反铲液压挖掘机挖掘性能综合表征方法技术

本发明专利技术涉及一种反铲液压挖掘机挖掘性能综合表征方法，在充分考虑挖掘阻力系不确定性的基础上，得出挖掘阻力系数和阻力矩系数的惯常作用区间，并通过求解由该区间与整机限制条件所组成的线性不等式组，将三组液压缸的工作压力输入六面体空间映射为铲斗末端的力输出凸多面体空间，基于此多面体，提出了一组评价挖掘机挖掘能力和各限制条件所占比例的综合性能评价指标，用以衡量挖掘机工作机构设计的合理性以及工作机构与液压缸作用力的匹配关系；本方法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，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，提高了生产的挖掘机的性能。

【技术实现步骤摘要】
反铲液压挖掘机挖掘性能综合表征方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术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，本专利技术提供如下技术方案：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Frmax、最大挖掘力矩Mmax、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ηi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Ft、垂直于齿尖运动方向的法向挖掘阻力Fn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Wo；式中Fp—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Fy和水平方向的力Fx,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FX、竖直方向阻力Fy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，λAx—挖掘阻力水平分量对A点的力臂；λAy—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；rAj—重力Gj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λBx—挖掘阻力水平分量对B点的力臂；λBy—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；rBj—重力Gj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λGx—挖掘阻力水平分量对G点的力臂；λGy—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；rGj—重力Gj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：FX+μFY≤Ggμ式中μ—地面附着系数，取0.6；Gg—整机重量。考虑向后滑移的限制方程为：FX-μFY≥-Ggμ5)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λTx—挖掘阻力水平分量对T点的力臂；λTy—挖掘阻力竖直分量对T点的力臂；rTj—重力Gj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λSx—挖掘阻力水平分量对S点的力臂；λSy—挖掘阻力竖直分量对S点的力臂；rSj—重力Gj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FXr、FXr和当量阻力矩Mr：[FXrFYrMr]＝[FX/FrefFY/FrefM/Mref]式中Fref为整机重量Gg；Mref＝GglGJ其中lGJ为铲斗上G点与J点的距离，Mref、Fref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Frmax和最大挖掘力矩Mmax；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ηiMamx＝MrefMr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，VG为重力影响区域，主动液压缸大腔作用力限制区域Vi(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Vi(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SAEJ1179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。本专利技术的有益效果在于：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SAEJ1179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。本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，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

【技术特征摘要】
1.一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，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Frmax、最大挖掘力矩Mmax、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ηi作为挖掘机挖掘性能的评价指标。2.根据权利要求1所述的反铲液压挖掘机挖掘性能综合表征方法，其特征在于：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Ft、垂直于齿尖运动方向的法向挖掘阻力Fn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Wo；式中Fp—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。3.根据权利要求2所述的反铲液压挖掘机挖掘性能综合表征方法，其特征在于：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Fy和水平方向的力Fx,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Fx、竖直方向阻力Fy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，λAx—挖掘阻力水平分量对A点的力臂；λAy—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；rAj—重力Gj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λBx—挖掘阻力水平分量对B点的力臂；λBy—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...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹智红，陈进，庞晓平，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50