挖掘机平地轨迹仿真及平地过程液压系统流量分配研究.pdf

液压 - 液力 H y d r o s t a t i c s a n d H y d r o d y n a mi c s 挖掘机平地轨迹仿真及平地过程 液压系统流量分配研究 * 侯超 ’ ， 李莺莺 ’ ， 杨清淞 ’ ， 刘志东 ’ ， 王强 ’ ， 王建任 ’ ， 杨红 ， 胡艳如 ’ 1 ． 天津工程机械研究院 ； 2 ． 天津西门子电气传动有限公司 摘要 l 以 2 3 t 液压挖掘机为研究对象 ， 分析挖掘机平整作业工况的特点， 从理论上推导其工作装置运动的模型， 根据挖掘机 模型在平整作业过程中的铲斗齿尖运动规律， 得到各驱动液压缸的行程匹配关系。 通过改变动臂液压缸和斗杆液压缸的流量分 配比例关系， 对平整作业过程中挖掘机的平整精细性和平整效率进行对比试验和分析， 为后续挖掘机设计过程中的流量分配提 供参考依据。 关键词 挖掘机； 平整作业； Pr 0 ／ E仿真； 流量分配 平整作业是挖掘机 的重要作业工况之一 ，主要通过 铲斗的直线运动获得平整的作业面 ，多见于施工场地整 修、 沟渠底面刮平及大坝坡面修整等施工场合。目前中型 挖掘机在进行平整作业时， 普遍存在平整作业效率低， 平 整效果不理想的问题。 挖掘机进行平整作业时， 为操纵方便， 操作手通常仅 操纵斗杆内收再配以动臂动作， 铲斗一般不动作； 当然也 可以操作斗杆、 动臂及铲斗三者复合动作， 使铲斗斗齿保 持适当的切削角，以达到平整作业要求，但操纵难度较 大。 因此平整作业工况中， 挖掘机斗杆与动臂的动作匹配 尤为关键。 本文以不考虑铲斗运动为基础 ，研究挖掘机平整作 业时液压系统流量的分配特性 ，并根据 日本建设机械化 协会标准选定 2 0 t 液压挖掘机为研究对象，平整作业距 离为4 ． 5 m。 基于挖掘机平整作业系统的特性 ，应用 Ma t l a b 软件 建立挖掘机工作装置的运动方程 ，根据铲斗齿尖的运动 规律 ， 得到动臂液压缸与斗杆液压缸行程的匹配关系， 进 基金项 目 国家科技支撑计划课题资助 2 0 1 5 B A F 0 7 B 0 1 作者简介 侯超 1 9 8 7 一 ， 男， 工程师， 研究方向 7 - 程机械产品设计及工程机械系统测试。 旺 I 2 D 15 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 杠 拭 第4 6 卷 I 第1 2 期 总第 5 0 6期 而得到相应的流量分配关系。 根据施工经验，平整作业高度一般以停机面平整作 业居多 ，因此本文对挖掘机在停机面高度进行平整作业 时动臂液压缸与斗杆液压缸的流量匹配关系进行计算。 1 挖掘机工作装置的运动方程 挖掘机的工作装置为平面机构 ，由基本的动臂液压 缸摇杆机构、 斗杆液压缸摇杆机构和铲斗液压摇杆 四连 杆机构构成。 在液压缸活塞杆往复运动的驱动下 ， 工作装 置不 同的部件做转动或平动。本文首先通过坐标变换的 方法计算出挖掘机铲斗斗齿尖在整体工作装置坐标系下 的运动情况。 1 ． 1 斗杆液压缸摇杆机构和动臂液压缸摇杆机构分析 动臂液压缸摇杆机构和斗杆液压缸摇杆机构分别如 图 1 和图 2 所示 ， 设两摇杆机构中， 液压缸摆角为 ， 摇 杆摆角为 。 ， 则其计算公式分别为 1 动臂液压缸摇杆机构 咖 。 一 a r c c 。 s 2些 L L 1 1 cos ． ar c J 2 斗杆液压缸摇杆机构 一cos ㈦ ⋯s ㈩ 式 1 ～式 4 中 为液压缸长度 ； 为液压缸 固定点到 摇杆固定点的长度 ； k 为摇杆的长度 。 图 1 动臂液压缸摇杆机构 X f } 一 图 2 斗杆液压缸摇杆机构 1 ． 2 铲斗液压缸摇杆机构 四连杆机构 铲斗液压缸摇杆通过四连杆机构与铲斗铰接 ， 如图 3 所示 ， 其中四连杆机构形式如图 4 所示。 图3 铲斗液压缸摇杆 四连杆机构 图 4 四连杆机构 简图 X 在图 4 所 示的四连杆机构简图中 ， a为主 动杆 ； 6为 连杆 ； c 为从动杆 ； d为连架杆。 由四连杆的主动转角 咖可计算从动转角 ， 有 2 眦 t a nf 卫 卫 1 5 ＼ gr ／ 式中 p 一 s i n 咖； g 一 d c 。 s ； ， 一 一d c 。 s 咖 。 2口佰 ‘12 l 工 霏 缸 械 『 4 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 液压 - 液力 H y d r o s t a t i c s a n d H y d r o d y n a mi c s 根据式 5 ， 将从动角 的计算过程编制成 Ma t l a b计 算程序 ， 其计算流程如图 5 所示。 I S i x L i n k l l ／输 儿。， 工 ， ， 9 ．6 0／ ‘ S i x L i n k b ， L ，L R ， I O F o u r L i n k a ， 6 ， 西 l 图 5 从动角 的计算流程 通过以上计算得到的 咖 、 小 小 ， 加以工作 装置的固定角度可以计算出铲斗坐标系与斗杆坐标系的 相对转角 ， ， 斗杆坐标系与动臂坐标系的相对转角 y 2 ， 动 臂坐标系与工作装置整体坐标系的相对转角 ，如图 6 所示。 2 铲斗齿尖点的坐标转换 为了获得铲斗齿尖点在工作装置整体坐标系下的坐 标值 ， 需要对铲斗齿尖点的坐标进行 3 次坐标 系转换 ， 即 将斗齿齿尖 点坐标 由铲斗坐标 系向斗杆坐标系转换 ， 然 后再向动臂坐标系转换 ，最后再向工作装置整体坐标 系 转换。 设铲斗齿尖 P点在原坐标 系X 0 Y 中的坐标为 x ／ ， ， 在转换后的新坐标系 X O Y中的坐标为 ， 规定 轴为起始边 ， 轴为终止边 ， 转角 以逆时针旋转为正 ， 反 之为负。则坐标 与 ， 的转换关系式为 c 0 s 7 i s i n 7 6 y f ； y口 y s i n 7 y C O S 7i 式 中 ， 为 铲 斗 齿尖 在 原 坐标 系 X 0 Y 中 的坐 标 值 ； ， ． 为原 坐 标 系 X 0 Y 的 原 点 0 在 新 坐 标 系 X OY中的 坐 标 值 ； X p ， Y e 为 铲 斗 齿 尖 P在 新 坐 标 系 XO Y中的坐标值 ； 为两坐标系的相对转角。 铲 斗 齿 尖 P点 的坐 标 相 对 于 斗 杆 坐 标 系 的转 换 ， 如 图 7 所 示 ， 相 对 于 动 臂 坐标 系 的转 换 ， 如 图 8 所 示 ， 相 对于 整体 坐标 系 的转 换 如图 9所示 。 通 过 Ma d a b编 程 计 算 点 的 坐 标 转 换 函 数 T r a n s Co o r d i n a t e P 0 ， ， 其计算流程如图 1 0 所示。 512 X 图 7 铲 斗齿尖点坐标相对 于斗杆 坐标 系的转换 图 1 0中 ， 为 待转 换点 的 坐标 与 Y 坐 标 组成 的矩 阵 ； 为 坐标 转换 时两 个 坐 标 系 的相 对 转 角 ； n 为需要进行坐标转换 的点的个数 ； P n t s为转换坐标 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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 霏缸械 第 4 6 卷 I 第1 2 期 总第 5 0 6期 由图 1 6 可以看出， 调整动臂液压缸与斗杆液压缸的 流量比值后， 平整作业的的精细程度有了一定的提升， 而 且在规定的平地距离下动作时间也有了0 ． 2 s 的提升。 4结束语 虽然从理论上来说整个平地过程中斗杆都处于内收 的状态 ， 斗杆 内收的速度直接影响了平整作业的效率 ， 但 是过快的斗杆运动速度致使动臂的供油流量不足，反而 导致平整作业动作的不协调。因为在平整作业初始阶段 动臂液压缸流量需求较大， 而斗杆相对需求较小。 从挖掘 的角度来看，斗杆流量的减少虽然使挖掘过程中动作略 有减慢 ， 但是在提升动臂加回转过程 中的速度加快 ， 因此 对整个挖掘效率并没有什么影响。 本文通过对 2 0 t 级全液压挖掘机平整作业的分析和 计算， 得出动臂与斗杆的流量分配关系。经过试验对比， 调整流量分配比前后的平整作业效率以及平整精细性， 验证了流量分配的正确性 。本文运用的分析方法亦可以 运用到其他型号的挖掘机当中，为挖掘机设计过程中的 流量分配提供参考。 参考文献 1 1陈国俊． 液压挖掘机 原理、 结构、 设计、 计算 【 M1 ． 武汉 华 中科技大学出皈社， 2 0 1 1 ． 【 2 】 陈杰． MA T L A B宝典【 M1 ． 北京 电子I业出皈社 。 2 0 0 7 ． 【3 】葛碚浩． 杨芙莲． P E机构设计与运动仿真[ M1 ． 北京 化 学I业出}夏j I， 2 0 0 7 ． 【 4 】 郝前华． 挖掘机平整作业特性分析及性能优化研究p】 ． 长 沙 中南大学． 2 0 1 2 ． f 5 J J C MA S H 0 2 0 2 0 0 7 J C MA S 土方机械液压挖掘机燃油 消耗量测试方法[ S 】 ． 通信地址 天津市北辰科技园华实道 g 1 号天津工程机械研 究院 3 O 0 4 O 9 收稿日期 2 0 1 5 - 0 9 - 2 4 上接第 2 6页 表 7 振动烈度对 比 振动烈度值 ／ m m ／ s 振动等级 测点 原方案 改进方案 原方案 改进方案 垂向 1 2 ． 5 9 2 ． 6 3 可容忍级 良好级 纵 向 1 1 ． 6 7 2 ． 1 8 可容忍级 良好级 1 通过调整减振垫安装位置合理分配载荷，以及合 理选择减振垫冈 0 度， 可将 S S I k 2 0 0 H型单钢轮压路机驾驶 室的振动烈度等级由可容忍级有效提升至良好级； 2 钢轮振动是驾驶室振动的主要激振源 ； 3 前、 后减振垫变形量差异过大 ， 将导致驾驶室在振 动过程 中形成前后俯仰现象， 影响驾驶室振动烈度 ， 特别 是纵向振动烈度 ； 4 减振垫变形差异过大时可采用调整载荷分配， 选用 不同刚度的减振垫组合等措施 ， 来确保减振垫变形量一致。 j | ； 考文献 [ 1 1 韩清林， 刘晓兵． 姜晓． 串联式振荡压略机动力学模型及参 数优化分析历． 中国工程机械学报， 2 0 0 9 f 4 3 9 7 4 O 】 ． 1 2 】 关惠玲 ． 张优云． 转子系统振动幅值的监控卟机械强度 ， 2 0 0 0 ． 2 2 3 1 8 0 -1 8 3 ． f 3 J 樊新海， 赵智勇， 安钢， 等． 机械振动烈度的频域算法研究 ． 装甲兵I程学报 。 2 0 0 8 。 2 2 1 4 2 - 4 5 ． 【 4 】 严济宽． 机械振动隔离技术[M1 ． 上海 上海科学技术文献出 版社 ， 1 9 8 5 3 3 - 3 4 ， [ 5 1 J G ／ T 5 0 7 6 ． 1 1 9 9 6 振动压路机减振系统设计规范【 S 】 ． 通信地址 湖南长沙三一 重工泵送事业部研究本 院试 验测 试中心 4 1 0 1 O 0 收稿日期 2 0 1 5 - 0 7 - 1 4 一伫 { 4 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m