CN207366121U - 一种挖掘机挖掘阻力间接测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种挖掘机挖掘阻力间接测量装置，包括连接在挖掘机斗杆和铲斗之间能够转动的销轴径向力传感器，销轴径向力传感器的两端设置有销轴向力传感器；其中销轴径向力传感器包括芯轴和套在芯轴外部的空心套筒，空心套筒和芯轴的两端分别连接有轴盖板，芯轴的中心位置设置有轴向引线孔；并且两个轴盖板支撑芯轴，使芯轴与空心套筒之间具有间隙；其中芯轴的受力处设置有开有芯轴径向盲孔，其中芯轴径向盲孔上设置有压力传感器，且压力传感器通过径向引线孔与轴向引线孔相通。能够在不改变挖掘机工作装置结构的前提下，对挖掘机工作过程中受到的实际阻力进行间接测量。
Description
技术领域
本实用新型属于挖掘机挖掘阻力间接测量技术领域；具体涉及一种挖掘机挖掘阻力间接测量装置。
背景技术
室内模拟强化试验是研究挖掘机工作装置或整机的疲劳可靠性及耐久性的重要途径，而室内模拟加载试验有效的关键是有能够反映实际作业载荷的载荷谱，而液压挖掘机斗尖力的准确测试是编制整机载荷谱的关键，但由于挖掘机作业工况恶劣、铲斗受力复杂，挖掘过程中，铲斗经常受到偏载和侧载。一般很难直接在斗尖上安装传感器测取。目前，挖掘机铲斗受力均采用间接测量的方法求得，即通过测量铲斗与斗杆铰接处销轴受力、连杆受力及几何运动参数，并对铲斗取分离体，建立力学平衡方程求解得到铲斗所受外载荷合力的大小。姜万录等人曾设计出一种挖掘阻力间接测量用传感器，用于测量并推导大型矿用挖掘机的铲斗受力，但是这种传感器无法获取铲斗所受的侧载和偏载情况。本文所设计的挖掘阻力间接测量装置，可以测出挖掘机工作时铲斗与斗杆铰接处所受的外力，进一步可计算得到斗尖力，包括偏载和侧向力。
实用新型内容
本实用新型提供了一种挖掘机挖掘阻力间接测量装置，能够在不改变挖掘机工作装置结构的前提下，对挖掘机工作过程中受到的实际阻力进行间接测量。
本实用新型的技术方案是：一种挖掘机挖掘阻力间接测量装置，包括连接在挖掘机斗杆和铲斗之间能够转动的销轴径向力传感器，销轴径向力传感器的两端设置有销轴向力传感器；其中销轴径向力传感器包括芯轴和套在芯轴外部的空心套筒，空心套筒和芯轴的两端分别连接有轴盖板，芯轴的中心位置设置有轴向引线孔；并且两个轴盖板支撑芯轴，使芯轴与空心套筒之间具有间隙；其中芯轴的受力处设置有开有芯轴径向盲孔，其中芯轴径向盲孔上设置有压力传感器，且压力传感器通过径向引线孔与轴向引线孔相通；空心套筒上与芯轴径向盲孔对应的位置开有套筒径向通孔，套筒径向通孔内设置有调整螺钉，调整螺钉下方设置有球体，球体与压力传感器接触；其中销轴向力传感器包括分别固定在销轴径向力传感器两端的Z形受力板，Z形受力板上开有与轴向引线孔相通的引线孔，Z形受力板上还设置有多个应变片，应变片连接成测量电桥结构。
更进一步的，本实用新型的特点还在于：
其中芯轴上开有4个芯轴径向盲孔，对应的空心套筒上设置有4个套筒径向通孔。
其中套筒径向通孔为锥形螺纹孔，其外端设置有调整螺钉，外端设置有球体。
其中球体的直径大于套筒径向通孔内端的直径，且小于套筒径向通孔外端的直径。
其中两个轴端盖上均设置有与轴向引线孔和引线孔相同的轴向引线孔外延。
其中两个轴端盖均通过突起和凹槽与空心套筒连接。
其中两个轴端盖均通过花键结构与芯轴连接，且芯轴的两端设置为轴端花键，两个轴端盖上设置有内花键，轴端花键插入内花键内，且两个轴端盖支撑芯轴。
其中销轴径向力传感器通过两个轴端盖固定连接在铲斗与斗杆之间的铰孔内。
其中两个轴盖板中第一轴盖板上设置有与铲斗连接的第一轴盖板耳板，第二轴盖板上设置有与铲斗连接的横穿孔。
其中两个Z形受力板之间通过凹形连接板固定连接。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：通过销轴径向力传感器中的压力传感器获取铲斗和斗杆受到的外力，并且通过径向引线孔、轴向引线孔和引线孔传递给Z形受力板，并且通过Z形受力板上的应变片获取该力的大小和方向，从而的量得到挖掘机在工作过程中收到的实际挖掘阻力，并进行间接测量。
更进一步的，在芯轴的受力处设置了4个芯轴径向盲孔和对应的4个套筒径向通孔，并且通过球体感应压力传感器，并且通过调整螺钉调整压力传感器的受力情况，从而使销轴径向力传感器能够全面测量到其受到的外力。
更进一步的，芯轴和空心轴套分别通过不同的结构实现与轴端盖的连接，同时实现了芯轴与空心轴套之间具有一定的间隙。
更进一步的，第一轴盖板和第二轴盖板分别通过第一轴盖板耳板和横穿孔与铲斗连接。
更进一步的，通过凹形连接板实现两个Z形受力板的连接。
附图说明
图1为本实用新型与斗杆的装配示意图；
图2为本实用新型中销轴向力传感器的结构示意图；
图3为本实用新型中销轴径向力传感器的结构示意图；
图4为图3中I处的放大示意图；
图5为图3中A-A的剖面图；
图6为本实用新型中销轴轴向力传感器测量电桥连接示意图；
图7为本实用新型与铲斗、斗杆的装配示意图；
图8为本实用新型中Z形受力板下端应变片布置方式示意图。
图中：1为销轴径向力传感器；2为销轴向力传感器；3为斗杆；4为轴套；5为螺栓；6为铲斗；7为螺钉；8为芯轴；9为空心套筒；10为轴向引线孔；11为第一轴端盖；12为轴向引线孔外延；13为第一轴端盖耳板；14为轴向孔；15为突起；16为凹槽；17为芯轴径向盲孔；18为套筒径向通孔；19为调整螺钉；20为球体；21为压力传感器；22为内花键；23为轴端花键；24为横穿孔；25为第二轴端盖；26为径向引线孔；27为Z形受力板；28为加强肋板；29为凹形连接板；30为紧固装置；31为应变片；32为引线孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型的技术方案进一步说明。
本实用新型提供了一种挖掘机挖掘阻力间接测量装置，该装置包括销轴径向力传感器1和销轴轴向力传感器2。
如图7所示，在销轴A与销轴B的中心连线上建立坐标x轴，y轴垂直于x轴指向斗尖，z轴垂直纸面向里。为了求得挖掘机挖掘过程中铲斗受到的挖掘阻力，取铲斗为隔离体，铲斗在xoy平面内受到的外力有：斗杆与铲斗铰接销轴A处的受力FA、连杆与铲斗铰接销轴B处的受力FB，铲斗重力G以及挖掘阻力在XOY平面内的力F。
铲斗重力G是可以直接测量的，当挖掘机工作装置姿态确定时，如果得到斗杆与铲斗铰接销轴A处的受力FA、连杆的受力FB，对铲斗分别在x方向和y方向建立力平衡方程，即可求得挖掘阻力在XOY平面内的力F的大小和方向。
实际中，挖掘阻力不一定始终在XOY平面内，可能出现偏载和侧载。因此铰点A处的受力较为复杂，也可能出现偏载(即XOY平面内的力FA沿z轴发生偏移量e后，偏离了XOY平面)和侧载(即沿z轴的力FAz)。
本实用新型提供的一种挖掘机挖掘阻力间接测量装置旨在测出挖掘过程中铰点A处销轴受到的径向力和轴向力，由径向力可求得销轴处的受力FA，以及FA的偏移量e，由轴向力可求得销轴A处的侧载。
如图1所示，该装置用于设置在挖掘机铲斗6和斗杆3之间的连接轴上；具体的包括设置在连接轴的轴套4内的销轴径向力传感器1和销轴径向力传感器1两端的销轴向力传感器2，销轴向力传感器2完全覆盖销轴径向力传感器1的两端；其中销轴径向力传感器1的两端通过紧固装置螺钉7和螺栓5固定在轴套4内；其中销轴向力传感器2上设置有应变片31。
如图3所示，销轴径向力传感器1包括空心套筒9，空心套筒9的内部设置有芯轴8，芯轴8的材料具有大刚度小变形的特性；以及设置在空心套筒9两端的第一轴端盖11和第二轴端盖25；第一轴端盖11的外端设置有带轴向孔14的耳板13，第二轴端盖25的外端上设置有横穿孔24。空心套筒9和连个轴端盖的外周壁齐平，便于结构安装，而且不会影响销轴的使用性能。
其中空心套筒9和两个轴端盖之间设置有沿圆周方向均匀布置的多个互相配合的凹槽16和突起15，具体的两个轴端盖上设置突起15，空心套筒9上设置凹槽16，或者空心套筒9上设置突起15，两个轴端盖上设置凹槽16；两个轴端盖和空心套筒9通过突起15和凹槽16连接；两个轴端盖和芯轴8之间采用沿圆周均匀布置的多个花键结构连接，具体的芯轴8上设置有轴端花键23，两个轴端盖上设置有内花键22，芯轴8通过轴端花键23支撑在两个轴端盖之间；其中芯轴8的中心设置有轴向引线孔10，两个轴端盖上设置有与轴向引线孔10相对应的轴向引线孔外延12。
如图3和4所示，芯轴8的直径小于空心轴套9的内径，从而使芯轴8与空心轴套9之间具有一定间隙，使芯轴8与空心轴套9之间不直接接触；其中采用上述花键结构，芯轴8通过其两端的轴端花键23支撑在两个轴端盖的内花键22之间，从而实现芯轴8与空心轴套9之间具有一定间隙。
如图1、3、4和5所示，空心套筒9在受到斗杆3作用力的截面处，如图1所示的M-M和N-N界面处，沿圆周方向均布开设4个套筒径向通孔18，芯轴8在于套筒径向通孔18对应的位置开设4个芯轴径向盲孔17。其中第一轴端盖耳板13上的轴向孔14与第一轴端盖11其中一个突起15位于同一纵剖面内，第二轴端盖25上的横穿孔24与第二轴端盖25其中一个突起15位于同一纵剖面内；且两个轴端盖上的突起与两个轴端盖的内花键22相位一致，芯轴8的外花键23与芯轴径向盲孔17相位一致；位于空心套筒9两端的凹槽16与套筒径向通孔18的相位一致，从而保证套筒径向通孔18和芯轴径向盲孔17对齐。
如图4和5所示，空心套筒9上每个套筒径向通孔18设置有螺纹，其内端为锥形孔，每个套筒径向通孔18的外端内配合设置有用于径向调整的调整螺钉19，调整螺钉19的下方设置有球体20，球体20的大部分始终位于套筒径向通孔18内，即球体20的直径略小于套筒径向通孔18外端的直径，而略大于套筒径向通孔18内端的直径；芯轴8上每个芯轴径向盲孔17内设置有一个压力传感器21，压力传感器21为一维压力传感器，压力传感器21与球体20接触；且每个芯轴径向盲孔17内底部的中心设置径向引线孔26，径向引线孔26与芯轴8的轴向引线孔10相通，轴向引线孔10与轴线引线孔外延12相通。
如图2所示，销轴向力传感器2包括两个完全对称的Z形受力板27和连接两个Z形受力板27的两个完全对称的凹形连接板29，两个Z形受力板27对称设置在销轴径向力传感器1的两端，且完全覆盖销轴径向力传感器1的端面。
如图2和8所示，Z形受力板27通过多个紧固装置30与凹形连接板29连接，且凹形连接板29的宽度略窄于斗杆3的宽度，凹形连接板29通过紧固装置30对两个Z形受力板27施加预紧力，使Z形受力板27卡在斗杆3上，Z形受力板27上端设置有加强肋板28，Z形受力板27的下端设置有多个应变片31，应变片31之间具有一定间隔，Z形受力板27下端开有引线孔32；且多个应变片31组成如图6所述的测量销轴轴向力的电桥。
如图1和7所示，销轴径向力传感器1和销轴向力传感器2组合使用；将销轴径向力传感器1的芯轴8、套筒9以及第一轴端盖11和第二轴端盖25组装到一起，水平放置，并且调整每个调整螺钉19，使每一个压力传感器21的输出为零，再将销轴径向力传感器1插入斗杆3与铲斗6的连接铰孔内，通过螺钉7穿过第一轴端盖耳板13上的轴向孔14，将第一轴端盖11与铲斗6固定链接起来，铲斗耳板上的轴向孔在铰点A和铰点B之间的连接上，这样保证了销轴径向力传感器1测试的为径向力延X方向和Y方向的分力；然后使用螺栓5插入第二轴端盖25上的横穿孔24内，经第二轴端盖25固定在铲斗6上，进一步将轴径向力传感器1定位并锁止，从而将销轴径向力传感器1和铲斗6固定连接，并在与斗杆3连接的铰孔内转动。
安装销轴轴向力传感器2时，上下调整两个Z形受力板27，使Z形受力板27下端的引线孔27与销轴径向力传感器1轴端盖中心的轴向引线孔外延12对齐再通过调整紧固装置30进行预紧，紧固装置30为螺栓结构，使两个Z形受力板27卡在斗杆3上，并且Z形受力板27下端的电桥输出为零。
本实用新型的工作原理以及受力计算过程是：销轴径向力传感器1在两个受力截面处，分别测得x方向和y方向的径向分力，记作FAx(A-A)和FAx(B-B)，以及FAy(A-A)和FAy(B-B)，两个受力截面处x方向或y方向的径向力为两个平行力，利用力学原理可以求得其合力FAx和FAy，以及合力偏离中心的距离ex和ey，如下式所示：
销轴轴向力传感器(2)左边的Z形受力板(27)下端的应变片布置方式如图7所示，其中，R1、R2应变片贴在D-D断面处，R3，R4应变片贴在E-E断面处。
组桥方式如图6所示，根据应变测量原理，以及材料力学可推导出电桥输出电压Uxo与左轴向力Fzl的关系，如下式所示：
其中Uxi为供桥电压，Uxo为电桥的输出电压，E为弹性模量，K为应变片灵敏度系数，W为抗弯截面系数，l为两个贴片断面的间距。
同理，可求得右边的Z形受力板(27)测得的右轴向力Fzr。
在测得Fzl、Fzr以后，统一定义正方向，将Fzl和Fzr相加，便可以求出铰点A处的侧向力FAz。
至此，便求出了铰点A处的全部受力，即FAx、FAy和FAz。为接下来通过对铲斗建立力学平衡方程，求铲斗载荷提供了数据。
Claims (10)
1.一种挖掘机挖掘阻力间接测量装置，其特征在于，包括连接在挖掘机斗杆(3)和铲斗(6)之间能够转动的销轴径向力传感器(1)，销轴径向力传感器(1)的两端设置有销轴向力传感器(2)；
所述销轴径向力传感器(1)包括芯轴(8)和套在芯轴(8)外部的空心套筒(9)，空心套筒(9)和芯轴(8)的两端分别连接有轴盖板，芯轴(8)的中心位置设置有轴向引线孔(10)；并且两个轴盖板支撑芯轴(8)，使芯轴(8)与空心套筒(9)之间具有间隙；其中芯轴(8)的受力处设置有开有芯轴径向盲孔(17)，其中芯轴径向盲孔(17)上设置有压力传感器(21)，且压力传感器(21)通过径向引线孔(26)与轴向引线孔(10)相通；空心套筒(9)上与芯轴径向盲孔(17)对应的位置开有套筒径向通孔(18)，套筒径向通孔(18)内设置有调整螺钉(19)，调整螺钉(19)下方设置有球体(20)，球体(20)与压力传感器(21)接触；
所述销轴向力传感器(2)包括分别固定在销轴径向力传感器(1)两端的Z形受力板(27)，Z形受力板(27)上开有与轴向引线孔(10)相通的引线孔(32)，Z形受力板(27)上还设置有多个应变片(31)，应变片(31)连接成测量电桥结构。
2.根据权利要求1所述的挖掘机挖掘阻力间接测量装置，其特征在于，所述芯轴(8)上开有4个芯轴径向盲孔(17)，对应的空心套筒(9)上设置有4个套筒径向通孔(18)。
3.根据权利要求1所述的挖掘机挖掘阻力间接测量装置，其特征在于，所述套筒径向通孔(18)为锥形螺纹孔，其外端设置有调整螺钉(19)，外端设置有球体(20)。
4.根据权利要求2所述的挖掘机挖掘阻力间接测量装置，其特征在于，所述球体(20)的直径大于套筒径向通孔(18)内端的直径，且小于套筒径向通孔(18)外端的直径。
5.根据权利要求1所述的挖掘机挖掘阻力间接测量装置，其特征在于，所述两个轴端盖上均设置有与轴向引线孔(10)和引线孔(32)相同的轴向引线孔外延(12)。
6.根据权利要求1所述的挖掘机挖掘阻力间接测量装置，其特征在于，所述两个轴端盖均通过突起(15)和凹槽(16)与空心套筒(9)连接。
7.根据权利要求1所述的挖掘机挖掘阻力间接测量装置，其特征在于，所述两个轴端盖均通过花键结构与芯轴(8)连接，且芯轴(8)的两端设置为轴端花键(23)，两个轴端盖上设置有内花键(22)，轴端花键(23)插入内花键(22)内，且两个轴端盖支撑芯轴(8)。
8.根据权利要求1所述的挖掘机挖掘阻力间接测量装置，其特征在于，所述销轴径向力传感器(1)通过两个轴端盖固定连接在铲斗(6)与斗杆(3)之间的铰孔内。
9.根据权利要求1所述的挖掘机挖掘阻力间接测量装置，其特征在于，所述两个轴盖板中第一轴盖板(11)上设置有与铲斗(6)连接的第一轴盖板耳板(13)，第二轴盖板(25)上设置有与铲斗(6)连接的横穿孔(24)。
10.根据权利要求1所述的挖掘机挖掘阻力间接测量装置，其特征在于，所述两个Z形受力板(27)之间通过凹形连接板(29)固定连接。
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| CN201721471712.7U CN207366121U (zh) | 2017-11-07 | 2017-11-07 | 一种挖掘机挖掘阻力间接测量装置 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN113567165A (zh) * | 2021-07-22 | 2021-10-29 | 徐州徐工挖掘机械有限公司 | 一种挖掘机挖掘阻力试验装置 |
| CN114323605A (zh) * | 2021-12-03 | 2022-04-12 | 江苏徐工工程机械研究院有限公司 | 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 |
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