一种挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法及倾翻预警系统与流程

本发明涉及一种挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法及倾翻预警系统，属于挖掘机控制。

背景技术：

1、挖掘机作为多用途土石方施工机械，在市政工程、矿山开采、水利电力方面应用广泛。对挖掘机而言，斜坡作业是较为复杂的多复合动作，也是其最基本的功能，是评价挖掘机作业能力不可或缺的一部分。

2、斜坡作业易出现失稳现象，特别是斜坡回转时挖掘机失稳将发生倾翻，轻则损坏挖掘机、破坏施工现场进而影响施工进度，重则会在场施工人员造成生命危险，因此保障挖掘机斜坡作业安全平稳是非常有必要的。

3、现有技术中挖掘机作业稳定性的计算方法多用于平地作业，不适用斜坡作业，即使目前也有提出重心范围预警的方法，但因其计算较为粗略，与实际重心位置误差较大，对预防挖掘机斜坡作业倾翻的技术指导意义小。

技术实现思路

1、本发明的目的是，提供一种挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法及倾翻预警系统，实现对挖掘机在斜坡作业时是否会发生倾翻的预测，提升倾翻预测的准确度，保障挖掘机斜坡作业时的安全性。本发明是通过以下技术方案实现的。

2、第一方面，本发明提供一种挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法，包括：当挖掘机工作方式为斜坡挖掘作业：

3、获取挖掘机所处斜坡的倾斜角度；

4、基于所述倾斜角度获取挖掘机重心位置以及挖掘机重力在垂直于斜坡方向上的第一分力；

5、获取挖掘机的实际倾翻力矩，并基于所述挖掘机重心位置以及挖掘机重力的第一分力，获取挖掘机的稳定力矩；

6、至少根据所述稳定力矩与所述实际倾翻力矩的大小关系判断当前工作方式下挖掘机是否会倾翻。

7、以上技术方案提供了挖掘机在斜坡挖掘作业时，是否存在倾翻风险的判断思路。

8、进一步的，本发明还研究了挖掘机在斜坡作业时的回转能力影响因素，具体的，本发明方法还包括：当挖掘机工作方式为斜坡满斗回转作业：

9、获取挖掘机所处斜坡的倾斜角度以及挖掘机回转马达额定输出扭矩；

10、根据所述挖掘机回转马达额定输出扭矩获取挖掘机斜坡满斗回转对应的最大斜坡倾斜角度；

11、根据所述挖掘机所处斜坡倾斜角度与所述最大斜坡倾斜角度的大小关系，判断挖掘机满斗回转作业是否能够完成。

12、可选的，所述挖掘机斜坡满斗回转对应的最大斜坡倾斜角度θ′根据以下公式计算：

13、t＞(m1+ρgvr)rcsinθ'；

14、式中，t为挖掘机回转马达额定输出扭矩；m1为上车质量；ρ为物料密度；g为重力加速度；vr为额定斗容量；rc为上车重心到挖掘机回转中心的距离。

15、当挖掘机以满斗状态在斜坡上进行回转作业时，根据以上公式能够获知挖掘机在该满斗状态下能倾斜的最大角度范围，从而提前判断该满斗状态下的挖掘机是否能在既定的斜坡上进行并完成回转作业，能够实现挖掘机斜坡作业时回转能力的预测。

16、可选的，本发明方法还包括，当挖掘机工作方式为斜坡回转作业，且为空载回转作业：

17、根据挖掘机所处斜坡的倾斜角度θ以及重心位置计算挖掘机上车重心到挖掘机回转中心的距离，并将其作为挖掘机的空载回转作业范围，公式表示为：

18、

19、式中，t为挖掘机回转马达额定输出扭矩；m1为上车质量。

20、通过以上技术方案，本发明能够在挖掘机处于既定倾斜角度的斜坡时，实时获得挖掘机斜坡空载回转的作业范围，为司机的操作提供参考。

21、可选的，所述基于所述倾斜角度获取挖掘机重心位置，包括：

22、获取挖掘机的斜坡回转角度、动臂姿态、斗杆姿态以及铲斗姿态信息；

23、根据斜坡倾斜角度、斜坡回转角度、动臂姿态、斗杆姿态以及铲斗姿态信息，获取挖掘机斜坡作业姿态信息；

24、根据所述挖掘机斜坡作业姿态信息获得挖掘机重心位置。

25、以上可选的实施方式，通过结合斜坡倾斜角度以及挖掘机各部件的实时姿态信息可以得出挖掘机实时且精确的重心位置，从而能够实现对挖掘机斜坡作业倾翻风险的精准判断。

26、可选的，所述获取挖掘机的斜坡回转角度、动臂姿态、斗杆姿态以及铲斗姿态信息，包括：

27、根据回转支承转角确定挖掘机的斜坡回转角度；

28、根据斜坡倾斜角度以及动臂油缸位置确定动臂姿态信息；

29、根据斗杆油缸位置以及动臂油缸位置确定斗杆姿态信息；

30、根据铲斗油缸位置以及斗杆油缸位置确定铲斗姿态信息。

31、可选的，所述获取挖掘机的实际倾翻力矩，并基于挖掘机重心位置以及挖掘机重力在垂直于斜坡方向上的第一分力，获取挖掘机的稳定力矩，包括：

32、根据挖掘机当前挖掘模式确定履带倾翻线的位置；

33、获取所述挖掘机重心位置到所述履带倾翻线的距离h；

34、所述挖掘机斜坡作业的稳定力矩为所述距离h与挖掘机整机重力的第一分力的乘积；

35、获取挖掘机斜坡作业输出力f及其作用点到履带倾翻线的距离l；

36、所述挖掘机斜坡作业的实际倾翻力矩为所述输出力f与所述距离l的乘积，

37、可选的，所述获取挖掘机斜坡作业输出力f，包括：

38、获取动臂油缸大腔及小腔压力、斗杆油缸大腔及小腔压力、铲斗油缸大腔及小腔压力，以及相应的活塞承压面积；

39、根据所获取的数据计算动臂、斗杆、铲斗的输出力；

40、根据所述动臂、斗杆、铲斗的输出力，挖掘机斜坡作业姿态以及挖掘机结构数据计算挖掘机斜坡作业输出力f。

41、以上可选的实施方式中，所述挖掘机结构数据即挖掘机斗杆、铲斗的铰链、四杆机构等连接结构关系，根据挖掘机姿态、结构关系以及各油缸的输出力，可以通过受力转化计算得到挖掘机的作业输出力，具体推导计算过程可采用现有技术，不予赘述。

42、可选的，所述至少根据所述稳定力矩与所述实际倾翻力矩的大小关系判断当前工作方式下挖掘机是否会倾翻，包括：

43、判断是否同时满足以下三个条件，若同时满足，则判断为当前工作方式下挖掘机不会倾翻：

44、条件一：所述稳定力矩大于所述实际倾翻力矩；

45、条件二：挖掘机重心位置处于履带各侧边线围成的区域内；

46、条件三：挖掘机整机重力在所处斜坡上的第一分力乘以地面与履带的摩擦系数，大于挖掘机整机重力在所处斜坡上的第二分力与上车回转运动的合力；

47、其中，所述第二分力的方向平行于斜坡方向。

48、当挖掘机斜坡作业同时满足这三个条件时，可以保证即使在挖掘机当前作业有回转趋势的情况下，挖掘机在斜坡上也不会发生倾翻、侧翻或者滑移，能够进一步保障挖掘机在斜坡上作业的安全与稳定。可选的，判断是否满足所述条件一，包括：

49、根据所述挖掘机斜坡作业稳定力矩与实际倾翻力矩，计算稳定系数k，公式为：

50、

51、式中，m1为上车质量；m2为下车质量；g为重力加速度；h为挖掘机重心位置到履带倾翻线的距离；θ为斜坡倾斜角度；f为挖掘机斜坡作业输出力；l为输出力作用点到履带倾翻线的距离；

52、判断是否满足k>1，若是则满足所述条件一。

53、可选的，所述条件三中，上车回转运动力表示为：

54、fc＝m1a+jα/rc+mr/rc；

55、式中，rc为上车重心到挖掘机回转中心的距离；a为上车加速度；α为上车角加速度，且α＝a/rc；j为上车转动惯量；mr为回转摩擦阻力矩；

56、所述条件三表示为：

57、(m1+m2)gsinθ+fc＜μ(m1+m2)gcosθ；

58、式中，μ为地面与履带的摩擦系数。

59、可选的，挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法还包括，若判断结果为挖掘机当前工作方式下会倾翻，则输出报警信号，即实现了可能倾翻时的预警，能够保障外界及时获知挖掘机有倾翻风险从而及时作出应对措施。

60、第二方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现第一方面所述的挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法。

61、第三方面，本发明还提供了一种挖掘机斜坡作业的倾翻预测系统，包括：

62、挖掘机斜坡作业姿态信息采集模块，用于采集挖掘机斜坡作业姿态信息并输出，所述挖掘机斜坡作业姿态信息用于计算挖掘机重心位置；

63、挖掘机斜坡作业输出力测量模块，用于测量挖掘机斜坡作业执行机构状态信息并输出，所述挖掘机斜坡作业执行机构状态信息用于计算挖掘机斜坡作业输出力；

64、判断预警模块，用于根据挖掘机斜坡作业姿态信息采集模块和挖掘机斜坡作业输出力测量模块输出的数据，采用第一方面所述的挖掘机斜坡作业的倾翻预测方法进行挖掘机当前工作方式下的倾翻预测，并根据倾翻预测结果输出预警信号。

65、可选的，所述挖掘机斜坡作业姿态信息采集模块包括：倾角传感器、陀螺仪以及多个位移传感器；

66、所述倾角传感器及陀螺仪分别设置在挖掘机回转支承上，分别用于采集挖掘机所处斜坡的倾斜角度及挖掘机斜坡回转角度；

67、挖掘机动臂油缸上设有第一位移传感器，用于采集动臂油缸位置，所述动臂油缸位置用于确定动臂姿态；

68、挖掘机斗杆油缸上设有第二位移传感器，用于采集斗杆油缸位置，所述斗杆油缸位置用于确定斗杆姿态；

69、挖掘机铲斗油缸上设有第三位移传感器，用于采集铲斗油缸位置，所述铲斗油缸位置用于确定铲斗姿态。

70、通过采集到的倾角传感器和位移传感器的信号，可以准确地得知挖掘机当前姿态信息，进而得出较为精确的重心位置，为所述稳定系数k的计算减小误差，为进一步减少挖掘机倾翻状况的发生提供了支持。

71、可选的，所述挖掘机斜坡作业输出力测量模块包括：多个压力传感器；

72、挖掘机动臂油缸大腔中设有第一压力传感器，用于采集动臂油缸大腔压力；

73、挖掘机动臂油缸小腔中设有第二压力传感器，用于采集动臂油缸小腔压力；

74、挖掘机斗杆油缸大腔中设有第三压力传感器，用于采集斗杆油缸大腔压力；

75、挖掘机斗杆油缸小腔中设有第四压力传感器，用于采集斗杆油缸小腔压力；

76、挖掘机铲斗油缸大腔中设有第五压力传感器，用于采集铲斗油缸大腔压力；

77、挖掘机铲斗油缸小腔中设有第六压力传感器，用于采集铲斗油缸小腔压力；

78、所述动臂油缸大小腔压力、斗杆油缸大小腔压力以及铲斗油缸大小腔压力分别用于计算挖掘机动臂油缸输出力、挖掘机斗杆油缸输出力以及挖掘机铲斗油缸输出力；

79、所述挖掘机动臂油缸输出力、挖掘机斗杆油缸输出力以及挖掘机铲斗油缸输出力用于计算挖掘机作业输出力f。

80、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

81、1、通过获取与对比挖掘机斜坡作业实际倾翻力矩和稳定力矩，以及挖掘机斜坡满斗回转时能作业的最大斜坡倾斜角度与当前斜坡倾斜角度，提供了适用于挖掘机斜坡作业的稳定性判断思路，解决了现有技术中没有针对挖掘机斜坡作业的倾翻风险预测方案的缺陷，能够提高挖掘机在斜坡上作业的安全性；

82、2、通过获取挖掘机作业时各部件的姿态信息，再结合挖掘机当前所处斜坡倾角和上车回转角度，可以精确地依据挖掘机当前姿态信息得出其重心位置，解决了现有技术中对挖掘机重心位置计算粗略误差较大的问题，保障了挖掘机斜坡作业稳定性判断的精确度；

83、3、结合挖掘机重心位置与倾翻线之间的关系，并考虑溜坡滑移情形提出了进一步保障挖掘机斜坡作业不发生倾翻的条件，并能够避免挖掘机斜坡作业时发生滑移，进一步保障了斜坡作业的安全性

84、4、针对斜坡回转作业工况，考虑满斗回转及空斗回转情形，分别提出了挖掘机满斗回转能力和空载回转作业范围的确定思路，可在挖掘机斜坡回转作业时为司机提供控制参考，进一步保障挖掘机斜坡作业的安全稳定性。