一种基于力臂配比的挖掘机主挖区界定方法技术

一种基于力臂配比的挖掘机主挖区界定方法，首先引入力臂系数的概念并基于力臂曲线和各工装机构传动比曲线，选取力臂系数并以不同挖掘方式所引起的力臂变化为依据，建立力臂系数配比方案；再基于工作域图谱分析法和铲斗、斗杆极限挖掘力模型及考虑力矩的复合挖掘力模型，研究不同方案的作业范围、挖掘力和影响挖掘力发挥限制因素，从而分析得出不同力臂系数配比对其挖掘性能的影响规律，来得出由力臂系数配比界定的主挖区。本发明专利技术通过引入力臂系数来分析各液压缸处于主挖力臂段和主要挖掘状态时的作业区域和挖掘性能，得到用于分析评价挖掘性能的主挖区，以及不同力臂系数配比对挖掘性能的影响规律，可用于指导工作装置的优化设计。化设计。化设计。

【技术实现步骤摘要】
一种基于力臂配比的挖掘机主挖区界定方法


[0001]本专利技术属于工程机械
，涉及一种基于力臂配比的挖掘机主挖区界定方法。

技术介绍

[0002]液压挖掘机作为工程机械装备领域的标兵产品，在国民重大基础设施建设等诸多工程行业发挥着不可替代的作用。其工作装置的作业包络区域即为挖掘机的工作域，而工作域内所发挥出的挖掘力性能是分析评价一台挖掘机设计优劣的关键指标。
[0003]通过总结现有研究可知，挖掘机的作业范围、挖掘力大小和影响挖掘力发挥的限制因素是挖掘性能的主要参数指标，主挖区往往是反映挖掘性能的关键区域。传统主挖区的定义未考虑停机面上方的作业或者涵盖了挖掘力较小的边界作业区域，这样定义的区域难以表现出用于评价和分析挖掘机的最佳挖掘性能区。鉴于此，实有必要提供对挖掘机的最佳挖掘性能区即主挖区进行界定的方法。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术提供一种基于力臂配比的挖掘机主挖区界定方法，旨在得到用于评价分析挖掘性能的最佳区域即为“主挖区”，用于指导挖掘机工作装置的优化设计。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案实现的，提供一种基于力臂配比的挖掘机主挖区界定方法，包括以下步骤：
[0006]步骤一：计算动臂、斗杆、铲斗的力臂；
[0007]步骤二：为反映更贴近真实作业中处于挖掘状态时的挖掘性能及其所作业的主挖区，以及不同力臂的配比对挖掘性能的影响规律，综合考虑各种因素，选取力臂系数及力臂段，力臂系数的引入是为了研究不同主挖力臂的配比对其挖掘性能的影响规律，所述力臂系数为挖掘机在某时刻挖掘姿态下，动臂液压缸、斗杆液压缸、铲斗液压缸对其转动铰点的力臂与其最大力臂之比；
[0008]步骤三：根据步骤二选取的力臂段来确定力臂系数配比方案，分析不同力臂系数配比反铲液压挖掘机工作域的包络区域，即工作域作业范围，其指标要求在作业域内尽可能使得不可挖掘区面积最小。以不同主挖力臂的配比方案为主挖区提供一个分析依据，而不同的作业域面积和作业范围参数的分析将对定义主挖区提供第一个指标；
[0009]步骤四：根据步骤三得到的不同力臂系数配比方案，分析作业域内理论挖掘力大小和影响理论挖掘力发挥的限制因素情况，来提供定义主挖区的第二个指标，具体如下：分析不同力臂系数配比方案的铲斗挖掘性能、斗杆挖掘性能和复合挖掘性能，基于工作域图谱分析法求得给定挖掘点的理论挖掘力及其影响挖掘力发挥的限制因素，从而分析得出不同主挖力臂配比对挖掘性能的影响规律，最终得到对于不同挖掘方式对应的由力臂系数配比界定的最佳挖掘性能主挖区。
[0010]特别的，所述步骤一具体按照如下方式进行实施：
[0011]其中动臂液压缸、斗杆液压缸和铲斗液压缸的主动作用力相对各自机构转动铰点A、B的力臂以及Q的当量力臂分别为e1、e2和e3。因铲斗机构是六连杆机构，其力臂是通过摇杆和连杆传递到铲斗转动铰点Q，其中铲斗液压缸对摇杆NK的转动铰点N的力臂为e
N1
，连杆KL对铰点N的力臂为e
N2
，连杆KL对铰点Q的力臂为e
Q
，各机构实时力臂的求解计算公式为：
[0012]其中
[0013](1)，
[0014]于公式(1)中，i为液压缸伸缩时所处的实时位置，FC、DH、EK分别为动臂液压缸、斗杆液压缸、铲斗液压缸的长度，FC、DH、EK由位移传感器测得，由于机构间的几何夹角∠FAC、∠DBH、∠EKK因机构运动不便测量，可转换为与至关联的分别由角度传感器测得的动臂转动夹角θ2、斗杆转角θ3和铲斗转角θ4，如此在测得动臂液压缸、斗杆液压缸、铲斗液压缸的实时位置和机构转角后，采用公式(1)即可求得各机构实时力臂大小，于本专利技术中，各机构指动臂、斗杆、铲斗。
[0015]特别的，所述步骤二中力臂系数采用如下公式计算：
[0016]k
j
＝e
ji
/e
jmax
[0017](2)，
[0018]于公式(2)中，j＝1,2,3，其中k1、k2、k3分别为动臂缸力臂系数、斗杆缸力臂系数、铲斗缸当量力臂系数，e
jmax
为最大力臂系数，可由工作装置几何参数计算得出，当k取1时，为未考虑力臂系数对全区域挖掘性能的影响，所以在考虑力臂系数的影响时，给定相应系数即可。
[0019]特别的，所述步骤二中选取力臂系数时，综合考虑的各种因素为：更多姿态是处于切削装载阶段和满载转斗阶段；工作装置各部件应处于能发挥较大力臂阶段，从而保证能发挥出较大的挖掘力；挖掘力臂所处大小段应在整个挖掘轨迹作业中占比较大；机构的传动比也应处于较大阶段；处于力臂曲线和传动比曲线斜率较大的阶段可以保证液压缸主动作用力得以充分发挥，从而提高发动机的有用功率；盲位和盲角的限制，能减少不可挖掘区域面积。综合考虑以上6个因素，以及工作装置各机构的力臂曲线和传动比曲线，选定各机构力臂段(即动臂力臂段、斗杆力臂段、铲斗当量力臂段)的范围分别为以各机构最大力臂段的0.6、0.7、0.8至其各自最大力臂段的范围，于本专利技术中，铲斗机构的最大传动比＞斗杆机构最大传动比＞动臂机构最大传动比，斗杆力臂的最大力臂＞动臂最大力臂＞铲斗最大当量力臂。
[0020]特别的，所述步骤四中基于工作域图谱分析法求得给定挖掘点的理论挖掘力及其影响挖掘力发挥的限制因素，统计各限制因素在工作域内的占比，并绘制挖掘力及其限制因素图谱。所用的工作域图谱分析法，可将挖掘点取得足够密以形成面域而均布整个作业
域。
[0021]相较于现有技术，本专利技术提供一种基于力臂配比的挖掘机主挖区界定方法，其首先计算力臂，引入力臂系数，并基于力臂曲线和各工装机构传动比曲线，选取不同主挖力臂系数并以不同挖掘方式所引起的力臂变化为依据，建立主挖力臂配比方案；再基于工作域图谱分析法和铲斗、斗杆极限挖掘力模型以及考虑力矩的复合挖掘力模型，研究作业范围、挖掘力大小和影响挖掘力发挥限制因素，从而分析得出不同主挖力臂系数配比对挖掘性能的影响规律，来得出由力臂系数配比界定的主挖区。
[0022]综上所述，采用本专利技术提供方法定义的主挖区相比传统定义的主挖区，对挖掘性能最佳区表征更加准确，考虑了更为全面(包含停机面上方的作业及挖掘力较小的边界作业区域)的变化因素，涵盖了不同挖掘方式的挖掘性能最佳区，进而为挖掘性能分析和工作装置的优化提供了评判指标和参考方向。
【附图说明】
[0023]图1为本专利技术的流程图；
[0024]图2为反铲液压挖掘机工作装置各机构力臂示意图；
[0025]图3为某22t反铲液压挖掘机工作装置各机构力臂及传动比曲线图；
[0026]图4为不同力臂系数配比方案各工作域占比统计图；
[0027]图5为不同力臂系数配比方案工作域范围示意图；
[0028]图6为所有力臂系数配比方案作业范围对比图；
[0029]图7为挖掘作业全区域铲斗极限挖掘力及其限制因素图谱；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于力臂配比的挖掘机主挖区界定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：计算动臂、斗杆、铲斗的力臂；步骤二：为反映更贴近真实作业中处于挖掘状态时的挖掘性能及其所作业的主挖区，综合考虑各种因素，选取力臂系数及力臂段，所述力臂系数为挖掘机在某时刻挖掘姿态下，动臂液压缸、斗杆液压缸、铲斗液压缸对其转动铰点的实时力臂与其最大力臂之比；步骤三：根据步骤二选取的力臂段确定力臂系数配比方案，分析不同力臂配比反铲液压挖掘机工作域的包络区域，即工作域作业范围，其指标要求在作业域内尽可能使得不可挖掘区面积最小。不同力臂系数的配比为主挖区定义提供依据，而其不同的作业域面积和作业范围参数的分析将对定义主挖区提供第一个指标；步骤四：根据步骤三得到的不同力臂系数配比方案，分析不同力臂系数配比方案的铲斗挖掘性能、斗杆挖掘性能和复合挖掘性能，基于工作域图谱分析法分析给定挖掘点的理论挖掘力及其影响挖掘力发挥的限制因素，以此定义主挖区的第二个指标，从而分析得出不同主挖力臂配比对挖掘性能的影响规律，最终得到对于不同挖掘方式对应的由力臂系数配比界定的最佳挖掘性能主挖区。2.根据权利要求1所述的一种基于力臂配比的挖掘机主挖区界定方法，其特征在于，所述步骤一具体按照如下方式进行实施：动臂液压缸、斗杆液压缸、铲斗液压缸的主动作用力相对各自机构转动铰点A、B的力臂以及铲斗转动铰点Q的当量力臂分别为e1、e2和e3，因铲斗机构是六连杆机构，其力臂是通过摇杆和连杆传递到铲斗转动铰点Q，其中铲斗液压缸对摇杆NK的转动铰点N的力臂为e
N1
，连杆KL对铰点N的力臂为e
N2
，连杆KL对铰点Q的力臂为e
Q
，各机构实时力臂的求解计算公式为：于公式(1)中，i为液压缸伸缩时所处的实时位置，FC、DH、EK分别为动臂液压缸、斗杆液压缸、铲斗液压缸的长度，FC、DH、EK由位移传感器测得，机...

【专利技术属性】
技术研发人员：任志贵，曹书生，李佳豪，李天瑜，梁永永，梁杨，刘菊蓉，
申请(专利权)人：陕西理工大学，
类型：发明
国别省市：