反铲液压挖掘机挖掘性能综合表征方法与流程

本发明属于一种工程机械性能指标，涉及一种反铲液压挖掘机挖掘性能综合表征方法。

背景技术：

反铲液压挖掘机作为最重要的工程机械之一，已在矿山开采、农田土壤改良、交通运输施工等工程中得到广泛应用。由于液压挖掘机主要工作于非结构化环境中，并且其挖掘对象具有多变特性，因此挖掘阻力也呈现出不确定性。随着作业质量要求的不断提高，人们对液压挖掘机挖掘性能的要求也越来越高。设计出不确定性环境下具有良好挖掘性能的挖掘机对提高生产率和延长挖掘机使用寿命具有重要意义。挖掘机所能发挥的最大挖掘力、主动液压缸充分发挥比例、被动液压缸闭锁限制比例以及整机倾翻和滑移限制比例是评判挖掘机工作装置机构力传动效率和设计合理性的重要指标，也是挖掘机工作装置机构与结构设计和优化的重要依据。目前，缺少关于表征反铲液压挖掘机在挖掘阻力系惯常作用区间上的挖掘能力以及工作液压缸与工作机构匹配关系的研究，导致挖掘机的性能、生产率和寿命比较低。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种反铲液压挖掘机挖掘性能综合表征方法，充分考虑挖掘过程中挖掘阻力系惯常作用区间及整机限制条件，对挖掘机的挖掘性能进行分析评价，从而设计出在不确定性环境下扔具有良好挖掘性能的挖掘机。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种反铲液压挖掘机挖掘性能综合表征方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)分析挖掘阻力特性，得出挖掘阻力系数和阻力矩系数的惯常作用区间；

(2)计算整机限制条件，所述整机限制条件包括主动液压缸工作压力限制、被动液压缸闭锁压力限制以及整机倾翻和滑移限制；

(3)将步骤(1)得到的挖掘阻力系数和阻力矩系数的惯常作用区间与步骤(2)得到的整机限制条件相结合作为约束条件，求解构造挖掘阻力系惯常作用区间多面体；

(4)根据步骤(3)得到的多面体，计算出单个挖掘姿态下最大挖掘力F_rmax、最大挖掘力矩M_max、单个挖掘姿态下挖掘能力测度V和主动液压缸充分发挥比例及各限制因素所占比例η_i作为挖掘机挖掘性能的评价指标。

进一步，所述分析挖掘阻力特性，是将挖掘阻力系简化为与齿尖运动方向相切的切向挖掘阻力F_t、垂直于齿尖运动方向的法向挖掘阻力F_n以及挖掘阻力矩M，计算出阻力系数ε和阻力矩系数δ，阻力系数ε即为挖掘阻力方向角β的正切值，由ε的主值区间并考虑挖掘阻力总是阻碍铲斗的运动可计算得出β的主值区间，β的主值区间即为不确定条件下挖掘阻力方向的惯常作用区间，而δ的主值区间反映了不确定条件下挖掘阻力矩大小的惯常作用区间；液压缸大腔推力为正值，小腔拉力为负值。得出反铲液压挖掘机工作机构液压缸的作用力空间W_o；

式中F_p—液压缸小腔、液压缸大腔作用力极限以及液压缸实际作用力。其中p＝1、2、3分别对应于动臂液压缸、斗杆液压缸和铲斗液压缸；k＝1、2分别对应于铲斗挖掘和斗杆挖掘。

进一步，所述计算整机限制条件，是将铲斗所受挖掘阻力分解为竖直方向的力F_y和水平方向的力F_x,铲斗挖掘时，斗杆液压缸作用力极限限制和动臂闭锁限制作为被动液压缸闭锁压力的限制条件，铲斗液压缸作用力极限限制作为主动液压刚工作压力限制，斗杆挖掘时，斗杆缸液压缸作用力极限限制是主动液压缸工作压力限制，动臂闭锁限制和铲斗液压缸作用力极限限制作为被动液压缸闭锁压力限制；挖掘机自身五种限制条件限定得到关于水平方向阻力F_X、竖直方向阻力F_y以及阻力矩M的三元一次不等式：

1)动臂闭锁限制，当动臂液压缸大腔作用时，大腔的作用力不超过其作用力极限，得限制条件：

式中，λ_Ax—挖掘阻力水平分量对A点的力臂；λ_Ay—挖掘阻力竖直分量对A点的力臂；e₁—动臂液压缸作用力对A点的力臂；G₂～G₆—分别为动臂、斗杆、铲斗、连杆、摇杆和铲斗液压缸与斗杆液压缸的重力；r_Aj—重力G_j对A点的力臂。

当动臂液压缸小腔作用时，得限制条件：

2)斗杆液压缸作用力极限限制，当斗杆液压缸大腔作用时，大腔作用力不得超过其作用力极限，得：

式中λ_Bx—挖掘阻力水平分量对B点的力臂；

λ_By—挖掘阻力竖直分量对B点的力臂；

e₂—斗杆液压缸作用力对B点的力臂；

r_Bj—重力G_j对B点的力臂。

当斗杆液压缸小腔作用时，小腔作用力不得超过其限定值，得：

3)铲斗液压缸作用力极限限制，当铲斗液压缸大腔作用时，考虑大腔的作用力极限，有：

式中λ_Gx—挖掘阻力水平分量对G点的力臂；

λ_Gy—挖掘阻力竖直分量对G点的力臂；

e₃—铲斗液压缸对G点的当量力臂；

r_Gj—重力G_j对G点的力臂。

当铲斗液压缸小腔作用时，考虑小腔的作用力极限，有：

4)整机滑移限制，考虑向前滑移的限制方程为：

F_X+μF_Y≤G_gμ

式中μ—地面附着系数，取0.6；

G_g—整机重量。

考虑向后滑移的限制方程为：

F_X-μF_Y≥-G_gμ

5)整机稳定性限制，取整机为隔离体，对前倾点T取力矩平衡，得前倾限制条件：

式中λ_Tx—挖掘阻力水平分量对T点的力臂；

λ_Ty—挖掘阻力竖直分量对T点的力臂；

r_Tj—重力G_j对T点的力臂。

对后倾点S取力矩平衡，得后倾限制条件：

式中λ_Sx—挖掘阻力水平分量对S点的力臂；

λ_Sy—挖掘阻力竖直分量对S点的力臂；

r_Sj—重力G_j对S点的力臂。

进一步，所述步骤(3)为将挖掘阻力和阻力矩分别除以参考值得出无量纲当量挖掘阻力F_Xr、F_Xr和当量阻力矩M_r：

[F_Xr F_Yr M_r]＝[F_X/F_ref F_Y/F_ref M/M_ref]

式中F_ref为整机重量G_g；M_ref＝G_gl_GJ其中l_GJ为铲斗上G点与J点的距离，M_ref、F_ref分别为力矩和阻力的参考值。

进一步，步骤(4)中各性能评价指标为：

1).单个挖掘姿态下最大挖掘力F_rmax和最大挖掘力矩M_max；

2).单个挖掘姿态下挖掘能力测度V；

3).主动液压缸充分发挥比例及各限制因素所占比例η_i

M_amx＝M_refM_r

式中V₁～V₁₀分别依次为整机限制条件(3)～(12)所对应的挖掘能力空间，V_G为重力影响区域，主动液压缸大腔作用力限制区域V_i(i＝3,5)与挖掘能力测度V的比值定义为主动液压缸充分发挥比例；其余各限制区域体积V_i(i＝1,2,4,6,…,10)与挖掘能力测度V的比值定义为相应限制因素所占比例。

进一步，还包括对反铲液压挖掘机挖掘性能综合表征方法的验证，分别采用惯常多面体方法和SAE J1179标准中的挖掘力计算方法对实测挖掘轨迹和挖掘点上的挖掘能力进行分析。

本发明的有益效果在于：

1、针对挖掘阻力系大小和方向的不确定性，在综合考虑挖掘阻力系惯常作用区间及整机限制因素的基础上，提出了一种基于多面体的挖掘性能表征方法，同时提出挖掘能力多面体的概念，并给出了挖掘阻力系惯常作用区间上的挖掘性能评价指标。从而实现了适应于挖掘阻力系多变特性的挖掘机挖掘性能的量化分析及可视化表达。

2、分别采用惯常多面体方法和SAE J1179标准中的挖掘力计算方法对实测挖掘轨迹和挖掘点上的挖掘能力进行了分析，表明惯常多面体方法计算出的挖掘力与实际挖掘过程更为吻合，从而验证了该方法对挖掘能力评估的正确性和有效性。

3、采用惯常多面体方法对反铲液压挖掘机进行挖掘性能综合评估，绘制了各项性能指标的挖掘图谱。为反铲液压挖掘机整机性能分析、工作机构设计合理性评估及优化设计提供了理论依据，通过此方法，可以设计出在不确定性环境下扔具有良好挖掘性能的挖掘机，从而提高挖掘机的工作生产率和寿命。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明反铲液压挖掘机挖掘性能综合表征方法的挖掘性能计算框图；

图2为本发明挖掘阻力系分解示意图；

图3为本发明液压缸作用力空间；

图4为本发明挖掘机整机示意图及挖掘阻力系；

图5a为本发明挖掘能力多面体示意图原点在多面体内；

图5b为本发明挖掘能力多面体示意图原点在多面体外；

图6a为本发明挖掘阻力系惯常作用区间上挖掘能力多面体原点在多面体内；

图6b为本发明挖掘阻力系惯常作用区间上挖掘能力多面体原点在多面体外。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本实施例充分考虑在挖掘过程中挖掘阻力系惯常作用区间及整机限制条件的基础之上，提出了综合表征挖掘机挖掘性能的方法，并用本发明方法对某36吨级挖掘机的挖掘性能进行了分析评价，图2中将挖掘阻力系简化为与齿尖运动方向相切的切向挖掘阻力F_t、垂直于齿尖运动方向的法向挖掘阻力F_n以及挖掘阻力矩M，其中，F_r为挖掘阻力合力，α为铲斗方向角，β为切向挖掘阻力到法向挖掘阻力的夹角，即挖掘阻力方向角，计算出挖掘阻力系数ε和阻力矩系数δ：

挖掘阻力系数ε以0.719的概率落于主值区间[-0.4,0.5]；挖掘阻力矩系数δ以0.953的概率落于主值区间[-0.4,0.3]。显然，阻力系数ε即为挖掘阻力方向角β的正切值，由ε的主值区间并考虑挖掘阻力总是阻碍铲斗的运动可计算得出β的主值区间为[-0.38,0.46](rad)。β的主值区间即为不确定条件下挖掘阻力方向的惯作用区间，而δ的主值区间反映了不确定条件下挖掘阻力矩大小的惯常作用区间。

挖掘机的挖掘性能评估主要是针对铲斗挖掘和斗杆挖掘两种挖掘工况进行的。铲斗挖掘时，铲斗液压缸大腔主动工作，其余液压缸保持闭锁；斗杆挖掘时，斗杆液压缸大腔主动工作，其余液压缸闭锁。对于不同挖掘工况，挖掘机铲斗末端在工作空间各方向上发挥的挖掘能力不相同。而挖掘机的工作装置是在满足整机限制条件的基础上将液压缸主动作用力转换为铲斗末端挖掘能力的重要机构。为适应挖掘阻力系的多变特性，一方面，工作装置机构必须具有足够的力传动效率，从而保证铲斗末端各向具有足够的挖掘能力；另一方面，挖掘过程中操作者将不断调整挖掘机的挖掘姿态，使工作装置机构发挥更大的挖掘力，以保证挖掘过程能够平稳、高效地完成。为表征挖掘机在挖掘阻力系惯常作用区间上所能发挥的挖掘能力，需充分考虑不同挖掘方式下整机倾翻和滑移限制、各被动液压缸闭锁限制和主动液压缸的发挥程度以及挖掘阻力系惯常作用区间限制，进而计算出铲斗末端的挖掘能力输出。挖掘能力计算框图如图1所示。

假定主动工作液压缸的小腔作用力为零，即不考虑回油背压，大腔作用力极限为液压系统最大工作压力与大腔作用面积之积。为保证被动液压缸可锁住而不产生溢流，被动液压缸的大、小腔作用力极限为各自限压阀的调定压力与相应的作用面积之积。并规定，液压缸大腔推力为正值，小腔拉力为负值。因此，可得出反铲液压挖掘机工作机构液压缸的作用力空间为：

式中F_p—液压缸小腔、大腔作用力极限以及液压缸实际作用力。其中p＝1、2、3分别对应于动臂液压缸、斗杆液压缸和铲斗液压缸；k＝1、2分别对应于铲斗挖掘和斗杆挖掘。

不同挖掘工况下，各液压缸的大、小腔作用力极限和实际作用力均不相同。由式(2)所得的反铲液压挖掘机在不同挖掘工况下工作装置机构液压缸作用力空间如图3所示，三组液压缸的作用力范围构成了工作装置机构的六面体力输入空间。

整机限制条件包括主动液压缸工作压力限制、被动液压缸闭锁压力限制以及整机倾翻和滑移限制。在评价挖掘能力时必须综合考虑整机限制条件。液压挖掘机的整机结构及挖掘阻力分析如图4所示，将铲斗所受挖掘阻力分解为竖直方向的力F_y和水平方向的力F_x,而铲斗剥离土壤所产生的挖掘阻力矩仍沿Z轴方向。由于挖掘力系与挖掘阻力系大小相等方向相反，因此求出挖掘机铲斗末端各向所能克服的最大挖掘阻力和阻力矩，也就求得了挖掘机各向所能发挥的最大挖掘能力铲斗液压缸作用力极限限制作为主动液压刚工作压力限制，斗杆挖掘时，斗杆缸液压缸作用力极限限制是主动液压缸工作压力限制，动臂闭锁限制和铲斗液压缸作用力极限限制作为被动液压缸闭锁压力限制。

1)动臂闭锁限制。对于不同的挖掘工况，动臂液压缸均需要有足够的闭锁能力，使之在挖掘过程中不被拉长或压缩，以保证挖掘能力的充分发挥。以整个工作装置为隔离体，对A点取力矩平衡。当动臂液压缸大腔作用时，大腔的作用力不超过其作用力极限，可得限制条件：

式中，λ_Ax—挖掘阻力水平分量对A点的力臂；λ_Ay—挖掘阻力竖直分量对A点的力臂；e₁—动臂液压缸作用力对A点的力臂；G₂～G₆—分别为动臂、斗杆、铲斗、连杆、摇杆和铲斗液压缸与斗杆液压缸的重力；r_Aj—重力G_j对A点的力臂。

当动臂液压缸小腔作用时，可得限制条件：

2)斗杆液压缸作用力极限限制。由液压缸作用力空间的分析可知，不同挖掘工况下，斗杆液压缸作用力极限有不同取值。取铲斗、斗杆以及铲斗液压缸、连杆和摇杆为隔离体，对B点取力矩平衡。当斗杆液压缸大腔作用时，大腔作用力不得超过其作用力极限，可得：

式中λ_Bx—挖掘阻力水平分量对B点的力臂；

λ_By—挖掘阻力竖直分量对B点的力臂；

e₂—斗杆液压缸作用力对B点的力臂；

r_Bj—重力G_j对B点的力臂。

当斗杆液压缸小腔作用时，小腔作用力不得超过其限定值，可得：

3)铲斗液压缸作用力极限限制。同样地，在挖掘过程中，铲斗液压缸的作用力也不能超过其作用力极限。取铲斗，连杆和摇杆为隔离体，对G点取力矩平衡。当铲斗液压缸大腔作用时，考虑大腔的作用力极限，有：

式中λ_Gx—挖掘阻力水平分量对G点的力臂；

λ_Gy—挖掘阻力竖直分量对G点的力臂；

e₃—铲斗液压缸对G点的当量力臂；

r_Gj—重力G_j对G点的力臂。

当铲斗液压缸小腔作用时，考虑小腔的作用力极限，有：

4)整机滑移限制。在挖掘机挖掘能力分析时，还需考虑地面附着条件的限制。附着能力较差时，挖掘机将产生滑移，从而使挖掘过程不能进行。考虑向前滑移的限制方程为：

F_X+μF_Y≤G_gμ (9)

式中μ—地面附着系数，取0.6；

G_g—整机重量。

考虑向后滑移的限制方程为：

F_X-μF_Y≥-G_gμ (10)

5)整机稳定性限制。整机的稳定与平衡直接关系到挖掘能力的发挥和操作者的安全，因此必须考虑整机稳定性。取整机为隔离体，对前倾点T取力矩平衡，可得前倾限制条件：

式中λ_Tx—挖掘阻力水平分量对T点的力臂；

λ_Ty—挖掘阻力竖直分量对T点的力臂；

r_Tj—重力G_j对T点的力臂。

对后倾点S取力矩平衡，可得后倾限制条件：

式中λ_Sx—挖掘阻力水平分量对S点的力臂；

λ_Sy—挖掘阻力竖直分量对S点的力臂；

r_Sj—重力G_j对S点的力臂。

挖掘机在实际挖掘过程中，只有同时满足由式(3)至(12)组成的整机限制条件，才能保证主动液压缸挖掘能力的有效发挥和挖掘过程平稳、安全地完成。

铲斗在工作空间内的每一个挖掘点上进行挖掘时，挖掘能力的发挥都会受到由式(3)至(12)构成的整机限制条件的约束。10个关于水平方向阻力F_X、竖直方向阻力F_Z以及阻力矩M的三元一次不等式共同构成了限制挖掘能力输出的不等式组，该不等式组将挖掘机工作装置机构的液压缸作用力输入六面体空间映射为铲斗末端所能克服的挖掘阻力多面体空间。将10个不等式约束条件变为等式，并任选三式组合可得到个交点，再从这些交点中提取同时满足不等式组所有约束的点，最终组成多面体的顶点。顺次连接各顶点便得到挖掘机所能克服的阻力空间。该空间为一个凸多面体，其面数最多为10，最少为4，并且每一个面代表一个约束条件。该多面体为铲斗末端空间各向所能克服的挖掘阻力和阻力矩的集合。由于挖掘阻力和阻力矩具有较大概率落于惯常作用区间内，因此应将式(1)及阻力系数和阻力矩系数主值区间作为约束条件，进一步得出挖掘阻力系惯常作用区间上挖掘机所能克服的挖掘阻力和阻力矩多面体空间。为使挖掘阻力系惯常作用区间限制与前述整机限制条件一致，需将法向挖掘阻力和切向挖掘阻力变换到整机坐标系下，并最终得出整机坐标系下描述的齿尖多面体空间。另外，由于挖掘阻力和阻力矩量纲不一致，致使齿尖末端多面体体积度量失去明确物理意义。因此，需进行无量纲化，将挖掘阻力和阻力矩分别除以参考值得出无量纲当量挖掘阻力F_Xr、F_Xr和当量阻力矩M_r：

[F_Xr F_Yr M_r]＝[F_X/F_ref F_Y/F_ref M/M_ref] (13)

式中F_ref可取为整机重量Gg；M_ref＝G_gl_GJ其中l_GJ为铲斗上G点与J点的距离。为方便起见，本文中直接用挖掘机所能克服的阻力空间代表挖掘能力输出空间。因此，经过无量纲化后的多面体体积可以从尺度上度量挖掘能力的大小。图5中，线框边界区域为铲斗末端全空间挖掘能力多面体，阴影部分为挖掘阻力系惯常作用区间上挖掘能力多面体。由于主动液压缸小腔作用力的限制，使得挖掘能力多面体相对于原点产生了微小偏移，但是本文已假定主动液压缸的小腔不计回油背压，因此该偏移是由工作装置自身重力造成的。当原点位于挖掘能力多面体以内时，工作装置自身重力在相应挖掘姿态下将不利于挖掘，即主动液压缸要克服工作装置自身重力，如图5(a)所示；当挖掘能力多面体向远离原点一侧偏移或原点在多面体以外时，工作装置自身重力在该挖掘姿态下起到积极作用，有助于挖掘，图5(b)所示。

通过挖掘阻力系惯常作用区间限制面对全空间挖掘能力多面体的切割，可得到如图6所示的惯常挖掘能力多面体。图6为工作装置重力影响下的两种挖掘阻力系惯常作用区间上挖掘能力多面体。图中粗实线所围平面对应于主动液压缸小腔作用力限制条件，深色阴影部分体积为重力偏移量；过原点的左右两个侧面对应于挖掘阻力系数限制条件，上下两个面对应于阻力矩系数限制条件，其余面由整机限制条件得到。惯常挖掘能力多面体上的任一对应于整机限制条件的平面均可与原点构成一个子空间V_i(i＝1,2,3…,10)。且对于原点在多面体外的情况，V_i中不包含重力影响部分体积。该子空间V_i即为相应整机限制条件下当量挖掘阻力系(F_xr,F_yr,M_r)的集合。根据挖掘阻力系惯常作用区间上的挖掘能力多面体特性，可提出针对单一挖掘姿态的挖掘性能评价指标：

1)单个挖掘姿态下最大挖掘力F_rmax和最大挖掘力矩M_max。由图6可知挖掘阻力系惯常作用区间上的当量最大挖掘力必在惯常挖掘能力多面体顶点上取得，并且其值为：因此，相应挖掘姿态下的最大挖掘力为：同理，最大挖掘力矩为：M_amx＝M_refM_r。

2)单个挖掘姿态下挖掘能力测度V，图6中深色阴影部分为重力影响区域V_G，其对应于主动液压缸小腔工作压力限制条件。定义某一挖掘姿态下的挖掘能力测度为：

式中V₁～V₁₀分别依次为整机限制条件(3)～(12)所对应的挖掘能力空间。测度V为当量挖掘阻力和阻力矩(F_xr,F_yr,M_r)在齿尖末端输出空间的一个集合，并且为一个无量纲因子。V值的大小反映了挖掘机对于某一挖掘姿态在挖掘阻力系惯常作用区间上挖掘能力的大小。

3)主动液压缸充分发挥比例及各限制因素所占比例ηi(i＝1,2,3,…,10)。在惯常挖掘能力多面体中，主动液压缸大腔作用力限制区域V_i(i＝3,5)与挖掘能力测度V的比值定义为主动液压缸充分发挥比例；其余各限制区域体积V_i(i＝1,2,4,6,…,10)与挖掘能力测度的比值定义为相应限制因素所占比例。具体描述如下：

在铲斗挖掘工况下，η₅为铲斗液压缸大腔充分发挥比例，η₆为铲斗重力影响程度，η₃和η₄分别为斗杆液压缸大、小腔闭锁限制比例；在斗杆挖掘工况下，η3为斗杆液压缸大腔充分发挥比例，η₄为斗杆和铲斗重力影响程度，η₅和η₆分别为铲斗液压缸大、小腔闭锁限制比例。主动液压缸充分发挥比例反映了挖掘机工作机构在特定挖掘姿态下对主动液压缸工作压力的传动效率，其值越大说明机构设计越合理。各限制因素所占比例反映了相应限制因素对挖掘机挖掘力发挥的影响程度，其值越大说明在特定挖掘姿态下主动液压缸工作压力发挥受其限制越严重，机构与液压缸工作压力的匹配性越差。

为验证此方法的正确性和有效性，对反铲液压挖掘机在铲斗挖掘和斗杆挖掘两种不同工况下的实测挖掘轨迹进行分析，铲斗挖掘工况为整个转斗挖掘过程；斗杆挖掘过程直至挖不动时停止挖掘，得出实测轨迹，采用惯常多面体方法和SAE J1179标准中的挖掘力计算方法对实测挖掘轨迹和挖掘点上的挖掘能力进行了分析，能够适应于多变的挖掘阻力特性，能够实时显示挖掘能力在挖掘阻力作用方向的富余程度，有利于挖掘能力可视化表达与评估。

为比较直观地评价挖掘机挖掘性能各项指标在挖掘机工作空间的分布，首先将铲斗液压缸进行11级划分，并计算出对应于每一级铲斗液压缸的工作空间范围；然后在相应的工作空间范围内均匀取挖掘点，并求取各挖掘点所对应的挖掘姿态；最后根据每个挖掘点上的挖掘姿态计算各挖掘点的各项挖掘性能指标，并进一步绘制出各性能指标在11张挖掘图谱上的分布云图。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。