液壓挖掘機鏟斗載荷的測試方法

郁錄平,路 宇,向岳山,李鵬波

(長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室,陜西 西安 710064)

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液壓挖掘機鏟斗載荷的測試方法

郁錄平,路 宇,向岳山,李鵬波

(長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室,陜西 西安 710064)

提出了一種用于測量挖掘機鏟斗載荷的測試方法,該方法主要包括:在連桿上設置傳感器測出連桿受力; 設計專門的銷軸傳感器測出斗桿與鏟斗鉸接處的銷軸受力; 根據所測的受力數據和鏟斗的工作姿態數據計算得出鏟斗受力.該方法可以完整地得出挖掘機鏟斗所受的正載、偏載和側載.

液壓挖掘機; 鏟斗載荷; 測試方法

液壓挖掘機是一種應用廣泛的土石方機械.挖掘機工作時,鏟斗所的受載荷特性對挖掘機的研發具有非常重要的意義.由于挖掘機作業工況復雜，鏟斗受力不斷變化,不能通過在鏟斗上直接安裝傳感器測量其載荷[1].并且所挖掘物料經常會使鏟斗受到偏載和側向載荷.目前,測量挖掘機鏟斗受力的方法均采用間接測量的方法[2,3],即首先測量斗桿與鏟斗鉸接處的銷軸受力和連桿受力,通過求解平衡方程得到鏟斗所受的外載荷合力[4].姜萬錄[5]等曾設計出一種間接測量挖掘阻力的傳感器,用于測量大型礦用挖掘機的鏟斗受力,但是這種傳感器無法測量鏟斗所受的側向力和鏟斗的偏載.本文所設計的鏟斗受力測試方法,可以測出挖掘機工作時鏟斗所受的合外力,包括偏載和側向力.

1 鏟斗的受力分析

取鏟斗為隔離體,鏟斗受到的外力有:斗桿與鏟斗鉸接處的銷軸A處的受力FA，連桿與鏟斗鉸接處的銷軸B處的受力FB,鏟斗重力G以及鏟斗的外的載荷F.建立平面直角坐標系如圖1所示.在銷軸A與銷軸B的中心連線上建立坐標x軸,y軸垂直于x軸.鏟斗所受外力與x軸的夾角分別為α1，α2，α3，α4.其中夾角α2，α3是挖掘機工作裝置的姿態參數,可以直接測量,或通過各油缸工作長度計算得出[6],可以視α2，α3為已知.將鏟斗外載荷F分解為Fx和Fy.本文中所有力計算都是以圖示箭頭方向為正.

圖1 鏟斗受力分析

x方向取力平衡方程有:

(1)

式中：Fx為鏟斗所受外載荷F在x方向的分力；FAx為銷軸A處的受力FA在x方向的分力.

y方向取力平衡方程有:

(2)

式中：Fy為鏟斗所受外載荷F在x方向的分力；FAy為為銷軸A處的受力FA在y方向的分力.

根據式(1),(2)可以得到外載荷F:

(3)

(4)

通過上述計算可知,當挖掘機工作裝置姿態確定時,如果得到斗桿與鏟斗鉸接處的銷軸A處的受力FA、連桿的受力FB和鏟斗重力G,可以通過(1)～(4)求得鏟斗外載荷F的大小和方向.鏟斗重力G是可以直接測量的,只要設計出測量FA,FB的方法就能間接得到鏟斗所受外載荷F.

2 傳感器設計

2.1 連桿傳感器

連桿為二力桿,可以按照傳感器要求在連桿表面貼應變片,采用測量連桿應力的方法測到連桿受力FB.

由挖掘機工作裝置結構可知,挖掘機工作時鏟斗油缸與連桿的最大夾角近似為180°,可以用鏟斗油缸的最大推力計算連桿傳感器的量程.

2.2 銷軸傳感器

由于FA的大小和方向是變化的,將FA按圖1分解為FAx和FAy分別測量.為了測量偏載,將鏟斗-斗桿銷軸分為左右兩段,設計左右兩個銷軸傳感器.左傳感器測量FAx和FAy在斗桿左邊的分力FAxl,FAyl; 右傳感器測量FAx和FAy在斗桿右邊的分力FAxr,FAyr.將側向力分解為鏟斗向左的側向力Fzl、鏟斗向右的側向力Fzr分別進行測量.

測試裝置總體方案如圖2所示.將鏟斗4左右兩側與斗桿1連接的耳座向兩邊移動,形成傳感器安裝座2,保證傳感器安裝座2與斗桿1之間存在一段距離.在斗桿1上與鏟斗4鉸接的銷孔內布置套筒5,套筒5的內端封閉,將銷軸傳感器3插入套筒5中且使銷軸傳感器3的頂端與套筒5接觸.

圖2 測試裝置總體方案圖

2.2.1FAxl的測量

如圖3所示,在銷軸傳感器x軸所在的縱斷面貼應變片Rx1,Rx2,Rx3,Rx4,其中Rx1,Rx4在斷面D-D上,Rx2,Rx4在斷面E-E上,組橋方式圖4所示.根據應變測量原理[7],在供橋電壓為Uxi的條件下,圖4所示的電橋的輸出Uxo為

(5)

式中:K為應變片的靈敏度系數;εx1,εx2,εx3,εx4分別為應變片Rx1,Rx2,Rx3,Rx4所在位置的正應變.

圖3 銷軸傳感器原理圖

由材料力學[8]可知:

(6)

式中:E為材料彈性模量;Wp為抗彎截面系數；l為斷面D-D與E-E之間的水平距離；c為銷軸加載位置與斷面E-E之間的水平距離.

(7)

(8)

(9)

圖4 FAxl測量電橋

將式(6)～(9)代入(5),整理得:

(10)

可以看出,圖4所示電橋的輸出電壓Uxo與c無關,也就是說,不論Fxl在支承點的分布特性怎樣變化,這種組橋方式都能從理論上準確地測量出Fxl的數值來.

2.2.2FAyl的測量

如圖3所示,在銷軸傳感器y軸所在的縱斷面貼應變片Ry1，Ry2，Ry3，Ry4,其中Ry1，Ry4在斷面D-D上,Ry2，Ry4在斷面E-E上,利用與測量FAxl相同的方法,可以測出FAyl.

2.2.3Fzl的測量

從圖2可以看出,鏟斗向左的側向力Fzl作用在銷軸傳感器頂端,傳感器這一部分的斷面積比較小,Fzl會在這個斷面產生壓應力.如圖3所示,在H-H斷面上,貼應變片Rz1，Rz2，Rz3，Rz4,其中Rz1，Rz3貼在上下相對的兩條母線上,與母線的方向一致;Rz2，Rz4在前后相對的兩條母線上,與母線的方向垂直.組橋方式如圖5所示,電橋的連接電線從傳感器中間的孔中引出.

圖5 側向力測量電橋

在供橋電壓為Uzi的條件下,圖5所示的電橋的輸出電壓Uzo為

(11)

式中:εz1，εz2,εz3,εz4分別為應變片Rz1,Rz2，Rz3，Rz4所在位置的正應變.由材料力學可知

(12)

式中:S為Rz1～Rz4所在位置的傳感器的斷面面積.

(13)

式中:μ為泊松比,“-”表示與εz1的方向相反.

將式(12)、(13)代入(11),得

(14)

3 鏟斗所受的合外力

如圖2所示,右銷軸傳感器的布置方式與左銷軸傳感器對稱,右銷軸傳感器的結構與左銷軸傳感器相同,利用右銷軸傳感器測量FAxr，FAyr，Fzr的原理與前述測量FAxl，FAyl，Fzl的原理相同,不再贅述.

3.1FAx的計算

在測得FAxl，FAxr以后,按式(15)求得FAx.

(15)

FAxl，FAxr為兩個平行力,利用力學原理可以求得其合力偏離中心的距離為bx:

(16)

bx=0說明FAx無偏載.

3.2FAy的計算

在測得FAyl，FAyr以后,可以用類似的方法求出FAy,FAy偏離中心線的距離by.

(17)

(18)

3.2Fz的計算

在測得Fzl，Fzr以后,統一定義向左(或向右)正,將Fzl和Fzr相加,便可以求出鏟斗所受的側向力Fz.

4 結語

本文提出了一種挖掘機鏟斗受力的測試方法,該方法主要是設計測量銷軸受力的銷軸傳感器和連桿受力傳感器間接得出鏟斗所受的合力.

由于連桿受力傳感器結構相對比較簡單,文中主要討論了用銷軸受力傳感器測量銷軸的徑向力和軸向力原理和設計計算方法.

從分析的情況來看,這個挖掘機鏟斗受力測試方法,原理正確,工藝可行,可以測出鏟斗所承受的載荷; 也可以用于裝載機的鏟斗受力測量.

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HATAMURA Lab of Tokyo University.Development and application of pin-type loadcell to construction machinery[J].Construction Machinery for Hydraulic Engineering & Power Station,1993(1):1-5.

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LI Xiaoying,ZHANG Xinrong.The sensor and testing technology[M].Beijing:Higher Education Press,2004.

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Testing method for bucket loading of hydraulic excavators

YU Lu-ping,LU Yu,XIANG Yue-shan,LI Peng-bo

(Key Laboratory of Road Construction Technology& Equipment of the Ministry of Education, Chang'an University, Xi'an, 710064)

Based on a testing method for excavator bucket force measurement, the method is postulated on setting a sensor on the bucket linkage to measure the force of the linkage, designing special pin-type loadcells to measure the force of the pin between dipper and bucket, and computing the bucket force through measurement and bucket position data.Accordingly, this approach can completely detect the bucket loading such situations as forward, partial and lateral loading.

hydraulic excavator; bucket force; testing method

土方機械疲勞可靠性關鍵技術研究項目(2015BAF07B02)

郁錄平(1957-),男,教授.E-mail:1072587536@qq.com

TH 122

A

1672-5581(2016)03-0267-04