大型履带式反铲液压挖掘机基本参数匹配研究.pdf

试验 - 研究 T e s t a n d R e a s e a r c h 杠 械 第 4 5卷 I 第2 期 总第4 8 4 期 大型履带式反铲液压挖掘机 基本参数匹配研究 陈艳， 史青录 ， 于慧艳， 宋志强 摘要 I 目前国内外市场大型履带式反铲液压挖掘机较少 ， 国内 2 0 0 t 以上超大型机主要依靠进口。为了对大型液压挖掘 机的基本参数有比较系统的认识 ， 收集了国内外各大主流品牌 5 0 - 8 0 0 t 大型履带式反铲液压挖掘机样本， 并对每个挖掘 机样本的基本参数进行分类统计 ， 对比分析基本参数和整机质量关系的走势， 把整机质量与其对应基本参数的关系拟合成 曲线 ， 写出函数表达式， 为大型履带式液压挖掘机新产品开发及结构改进提供参考。 关键词 大型履带式反铲液压挖掘机； 整机质量 ； 基本参数 目前对液压挖掘机规格的分类，行业中没有明确的 界定。 根据行业共识和市场习惯， 一般大型挖掘机是指整 机质量为 5 0 1 0 0 t 的机型， 而整机质量超过 1 0 0 t 的机型 则定义为超大型挖掘机【1 J 。 国内外生产液挖掘机的企业主 要有卡特彼勒、 利勃海尔、 凯斯 、 日立、 斗山、 沃尔沃、 小 松、 三一、 徐工、 厦工 、 中联 、 邦立等厂家。 本文选取 1 1 1 个 国内外大型履带式反铲液压挖掘机机型样本 ，其 中国外 5 0 - 1 0 0 t 大型液压挖掘机样本 5 0 个 ， 1 0 0-8 0 0 t 超大型液 压挖掘机样本 5 0 个； 国内 5 0-1 0 0 t 大型液压挖掘机样本 6 个 ， 超大型液压挖掘机样本 5 个。表 1 为本文所搜集的 截至 2 0 1 3 年 1月国内外 各主流品牌大型履带式反铲液 压挖掘机样本取样数量。 表 1 涵盖 了目前国内外市场上各主流品牌绝大部分 大型履带式反铲液压挖掘机机型。由表 1 看出， 国内外尤 其国内大型液压挖掘机机型数量相对较少。目前国内市 场 3 0 0 t 以上超大型履带式反铲液压挖掘机还是空白， 因 此对大型液压挖掘机基本参数匹配的研究十分必要。对 挖掘机来说 ， 整机质量对其他技术参数有较大影响 ， 如挖 掘力的发挥、 发动机功率的充分利用、 作业的稳定性等都 要以一定的整机质量来保证 ， 所 以大型履带式反铲液压 挖掘机设计时需要先确定整机质量，再确定其他基本参 数， 而基本参数数据与整机质量的关系呈一定的规律性。 本文通过对表 1 所搜集的大型液压挖掘机样本所记录的 挖掘机基本参数进行整理分析 ，得到了大型液压挖掘机 整机质量与基本参数关系的拟合曲线，为大型液压挖掘 机的设计研发提供参考。 1 发动机功率与整机质量的关系 履带式反铲液压挖掘机发动机功率的选择直接影响 到液压泵 的吸收功率、 输出功率， 并且决定整个液压挖掘 机能否正常工作和发挥最大效率。图 1 所示为大型履带 式反铲液压挖掘机整机质量与发动机额定功率关系的拟 合 曲线。 从图 1 中可以看出 1 0 0 t 级左右大型液压挖掘机机 型 较多 ， 2 0 0 t 以上挖掘 机机型相对较 少且数据 比较 分 散。从整体看， 发动机额定功率数据分布大致接近线性 分布。从数据分布及曲线走向来看， 发动机的额定功率 值随着挖掘机整机质量的增加呈现上升趋势 ， 此时采 用 作者简介 陈艳 1 9 8 7 一 ， 女， 山东莒南人， 在读硕士， 研究方向 机械与车辆动力学。 2 0 t 4 。 2 I 工霏缸敞 I 1 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 试验 研究 T e s t a n d R e a s e a r c h 表 1 大型液压挖掘机样本取样数量 个 整机质量 生产厂家 5 0 - 1 0 ot 1 0 0 t 以上 日立 1 8 2 3 神钢 3 0 小松 5 2 住友 1 0 卡特彼勒 7 9 凯斯 3 0 沃尔沃 4 0 特雷克斯 0 8 利勃海尔 6 8 斗山 2 O 现代 1 0 三一重工 2 l 中联重科 0 3 力 士德 l 0 邦立 2 1 沃得 1 0 最小二乘法进行参数拟合得到图 1 的曲线[ 2 1 以下曲线均 采用最小二乘法拟合得到 。曲线方程如下所示 y 1 ． 0 3 3 8 5 8 1 0 一 一1 ． 9 8 2 5 2 9 x 1 0 - 7 x 1 ．3 6 3 8 4 3 x 1 0 4 x 一4 ．1 3 7 5 0 01 0 2 x 8 ． 8 9 1 9 一1 2 5 ． 4 0 5 9 1 式中 Y 为发动机额定功率， k W； x 为整机质量， t 。 以上拟合曲线和统计数据基本贴近 ， 误差不大 ， 能基 本反映发动机额定功率随整机质量增加而增加的走势。 鎏 簪 ‘8 器 囊 ／ O 0 。 ． 。 。 r 整机质量 h 图 1 整机质量与发动机额定功率的拟合曲线 2 。 J j ．2 2 主泵最大流量与整机质量的关系 液压系统是能量转换的中间环节 ， 它把发动机输 出 的机械能转化为液压能 ， 然后再把液压能转 化为驱动工 作装置 、 行走装置 、 回转装置和其他辅助装置的机械能 ， 实现挖掘机 的各种动作[3 1 。液压泵是执行能量转换 的元 件 ， 也是液压 挖掘机液压系 统的核 心元件 ， 它的最大流 量是液压泵的主要性能参数之一。 在分析流量时忽略泵 的泄 漏 ， 流量取决于泵 的结构参数 和泵 的转速 ， 如公式 2 所示 Q q n 2 式中 Q为泵的流量， L ／ mi n ； q为泵的排量， L ／ r ； n为泵的 转速 ， r ／ m i n 。 在大型履带式反铲液压挖掘机 中，主液压泵流量的 选择直接影响液压泵的输出功率和转矩 ，进而影响到液 压挖掘机在工作过程 中各种相应性能的发挥 ；图 2 为大 型履带式反铲液压挖掘机整机质量与主泵最大流量关系 的拟合曲线。 。 2 ～o ⋯． ／ o o ； O -- -- a o ⋯， 0 l M 2 O 0 3 l J 【 J 4 I X 5 3 0 6 0 0 7 0 0 8 00 整机质量 ／ t 图2 整机质量与主泵最大流量的拟合曲线 图中统计的大型履带式反铲液压挖掘机主泵均采用 变量轴向柱塞泵 ， 大型挖掘机一般采用双泵双 回路系统 ， 超大型机绝大部分选择多泵系统。从图 2 中的数据分布 看， 主泵最大流量随整机质量的增加而增加 ， 整机质量在 2 0 0 t 以上的数据较为分散，拟合曲线与统计数据偏差稍 大。 从主泵最大流量与整机质量的关系走势来看， 该曲线 可为大型履带式反铲液压挖掘机新产品设计或改进时主 泵的选择提供一定参考。拟合曲线的方程如下所示 y 一7 ． 3 2 3 6 8 01 0 一 ‰ 1 ． 2 9 5 6 0 91 0 ～6．9 9 6 3 4 1 1 0 2 x 2 2 0 ．3 9 4 6 8 4 x -- 2 2 0 ． 7 6 9 8 1 8 3 O O 0 0 0 O O O O 吣 ∞ 吣 ∞ ∞ 8 7 6 5 4 3 2 ● 一 ； 一 山 厂 一、 蠲 蛹 州 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 缸 械 第 4 5 卷 I 第2 期 总第 4 8 4期 式中 ， 为主泵最大流量， L ／ m i n ； x 为整机质量， t 。 3 标准斗容与整机质量的关系 反铲斗容量是液压挖掘机的重要指标 ，为此我国制 定 了反铲斗容量标准 G B ／ T 2 1 9 4 1 --2 0 0 8 ，等同于国际标 准 I S O 7 4 5 1 2 0 0 7 。根据该斗容标 准， 铲斗的斗容量由两 部分组成 ， 即平装容量和堆尖容量。 标准斗容量为平装斗 容量与堆尖斗容量之和， 即公式 4 所示 V R V s T 4 式中 为标准斗容， m 3 ； V 为平装斗容，即位于铲斗标 定面或标定面以下的容积， m 3 ； V 为堆尖斗容，即位于标 定面或标定面以上的物料体积， m 3 。 本文统计的标准斗容采用国际标准 I S O 7 4 5 1 2 0 0 7 ， 图3 所示为大型履带式反铲液压挖掘机整机质量与标准 斗容关系的拟合 曲线图。 卉 圣35 2 5 一 - I ／ l 卜⋯⋯}⋯⋯”}⋯⋯一}⋯⋯”}⋯⋯”；一； }；， i⋯⋯ 30卜．．⋯十⋯．．-}⋯⋯}-．．⋯_；．⋯“妇 ⋯{．．．⋯}．．．⋯1 卜⋯}．-．⋯-卜⋯}．．．⋯ ⋯}-．．⋯_；．⋯⋯卜⋯．{ - s ⋯l ⋯ ⋯ } ⋯ ⋯ l ⋯ ⋯ J - ⋯} ．．-． ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ；．-．．⋯ J 卜 ⋯ 卜 ⋯ ⋯ ⋯ 卜 ⋯ ⋯ 卜 ⋯ 1 由图 3 可以看出整机质量与对应的标准斗容数据近 似呈线性分布 ， 标准斗容随整机质量的增加而增加 ， 统计 的数据点和曲线基本吻合 ， 偏差不大。 该曲线能基本反映 反铲标准斗容随整机质量增加而增加的走势。拟合曲线 的方程如下所示 y一3． 76 4 7 1 0一 3． 04 7 4 1 0- 8X 一2 ．2 21 3 1 0 6 ． 8 4 6 61 0 - 2 x 一1 ．1 2 7 5 式中 Y 为标准斗容， m3 ； x为整机质量， t 。 4 挖掘力与整机质量的关系 反铲挖掘机挖掘力是指单独操作铲斗液压缸或斗杆 液压缸时， 在铲斗前缘或切削刃 不是在斗齿尖上 所产 生的实际作用力，力的方向与铲斗斗齿的弧形运动轨迹 相切州 。 当液压系统处于额定电压且忽略工作装置 自身重力 和摩擦力时， 若铲斗液压缸无杆腔工作， 这时铲斗前缘达 到的最大挖掘力是铲斗最大挖掘力；若斗杆液压缸无杆 腔工作， 铲斗处于铲斗最大挖掘力状态， 这时铲斗前缘达 到的最大挖掘力是斗杆最大挖掘力。挖掘力是液压挖掘 机的重要参数，图4 所示为整机质量与铲斗最大挖掘力 的拟合曲线 ； 由图 4 可以看出， 铲斗最大挖掘力随整机质 量的增加而增加， 整机质量在 5 0 - 3 0 0 t 之间时， 铲斗挖掘 力随整机质量的增加而明显增加 ； 整机质量在 3 0 0 6 0 0 t 之间时 ， 铲斗挖掘力增加的相对平缓， 曲线方程如下所示 一3 ． 6 3 6 0 0 3 X 1 0 一 I x 7 ． 8 6 5 8 1 0 l O -- Sx 一5 ． 6 5 6 4 3 0 1 0 - 5 x 3 1 ．4 5 3 5 2 4 1 0 1 ． 4 4 0 0 1 8 x 1 7 3 ． 3 5 2 0 3 3 6 式中 Y为铲斗最大挖掘力， k N； x 为整机质量， t 。 Z 鞋 辎 斗 瞄 卉 c b ， ／ O 。 ⋯ j 彝 2 0 0 3 oo 4 0 0 5 o 0 6 0 7 0 0 8 0 撼机质量 h 图 4 整机质量与铲斗最大挖掘力的拟合曲线 图 5 所示为整机质量与斗杆最大挖掘力关系的拟合 曲线。由图 5 统计的数据可以看出整机质量及其对应的 斗杆最大挖掘力近似呈线性分布 ， 随整机质量的增加 ， 斗 杆最大挖掘力呈上升趋势。曲线方程如下所示 ， 一2 ． 0 2 0 0 7 3 X 1 0 一 3 ． 9 8 7 5 8 5 1 0 - S x 一2 ． 4 3 3 9 2 0 1 0 0 3 ． 1 3 1 8 0 7 1 0 3．0 7 4 4 1 9 x 5 2 ． 7 9 6 4 9 9 7 式中 ’ ， 为斗杆最大挖掘力， k N； x 为整机质量， t 。 图 4 和图 5的拟合 曲线能基本反映两种挖掘力参数 值和整机质量的关 系， 对两图进行对比 ， 可 以看 出， 同一 整机质量对应的铲斗最大挖掘力比斗杆最大挖掘力稍 一 l { 2 1 姗 鲫 枷 i} 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 试验 研究 T e s t a n d Re a s e a r c h Z 嚣 蠕 虫 寸 一 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 整机质量 ／ t 图5 整机质量与斗杆最大挖掘力的拟合曲线 大 ， 与实际情况相吻合 。 5 工作装置质量与整机质量的关系 工作装置是挖掘机的执行机构 ， 常见的反铲工作装置 总体来看属于平面连杆机构 ， 动臂、 斗杆、 铲斗等主要部 件之间铰接[4 1 。图 6 所示的 L i e b h e r r R9 8 0 0 超大型挖掘机 是利勃海尔超大型履带式反铲液压挖掘机，整机质量 8 0 0 t 。 图 6 L i e b h e r r R9 8 0 0超大型挖掘机 大型液压挖掘机作业的稳定性需要一定的整机质量 来保证 ，而工作装置质量的分配以及其占整机质量的百 分比对作业稳定性影响较大 ； 一定的整机质量下 ， 若工作 装置质量过大， 会影响作业的稳定性， 甚至发生倾翻等事 故 ； 而若工作装置质量过小 ， 会影 响挖掘力的发挥 ， 影响 发动机功率的充分利用 ， 造成能源浪费。 如果可以找到工 作装置质量与整机质量的分配关系，对大型液压挖掘机 轻量化研究及工作装置结构改进具有较大的参考意义 。 图7 所示为大型履带式反铲液压挖掘机整机质量与工作 2 2 j 杠 觚 1 ．2 装置质量的拟合曲线。 从图 7中可以看 出工作装置质量 占整 机质量的 比 重较大 ， 工作装 置质量 随整机 质量的增加而增加 ， 并且 数据呈线性分布。曲线方程如下所示 y1 ． 8 21 33 5 1 0 一 一2． 66 5 7 99 x 1 0- s x 1 ．3 74 1 01 1 0 -3． 1 65 6851 0- 3 x 0 ．5 93 O 01 x-1 4 ． 6 06 0 78 8 式中 Y 为工作装置质量， t ； x 为整机质量， t 。 。7 - ． ～ ． 土 ⋯．． ， ⋯ 曼 0 1 0 0 2 ； 0 4 OO 5 0 0 6 7 0 0 整机质量 ／ t 图7 整机质量与工作装置质量的拟合曲线 6 数据统计分析举例 为了检验以上数据拟合结果的参考价值 ，本文进行 了实际参数匹配举例。 表 2 所示为市场上某品牌 3 3 0 t 大 型履带式反铲液压挖掘机基本参数 与拟合数 据的对 照 表。 从表 2 的具体对比和相应的误差数据分析 ， 主泵最大 流量拟合值与实际值偏差稍大 ，这与统计的主泵最大流 量数据比较分散有关。尽管主泵最大流量随着整机质量 表 2 某品牌 3 3 0t 机型与拟合值对照表 某品牌 参数 数据拟合值 误差 3 3 0 t 机型 工作装置质量／ t 8 2 8 5 ． 2 8 7 8 4 发动机功率 ／ k W 1 3 1 2 1 2 5 7 ． 9 4 主泵最大流量 ／ L ／ mi n 3 0 0 0 2 6 7 8 1 0 ． 7 铲斗挖掘力 ／ k N 9 3 2 9 8 9 ． 2 2 6 斗杆挖掘力 ／ k N 9 2 2 9 2 7 ． 5 7 0 ． 6 标准斗容 ， m 2 0 1 9 ． 6 9 64 1 ． 5 舳 ∞ ∞加∞ ∞∞ ∞ 加 0 | ／ 稠蟋删 _ r Ⅺ的 0 新 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 杠 拭 第 4 5 卷 I 第2 期 总第4 8 4 期 的增加没有呈现明显的规律 ，但拟合曲线所反映的整体 趋势仍然具有一定的参考价值。而其他参数拟合值与品 牌挖掘机基本参数比较接近， 误差在允许范围内。 7总结 本文对目前国内外市场上 5 0 8 0 0 t 大型履带式反铲 液压挖掘机基本参数进行 了统计 ，通过对统计数据的对 比分析得到了大型履带式反铲液压挖掘机整机质量与发 动机额定功率、 主泵最大流量、 标准斗容、 铲斗最大挖掘 力 、斗杆最大挖掘力及工作装置总质量等基本参数的匹 配关 系， 分析 了基本参数数据分布的规律 ， 为大型履带式 液压挖掘机新产品开发及结构改进提供参考 。 参考文献 m 液压挖掘机 编委会． 液压挖掘机 ifl f M] ． 武汉 华中科 技大学出皈社， 2 0 1 1 ． 【 2 】 苏金明． 阮沈勇． MAT L A B实用教程【M1 ． 北京 电子I业出 版社 ， 2 0 0 8 ． f 3 1李闯． 陈钎尘， 韩涛 ． 等． 小型液压挖掘机基本参数与整机 质量关系m． 建筑机械 ， 2 0 0 9 1 9 1 9 2 ． [ 4 1林幕义， 史青录． 单斗液压挖掘机构造与设计 ． 北京 冶 金I业出皈社． 2 0 1 1 ． 通信地址 山西省太原市万柏林区寒流路 6 6号太原科技 大学机械工程学院研 1 1 0 2 班 9 4号邮箱 0 3 0 0 2 4 收稿日期 2 0 1 3 - 1 0 2 1 全路面起重机轴荷 疲劳损伤评估系统的研究 武德， 连晋毅 太原科技大学机械工程学院 摘 要 l 针对全路面起重机底盘部件疲劳积累损伤的情况， 通过分析起重机轴荷疲劳损伤评估系统的组成和工作原理 ， 建立 轴荷疲劳损伤评估系统模型。 利用 MA T B和 AN S YS软件对该系统工作过程进行相应的模拟仿真， 自动生成轴荷历程、 有 限元分析模型、 载荷 应力 历程表、 应力统计表和评估界面。通过评估界面上的图像信息， 直观地评估起重机轴荷疲劳积累损 伤状况。该系统的开发， 可有效简化起重机底盘部件疲劳累计损伤评估过程， 具有一定的应用价值。 关键词 疲劳损伤 ； 载荷历程； 评估 全路面起重机载重大、 轴数多， 如图 1 所示。 静止时， 起重机各轴载荷的分配是相对均衡的Ⅱ 】 ， 但在行驶过程中， 各轴载荷不断变化， 且随着路况的不同， 轴荷的变化情况 也有所不同。轴荷变化所引起的疲劳累积损伤[2 1是影响 底盘部件使用寿命的重要因素，轴荷的随机性以及多轴 载荷的固有特点[3 1 给计算多轴疲劳累积损伤情况增加了 难度。 本文基于全路面起重机轴荷疲劳积累损伤情况， 建 立了起 重机轴荷疲劳损伤评估系统模型 ，并应 用 MA T L A B和 A NS Y S 软件对该系统的工作过程作 了相应 的模拟仿真。 作者简介 武德 1 9 8 6 - 一 ， 男， 山西灵丘人， 在读硕士， 研究方向 大型全路面工程车辆底盘建模技术和控制策略。 1 I 2 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m