正铲液压挖掘机挖掘性能图谱叠加分析法-.pdf

第 9卷第 1期 2 0 1 1年 3月 中国工程机械学报 C HI N E S E J O U R N A L OF C N S T R U I O N MA C H I N E R Y Vo l _ 9 No ． 1 Ma r ．2 0 1 1 正铲 液压挖掘机挖掘性 能图谱叠加分 析法 陈进 ， 李秋波， 张石强， 侯 沂 重庆大学 机械传动 国家重点实验室， 重庆4 0 0 0 3 0 摘要 通过对正铲液压挖掘机工作装置的机构进行分析研究， 建立了正铲液压挖掘机各铰点、 重心及斗齿尖的 坐标， 并进一步推导和建立了正铲液压挖掘机挖掘性能分析的力学模型． 此外， 首次提出了液压挖掘机挖掘性能 的图谱叠加分析法 简称叠加法 ， 在 V B编程环境下编制了正铲液压挖掘机挖掘性能的图谱叠加分析软件． 图 谱叠加分析法是将每种工况下的 1 1 张挖掘图叠加在一张图谱上进行分析， 更为直观、 全面地反映挖掘机的挖掘 性能． 并以某 X型正铲液压挖掘机为例， 运用该软件对其挖掘性能进行了系统、 全面、 准确的分析， 验证了本方法 的正确性 和有效性 ． 关键词 正铲液压挖掘机；图谱叠加分析法； 挖掘性能 中图分类号 T H 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 25 5 8 1 2 0 1 1 0 1 0 0 3 20 6 At l a s ov e r l a y a nal ys i s on di gg i ng pe r f o r m a nc e f or hydr a ul i c f a c e - s hov e l s C HE NJ i n， L I q i u b o ， Z H AN G S h i ． q i a n g ， HOU Y i St a t e Ke y La b o r a t o r y o f Me c h a nic a l Tr a n s mi s s i o n s， C h o n g q i n g Un i v e r s i t y， Ch o n g q i n g 40 0 03 0， Ch i n a Ab s t r a c t P e r t a i n i n g t o t h e wo r k i n g d e v i c e o f h y d r a u l i c f a c e s h o v e l s ， t h e c o o r d i n a t e s o f h i n g e p o i n t s ， g r a v i t y c e n t e r s a n d b u c k e t c u t t i n g t o o t h a r e e s t a b l i s h e d ．M t e r wa r d s 。 a me c h a n i ca l mo d e l f o r p e r f o r ma n c e a n a l y s i s i s d e d u c e d a n d s e t u p ． I n a d d i t i o n， t h e a t l a s o v e r l a y a n a l y s i s ， i ． e ． s u pe r po s i t i o n me t h o d ， i s p r o p o s e d f o r h y d r a u l i c f a c e - s h o v e l pe r f o r ma n c e ．Un d e r VBT M p r o g r a mmi n g e n v i r o n me n t ， t h i s me t h o d i s a p p l i e d b y s u p e r p o s i n g e l e v e n 1 1 i ma g e s o n a s i n g l e i ma g e f o r o n e wo r k i n g c o n d i t i o n ．Th e r e f o r e ， t h i s a p p r o a c h c o u l d r e f l e c t t h e d i g g i n g p e r f o r ma n c e mo r e i l l u s t r a t i v e l y a n d c o mp r e h e n s i v e l y ．Ba s e d o n a c a se s t u d y o n a n X- t y p e h y dr a ul i c f a c e s ho v e l ， a mo r e s ys t e m a t i c， c o mpr eh e n s i ve a nd a c c ur a t e a n a l y s i s c o ul d b e c o mp l e t e d t o v e r i f y t h e c o r r e c t n e s s a n d e f f e c t i v e n e s s o f t h e p r o p o s e d me t h o d ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c f a c e - s h o v e l s ；a t l a s o v e r l a y a n a l y s i s ；d i g g i n g p e r f o r ma n c e 近年来 ， 在经济发展的推动下 ， 世界钢铁业 、 煤炭业、 电力业等进入了一个新 的发展时期[ 1 ] ． 与此同时 ， 正铲液压挖掘机与其他矿山采掘设备一样 ， 被广泛应用于矿山挖掘等作业 中． 正铲液压挖掘机 由于具有斗 容大 、 作用范围大、 较大的挖掘力和破碎力 、 能适合较恶劣的工作环境等特点 ， 在修桥筑路和建筑工程 中都 发挥着重要作用 ． 由于国内对大型挖掘机的研究较少 ， 许多基础研究资料缺乏， 技术 比较落后 ， 目前仅有的几家公 司形 成了垄断市场的局面 ， 在一定程度上妨碍了国内大型挖掘机的发展 ． 因此 ， 对大型挖掘机 的研究和分析就 显得尤为重要． 本文结合现代设计方法， 在对大型正铲液压挖掘机进行全面的挖掘性能分析基础上， 提出 了正铲液压挖掘机挖掘性能通用分析方法， 并运用此方法对某挖掘机工作装置进行了性能分析及评价． 作者简介 陈进 1 9 5 6 一 ， 男 ， 教授 ， 博士生导师 ， 工学博 士． E - ma i l c h e n j i n 4 1 3 1 6 3 ． c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 陈进 ， 等 正铲 液压挖 掘机挖掘性能 图谱叠加分析法 1 挖掘 图谱分析 挖掘图能够 比较直观地反映挖掘机在假定工况和位置上 主动液压缸挖掘力 的发挥情况 、 被动液压缸 闭锁条件、 整机稳定性和附着条件分别限制的斗齿尖能发挥的最大挖掘力的情况E 引． 1 ． 1 各铰点、 重心及斗齿尖的位置分析 以动臂与主机铰点 A 作为坐标原点， 建 立直角坐标系 x Ay， 见图 1 ． 主机上， 主机重心 为 G。 点 ， F点为动臂油缸与主机铰点 ， 纵 向 挖掘时 ， T点和 S点分别为履带驱动轮和从 动轮轴心在地面上的投影 ； 横向挖掘时 ， T点 和 S点分别为两履带 中心线在地 面的投影 ； 工作装置 由动臂 1 、 动臂缸 6 、 斗杆 2 、 斗杆缸 5 、 铲 斗 3 、 铲斗 缸 4等 6个运 动部件 组成 ， G ， Gz ， Gs 分别为动臂 、 斗杆 、 铲斗 的重心 ； ， ， 。分别表示 动臂、 斗杆 及铲斗相对 于 上一级构件即转台、 动臂、 斗杆 的转角． 通 ’ 图 1 正铲液压挖掘机机构简图 Fi g ． 1 S t r u c t u r e s ke t c h o f h y d r a u l i c f a c e s ho v e l e x c a v a t o r 过对整个工作装置进行结构分析 ， 建立各铰点 ， 重心及斗齿尖的坐标． 动臂上各点的坐标为 XB Xc X D XE X G l L c o s 1 LA c C O S 1一 B AC L c o s l一 B AD LA z C O S l一 B AE y日 yc yD yE L A G C O S 8 1 一 ／B A G 1 j L Y o LA B s i n 1 LA C s i n l LA o s i n 1 LA E s i n 1 LA G 1 s i n 0 1 一 B AC 一 B AD 一 B AE 一 G1 1 式中 XB ， Xc ， XD ， XF ， XG ， y B ， yc ， y D， y E ， y G 分别为 B， C， D， E， G1 点的 ， Y向坐标值 ； L A B ， L ， L A D ， L佃， LA G 分别为A点到B， C， D， E， G 点的距离． 斗杆上的点 ， 以 B点作为参考点 ， 各点坐标为 广 XG ] 厂 XBL 册C O S 1 2一丌 ] l x H J I x BL B H C O S 1 2一丁 c 一 G B Hl ， 1 xG ， I l x BL 肼 ， C O S 1 2 7 c 一 G B G 2 I 厂y G ] 厂 y BL肼s i n 1 2一丁 c ] l y H『 l y BL n n s i n 1 2 7【 一 G B Hl 2 I y G ， I l y BL 船， s i n 1 2 7 【 一／G B G 2 I 式 中 Xa ， X ， XG ， ， y G， y H ， y G ， 分别为 G， H， Gz 点 的 ， Y向的坐标值 ； L粥， L 脚， L∞。 分别为 B点到 G， H， Gz 点的距离 ． 铲斗上的点 ， 以 G点作为参考点 ， 各点坐标为 r X， ] r XGLG z c o s 2 n一 1一 2一 3 ] l x J l I x GL c o s 2 n一 l 一 2 一 3 一／I G J I ， l xG l l xGLG G c o s 2 n一 1 一 2 一 3 一 I G G 3 I 厂y j ] 厂 Y GLG x s i n 2 n一 1一 2一 3 ] l y J I I y G L 6 _J s in 2 n 一 1 一 2 一 3 一 脚 I 3 I y G l I y G L G G s i n 2 n 一 1 一 2 一 3 一 I G G 3 l 式中 X ， XJ ， X 。 ， L J ， LJ ， L 分别为 ， t 厂 ， G。 点的 ， Y向的坐标值； L ， L G J ， LG G 分别为 G点 到 ， ￡ ， ， G3 点的距离 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 9卷 上 C为射线AB和射线AC的夹角， 即 AB顺 时针旋转 B AC与 AC重合 ， 本文规定以顺时针旋转 为正 ， 逆时针旋转为负 ， 即 B AC一 C A B． 在以上坐标公式中， 只有 ， 9 2 和 。 为变量 ， 其他长度和角度都是定值． 因此 ， 通过 以上方法 ， 在任意 给定一组 ， z 和 。 的条件下 ， 即可确定各铰点 、 重心及斗齿尖的坐标位置嘲． 1 ． 2 力学模型的建立 在获得工作装置各铰点 、 重心及 斗齿尖坐标的基 础上 ， 建立正铲 液压挖掘 机的力学模 型． 由于篇 幅有 限， 这里仅给 出斗杆挖掘工况力学模型的数学表达式． 根据 1 ． 1中得 出的各点坐标位置 ， 可以计算得出 动臂油缸 6对 A 点的作用力臂 E ， 斗杆油缸 5对 B点 的作用力臂Ez ， 铲斗油缸 4对 B点的作用力臂 E。 ， 铲 斗油缸 可 对 G点 的作用力臂 E船． 挖掘力方 向取垂直 于 连线方向， 如图 2所示． 计算模型中， 考虑挖掘机 各部分 自重 ， 液压油缸重量简化到连接的两铰点上 ． 取斗杆和铲斗为隔离体 ， 对 B点取矩为 图 2 力学模 型标 示 Fi g ． 2 Me c h a n i c s mo d e l l a b e l i ng F2 g E2 F3 E3 2 Fw o z Ej G N 3 X G 3 一 X B N2 G 2一 B xH XB xJ XB 4 式中 F 为斗杆缸最大工作压力 ； F 3 为斗杆缸达到最大工作压力时的铲斗缸压力 ； F啪 z 为斗杆缸 闭锁条 件所限制的挖掘力 ； 为沿挖掘力方向对 G点的力臂． N- ， Nz ， Ns 分别为动臂 、 斗杆 、 铲 斗的 自重； Nz o ， Ⅳ3 o 分别为斗杆缸 ， 铲斗缸 自重 ． 取铲斗为隔离体 ， 对 G点取矩 F3 E3 3 Fw o 2 EJ G N3 xG 一 XG x XG 5 联立求解式 4 ， 5 为 { F 2g [ Ⅳ 3 x G 3 _ X G X 厂 x c ⅦJ E ”33 _ Ⅳ 2 x G2 _ Ⅳ 3 x G 3 _ X B 一 N2 o c x 一 x e 一 c x ， 一 x ／ 一 玛 c c6 式中 日e 为沿挖掘力方 向对 B点的力臂 ． 取整个工作装置为隔离体 ， 对 A 点取矩 ， 动臂油缸闭锁条件所限制的挖掘力值 为 Fw 0 1 [ F E 一 N x e 一 N x 。 一 N 。 x 。。 。 。 ] El 式中 F 为动臂缸大腔最大闭锁压力 ； N 。 为动臂缸的自重 ； EJ 为沿挖掘力方 向对 A 点的力臂． 同理， 铲斗缸的闭锁条件所限制的挖掘力为 Fw 0 3 [ F 3 d E 。。 _ Ⅳ 3 x G3 一 譬 x 广 x G ] 式中 为铲斗缸大腔最大闭锁压力 ． 地面附着力达到极限时的挖掘力为 拳 式中 N。 为主机 自重 ； 为履带与地面摩擦系数， 0 ． 5 ． 7 8 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 陈进 ， 等 正铲液压挖掘机挖掘性能图谱叠加分析法 取整机为隔离体 ， 对图 1中的 T点取矩 ， 前倾条件限制的挖掘力为 F w o 5 { N o x T X G 一N 1 x G 一X T 一N 2 X o 2 一X r 一N 3 X G 3 一Xr 一 N lo 一 N 2 o 一 N 3。 1 0 式中 X ， X，分别为 T， F点处的 向坐标 ； E j 为沿挖掘力方向对 T点的力臂． 取整机为隔离体 ， 对 S点取矩 ， 后倾条件限制的挖掘力为 F 、vo 6 { N o X s X G N 1 X G 一X s N 2 x G ， 一X s N 3 x G 3 一X s l ‘ N lo 一 X s N 2o X s N 3o X s 1 1 ， 式 中 X 为 S点处的 向坐标 ； Ej s 为沿挖掘力方向对 S点的力臂 ． 整机修正理论挖掘力 ， 即铲斗实际发挥的挖掘力为其中的最小值为 Fo z mi n Fw o ， Fw o z ， Fw o 。 ， F似 ， Fw o 5 ， Fw o 6 ． 1 ． 3 绘制挖掘图谱 将挖掘机工作机构的 3个角度 0 、 0 和 。 从最小到最大分 n1 1级 也可按 3个液压缸长度进行分 级 ， 各角度有 1 1个瞬时值 ， 将其排列组合得计算位置为 n。 1 3 3 1 个 ． 将 0 s 0 3 时取为第 1大组 ， 然后 将 。 增加一个角度取第 2大组 ， 直至 。 0 3 一 ， 得第 1 1大组 ， 即按 0 。 的级数将 1 3 3 1组结果分成 1 1大 组 ． 在 V B环境下编程 ， 实现挖掘图谱的动态绘制， 有效地反映了整个作业范围的挖掘情况 ． 工况 1 动臂缸的闭锁能力限制 了主动液压缸作用力的充分发挥 ； 工况 2 铲斗挖掘时斗杆缸的闭锁能 力限制了铲斗缸主动力的充分发挥 ， 或说明斗杆挖掘时其 主动作用力可能充分发挥 ； 工况 3 铲斗挖掘时 其主动作用力可能充分发挥 ， 或说 明斗杆挖掘时铲斗液压缸的闭锁能力限制了斗杆缸主动力的充分发挥 ； 工况 4 整机与地面的附着性能限制 了主动液压缸作用力的充分发挥 ； 工况 5 整机向前倾翻的可能性限制 了主动液压缸作用力的充分发挥 ； 工况 6 整机 向后倾翻的可能性限制 了主动液压缸作用力的充分发挥 ． 由于篇幅有限 ， 本文只给出纵向斗杆挖掘工况下 ， 0 。 4 9 ． 5 6 。 时的挖掘图谱 ， 如图 3所示． 2 图谱叠加分析法 传统方法对挖掘机的挖掘性能分析都是基于绘制出所有可行的挖掘图谱， 再逐次对每张图谱进行分 2 析， 然后综合每张图谱信息对挖掘机的挖掘性能 进行评价． 这种方法对挖掘性能的评价不够系统 和全面， 而且分析过程也 比较繁琐 ， 所得 到的评 价结果也只能是较好或较差 的模糊 的概念， 不能 形成一种 系统的评价标准[ 4 ] ． 挖掘机挖掘工况一般分为 4种 纵向斗杆挖 掘、 纵向铲斗挖掘、 横 向斗杆挖掘和横 向铲斗挖 掘． 图谱叠加分析法 是将 每种工况 下的 1 1张挖 掘图叠加在一张图谱上进行分析 ， 每个工况一张 图谱 ， 在 V B环境 中， 用不 同的符号标示该位 置 限制最大挖掘力发挥 的限制因素 ， 并用程序 的方 法实现统计分析 ， 计 算出最大挖掘 力的大小 ， 主 动液压缸挖掘力发挥情况 ， 每种限制条件所 占的 百分比等． 可将原来的 4 4张图谱的信息集成到 4 张图谱上． 同理 ， 还可以应用图谱叠加方法对挖掘机能 j ＼| i l ． 工况 1 ； 2 ． 工 况2 ； 3 ． 工况3 1 1 2 1 1 2 1 1 2 2 厂 一 一 。 一 r 1 。 ， 3 ’ ’ f z 2 。 ，’ 。 ； ‘ _ J ‘ 。 l 2 ， ’ I 2 l 2 ， ． ’ ’ I 2 。 1 { I 3 1 1 1 I 2 3 。 1 l lL 3 一 1 广 1 j ， 3 ， ，13 3 3 ， ’ 3 1 ’ ． 1 3 3 3 ， 1 1 1 ‘ 1 1 3 3 1 1 1 1 1 1 图 3 日 3 4 9 ． 5 6 。 时的纵向斗杆挖掘图谱 Fi g． 3 Ar m e x c av a t i n g ma p o f l o n g i t u d i n a l d i r e c t i o n wi t h 0 3 4 9． 5 6 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 9卷 够发挥的挖掘力 的大小进行分析， 对挖掘力的大小进行分段显示 ， 还可以针对不 同机型的不同工作情况 ， 划分其主要挖掘区域 ， 然后再对主要挖掘区域 的图谱进行分析研究 ． 此外 ， 叠加法也可对挖掘力与挖掘阻 力的匹配情况 、 功率匹配情况进行分析 ， 为进一步优化挖掘机的设计打下基础． 3 应用实例 对某 X型挖掘机挖掘图谱进行叠加分析其详细结果如表 1 、 表 2 及 图 4所示 ． 通过对某 X型挖掘机各种工作情况进行分析， 选取其 表1 最大挖掘力统计表 主要挖掘区域为， 水平方向 停机面最小挖掘半径处到 0 ． 9 T a b ． 1 S t a t i s t i c s o f n l a x e x c a v a t i n g f o r c e 倍整机最大挖掘半径 ； 竖直方向 水平面到 0 ． 5 倍最大挖掘 高度． 如图 4所示 ， 框中面积 ． 详细结果如表 3所示． 表 2 挖掘图谱叠加统计情况 Ta b ． 2 S ta t i s t i c s o f o v e r l a p ma p ％ 口 一 工况1 ； 一 工况2 ； ， 一 工况3 ； o 一 工况4 图 4 纵 向斗杆挖掘叠加图谱 Fi g． 4 Ov e r l a p ma p o f l o ng i t u d i na l a nn e x c a v a t i n g 由于 目前缺乏对大型正铲液压挖掘机挖掘阻力分析 的公认的有效方法 ， 所 以未对挖掘力与挖掘阻力 匹配情况进行分析． 从 图 3和图 4及表 1 ～3中的信息及数据可 以看 出， 在斗杆挖掘工况下 ， 斗杆油缸的主动挖掘力能得 到较充分的发挥 ； 铲斗挖掘工况下 ， 由于受到斗杆缸闭锁的限制 因素， 铲斗挖掘 相对斗杆挖掘 不是十分 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 陈进 ， 等 正铲液压挖掘机挖 掘性能图谱叠加分析法 理想 ， 但该机属于大型正铲液压挖掘机 ， 以斗杆挖掘和水平铲装为主 ， 铲斗挖掘很少 ， 主要用于调整铲斗角 度 ， 以利于切削和推压 ． 表 3 主挖掘区域图谱叠加统计情况 Ta b ． 3 St a t i s t i c s o f o v e r l a p ma p wi t h mai n e x c a v a t i ng a r e a ％ 此外 ， 通过对多台该类型挖掘机的分析研究以及挖掘机在实际工作中所反馈的信息 ， 都证明了叠加法 应用于该类型挖掘机挖掘性能分析 中的正确性． 4结论 本文提出一种新的挖掘机挖掘性能分析方法图谱叠加分析法， 该方法打破 了传统 的挖掘图谱分 析方法 ， 简化 了分析步骤 ， 增加了分析的准确性 ， 使挖掘机械评价标准的实现成为可能． 但对于该类型正铲 液压挖掘机在 4种挖掘工况下 ， 各种限制条件所 占比例到底各分配多少才算最优， 该问题还有待进一步研 究 ． 该方法还可以推广应用到对抓钢机械 、 铲装机械等工程机械的性能分析 中， 图谱叠加法的应用将更为 广泛和实际 ， 其意义也更为深远． 参考文献 [ 1 ] 王新中． 国内外矿用挖掘机发展状况口] ． 矿山机械， 2 0 0 4 9 5 2 5 3 ． WA N G Xi n z h o n g ．Th e mo me n t u m d e v e l o p me n t o f mi n e e x c a v a t o r o f t h e wo r l d [ J ] ．Mi n i n gP r o c e s s in g E q u i p me n t ， 2 0 0 4 9 5 2 5 3 ． [ 2 ] 同济大学 ． 单斗液压挖掘机[ M] ． 第二版 ． 北京 中国建筑工业出版社 ， 1 9 8 6 ． T o n g j i Un i v e r s i t y ．S in g l e b u c k e t h y d r a u l i c e x cav a t o r [ M] ．2 n d e d ．B e i j i n g C o n s t r u c t i o n I n d u s try P r e s s of C h i n a ， 1 9 8 6 ． [ 3 ] 张石强 ． 正铲液压挖掘机挖 掘性能通用分析方法研究 [ D] ． 重庆 重庆大学 ， 2 0 0 6 ． Z HA N G S h i q i a n g ．Hy d r a u l i c e x c a v a t o r s s h o v e l g e n e r a l a n a l y s i s o f the p e r f o r ma n c e[ D ] ．C h o n g q i n g C h o n g q in g Un i v e r s i t y ， 2 0 0 6 ． [ 4 ] 陈进， 张石强， 李世六， 等． 正铲液压挖掘机四边形机构牵连运动分析[ J ] ． 中国工程机械学报， 2 0 0 7 ， 5 1 1 4 ． C HE N J in， Z H A N G S h i q i a n g ， L I S h i l i u ， e t a 1 ． Q u a d r i l a t e r a l a g e n c i e s a r e i n v o l v e d i n h y dra u l m e x cav a t o r s h o v e l mo t i o n a n a l y s i s[ J ] ．C h i n a C o n s t r u c t i o nMa c h i n e r y， 2 0 0 7， 5 1 14． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m