反鏟液壓挖掘機(jī)作業(yè)區(qū)域挖掘力計(jì)算

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)限制因素對斗齒挖掘力的限制情況。通過計(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,并與測試結(jié)果相對照,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。本文在對數(shù)學(xué)模型分析的基礎(chǔ)上,討論各種限制因素對作業(yè)性能的影響。編寫基于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)臂長度3.72m,斗桿長度1.62m,鏟斗切削半徑1.05m,底盤輪距2.335m,平臺(tái)離地間隙0.76m,底盤離地間隙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)算與測量,且最大理論挖掘力可以通過優(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,有相對運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件質(zhì)量分別計(jì)算,液壓缸質(zhì)量簡化到連接的兩鉸點(diǎn)上。②在挖掘過程中鏟斗中的土視為主動(dòng)液壓缸長度的分級(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︺q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、鏟斗液壓缸對鉸點(diǎn)F的作用力臂e7——W02為對鉸點(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Q點(diǎn)的作用力臂rQ3、rQ4——G3、G4對鉸點(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——底盤重力GS——上車所受重力rTG、rTD、rTS、rTP——GG、GD、GS和GP對傾覆支點(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對傾覆支點(diǎn)I的作用力臂rIG、rID、rIS、rIP——GG、GD、GS和GP對傾覆支點(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,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Q點(diǎn)的作用力臂斗桿液壓缸受壓,其抗壓能力取決于無桿腔閉鎖力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F點(diǎn)的作用力臂rF2、rF3、rF4、rF6——G2、G3、G4、G6對鉸點(diǎn)F的作用力臂e3——斗桿液壓缸對鉸點(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)臂無桿腔閉鎖曲線、斗桿無桿腔閉鎖曲線、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,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比按照GB/T13332—91液壓挖掘機(jī)挖掘力測試國家標(biāo)準(zhǔn),使用上海誠知自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的SHOHY-3A型測力計(jì)對SWE85型反鏟液壓挖掘機(jī)進(jìn)行了挖掘力的測試,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