裝載機轉斗缸外負載力變化特性的測定*

徐禮超

裝載機油缸外負載力作為液壓系統元件動力學分析的重要參數之一，對于準確計算油缸工作效率與液壓系統總效率、合理評價液壓系統元件匹配性能有著直接影響。目前在分析確定裝載機工作裝置油缸外負載力時，大多按照油缸力矩平衡方程給出外負載力計算公式，且未考慮油缸的運動速度影響［1-2］，或采用建模仿真方法來研究外負載力變化情況［3］，這與裝載機實際的復雜作業工況相差較大。針對這種情況，本研究以轉斗缸為例，通過實車測試其油壓與活塞位移并加以分析處理，確定了裝載機典型工況下轉斗缸外負載力的變化特性。

1 轉斗缸外負載力的數學模型

轉斗收斗時，轉斗缸外負載力F1可表示為

式中，p1為無桿腔油壓，MPa;A1為活塞面積，m2;p2為有桿腔油壓，MPa;A2為有桿腔有效作用面積，m2;m為作用于活塞上的當量質量，kg;b為液體黏性阻尼系數，N·s/m;f為活塞與缸、活塞桿與油封間摩擦力，N;x為活塞位移，m;v為活塞速度，m/s;a為活塞加速度，m/s2。

轉斗開始卸料至轉斗及物料重心越過動臂與轉斗鉸接點前，轉斗缸外負載力F2可表示為

而當轉斗及物料重心越過動臂與轉斗鉸接點后，轉斗缸外負載力F3則可表示為

式(2)、式(3)符號意義同式(2)。

由于轉斗缸活塞與缸體、活塞桿與油封間摩擦力f通常較小，活塞位移基本呈線性變化，因此f、ma這2項數值一般不考慮。經實測得活塞直徑D=0.16 m，活塞桿直徑 d=0.09 m，b通常取 10 N·s/m［4］，則式(1)～ 式(3)可改寫為

2 裝載機轉斗缸工作參數的測試

裝載機鏟掘不同物料時的作業過程通常由相應物料的若干個典型作業循環構成，而每個作業循環又由多個作業段組成，這些作業段包括空載前進接近物料段、鏟掘段、重載倒退段、重載前進卸料段、空載倒退段等。本研究以鏟裝松散土為例，采用V型作業方式對轉斗缸工作時的進、出口油壓和活塞位移進行實車測試。為準確分析確定各作業段起止點，實際測試時，還測試了前進擋位信號，數據采集儀的1～4信道分別對應測試轉斗缸有桿腔、無桿腔、活塞位移和裝載機前進擋信號。測試時，采樣頻率設置為100 Hz。裝載機鏟裝松散土時各通道測試波形如圖1所示。

圖1 鏟取松散土時各通道采樣波形

由圖1可以看出，裝載機鏟裝松散土時，整個作業過程具有明顯的循環作業特點，每個循環的不同作業段間油壓、位移等參數值變化較大，這與實際工作情況比較一致。

3 典型工況下轉斗缸外負載力變化特性的制取與分析

裝載機鏟掘物料時，若測試數據符合平穩性檢驗要求，則可近似采用一個典型作業循環來替代總體作業情況［5-7］。實車測試結果表明，在每個作業循環的不同作業段，轉斗缸兩腔油壓與活塞位移變化均較大，而不同循環相同作業段的油壓與位移變化則較小，因此在采集轉斗缸油壓與活塞位移基礎上，應用Vib＇sys和Nsoft軟件按“鏟—續—鏟”方式對測取的各作業循環數據進行分段處理，將各作業循環同名作業段的油壓和位移信號按時間順序加以合并，再采用巴特沃斯8階低通濾波器(濾波頻率為10 Hz)對合并后的信號進行濾波處理，采用標準方差檢測法去除測試異常值，應用工程上常用的輪次法對去異值后的數據進行平穩性檢驗，對經平穩性檢驗的相同作業段數據進行加權平均處理后，利用nsoft軟件將各作業段波形數據按作業時間順序進行合并(具體處理過程參見文獻［6］)，得到的單次典型作業循環轉斗缸無桿腔、有桿腔油壓和活塞位移變化歷程分別如圖2～圖4所示。

圖2 轉斗缸無桿腔油壓變化歷程

圖3 轉斗缸有桿腔油壓變化歷程

圖4 轉斗缸活塞位移變化歷程

圖5 裝載機鏟裝松散土時外負載力變化特性曲線

應用Matlab的數據擬合功能，可對裝載機鏟裝松散土時制取的單次典型作業循環不同作業段的轉斗缸無桿腔油壓、有桿腔油壓和活塞位移進行擬合。根據式(4)～式(6)，在Matlab命令窗口中輸入相應參數，應用Matlab的繪圖功能可得到轉斗缸外負載力不同作業段的數據波形。應用Nsoft軟件將轉斗缸外負載力各作業段波形數據按作業時間順序進行合并，即可獲得如圖5所示的裝載機鏟裝松散土時外負載力變化特性曲線。達3.96×104N，隨著物料與鏟斗的重心越來越靠近鏟斗與動臂絞接點以及斗內物料的不斷減少，轉斗缸外負載力急劇減小;在空載后退段(46.06～55.5 s)，裝載機空載后退的同時，轉斗缸無桿腔進油、有桿腔回油實現小角度收斗后，轉斗缸外負載力逐漸穩定并保持較低值。從以上分析可知，確定的轉斗缸外負載力變化特性與實際工況比較吻合，這為轉斗缸工作效率、液壓系統效率分析計算，實現液壓缸、液壓控制閥、液壓泵合理匹配提供了條件。

4 結論

(1)裝載機采用V型作業方式鏟裝松散土時，循環作業特點明顯，單次作業循環時間為55.5 s，每一循環的空載前進、鏟裝、重載后退、重載前進、卸料、空載后退等不同作業段間數值變化較大。

(2)綜合應用 Vib＇sys、Nsoft和 Matlab 等軟件對轉斗缸實測油壓、位移數據進行分段合并、濾波、去異值以及擬合處理，并結合轉斗缸外負載力計算公式，可方便求取轉斗缸外負載力變化特性曲線，這為其他油缸外負載力變化特性的測定提供了參考。

由圖5可知，在裝載機空載前進段(0～14.33 s)，受路面不平度和工作裝置激勵影響，轉斗缸外負載力產生小幅變化;在鏟斗插入料堆并進行松散土鏟裝作業段(14.34～19.97 s)，轉斗缸無桿腔進油、有桿腔回油，活塞桿以較低速度伸出實現收斗動作，在此過程中受插入阻力與鏟斗裝載質量急劇增加以及鏟斗與物料間摩擦力等因素影響，轉斗缸外負載力增加較快;在重載倒退及前進舉升段(19.98～41.69 s)，轉斗缸處于閉鎖狀態，受行駛中擋位調整、路面不平度影響，在動臂舉升后期，轉斗缸外負載力呈近似“w”型變化，最大變化幅度約為1.2×104N;在卸料段(41.7～46.05 s)，轉斗缸有桿腔進油、無桿腔回油，活塞桿回縮并通過拉桿帶動鏟斗翻轉卸料，開始卸料時，轉斗缸外負載力很大，最高值

［1］ 曾慶強，秦四成，王 凱，等.裝載機行駛過程中動臂液壓缸剛度特性分析［J］.礦山機械，2011，39(7):55-59.

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