挖掘机液压系统载荷数据测试方法研究.pdf

M P a ， 疲劳强度为 2 0 0 M P a 。由于工作环境恶劣 ， 且 存在较大的振动，应该 以疲劳强度作为判 断标准 ， 并保证一定 的安全性 ， 安全系数一般取 1 ． 5 嗍 。经计 算 ，本文所分析的 C S 2 2 5 E H ／ 1 3型潜孔钻机钻架的 安全系数为 1 ． 7 ， 表明该钻架 的强度满足设计要求 。 3 -3 钻架固有模态分析结果 钻架前 l 0 阶固有频率如表 1 所示。分析可知， 由于钻架的整体刚度较大，所以其固有模态值较 小， 远远低于冲击器 2 0 H z 的冲击频率。因此， 冲击 器不会与钻架产生共振。这一结果为以后的钻架设 计提供了一定的参考， 即冲击器的冲击频率对钻架 结构刚度的影响较小 。 表 1 钻架的固有频 率 阶数 频率 ／ H z 阶数 频率 ／ I -I z l 0 ． 1 4 6 1 - 3 7 2 0． 1 8 7 1 ． 4 2 3 0 ． 7 3 8 1 ．4 9 4 0． 91 9 1 ． 5 6 5 1 ． 1 7 1 0 1 ． 5 7 4 结论 针对 C S 2 2 5 E H ／ 1 3型潜孔钻机钻架 的 3种较为 恶劣工况， 分别对其进行有限元分析， 结果表明， 该 钻架的强度满足设计要求 。目前该型潜空钻机已在 某矿 山成功运行 1年时间， 钻架作业正常。 参考文献 [ 1 】郭勇， 周振华． 潜孔钻机的应用现状与发展趋势『 J 】 ． 矿 业快报， 2 0 0 8 ， 2 4 4 1 3 1 5 ． 【 2 】庄茁 ， 廖剑晖． 基于 A B A Q U S的有限元分析和应用[ M】 ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 9 ． 【 3 】刘彦国， 孙先明， 马进． 1 6 Mn钢在不同条件下的疲劳行 为研究【 J ] ． 应用力学学报， 2 0 1 1 ， 2 8 2 2 0 6 2 1 0 ． [ 4 】 闻邦椿． 机械设计手册 第 6 卷[ M 】 ． 第 5 版． 北京 机械 工业出版社， 2 0 1 1 ． 通信地址 湖南省长沙市高新开发区东方红中路 5 6 8号湖 南有色重型机器有 限责任公司技术中心 4 0 2 4 1 0 2 0 5 收稿日期 2 0 1 2 1 1 - 1 9 挖掘机液压系统载荷数据测试方法研究 刘志东， 李莺莺， 杨清淞， 侯超 天津工程机械研究院 摘要 编制工程机械载荷谱需要大量实际工况下的载荷时间历程数据 ， 为此 ， 研究实时测试 挖掘机载荷的方法。针对不同载荷， 选用区别化的测试方案， 设计易连接、 可重复利用的信号采集 系统。试验结果证明了此测试方法的可行性和准确性， 为挖掘机载荷谱的编制奠定了实测数据基 础。此测试方法具有广泛的通用性， 可应用于农机、 汽车以及船舶等多个领域。 关键词 挖掘机； 载荷谱； 测试方法； 试验数据 为了了解并掌握 2 O 2 5 t 级液压挖掘机在各种 典型作业工况下的外载荷及其特点， 尤其是液压部 件的工作载荷， 及它们在时域、 幅值域和频域中的 特性， 对一台 2 1 t 级液压挖掘机现场作业时的各部 件 动态工作载荷进行 了测试和分析。通过 载荷分 析 ， 可以获得挖掘机零部件尤其是液压部件疲劳寿 命预测和可靠性设计的数据基础【11 ， 通过进一步的 载荷谱编制 ， 可得到典型构件的程序加载谱 ， 为室 内模拟加载试验打下基础阁 。 本文选择 Z G 3 2 1 0 9型挖掘机为研究对象， 介 绍了挖掘机载荷谱测试的实现过程和方法。针对不 同信号采集的要求，设计各种传感器的固定方式； 根据信号采集的实时性要求 ， 搭建快速响应的信号 采集 系统 ； 设定典型测试 工况 ， 并在典型工况下进 作者简介 刘志东 1 9 8 5 一 ， 男， 天津人， 硕士， 研究方向 工程机械载荷谱测试及性能分析。 一 1 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 行挖掘装载 、 行走 以及 回转试 验 ， 对试 验结果 进行 分析。 1 试验测点布置 挖掘机载荷谱测试的主要 目的是评价整机系 统各部分的性能， 分析液压系统的载荷情况及功率 流的匹配， 所以需测试的项 目较多。结合不同的性 能测试要求 ， 对挖掘机各机构 液压缸 、 马达等 进 行相应 的测点布置 。 1 ． 1 压力测量 本文测量的液压油路压力信号共 3 3 个，分为 先导压力信号和工作压力信号两大类， 根据各 自不 同的工作压力范围选择合适量程的传感器。 测量先导压力时， 将压力检测点布置在先导液 压油路中的软管连接位置 。通过分析被测挖掘机液 压油路结构 ， 可知各先导液压油路的软管接头形式 为国标 2 4 。 锥形管接头，将测点部分安装三通过渡 接头， 两端连接先导液压管路， 第三端安装压力传 感器 ， 连接如图 1 所示 。选择先导压力测试点时 ， 要 依据传感器拆装方便的原则。如行走先导压力传感 器安装在行 走踏板下面 ， 这样 既使安装方便 ， 又可 防尘。左右手柄先导压力传感器部分安装在多路阀 上侧输人输出管路， 其余安装在驾驶室后管路过渡 连接部分。 图 1 先导油路压力传感器安装图 测量动臂、 斗杆和铲斗 3 个液压缸的有杆腔和 无杆腔进 口压力和行走马达入 口压力时 ， 应在液压 管路之间插入压力传感器测点。根据挖掘机液压油 路的结构特点 ， 在软管和钢管的连接处 ， 加人与管 路法兰尺寸相同的过渡法兰阀块， 将传感器安装在 法兰阀块上 ， 即可对油路压力进行实时测量 。 测量工作泵 出 口压力、回转马达人 口压力时 ， 将压力传感器 安装 在其预 留测压 口上 即可完成 实 时测量工作。 1 ． 2 液压缸位移测量 为了分析液压系统功率流 ， 要求载荷谱测试过 程 中实时监测各液压缸 动臂 、 斗杆和铲斗液压缸 的伸缩量。检测液压缸伸缩位移的传感器是将位移 量转换为电信号， 本文选用拉绳式位移传感器。为 保证传感器的输出结果能准确地反映液压缸的伸 缩位移 ， 传感器的拉绳在挖掘机工作过程 中要始终 与所测液压缸保持平行， 并保证拉绳和液压缸在同 一 平面上， 位移传感器在液压缸上的安装结构简图 如 图 2所示 。 液压 图2 液压缸位移传感器安装 1 - 3 回转马达、 行走马达转速测量 为了分析 回转马达和行走马达的性 能 ， 需要检 测其工作过程中的运行速度。回转马达和行走马达 都被封装在挖掘机内部，难以测量其内部转速， 可 一 1 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 以测量 回转支承和行走轮的转速 ， 结合 马达与外部 结构的传动比， 即可计算出各马达的转速。经测量， 可得回转支承外圆周和行走轮外圆周实时的位移一 时间曲线 ， 对位移 曲线求一 阶导数 ， 即可得到 回转 支承和行走轮的转速。结合挖掘机实 际运行情况 ， 采用非接触式检测原理对 回转支承和行走 轮进 行 位移检测 。本文选择磁性检测装置 转速测量传感 器 ，如图 3所示。探头每检测到磁条 的一个波峰 时 ， 输 出一个脉冲 ， 计算累计脉冲数量 ， 即可计算探 头和磁带间的相对位移。检测精度取决于磁条内部 的 S - N间距。由于磁带背面具有黏性 ， 安装时 ， 将磁 带围绕 回转支承外 圆周和行走轮外圆周粘贴 ， 随其 转动 ， 检测探头利用所设计支架 固定在与磁带相对 应的位置。 图 3 转速 测量传感器 2 信号采集系统的构建 2 ． 1 传感器标定 为了保证试验数据 的真实可靠 ， 试验过程 中所 用各传感器的检测精度和量程必须满足挖掘机的 性能检测要求， 由于传感器是将物理信号转化为电 信号， 所以要求物理信号的输入量程与电信号的输 出量程之间为线性对应关 系。 试验所用压力传感器利用专业 的压力标定仪 进行用前 标定 ， 将线性度 、 量程以及检测精度不符 合要求的剔除。 位移传感器安装后 ， 液压缸在最小行程时对应 的不是传感器的零点， 试验前 ， 首先应测量当液压 缸处于最小和最大伸缩量时，位移传感器的显示 一 2 0一 值 ， 测量结果如图 4所示 ， 标定结果如表 1 所示。 1 ． 5 1 ． O O ． 5 0 ． O O a 动臂液压缸行程 ＼ b 斗杆液压缸行程 C 铲斗液压缸行程 图 4 液压缸伸缩位移的测量 表 1 液压缸 的行程位移 mm 液压缸 最小行程位移 最大行程位移 动臂液压缸 1 2 9 ． 8 1 3 5 1 ．9 斗杆液压缸 1 7 9 ． 5 1 6 4 9 ． 5 铲斗液压缸 1 5 7 ． 4 1 2 2 1 ． 1 2 ． 2 电气系统的电路连接 试验中的数据采集设备选用德国i m c 集成测控 公司生产的 C R O N O s c o m p a c t 系列模块集成式数 控 采集系统 ， 可 同时采集 电压 、 电流 、 热 电偶 、 脉冲和 桥路等信号， 并能直接采集 C A N信号， 满足试验中 传感器输出信号类型的采集要求 。此设备可根据采 集信号的数量进行输入端 口的扩展 ， 并具有数据实 时存储 功能 。 挖掘机载荷谱测试过程中， 电路连接如图 5 所 示。数据采集系统和各传感器都由车载电源供电， 为了便于司机对数据采集系统进行操作 ， 将数据采 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 航空插头 图 5 电气系统电路连接框 图 集设备 固定在挖掘机驾驶室内。为便于电气系统的 安装 、 调试和重复利用 ， 数据采集设备 和传感 器之 间采用 中间过渡线连接 ， 3者之间采用航空插头连 接， 实现易插拔功能。由于传感器信号较多， 为了避 免信号线之间的混淆， 易于通道设置， 数据采集系 统引线和传感器引线的编号要一一对应 。 3 试 验过程 挖掘机 的主要 动作 为挖 掘装载循环 动作和行 走动作 。为了得到广泛 的载荷数据 ， 应该对挖掘机 在各种典型工况、 不同工作模式下分别进行试验}3]。 3 ． 1 典型测试工况 挖掘机液压 系统 载荷 的随机变化 与整 机作业 工况 的随机改变紧密相关 。挖掘作业工况主要受物 料对象的影响。 3 ． 1 ． 1 试验作业场地 采用压路机人造试验场地 ，试验场长 5 0 m， 宽 4 0 m， 压实深度 2 m， 可 以满足同一种物料类型下 ， 不同工作模式的测试需要 。 3 ． 1 ． 2物料类型 根据土壤 的工程分类 ， Ⅳ级及 以下土壤可以由 机械直接开挖。 确定 3种典型物料类型 1 I Ⅱ级土壤 选择毫 贿 开挖过的原生科植 土。 2 I n 级土壤 经过压实后 的黄土。资料表明 ， 无植被覆盖土壤的平均湿度为 1 2 ． 8 ％，假设在此湿 度下 Ⅲ级土壤的湿密度为 1 ． 7 5 ～ 1 ． 8 t ／ m ，则干密度 为 1 ． 5 5 ～ 1 ． 6 t ／ m 。 ，以干密度 的测量数据 为标准来衡 量人造 Ⅲ级土壤是否合格 。 3 Ⅳ级土壤 经过压实的含有石块的黄土。 根 据 土壤分类 标准 ，Ⅳ级土壤 的湿 密度为 1 ． 9 5 ～ 2 ． 0 t ／ m。 ， 则干密度 为 1 ． 7 3 ～ 1 ． 7 8 t ／ m ， 以干密度来衡量人 造 Ⅳ级土壤是否合格。 3 ． 3 ． 3 工作模式 Z G 3 2 1 0 9型挖 掘机包 括 4种工作 模式 和 1 0 个发动机工作挡位 。4种 工作模式分别为 H模 式 高速模式 、 s模式 标准模式 、 L模式 低速模式 和 B模式 破碎锤模式 。 本文选择挖掘机 1 O挡 H工作模式进行试验 ， 发动机转速在 2 0 0 0 ～ 2 1 5 0 r ／ m i n之间。 3 ． 2 挖掘装载试验 挖掘机最频繁的动作就是挖掘装载动作 ， 研究 挖掘机在挖掘装 载过程 中各个部件 的载荷变化对 挖掘机整体性能的分析至关重要。参照 c M A s 土 方机 械一 液压挖掘机燃油消耗量试验方法 凹 ，将挖 掘机 的挖掘装载过程分为典型的 6段动作模式 。 1 挖掘动作 工作装置最大程度伸长 ， 使动臂 与斗杆铰点、 斗杆与铲斗铰点以及齿尖在一条直线 上 ， 由铲斗齿尖接触物料开始 ， 进行斗杆和铲斗 的 联合操作 ，尽量做到当斗杆达到垂直地面位置时， 一 21 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 毒 铲斗开 口处与地面水平 ， 且物料装满 。 2 提升动作 动臂上升 ， 提起物料 ， 达 到模拟 装载高度 2 ． 5 m位置。 3 旋转 操作回转手柄 ， 向右侧 回转 9 0 。 ， 到达 模拟车辆位置。 4 放铲 操作铲斗和斗杆液压缸， 卸载物料。 5 回转 操作 回转手柄 ， 向左侧 回转 ， 达到挖 掘物料位置。 6 下放 操作动臂 ， 调整铲斗和斗杆 ， 使铲斗 前端达到挖掘位置 。 本文以一种工况为例 ， 对挖掘机的挖掘装载过 程及液压泵出口压力和流量数据进行统计分析。工 况 挖掘机设置 1 0挡 H模式 ，挖掘土壤级别为 I I 级 ， I I 级 土壤 在 自然湿 度 下 容 重 为 1 6 0 0 ～ 1 7 5 0 k g ／ m 3 ， 松散系数为 1 ． 1 4 ～ 1 ． 2 8 。 挖掘机挖掘装载一个循环周期的模拟动作， 如 图 6所示 ， 横坐标表示一个循环周期 的时 间， 纵坐 标 中，由上向下依次表示回转支承外圆周的线位 移、 动臂液压缸的伸缩量 、 斗杆液压缸的伸缩量和 铲斗液压缸 的伸缩量 。 1 ．0 O． 8 O．6 1 ．5 1 ．O O．5 0 ． 0 1 ． 5 1 ． O O ． 5 0 ． 0 l 3 9 1 42 1 4 5 1 4 8 时间／ s 图6 挖掘装载过程 6 段动作模式 结合挖掘机在实际工作过程 中动臂液压缸 、 斗 杆液压缸、 铲斗液压缸伸缩量和回转支承外圆周线 位移的变换规律 ， 图 6上端划分标 出了一个挖掘装 载过程典型的 6段动作模式。 在相同的工况下进行重复的挖掘装载作业 ， 以 连续工作 1 0 0 斗为一种工况下的分析样本。挖掘装 载过程中典型动作的时间及其 占用完整工作循环 的时间比率统计结果如表 2 所示。 Z G 3 2 1 0 9型挖掘机上包含 2个主泵 泵 1 、 泵 2 和 1 个先导泵 。泵 1 给动臂液压缸 、 回转马达和 左行走马达提供液压动力 ；泵 2给斗杆液压缸 、 铲 斗液压缸和右行走马达提供液压动力 ； 先导泵主要 给先导油路提供液压动力。 以泵 1为例 ， 分析挖掘装载过程 中液压油路参 一 2 2一 l 5l 表 2 挖掘装载 6 段动作时间统计表 I I 级土壤， H模式， l O挡， 挖掘装载动作 典型动作 时间 ， s 比率／ ％ 挖掘 5 ． O l 3 2 ． 2 0 提升 1 ． 7 9 1 1 ． 5 0 旋转 2 _ 3 8 1 5 - 3 O 放铲 2 _ 3 2 1 4 ． 9 1 回转 2 ． 4 9 1 6 ． o o 下放 1 ． 5 7 1 O ． O 9 全周期 1 5 ． 5 6 1 0 0 u v 匿 u v 喜嫖晕 Ⅲ ， 删姆 Ⅲ ／ 删婿 凰 惜似辱 毒 回 幽燃扯裸 出 卉 出艇升 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 数变化情况 。在图 6所示工作循环 中 ， 泵 1的出 口 压力变化如图 7所示 ，出 口流量变化如 图 8所示 。 由图 6和 图 7可 以得 出 ， 不 同工作段 ， 泵 1出 口压 力和流量 的变化规律 。 善 出 j 删 图 7 泵 1出 口压力变化曲线 图 8 泵 1出口流量变化曲线 在此工况下 ， 挖掘机连续工作 1 0 0斗时 ， 对泵 1 的出口压力和流量按典 型 6段动作模式进行 数理 统计分析， 求得各工作段的均值和方差， 结果如表 3 所示。由表 3 可知， 泵 l 出口压力在挖掘动作时的 均值 最小 ， 空斗 回转过程 中最大 ； 而泵 1出 口流量 在整个工作过程 中变化不大 ； 由方差的统计结果可 知 ，泵 1的出 口压力 和流量在提升过程 中波动最 小 ， 在下放过程中， 离散程度最大。 发 动 机 的 载 荷 特 征 分 别 由发 动 机 转 速 r ／ mi n 、 燃油消耗 0 L ／ h 和发动机输出转矩 Mo N m 表征。 由于本文没有直接测量发动机 的输 出转矩 ， 在 不考虑液压泵 的机械效率和容积效率及其他发 动 机附件消耗功率的前提下 ， 通过式 1 计算发动机 的输 出转矩。 f 0 ．0 1 ． p 眦1 1 ＼ ／7 ,e ne ／ 式中 为发动机输出转矩 ， N m； p 为泵 1出口压 力 ， MP a ； Q 1 为泵 1出 口流量 ， L ／ mi n ； p a 2 为泵 2出 口 压力， M P a ； 为泵 2出口流量 ， L ／ m i n ；p w a 为先导 泵出口压力 ， MP a 。 由于被测挖掘机的控制系统采用定功率的控制 方式 ，所以分析发动机 的载荷特性时不考虑工作段 表 3 泵 1出口压力及流量分段统计表 泵 1出口压力 ／ MP a 泵 1出 口流量 ／ L ／ m i n 工作段 均值 方差 均值 方差 挖掘 1 5 ． 0 3 8 6 ． 6 3 6 1 4 5 ． 7 7 3 1 ． 9 4 8 提升 1 8 ． 8 3 8 6 ． 7 0 4 1 4 8 ．0 4 2 8 ． 2 8 6 旋转 2 1 ． 3 2 8 6 ． 8 1 4 1 3 6 ．4 9 3 8 ． 2 4 9 放铲 1 9 ． 2 2 9 6 ．7 0 1 1 4 6 ．9 1 3 2 ． 8 5 1 回转 2 1 ． 0 4 8 9 ． 1 4 2 l 3 1 ． 8 3 5 0 ． 0 6 7 下放 1 7 ． 4 5 8 9 ．0 2 4 1 2 2 ．4 2 5 9 ． 0 8 1 全斗 1 8 ． 2 6 1 7 ． 8 0 8 1 4 0 ． 1 9 4 0 - 3 8 23 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 的影响。对于 I I 级土壤 ， 采用 l 0挡 H模式进行挖掘 装载作业时 ， 发动机载荷特征统计结果见表 4 。 表 4发动机载荷特征 H模式 均值 标准差 极值 n J r ／ mi n 1 9 4 3 6 1 2 1 4 1 D L 『 } 1 2 5 ． 0 5 2 ． 2 8 2 9 ． 2 9 MJ N m 3 5 1 ．4 2 9 6 ． 1 0 6 0 8 ． 4 3 3 ． 3 行走试验 挖掘机在工作 中的常用状态还包括行走模式 。 行走包括高速和低速行走 ， 对不同的行走模式进行 比较， 得出相应的分析结果。 参照 J c M A s 土方机械 一 液压挖掘机燃油消耗量试验方法 嗍 ，试验过程选 择 H模式 ， 挡位设置为 1 0挡 ， 行走踏板踩至最大角 度位置 ， 行走距离为 2 5 m， 对高速 、 低速模式均进行 前进和原路倒退试验 ， 其 中， 原路倒退试验是为 了 消除试验路况的坡度误差。 挖掘机进行高、 低速行走试验时， 左行走轮外 圆线位移如图 9所示 。由图 9可知 ， 通过行走轮外 圆周的旋转线位移和相应时间，可求得行走轮转 速。行走轮外 圆周长 1 ． 2 4 3 m， 履带轮外圆直径与行 走轮外 圆直径 比为 1 ． 5 9 ， 得行走轮转速与履带轮转 速比为 1 ．5 9 。由以上数据计算可得 挖掘机低速模 式行走 ， 速度 为 3 ． 4 1 k m ／ h ； 高速模式 行走 ， 速度为 5 ． 2 4 k m／ h 漤 圄 图9 高、 低速模式行走时， 行走轮外圆线位移 3 ． 4 回转试验 本节以回转马达人 口压力变化为例分析回转 试验过程 。当回转先导手柄拨至最大位置时 ， 回转 一 2 4一 马达将 以最大 回转速度旋转 ， 由位移采集图可知运 行平稳段相对 应的回转支承外 圆周的线位移和 回 转时间。回转转速的计算式见式 2 。 一6 0 S t r ， 、 ” 式 中 n 为 回转支承转速 ， r ／ mi n ； S 为 回转支承外 圆周线位移 ， m； t 为回转时间， S ； 为 回转支 承外 圆 周周长 ， 3 ． 8 3 8 m。 1 空斗回转试 验过程 中， 回转支承外圆周线 位移和回转马达人 口压力如 图 1 0所示 。取回转过 程 C D稳定段数据 ， 由图 1 O可知 罨 出 ／ 、 D ＼ ‘ L 一 ． 时 间， s a 回转支承线位移 时间／ s b 回转马达人口压力 图 1 O 空斗回转试验 Js 2 ． 7 3 2 1 ． 1 2 91 ． 6 03 m t 55 ． 8 0 - 52 ． 61 3 ． 1 9 S 将 以上结果代人式 2 ， 得最大卸载高度位置 处 ， 空斗 回转时， 回转支承最大转速为 n 7 ． 8 6 r ／ mi n 2 满斗回转试 验过程 中， 回转支承外圆周线 位移和回转 马达入 口压力如 图 l 1 所示 。取 回转过 程 A 稳定段数据， 由图 1 l 可知 Js 2 ． 7 3 2 0 ． 7 4 7 1 ． 9 91 m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m