反鏟挖掘機鏟斗油缸最大挖掘力測量方法研究

陶帥，郝剛，劉振廣，王宏偉

（1.工兵科研二所，北京 100093；2.總裝器材供應中心，北京 100011）

0 引言

關于挖掘力的定義，國家標準與國際標準存在一些差別，主要是挖掘力測量位置的不同：國際標準要求的測量位置是鏟斗切削刃，國家標準要求的測量位置是斗齒尖。測量位置的不同導致測試出的最大挖掘力不同，進而影響作業結構性能的評價。同時由于現階段對最大挖掘力的研究集中在民用普通挖掘機上，對伸縮臂式等特殊結構的最大挖掘力計算、研究不多，沒有一個通用的鏟斗油缸單獨作用下的最大挖掘力計算方法。為此，需要分析、簡化鏟斗油缸最大挖掘力與相關結構的關系，得到比較準確、通用的挖掘力計算方法，為最大挖掘力的設計、測試和評價提供參考。

1 理論建模

為便于測量鏟斗油缸單獨作用時的最大挖掘力，需要尋找一個便于直接測量的因變量，并分析反鏟挖掘機的最大挖掘力位置與該變量的關系，準確定位最大挖掘力產生位置。

1）鏟斗油缸單獨作用時斗齒尖處最大挖掘力計算。

當不考慮工作裝置自重、鏟斗負荷、液壓系統和連桿機構的效率、液壓系統工作背壓等影響因素時，令鏟斗切削刃處的最大挖掘力FB為鏟斗液壓缸理論挖掘力

式中：F3為鏟斗液壓缸理論推力；ri為力臂，i＝1，2，3，4，ri是液壓缸瞬時長度的函數；i為鏟斗液壓缸的傳力比。

當i 達到最大時，則可以得到鏟斗液壓缸作用下的最大理論挖掘力。鏟斗結構如圖1 所示，將鏟斗和連桿機構作為研究對象，分析鏟斗油缸相關結構運動情況。

當給定了鏟斗液壓缸長度L3時，利用幾何關系可求得如下角度和長度：

圖1 鏟斗油缸相關組件結構瞬時轉角及連桿機構簡圖

式中，α7=∠NQF、α8=∠NFQ、α5=∠GNF 是已知參數，L 表示下標兩點間的長度，下標兩點不區分先后，如LGN=LNG。

圖1 中為一帶滑塊的四連桿機構，當無滑塊時，H、M點重合，此時LMH=0，α32=∠MNH＝0，本文主要研究有滑塊情況下的最大挖掘力。

鏟斗液壓缸對N 點的作用力臂為

連桿HK 對N 點的作用力臂為

連桿HK 對Q 點的作用力臂為

由力矩平衡方程得到鏟斗連桿機構的總傳動比

式中除LQV外，各參數都是L3的函數，e 為鏟斗油缸的當量作用力臂。

2 反鏟挖掘機鏟斗油缸最大挖掘力計算方法改進

上述關于普通挖掘機鏟斗油缸最大挖掘力的計算公式中，包含了與斗桿連接的相關結構位置尺寸（E、F 點），但由于伸縮臂式挖掘機中很難或不存在這些尺寸，這導致上述最大挖掘力的計算公式并不適用于伸縮臂式挖掘機鏟斗油缸作用下最大挖掘力的計算。因此，需改進最大挖掘力算法，設計一種與斗桿連接的相關結構位置尺寸無關的計算方法。

通過對普通挖掘機鏟斗油缸作用下最大挖掘力計算過程的分析可以看出：與斗桿連接結構相關的E、F 點的利用主要是為了得到α33＝∠HNQ。為此要求改進算法與E、F 點相關的結構尺寸無關。

由于車輛的鏟斗油缸的力作用在搖臂上，等同于挖掘機有滑塊結構。針對上述問題和鏟斗油缸連桿的有滑塊四連桿機構，給出一種新的α33＝∠HNQ 計算方法，該方法僅與鏟斗油缸連接結構本身有關，且適用于包含伸縮臂式挖掘機在內的各種鏟斗油缸單獨作用下鏟斗最大挖掘力計算。

1）當N 點在直線段LQG上方時，

2）當N 點在直線段LQG下方時，

利用該方法計算出的α33＝∠HNQ 僅與鏟斗油缸的支撐點、作用點及相關連桿機構位置有關，通用性強。此時，鏟斗油缸作用下鏟斗的最大作用力計算公式同式（1）。

3 影響因素分析

3.1 測量位置與鏟斗油缸最大挖掘力間關系

由鏟斗油缸連桿機構運動分析可以得到鏟斗油缸經過連桿機構后作用在鏟斗鉸接點上力矩為

設鏟斗切削刃中點位置為V′，鏟斗旋轉鉸接點到切削刃中點的距離是L′QV則由力矩平衡方程得出斗齒尖位置最大挖掘力FB、切削刃位置的最大挖掘力FB′，兩者關系為

由于切削刃處的最大挖掘力是FB′，國家標準規定的最大挖掘力是FB，所以對測試得到的最大挖掘力FB′需要通過式（11），得出符合國家標準要求的最大挖掘力FB。

3.2 測力方向對最大挖掘力的影響

由最大輸出力FB的計算公式可以看出：最大挖掘力輸出力位置固定，則Me固定，在鏟斗上固定的一點，以點V 為例，當測力方向與V 點運動軌跡的弧線相切時，V 點與鏟斗旋轉中心間的力臂l 最大，則對應的FB最小，小于測力方向不與V 點運動軌跡的弧線相切時的測試力。即斗齒尖處測得的最小挖掘力是最大挖掘力，該最小挖掘力對應測力機構與l 垂直的狀態，但是由于拉力機構普遍采用鋼絲繩結構，在力加載過程中，不可避免地產生鋼絲繩伸長現象，引起傳感器測量的拉力方向與l 不垂直，產生一個角度a，導致測試出的最大挖掘力實際值大于理論狀態的拉力值。同時由于鋼絲繩的伸長難以避免。為便于準確、快速地測試出最大挖掘力，可以利用理論方法，推導出當傳感器測力方向與l 不垂直狀態與垂直狀態所對應挖掘力的關系，通過不垂直狀態測試出的挖掘力推導出最大挖掘力。

設測力方向與l 間的夾角的銳角為a 時測得的拉力是FB″，則

即

設計出的最大挖掘力改進算法簡單，不過在實際測試過程中需要注意幾個問題：1）通過最大挖掘力位置計算推導出鏟斗油缸兩個鉸點間的長度，利用該長度確定最大挖掘力輸出狀態，避免引入油缸結構參數測量誤差；2）調整鏟斗油缸位置后，通過調整斗桿油缸和動臂油缸來改變切削刃位置，保證最大挖掘力輸出狀態不變；3）地樁和斗齒尖間盡量利用剛性連接，減小力加載過程中作用力方向的變化量。

4 最大挖掘力測試實例

車輛采用的鏟斗油缸作用在搖臂上，搖臂結構可簡化為圖1 中△MNH，即在計算鏟斗油缸作用下最大挖掘力時，LMH≠0，α32=∠MNH≠0，部分相關結構尺寸參數如下：

將結構數據代入式（1）、式（2）、式（6）和式（9），令F3＝307.93 kN，得到斗齒尖位置最大挖掘力隨鏟斗油缸長度變化量的變化曲線如圖2。

圖2 最大挖掘力隨鏟斗油缸長度變化

由此，可以得出結論：最大挖掘力產生位置為鏟斗油缸總長度為1006.9 mm 時，此時的最大理論挖掘力為52.523 kN，利用標定的拉力傳感器和研華測試軟件測試鏟斗油缸單獨作用時的最大挖掘力，測出的最大挖掘力為53.05kN，兩者誤差為1%，滿足GB/T 8170-2008 的要求。由式（11）得到切削刃位置的理論最大挖掘力約為66.55 kN。

5 結論

通過建立鏟斗油缸結構模型，考慮伸縮臂結構和搖臂的特殊結構以及測試過程的實際情況，對適用于普通挖掘機結構的鏟斗油缸最大挖掘力計算方法進行改進，使最大挖掘力計算方法更加具有普遍適用性，并分析了實際測力位置與相關標準要求位置處最大挖掘力的關系。利用實際測試結果和理論計算的比較，證明了改進的最大挖掘力計算、測試方法正確，為鏟斗油缸最大挖掘力的設計、試驗測試和評價提供了支撐。

［1］李永旭.液壓挖掘機工作裝置與液壓系統設計的研究［D］.上海：同濟大學，2006.

［2］杜文靖.液壓挖掘機工作裝置設計關鍵技術研究［D］.長春：吉林大學，2007.

［3］袁開磊.液壓挖掘機工作裝置動力學特性研究［D］.太原：太原科技大學，2012.

［4］胡道鵬.挖掘機作業運動軌跡控制研究［D］.廣州：華南理工大學，2013.

［5］林貴瑜，闞敏，王曉明，等.機械式挖掘機工作裝置動力學分析［J］.建筑機械，2014（2）：87-94.