裝載機自動鏟裝作業(yè)軌跡與能耗研究

蔣 恒，諶炎輝，2，鄭 特

（1.廣西科技大學 機械與汽車工程學院，廣西 柳州 545006； 2.廣西水利電力職業(yè)技術學院 機電工程系，廣西 南寧 545023）

作為鏟裝運輸類的大型工程機械，裝載機被廣泛應用于建筑工地、礦場、公路修建等領域［1］。近年來，為加快工程進度、減少成本、提高施工速度，對裝載機的要求也越來越高，推進了裝載機的自動化和智能化發(fā)展［2］。目前，裝載機的自動化鏟裝不需要長時間的手動重復控制操作，不僅解放了勞動力，還提高了有效做功［3］。裝載機的有效做功是裝載機重要的鏟裝性能，與裝載機的燃油能耗、作業(yè)時間、油缸及車輪的做功有關。國內(nèi)外學者已對裝載機自動鏟裝的能耗展開諸多研究。Gottschalk等［4］為測得裝載機的整體效率，開發(fā)了一種重復評價各種輪式裝載機燃油性能和操縱性能的方法。Liu 等［5］為提高裝載機的燃油經(jīng)濟性，利用杠桿圖從液力機械動力分體式變速器（hydrodynamic mechanical power split transmission，HMPST）中找到最優(yōu)節(jié)油方案，并建立輪式裝載機動力總成的仿真模型，驗證了該方案的有效性。Huang 等［6］提出一種提高裝載機自動鏟裝性能的強化學習方法，建立統(tǒng)計模型來模擬實際環(huán)境，利用統(tǒng)計模型訓練提出的算法，結(jié)果證明該算法具有良好的適應性和油耗性能。

雖然學者對裝載機自動鏟裝的能耗展開了深入研究，但大多采用預測、仿真等方法，缺乏實際鏟裝試驗數(shù)據(jù)支撐。因此筆者通過裝載機鏟裝性能測試平臺，實時采集裝載機在不同平行鏟裝軌跡下的自動鏟裝數(shù)據(jù)，并對其對比分析，找到能耗少、有效功占比高的軌跡。

1 裝載機自動鏟裝作業(yè)過程分析

1.1 鏟裝軌跡分析

裝載機的鏟裝方式主要有一次鏟裝法、分段鏟裝法、開挖法和配鏟裝法4 種［7］。由于裝載機根據(jù)配合鏟裝法鏟裝的能耗最低、滿斗率較高，且阻力較小，因此配合鏟裝法最適合裝載機的自動鏟裝。根據(jù)配合鏟裝法規(guī)劃的鏟裝軌跡有曲線軌跡和直線軌跡。鏟裝軌跡如圖1所示。

圖1 鏟裝軌跡Fig.1 shoveling trajectory

圖中：AB為水平鏟裝階段；BC為鏟掘階段；CD為鏟斗提升階段；AD為料堆表面。根據(jù)該方法，首先在AB段裝載機駛向料堆，將鏟斗水平插入料堆一定深度；然后在BC段，鏟斗翻轉(zhuǎn)配合動臂提升，插入料堆深處，在這個階段的軌跡為曲線或直線；最后在CD段，鏟斗收斗，并將其垂直提升一定高度，鏟裝完成。

1.2 軌跡規(guī)劃

在相同鏟裝量的前提下，直線軌跡比曲線軌跡的鏟裝油耗少，因此直線軌跡更適合裝載機自動鏟裝［8］。同時為減少作業(yè)阻力，保證鏟裝量，確保鏟斗齒直線軌跡的角度等于料堆的安息角角度［9］，這樣的直線軌跡也稱為平行鏟裝軌跡。平行鏟裝軌跡如圖2所示。

圖2 平行鏟裝軌跡Fig.2 parallel shoveling trajectory

圖中：X為直線鏟裝軌跡與料堆表面的垂直距離，又稱平行鏟裝深度；α為料堆安息角或直線軌跡傾斜角度；L為鏟斗水平插入深度；oe為水平鏟裝階段；ef為鏟掘階段；fg為鏟斗提升階段；og為料堆表面；S為鏟裝物料截面面積

本次鏟裝軌跡的規(guī)劃原理為：保持鏟裝物料橫截面積S一定，改變鏟裝深度X，探究不同平行鏟裝深度下，裝載機鏟裝碎石的鏟裝能耗。X取值為：400、425、450、475、500、525、550、575 和600 mm。碎石直徑為20～60 mm，密度ρ=2 684 kg/m3，安息角角度為35.34°，孔隙率N=39.9%。

本文的裝載機作業(yè)性能測試平臺基于輪式裝載機（865 H）改裝，鏟斗的額定鏟裝體積V1=3 m3，額定裝載質(zhì)量為5 000 kg，鏟裝物料橫截面積S=1.05 m2，鏟斗斗寬B=2.90 m，根據(jù)規(guī)定軌跡，可知鏟裝的物料體積V2的表達式如下：

由于V1=V2，裝載機根據(jù)規(guī)定軌跡的鏟裝體積等于鏟斗的額定鏟裝體積。探究在理論滿斗率為100%、鏟裝量相同的情況下，平行鏟裝深度不同，裝載機平行鏟裝軌跡自動鏟裝物料的有效功。

1.3 油缸長度與整車位移分析

裝載機鏟裝時，鏟斗的動作主要依靠轉(zhuǎn)斗油缸、動臂油缸伸縮及裝載機車體的移動，轉(zhuǎn)斗油缸的伸縮控制鏟斗翻轉(zhuǎn)的角度，動臂油缸的伸縮控制鏟斗提升的高度，裝載機車體駛向物料控制鏟斗插入物料。根據(jù)油缸的長度和整車位移的變化，可真實地反映鏟斗插入物料的具體情況。油缸長度和整車位移如圖3所示。

圖3 油缸長度和整車位移Fig.3 Cylinder length and whole vehicle displacement

圖中：OI為水平鏟裝階段；IJ為鏟掘階段；JK為司機反應階段；KL為鏟斗提升階段。由圖3 可知，OI段的轉(zhuǎn)斗油缸和動臂油缸的長度均未變化，整車位移增加，說明此時處于水平鏟裝階段，對應圖2中的oe段。在IJ段，動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸鏟斗迅速伸長，整車位移增加，說明鏟斗在翻轉(zhuǎn)與提升，這個階段為鏟掘階段，對應圖2 的ef段。在JK段，動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸均沒有伸長，且整車位移未變化，整個過程大概持續(xù)1～2 s，是司機的反應時間段。在KL段，司機控制鏟斗提升至車身2/3 的高度，這個階段為提升階段，對應圖2的fg段。

2 鏟斗受力與鏟裝能耗分析

2.1 鏟斗受力分析

裝載機在實現(xiàn)上述平行鏟裝軌跡對碎石鏟裝試驗的過程中，主要有水平鏟裝階段、鏟掘階段和鏟斗提升階段3 個階段，在不同階段，鏟斗受力各不相同，分別求得鏟斗在不同階段的受力大小，如圖4所示。

圖4 鏟斗各階段受力Fig.4 Bucket force in each stage

圖中：F1為鏟斗所受水平阻力；F2為鏟掘階段鏟斗所受阻力；F3為鏟裝物料的重力。

在水平鏟裝階段（oe段），鏟斗只受到水平鏟裝阻力，根據(jù)滑移面理論，其阻力表達式如下［10］：

三是細化實化最嚴格水資源管理制度。貫徹落實太湖流域水量分配方案，編制完成新安江流域水量分配方案；組織做好“三條紅線”實施、監(jiān)督考核和技術評估等工作，全面提高水資源管理和保護能力。

式中：F1為鏟斗所受水平阻力，N；FP為庫倫被動土壓力，N；α為物料與鏟斗之間的靜摩擦角，（°）；γ為物料的單位重量，N/m3；H為鏟斗齒上面的物料深度，m；S為鏟斗齒上方物料的橫截面積，m2；k為水平方向和鏟斗運動方向的夾角，（°）；g為重力加速度，m/s2；K0為材料插入阻力影響系數(shù)。

在鏟掘階段（ef），鏟斗除了受第一階段的庫倫被動土壓力，還受部分鏟斗內(nèi)物料的質(zhì)量，此時鏟斗受力表達式如下［10］：

式中：F2為鏟掘階段鏟斗所受阻力，N；β為料堆安息角，（°）；δbr為物料與鏟斗之間的靜摩擦角，（°）。

在鏟斗提升階段（fg），鏟斗垂直向上提升，只受到鏟斗內(nèi)物料的重力作用，此時鏟斗受力為

式中：G為鏟裝完成后，鏟裝物料質(zhì)量，kg；F3為鏟斗提升階段所受阻力，N；ρ為物料密度，kg/m3；N為物料孔隙率，%；B為鏟斗寬度，m；f1（x）為料堆表面物料方程；f2（x）為鏟掘軌跡方程；x為鏟斗插入深度，m。

2.2 鏟裝能耗分析

在鏟裝過程中，裝載機產(chǎn)生的能耗主要有整車能耗和油缸能耗2 種。通過傳感器測得的傳動軸扭矩和變速箱輸出轉(zhuǎn)速，計算求得裝載機的整車能耗；油缸所受合力乘以油缸的伸縮長度為油缸能耗，其總油缸能耗等于2 個動臂油缸能耗加上1 個轉(zhuǎn)斗油缸的能耗。

其中整車能耗表達式如下：

式中：M1為前傳動軸扭矩，N·m；M2為后傳動軸扭矩，N·m；w為變速箱輸出轉(zhuǎn)速，r/min。

油缸能耗如下：

式中：P1為動臂油缸大腔壓力，MPa；P2為動臂油缸小腔壓力，MPa；P3為轉(zhuǎn)斗油缸大腔壓力，MPa；P4為轉(zhuǎn)斗油缸小腔壓力MPa；R1為動臂油缸大腔半徑，m；R2為動臂油缸小腔半徑，m；R3為轉(zhuǎn)斗油缸大腔半徑，m；R4為轉(zhuǎn)斗油缸小腔半徑，m；l1為動臂油缸伸長量，mm；l2為轉(zhuǎn)斗油缸伸長量，mm。

裝載機在鏟裝過程中做功的總能耗表達式如下：

3 作業(yè)能耗分析

3.1 滿斗率分析

裝載機的滿斗率是衡量裝載機鏟裝性能與鏟裝軌跡是否達到標準的重要因素。如滿斗率低，說明有時間和能耗浪費。因此，需首先分析裝載機根據(jù)規(guī)劃軌跡鏟裝碎石所得到的滿斗率。不同軌跡的滿斗率如圖5所示。

圖5 不同軌跡的滿斗率Fig.5 Full bucket rate of different trajectories

由圖5 可知，平行鏟裝深度為400 mm 的軌跡，其滿斗率最高，達到92%；平行鏟裝深度為600 mm的軌跡，其滿斗率最低，僅為70.4%，不符合實際需求，因此排除該軌跡；其他軌跡的滿斗率均為81.1%～87.8%，符合要求。

3.2 能耗分析

將傳動軸扭矩，變速箱輸出轉(zhuǎn)速代入式（6），可計算得到整車能耗。將油缸大小腔壓力、活塞伸長量、油缸大小腔半徑代入式（7），可計算得到油缸能耗。整車能耗和油缸能耗見表1。

表1 整車能耗和油缸能耗Tab.1 Energy consumption of vehicle and cylinder energy consumption

由表1 可知，轉(zhuǎn)斗油缸及動臂油缸能耗較平穩(wěn)，分別在61.9～84.2 kJ、284.0～332.4 kJ 之間。但整車能耗波動較大，其中，整車能耗相差最大為154.8 kJ，且整車能耗大于轉(zhuǎn)斗油缸與動臂油缸能耗的和。

3.3 有效功分析

裝載機有效功占比反映出裝載機在鏟裝作業(yè)時，對燃油能耗的利用程度，有效功占比越高，即浪費的能耗越少，被用于鏟裝物料做功的能量越多，更有利于裝載機的節(jié)能減排。裝載機有效功占比等于整車能耗與油缸能耗的和除以總?cè)加湍芎摹Ｑb載機根據(jù)規(guī)劃鏟裝軌跡，從插入物料到鏟裝結(jié)束的燃油能耗如圖6所示。

圖6 不同軌跡的燃油能耗Fig.6 Fuel energy consumption of different trajectories

由圖6 可知，平行鏟裝深度為425～575 mm 的軌跡，其燃油能耗為4 291.0～5 931.8 kJ，而平行鏟裝深度為400 mm 的軌跡，其燃油能耗僅為3 969.8 kJ，遠低于其他軌跡的鏟裝能耗。根據(jù)以上油缸能耗、整車能耗與總的燃油能耗，計算得到有效功占比，如圖7所示。

圖7 有效功占比Fig.7 Ratio of effective work done

由圖7 可知，平行鏟裝深度為400 mm 的軌跡，其有效功占比最高，達到18.6%，其余鏟裝軌跡的能耗為13.9%～16.4%。根據(jù)總?cè)加头峙浣o油缸和整車車輪做功的25%能耗計算，其能耗利用率達到74.4%。

綜上所述，平行鏟裝深度為400 mm 的軌跡，其滿斗率最高，總?cè)加湍芎淖畹停行Чφ急茸罡摺?/p>

3.4 自動鏟裝與人工控制鏟裝的對比

通過裝載機自動鏟裝實驗數(shù)據(jù)可得不同軌跡下的能耗及有效功，為確認自動鏟裝性能是否符合實際鏟裝的要求，由經(jīng)驗豐富的裝載機司機進行鏟裝試驗，將人工控制鏟裝與平行鏟裝深度為400 mm 軌跡的燃油能耗和有效功占比對比分析，如圖8所示。

圖8 自動鏟裝與人工控制鏟裝燃油能耗和有效功占比對比Fig.8 Comparison of fuel consumption and effective work ratio between automatic and manual shoveling

由圖8 可知，裝載機按照平行鏟裝深度為400 mm 的軌跡進行自動鏟裝燃油能耗，比人工控制鏟裝的燃油能耗低3.6%，有效功占比高4.3%。所以裝載機根據(jù)平行鏟裝深度為400 mm 的軌跡進行自動鏟裝更有利于節(jié)能減排，符合綠色設計。

4 結(jié)語

本文根據(jù)配合鏟裝法規(guī)劃了9 種平行鏟裝軌跡，有助于研究裝載機自動鏟裝的燃油能耗和有效功。結(jié)合建立的能耗計算公式及相關試驗數(shù)據(jù)，準確計算自動鏟裝過程中的油缸能耗及整車能耗。對比分析不同軌跡的滿斗率、燃油能耗和有效功，找到能耗低、有效功占比高的鏟裝軌跡。對比裝載機的自動鏟裝及人工控制鏟裝的數(shù)據(jù)，證實裝載機根據(jù)平行鏟裝深度為400 mm 的軌跡鏟裝的能耗及有效功占比均得到較大的提高。證明該軌跡的作業(yè)能耗符合實際要求，對減少裝載機自動鏟裝燃油油耗、提高有效功具有實際意義，符合節(jié)能減排的可持續(xù)發(fā)展要求。