反鏟液壓挖掘機(jī)作業(yè)區(qū)域挖掘力計(jì)算

工作裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的計(jì)算機(jī)模擬挖掘協(xié)議是衡量大型挖掘機(jī)工作設(shè)備結(jié)構(gòu)合理性和工作性能的重要手段之一。它能夠比較直觀地反映挖掘機(jī)在假定工況和位置上主動(dòng)液壓缸挖掘力的發(fā)揮情況,以及被動(dòng)液壓缸閉鎖條件、整機(jī)穩(wěn)定性條件和地面附著條件等作業(yè)限制因素對(duì)斗齒挖掘力的限制情況。通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助分析,能夠比較直觀地得到整機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)缺陷,從而為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù),同時(shí),也可以修正已擬定的各種初步方案,或驗(yàn)算挖掘機(jī)的作業(yè)性能,并與測(cè)試結(jié)果相對(duì)照,為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。文獻(xiàn)建立了大型正鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置的數(shù)學(xué)模型,應(yīng)用圖譜疊加分析法實(shí)現(xiàn)了正鏟液壓挖掘機(jī)的工作裝置優(yōu)化;文獻(xiàn)提出了反鏟液壓挖掘機(jī)整機(jī)理論挖掘力的計(jì)算方法,為反鏟工作裝置挖掘圖譜的程序化繪制奠定了基礎(chǔ);文獻(xiàn)實(shí)現(xiàn)了基于限制因素分界線的挖掘圖程序化繪制。本文在對(duì)數(shù)學(xué)模型分析的基礎(chǔ)上,討論各種限制因素對(duì)作業(yè)性能的影響。編寫(xiě)基于VB6.0的計(jì)算程序,以實(shí)現(xiàn)整機(jī)理論挖掘力的程序化計(jì)算以及反鏟挖掘圖譜的程序化繪制。1工作裝置液壓系統(tǒng)最大挖掘力的確定挖掘力是衡量液壓挖掘機(jī)工作裝置綜合作業(yè)性能的重要指標(biāo)之一,其變化特性是工作裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,也是評(píng)價(jià)挖掘機(jī)綜合性能的重點(diǎn)。ISO6015:2006將挖掘力定義為機(jī)具力,即單獨(dú)操作鏟斗或斗桿液壓缸時(shí)作用在工作裝置末端的實(shí)際作用力;ISO7135:1993將挖掘力分為破碎力和斗桿插入力,并要求參見(jiàn)ISO6015:2006。由此可知,挖掘力的大小與挖掘工況(鏟斗挖掘、斗桿挖掘、復(fù)合挖掘)、工作裝置姿態(tài)、液壓系統(tǒng)參數(shù)和傳動(dòng)效率等有關(guān)。文獻(xiàn)對(duì)最大挖掘力、最大鏟斗切向力和最大斗桿力進(jìn)行了定義。其中,最大挖掘力是指作用在鏟斗切削點(diǎn)最外處的挖掘力,該力由作用在產(chǎn)生挖掘力的液壓缸上的工作壓力計(jì)算求得,但該工作壓力不得超過(guò)其他液壓回路的保持壓力。在計(jì)算挖掘力時(shí),不考慮工作裝置質(zhì)量和摩擦等影響因素。1.1斗桿液壓缸理論挖掘力特性曲線在較堅(jiān)硬的土質(zhì)條件下工作時(shí),為了能夠滿斗,中小型液壓挖掘機(jī)在實(shí)際工作中常以斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘。當(dāng)單獨(dú)采用斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘時(shí),挖掘軌跡是以動(dòng)臂與斗桿的鉸點(diǎn)F為中心,以斗齒尖到鉸點(diǎn)F的長(zhǎng)度LFV為半徑的一段圓弧。如圖1所示,斗桿液壓缸的理論挖掘力為FS=F2e3LFV=piAse3LFV(1)FS=F2e3LFV=piAse3LFV(1)式中F2——斗桿液壓缸推力pi——工作裝置最大設(shè)定壓力As——斗桿液壓缸作用面積e3——斗桿液壓缸對(duì)鉸點(diǎn)F的作用力臂LFV——鉸點(diǎn)F到鉸點(diǎn)斗齒尖V的距離以SWE85型反鏟液壓挖掘機(jī)為例,斗桿液壓缸的理論挖掘力特性曲線如圖2所示,圖中θ4為鏟斗轉(zhuǎn)角。SWE85型反鏟液壓挖掘機(jī)的系統(tǒng)參數(shù)及工作裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)為:整機(jī)質(zhì)量8250kg,標(biāo)準(zhǔn)斗容0.28m3,高/寬/長(zhǎng)為2.66m/2.425m/5.92m,發(fā)動(dòng)機(jī)功率60kW,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2200r/min,系統(tǒng)壓力28.5MPa,動(dòng)臂長(zhǎng)度3.72m,斗桿長(zhǎng)度1.62m,鏟斗切削半徑1.05m,底盤(pán)輪距2.335m,平臺(tái)離地間隙0.76m,底盤(pán)離地間隙0.35m。1.2挖掘力的確定轉(zhuǎn)斗挖掘常用于清除障礙,挖掘較松軟的土壤以提高生產(chǎn)率,其挖掘行程較短,為了能夠滿斗,需要有較大的挖掘力以保證能挖掘較大厚度的土壤,因此,挖掘機(jī)的最大挖掘力一般在轉(zhuǎn)斗挖掘時(shí)達(dá)到。當(dāng)單獨(dú)采用鏟斗液壓缸進(jìn)行挖掘時(shí),挖掘軌跡是以鏟斗與斗桿的鉸點(diǎn)Q為中心,以LQV為半徑的一段圓弧。如圖3所示,鏟斗液壓缸理論挖掘力為FB=F3i=piABi(2)式中F3——轉(zhuǎn)斗液壓缸推力pi——工作裝置最大設(shè)定壓力AB——轉(zhuǎn)斗液壓缸作用面積i——鏟斗連桿機(jī)構(gòu)總傳動(dòng)比以SWE85型反鏟液壓挖掘機(jī)為例,轉(zhuǎn)斗液壓缸的理論挖掘力特性曲線如圖4所示。1.3工作液壓缸主動(dòng)挖掘力的求取進(jìn)行挖掘力設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)保證工作裝置在額定負(fù)荷下做到結(jié)構(gòu)優(yōu)化、強(qiáng)度滿足,同時(shí)避免整機(jī)傾翻和滑移現(xiàn)象的發(fā)生。整機(jī)理論挖掘力指按整機(jī)考慮在不同姿態(tài)下能夠產(chǎn)生的理論挖掘力,可通過(guò)鏟斗液壓缸挖掘力和斗桿液壓缸挖掘力進(jìn)行計(jì)算與測(cè)量,且最大理論挖掘力可以通過(guò)優(yōu)化方法求得。液壓挖掘機(jī)處于某一工況下,工作液壓缸的主動(dòng)挖掘力能否實(shí)現(xiàn)主要取決于下列條件:工作液壓缸的閉鎖能力,整機(jī)的工作穩(wěn)定性,整機(jī)與地面的附著性能,土壤的阻力,工作裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。當(dāng)全面考慮這些條件后求得的工作液壓缸能實(shí)現(xiàn)的挖掘力就是整機(jī)在該工況下的挖掘力。求整機(jī)理論挖掘力時(shí)做如下假定:①考慮整機(jī)自重,有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件質(zhì)量分別計(jì)算,液壓缸質(zhì)量簡(jiǎn)化到連接的兩鉸點(diǎn)上。②在挖掘過(guò)程中鏟斗中的土視為主動(dòng)液壓缸長(zhǎng)度的分級(jí)性函數(shù),其質(zhì)心與鏟斗質(zhì)心一致。③不考慮液壓系統(tǒng)和連桿機(jī)構(gòu)的效率。④不考慮液壓缸小腔背壓。⑤不考慮土壤阻力和工作裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度限制。⑥不考慮停機(jī)面坡度、慣性力、動(dòng)載等的影響。根據(jù)挖掘主動(dòng)液壓缸的不同,整機(jī)理論挖掘力可分為鏟斗挖掘整機(jī)理論挖掘力和斗桿挖掘整機(jī)理論挖掘力,復(fù)合挖掘工況一般不計(jì)算整機(jī)理論挖掘力。1.3.1挖掘力的確定由文獻(xiàn)可知,在斗桿挖掘作業(yè)過(guò)程中,一般動(dòng)臂液壓缸處于受拉狀態(tài),鏟斗液壓缸處于受壓狀態(tài)。因此,斗桿液壓缸必須能夠克服挖掘阻力,動(dòng)臂和鏟斗液壓缸必須能同時(shí)滿足閉鎖條件,挖掘機(jī)才能正常作業(yè)。同時(shí),還需要考慮整機(jī)的穩(wěn)定性、平衡性以及地面附著性能,由此,得到斗桿挖掘時(shí)整機(jī)挖掘力的表達(dá)式為Wdg=min(W01,W02,W03,W04,W05,W06)(3)式中W01——由動(dòng)臂液壓缸閉鎖條件限制的最大挖掘力W02——斗桿液壓缸能夠產(chǎn)生的最大主動(dòng)挖掘力W03——鏟斗液壓缸閉鎖條件限制的最大挖掘力W04——地面附著條件限制的最大挖掘力W05——由整機(jī)前傾穩(wěn)定性條件限制的最大挖掘力W06——由整機(jī)后傾穩(wěn)定性條件限制的最大挖掘力動(dòng)臂液壓缸受拉,其抗拉能力取決于有桿腔閉鎖力P′1x,設(shè)動(dòng)臂液壓缸限壓閥的調(diào)定壓力為p′1,有桿腔面積為A′1,則P′1x=p′1A′1,對(duì)動(dòng)臂與機(jī)體的鉸點(diǎn)C取力矩平衡,可求得由于動(dòng)臂液壓缸閉鎖限制的挖掘力W01=P′1xe2+∑i=16GirCie8(4)Ρ′1xe2+∑i=16GirCie8(4)式中e2——?jiǎng)颖蹖?duì)鉸點(diǎn)C的作用力臂G1～G6——?jiǎng)颖?、斗桿、帶土鏟斗、連桿和搖臂、斗桿液壓缸、鏟斗液壓缸的重力rC1～rC6——G1～G6至鉸點(diǎn)C的作用力臂e8——W01對(duì)C點(diǎn)的作用力臂動(dòng)臂液壓缸能夠閉鎖的條件為:W02≤W01。斗桿液壓缸主動(dòng)作用產(chǎn)生的力為FS,方向垂直于鉸點(diǎn)F和斗齒尖V連線,考慮鏟斗加土以及連桿裝置自重對(duì)挖掘力的影響,可得斗桿液壓缸能夠克服的最大挖掘力W02=FS+G2rF2+G3rF3+G4rF4+G6rF6e7(5)W02=FS+G2rF2+G3rF3+G4rF4+G6rF6e7(5)式中rF2、rF3、rF4、rF6——斗桿、鏟斗加土重、連桿機(jī)構(gòu)自重、鏟斗液壓缸對(duì)鉸點(diǎn)F的作用力臂e7——W02為對(duì)鉸點(diǎn)F的作用力臂鏟斗液壓缸受壓,其抗壓能力取決于無(wú)桿腔閉鎖力P′3D,設(shè)鏟斗液壓缸限壓閥的調(diào)定壓力為p′3,無(wú)桿腔面積為A′3,則P′3D=p′3A′3。取連桿機(jī)構(gòu)為隔離體,對(duì)Q點(diǎn)取力矩平衡,可求得鏟斗液壓缸閉鎖條件限制的挖掘力W03=P′3Di+G3rQ3+G4rQ4e9(6)W03=Ρ′3Di+G3rQ3+G4rQ4e9(6)式中e9——W02對(duì)Q點(diǎn)的作用力臂rQ3、rQ4——G3、G4對(duì)鉸點(diǎn)Q的作用力臂鏟斗液壓缸能夠閉鎖的條件為:W02≤W03。地面附著條件所限制的挖掘力值W04可由整機(jī)受力的X投影坐標(biāo)方程求得,即W04=Gμcosγ(7)W04=Gμcosγ(7)式中G——整機(jī)重力μ——行走裝置與地面的附著參數(shù)γ——挖掘阻力的水平傾角整機(jī)與地面附著條件為:W02≤W04。液壓挖掘機(jī)能夠發(fā)揮的挖掘力除了取決于液壓系統(tǒng)的工作壓力和工作裝置的重力之外,還取決于整機(jī)的穩(wěn)定性和平衡性。取整機(jī)為隔離體,對(duì)前傾覆支點(diǎn)T取力矩平衡,可求得整機(jī)前傾條件限制的挖掘力為W05=?GGrTG+GDrTD+GSrTS+GPrTPrTW(8)W05=-GGrΤG+GDrΤD+GSrΤS+GΡrΤΡrΤW(8)式中rTW——W05對(duì)傾覆支點(diǎn)T的作用力臂GG——工作裝置總重力GP——配重GD——底盤(pán)重力GS——上車(chē)所受重力rTG、rTD、rTS、rTP——GG、GD、GS和GP對(duì)傾覆支點(diǎn)T的作用力臂整機(jī)前傾穩(wěn)定性條件為:W02≤W05。取整機(jī)為隔離體,對(duì)后傾覆支點(diǎn)I取力矩平衡,可求得整機(jī)后傾條件限制的挖掘力W06=GGrIG+GDrID+GSrIS+GPrIPrIW(9)W06=GGrΙG+GDrΙD+GSrΙS+GΡrΙΡrΙW(9)式中rIW——W06對(duì)傾覆支點(diǎn)I的作用力臂rIG、rID、rIS、rIP——GG、GD、GS和GP對(duì)傾覆支點(diǎn)I的作用力臂整機(jī)后傾穩(wěn)定性條件為:W02≤W06。以SWE85型液壓挖掘機(jī)為例,計(jì)算得到動(dòng)臂和鏟斗轉(zhuǎn)角為0°,斗桿轉(zhuǎn)角θ3范圍為-148°～-30.5°時(shí)的斗桿挖掘整機(jī)理論挖掘力變化特性曲線如圖5所示。在這種姿態(tài)下,工作裝置的作業(yè)受重力影響比較明顯,工況最為惡劣。由于動(dòng)臂的閉鎖力臂、整機(jī)的前傾力臂以及后傾力臂出現(xiàn)了為零的情況,所以動(dòng)臂有桿腔閉鎖曲線、動(dòng)臂無(wú)桿腔閉鎖曲線、整機(jī)前傾曲線以及整機(jī)后傾曲線出現(xiàn)了限制力無(wú)窮大的點(diǎn)(具體位置為:θ3=-135.87°、θ3=-131.95°、θ3=-104.56°時(shí))。這種姿態(tài)下,挖掘機(jī)整機(jī)斗桿理論挖掘力可充分發(fā)揮的區(qū)域如圖中陰影部分所示,由此可見(jiàn),這種姿態(tài)下的斗桿挖掘作業(yè)只受到了整機(jī)前傾條件的限制。(因斗桿理論挖掘力以及鏟斗有桿及無(wú)桿腔閉鎖力與其他限制力相差比較大,為便于曲線顯示,將斗桿理論挖掘力以及鏟斗有桿及無(wú)桿腔閉鎖力擴(kuò)大了2.5倍,這會(huì)使曲線上移而不至于緊貼橫坐標(biāo)軸,但不會(huì)影響結(jié)果的判定。)1.3.2轉(zhuǎn)斗挖掘的載荷在轉(zhuǎn)斗挖掘作業(yè)過(guò)程中,一般動(dòng)臂液壓缸處于受拉狀態(tài),斗桿液壓缸處于受壓狀態(tài)。因此,在挖掘作業(yè)中,鏟斗液壓缸必須能夠克服挖掘阻力,動(dòng)臂和斗桿液壓缸必須能同時(shí)滿足閉鎖條件,挖掘機(jī)才能正常作業(yè)。整機(jī)的穩(wěn)定性、平衡性以及地面附著性能與斗桿挖掘時(shí)相同,由此,得到整機(jī)挖掘力的表達(dá)式為Wcd=min(W01,W′02,W′03,W04,W05,W06)(10)式中W′02——由斗桿液壓缸閉鎖條件限制的最大挖掘力W′03——鏟斗液壓缸能夠產(chǎn)生的最大主動(dòng)挖掘力鏟斗液壓缸主動(dòng)作用產(chǎn)生的力為FB,方向垂直于QV連線,考慮鏟斗加土以及連桿裝置自重對(duì)挖掘力的影響,可得鏟斗液壓缸能夠克服的最大挖掘阻力為W′03=FB+G3rQ3+G4rQ4e10(11)W′03=FB+G3rQ3+G4rQ4e10(11)式中e10——W′03對(duì)Q點(diǎn)的作用力臂斗桿液壓缸受壓,其抗壓能力取決于無(wú)桿腔閉鎖力P′2D,設(shè)斗桿液壓缸限壓閥的調(diào)定壓力為p′2,無(wú)桿腔面積為A′2,則P′2D=p′2A′2。取鏟斗機(jī)構(gòu)和斗桿為隔離體,對(duì)F點(diǎn)取力矩平衡,可求得斗桿液壓缸閉鎖條件限制的挖掘阻力W′02=P′2De3+G2rF2+G3rF3+G4rF4+G6rF6e11(12)W′02=Ρ′2De3+G2rF2+G3rF3+G4rF4+G6rF6e11(12)式中e11——W′02對(duì)F點(diǎn)的作用力臂rF2、rF3、rF4、rF6——G2、G3、G4、G6對(duì)鉸點(diǎn)F的作用力臂e3——斗桿液壓缸對(duì)鉸點(diǎn)F的作用力臂斗桿液壓缸能夠閉鎖的條件為:W′03≤W′02。轉(zhuǎn)斗挖掘時(shí)的其他限制因素計(jì)算方法與斗桿挖掘時(shí)相同,在此不再贅述。以SWE85型液壓挖掘機(jī)為例,計(jì)算得到動(dòng)臂轉(zhuǎn)角為0°,斗桿轉(zhuǎn)角為-30.5°,鏟斗轉(zhuǎn)角范圍為:-160°～32°時(shí)的轉(zhuǎn)斗挖掘整機(jī)理論挖掘力變化特性曲線如圖6所示。在這種姿態(tài)下的轉(zhuǎn)斗挖掘受重力的影響比較明顯,工況最為惡劣。由于轉(zhuǎn)斗挖掘中鏟斗的轉(zhuǎn)角范圍比較大,因而在整個(gè)作業(yè)過(guò)程中動(dòng)臂的閉鎖力臂、斗桿的閉鎖力臂、整機(jī)的前傾力臂以及后傾力臂都出現(xiàn)了為零的情況,所以動(dòng)臂有桿腔閉鎖曲線、動(dòng)臂無(wú)桿腔閉鎖曲線、斗桿無(wú)桿腔閉鎖曲線、斗桿有桿腔閉鎖曲線、整機(jī)滑移曲線、整機(jī)前傾曲線以及整機(jī)后傾曲線出現(xiàn)了限制力為無(wú)窮大的點(diǎn)(具體位置分別為:θ4=-80°、θ4=-130.4°、θ4=-149.5°、θ4=-104.66°、θ4=-130.37°時(shí))。這種姿態(tài)下,挖掘機(jī)整機(jī)轉(zhuǎn)斗理論挖掘力可充分發(fā)揮的區(qū)域如圖中陰影部分所示,由此可見(jiàn),這種姿態(tài)下的轉(zhuǎn)斗挖掘作業(yè)受到了整機(jī)前傾及斗桿有桿腔閉鎖條件的限制。(因整機(jī)后傾限制力與其他限制力相差比較大,為方便曲線顯示,將整機(jī)后傾限制力縮小了5倍,縮小后,整機(jī)后傾限制力曲線在坐標(biāo)系中壓縮下移,但不會(huì)影響結(jié)果的判定。)2機(jī)構(gòu)挖掘圖譜在對(duì)各種工況下的工作液壓缸理論挖掘力和整機(jī)理論挖掘力充分分析和研究的基礎(chǔ)上,在VB6.0環(huán)境下采取模塊化編程設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了挖掘圖譜的程序化繪制。以SWE85型反鏟液壓挖掘機(jī)為例,得鏟斗轉(zhuǎn)角為-55.27°時(shí)的斗桿和轉(zhuǎn)斗挖掘圖譜分別如圖7和圖8所示,圖譜中的數(shù)字表示挖掘機(jī)在該位置所能發(fā)揮的最大理論挖掘力。橫向及其他工況的挖掘圖譜繪制方法與此相同,在此不再贅述。挖掘圖譜采用了序號(hào)來(lái)表示不同限制因素的影響,其具體意義如下:1表示動(dòng)臂液壓缸閉鎖能力限制;2表示鏟斗挖掘時(shí)斗桿液壓缸閉鎖能力限制,或斗桿挖掘時(shí)主動(dòng)作用力充分發(fā)揮;3表示鏟斗挖掘時(shí)主動(dòng)作用力充分發(fā)揮,或斗桿挖掘時(shí)鏟斗液壓缸閉鎖能力限制;4表示整機(jī)與地面的附著性能限制;5表示整機(jī)向前傾翻的可能性限制;6表示整機(jī)向后傾翻的可能性限制。3理論分析與程序分析對(duì)比按照GB/T13332—91液壓挖掘機(jī)挖掘力測(cè)試國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),使用上海誠(chéng)知自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的SHOHY-3A型測(cè)力計(jì)對(duì)SWE85型反鏟液壓挖掘機(jī)進(jìn)行了挖掘力的測(cè)試,得到斗桿最大挖掘力為42.2kN,轉(zhuǎn)斗最大挖掘力為47.7kN。而挖掘圖譜上顯示的斗桿最大挖掘力為43.23kN,轉(zhuǎn)斗最大挖掘力為49.63kN。實(shí)際測(cè)試中,在程序計(jì)算的各個(gè)位置上,觀察到了整機(jī)滑移、液壓缸閉鎖失效、整機(jī)前傾、整機(jī)后傾以及工作液壓缸挖掘力限制等因素的影響狀況,實(shí)驗(yàn)測(cè)試與程序分析結(jié)果較為吻合。由軟件計(jì)算分析曲線和挖掘圖譜可知,整機(jī)挖掘力的發(fā)揮受到了整機(jī)前傾、整機(jī)后傾、地面附著條件以及工作液壓缸閉鎖