆油缸输出力和铲斗油缸输出力，进而计算出挖掘机作业输出力F。
综上实施例，本发明能够实现挖掘机斜坡作业时的倾翻预测、预警，预测准确度更高，能够更好地保障挖掘机作业安全稳定性。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (16)

1.一种挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法，其特征在于，包括：
当挖掘机工作方式为斜坡挖掘作业：
获取挖掘机所处斜坡的倾斜角度；
基于所述倾斜角度获取挖掘机重心位置以及挖掘机重力在垂直于斜坡方向上的第一分力；
获取挖掘机的实际倾翻力矩，并基于所述挖掘机重心位置以及挖掘机重力的第一分力，获取挖掘机的稳定力矩；
至少根据所述稳定力矩与所述实际倾翻力矩的大小关系判断当前工作方式下挖掘机是否会倾翻。
2.根据权利要求1所述的挖掘机斜坡作业倾翻预测方法，其特征在于，还包括：当挖掘机工作方式为斜坡满斗回转作业：
获取挖掘机所处斜坡的倾斜角度以及挖掘机回转马达额定输出扭矩；
根据所述挖掘机回转马达额定输出扭矩获取挖掘机斜坡满斗回转对应的最大斜坡倾斜角度；
根据所述挖掘机所处斜坡倾斜角度与所述最大斜坡倾斜角度的大小关系，判断挖掘机满斗回转作业是否能够完成。
3.根据权利要求2所述的挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法，其特征在于，所述挖掘机斜坡满斗回转对应的最大斜坡倾斜角度θ′根据以下公式计算：
T>(M1+ρgVr)rcsinθ′；
式中，T为挖掘机回转马达额定输出扭矩；M1为上车质量；ρ为物料密度；g为重力加速度；Vr为额定斗容量；rc为上车重心到挖掘机回转中心的距离。
4.根据权利要求1所述的挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法，其特征在于，还包括：当挖掘机工作方式为斜坡回转作业，且为空载回转作业：
根据挖掘机所处斜坡的倾斜角度θ以及重心位置计算挖掘机上车重心到挖掘机回转中心的距离，并将其作为挖掘机的空载回转作业范围，公式表示为：
式中，T为挖掘机回转马达额定输出扭矩；M1为上车质量。
5.根据权利要求1所述的挖掘机斜坡作业倾翻预测方法，其特征在于，所述基于所述倾斜角度获取挖掘机重心位置，包括：
获取挖掘机的斜坡回转角度、动臂姿态、斗杆姿态以及铲斗姿态信息；
根据斜坡倾斜角度、斜坡回转角度、动臂姿态、斗杆姿态以及铲斗姿态信息，获取挖掘机斜坡作业姿态信息；
根据所述挖掘机斜坡作业姿态信息获得挖掘机重心位置。
6.根据权利要求5所述的挖掘机斜坡作业倾翻预测方法，其特征在于：
所述获取挖掘机的斜坡回转角度、动臂姿态、斗杆姿态以及铲斗姿态信息，包括：
根据回转支承转角确定挖掘机的斜坡回转角度；
根据斜坡倾斜角度以及动臂油缸位置确定动臂姿态信息；
根据斗杆油缸位置以及动臂油缸位置确定斗杆姿态信息；
根据铲斗油缸位置以及斗杆油缸位置确定铲斗姿态信息。
7.根据权利要求6所述的挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法，其特征在于：所述获取挖掘机的实际倾翻力矩，并基于挖掘机重心位置以及挖掘机重力在垂直于斜坡方向上的第一分力，获取挖掘机的与稳定力矩，包括：
根据挖掘机当前挖掘模式确定履带倾翻线的位置；
获取所述挖掘机重心位置到所述履带倾翻线的距离h；
所述挖掘机斜坡作业的稳定力矩为所述距离h与挖掘机整机重力的第一分力的乘积；
获取挖掘机斜坡作业输出力F及其作用点到履带倾翻线的距离l；
所述挖掘机斜坡作业的实际倾翻力矩为所述输出力F与所述距离l的乘积。
8.根据权利要求7所述的挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法，其特征在于：所述获取挖掘机斜坡作业输出力F，包括：
获取动臂油缸大腔及小腔压力、斗杆油缸大腔及小腔压力、铲斗油缸大腔及小腔压力，以及相应的活塞承压面积；
根据所获取的数据计算动臂、斗杆、铲斗的输出力；
根据所述动臂、斗杆、铲斗的输出力，挖掘机斜坡作业姿态，以及挖掘机结构数据计算挖掘机斜坡作业输出力F。
9.根据权利要求1所述的挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法，其特征在于：所述至少根据所述稳定力矩与所述实际倾翻力矩的大小关系判断当前工作方式下挖掘机是否会倾翻，包括：
判断是否同时满足以下三个条件，若同时满足，则判断为当前工作方式下挖掘机不会倾翻：
条件一：所述稳定力矩大于所述实际倾翻力矩；
条件二：挖掘机重心位置处于履带各侧边线围成的区域内；
条件三：挖掘机整机重力在所处斜坡上的第一分力乘以地面与履带的摩擦系数，大于挖掘机整机重力在所处斜坡上的第二分力与上车回转运动的合力；
其中，所述第二分力的方向平行于斜坡方向。
10.根据权利要求9所述的挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法，其特征在于：
判断是否满足所述条件一，包括：
根据所述挖掘机斜坡作业稳定力矩与实际倾翻力矩，计算稳定系数K，公式为：
式中，M1为上车质量；M2为下车质量；g为重力加速度；h为挖掘机重心位置到履带倾翻线的距离；θ为斜坡倾斜角度；F为挖掘机斜坡作业输出力；l为输出力作用点到履带倾翻线的距离；
判断是否满足K>1，若是则满足所述条件一。
11.根据权利要求9所述的挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法，其特征在于：
所述条件三中，上车回转运动力表示为：
Fc＝M1a+Jα/rc+Mr/rc；
式中，rc为上车重心到挖掘机回转中心的距离；a为上车加速度；α为上车角加速度，且α＝a/rc；J为上车转动惯量；Mr为回转摩擦阻力矩；
所述条件三表示为：
(M1+M2)gsinθ+Fc＜μ(M1+M2)gcosθ；
式中，μ为地面与履带的摩擦系数。
12.根据权利要求1-11任一项所述的挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法，其特征在于：还包括，若判断结果为挖掘机当前工作方式下会倾翻或无法完成作业，则输出报警信号。
13.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1-12中任一项所述的挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法。
14.一种挖掘机斜坡作业的倾翻预测系统，其特征在于：包括：
挖掘机斜坡作业姿态信息采集模块，用于采集挖掘机斜坡作业姿态信息，所述挖掘机斜坡作业姿态信息用于计算挖掘机重心位置；
挖掘机斜坡作业输出力测量模块，用于测量挖掘机斜坡作业执行机构状态信息，所述挖掘机斜坡作业执行机构状态信息用于计算挖掘机斜坡作业输出力；
判断预警模块，用于根据挖掘机斜坡作业姿态信息采集模块和挖掘机斜坡作业输出力测量模块输出的数据，采用权利要求1-11任一项所述的挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法进行挖掘机当前工作方式下的倾翻预测，并根据倾翻预测结果输出预警信号。
15.根据权利要求14所述的挖掘机斜坡作业的倾翻预测系统，其特征在于：所述挖掘机斜坡作业姿态信息采集模块包括：倾角传感器、陀螺仪以及多个位移传感器；
所述倾角传感器及陀螺仪分别设置在挖掘机回转支承上，分别用于采集挖掘机所处斜坡倾斜角度及挖掘机斜坡回转角度；
挖掘机动臂油缸上设有第一位移传感器，用于采集动臂油缸位置，所述动臂油缸位置用于确定动臂姿态；
挖掘机斗杆油缸上设有第二位移传感器，用于采集斗杆油缸位置，所述斗杆油缸位置用于确定斗杆姿态；
挖掘机铲斗油缸上设有第三位移传感器，用于采集铲斗油缸位置，所述铲斗油缸位置用于确定铲斗姿态。
16.根据权利要求14所述的挖掘机斜坡作业的倾翻预测系统，其特征在于：所述挖掘机斜坡作业输出力测量模块包括：多个压力传感器；
挖掘机动臂油缸大腔中设有第一压力传感器，用于采集动臂油缸大腔压力；
挖掘机动臂油缸小腔中设有第二压力传感器，用于采集动臂油缸小腔压力；
挖掘机斗杆油缸大腔中设有第三压力传感器，用于采集斗杆油缸大腔压力；
挖掘机斗杆油缸小腔中设有第四压力传感器，用于采集斗杆油缸小腔压力；
挖掘机铲斗油缸大腔中设有第五压力传感器，用于采集铲斗油缸大腔压力；
挖掘机铲斗油缸小腔中设有第六压力传感器，用于采集铲斗油缸小腔压力；
所述动臂油缸大小腔压力、斗杆油缸大小腔压力以及铲斗油缸大小腔压力分别用于计算挖掘机动臂油缸输出力、挖掘机斗杆油缸输出力以及挖掘机铲斗油缸输出力；
所述挖掘机动臂油缸输出力、挖掘机斗杆油缸输出力以及挖掘机铲斗油缸输出力用于计算挖掘机作业输出力F。
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