基于模糊數(shù)學(xué)的挖掘機(jī)整機(jī)性能評(píng)價(jià)研究

王 飛，馮 濤，嵇秋池

1徐州徐工挖掘機(jī)械有限公司 江蘇徐州 221001

2中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 江蘇徐州 221001

挖 掘機(jī)作為多用途土石方施工機(jī)械，在市政工程、礦山開采、水利建設(shè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其生產(chǎn)廠家根據(jù)市場(chǎng)需求進(jìn)行產(chǎn)品定位，研發(fā)具有性能梯度的產(chǎn)品類型。挖掘機(jī)的整機(jī)性能是占據(jù)市場(chǎng)的關(guān)鍵，客戶滿意度是評(píng)判其性能的金指標(biāo)[1]。

文獻(xiàn) [2]基于失效分析方法對(duì)挖掘機(jī)終端數(shù)據(jù)加以利用，結(jié)合客戶使用感受，評(píng)估挖掘機(jī)可靠性。文獻(xiàn) [3]基于模糊數(shù)學(xué)方法進(jìn)行輪式挖掘機(jī)模糊評(píng)價(jià)，利用車載終端數(shù)據(jù)，減少試驗(yàn)分析成本。文獻(xiàn) [4]基于灰色綜合評(píng)判方法對(duì)液壓挖掘機(jī)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，但其評(píng)價(jià)因素權(quán)重參考專家意見，主觀因素影響較大。文獻(xiàn) [5]基于模糊層次分析法對(duì)挖掘機(jī)液力緩速器進(jìn)行制動(dòng)性能綜合評(píng)價(jià)，權(quán)重系數(shù)采用線性加法合成，評(píng)價(jià)因素值較為精確。文獻(xiàn) [6]基于多因素綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)挖掘機(jī)動(dòng)作協(xié)調(diào)性進(jìn)行量化評(píng)分，采用層次分析法確定權(quán)重，構(gòu)造判斷矩陣，將專家或操作手的經(jīng)驗(yàn)經(jīng)數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)化成權(quán)重系數(shù)，評(píng)價(jià)結(jié)果更加客觀。

基于此，筆者采用模糊數(shù)學(xué)結(jié)合多因素評(píng)價(jià)方法，對(duì)挖掘機(jī)整機(jī)性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)與分析，在對(duì)標(biāo)基礎(chǔ)上確定評(píng)價(jià)因子，進(jìn)而評(píng)判挖掘機(jī)整機(jī)性能優(yōu)劣，而后得到 4 款挖掘機(jī)整機(jī)性能模糊評(píng)價(jià)因子，最后結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果證明評(píng)價(jià)方法的準(zhǔn)確性。

1 模糊評(píng)價(jià)

1.1 評(píng)價(jià)項(xiàng)目與因素

評(píng)價(jià)項(xiàng)目應(yīng)來自挖掘機(jī)常用動(dòng)作，如，工作裝置單動(dòng)作、行走、回轉(zhuǎn)、復(fù)合動(dòng)作以及整機(jī)操作；評(píng)價(jià)因素應(yīng)根據(jù)各個(gè)項(xiàng)目的特點(diǎn)制定，如，整機(jī)性能應(yīng)關(guān)注經(jīng)濟(jì)性、可靠性、舒適性、操作性，單動(dòng)作、復(fù)合動(dòng)作應(yīng)關(guān)注響應(yīng)、速度、沖擊、穩(wěn)定性、協(xié)調(diào)性等；評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)應(yīng)基于操作手的操作感受，借助對(duì)標(biāo)法，操作手同時(shí)對(duì)多臺(tái)挖掘機(jī)某一因素進(jìn)行評(píng)價(jià)、比較，做出優(yōu)劣判斷，并分別賦予相應(yīng)的分值，便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)量化。

1.2 評(píng)價(jià)權(quán)重

筆者根據(jù)挖掘機(jī)整機(jī)性能，確定經(jīng)濟(jì)性、可靠性、舒適性、操作性為評(píng)價(jià)因素，采取百分制評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，表1 為其含義與解釋[7]。

表1 百分制評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Evaluation standard of hundred mark system

1.3 模糊評(píng)價(jià)方法

挖掘機(jī)整機(jī)性能評(píng)價(jià)因素主要為經(jīng)濟(jì)性、可靠性、舒適性、操作性，模糊綜合評(píng)判可綜合各個(gè)因素之間的聯(lián)系與對(duì)立性，其評(píng)判步驟如下[7]：

(1) 確定被評(píng)判系統(tǒng)的影響因素集合U，相關(guān)因素u1、u2、u3等為集合U的元素，即U={u1，u2，u3，…，un}。例如，在挖掘機(jī)整機(jī)性能中，u1、u2、u3分別表示經(jīng)濟(jì)性、可靠性、舒適性。

(2) 確定評(píng)判系統(tǒng)的評(píng)判集合V，相關(guān)評(píng)語v1、v2、v3等為集合V的元素，即V={v1，v2，v3，…，vn}。例如，評(píng)判挖掘機(jī)操作性能，v1、v2、v3分別表示u1、u2、u3性能，可用 “很好”、“好”、“較好” 評(píng)判。

(3) 確定權(quán)重集合，對(duì)集合U而言，各個(gè)影響因素程度不同，設(shè)權(quán)重集合A={a1，a2，a3，…，an}，權(quán)重集合應(yīng)滿足

(4) 構(gòu)建綜合評(píng)判矩陣，對(duì)影響因素ui進(jìn)行評(píng)判，得到綜合評(píng)判矩陣

設(shè)挖掘機(jī)性能影響因素?cái)?shù)值集合為B，B={b1，b2，b3，…，bn}，則rij可定義為

(5) 進(jìn)行模糊變換，通過模糊線性變換得到綜合評(píng)判S，即

2 評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

采用對(duì)標(biāo)法確定各因素，操作手同時(shí)對(duì)多臺(tái)挖掘機(jī)某一因素進(jìn)行評(píng)價(jià)、比較，做出優(yōu)劣判斷，并分別賦予相應(yīng)分值，便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)量化[8]。選取低端機(jī)型、中端機(jī)型、高端機(jī)型與試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行對(duì)標(biāo)，4 臺(tái)挖掘機(jī)整機(jī)性能分析如表2 所列。根據(jù)相關(guān)學(xué)者對(duì)整機(jī)性能影響因素的研究[9]，將 4 臺(tái)挖掘機(jī)經(jīng)濟(jì)性、可靠性、舒適性、操作性賦予權(quán)重分析，權(quán)重集合A={a1，a2，a3，a4}={經(jīng)濟(jì)性，可靠性，舒適性，操作性}={0.3，0.2，0.1，0.4}。

表2 4 臺(tái)挖掘機(jī)整機(jī)性能分析Tab.2 Analysis of machine performance for four excavators %

根據(jù)表2、式 (2) 得到 4 臺(tái)挖掘機(jī)整機(jī)性能評(píng)價(jià)矩陣為

經(jīng)計(jì)算，4 臺(tái)挖掘機(jī)整機(jī)性能評(píng)價(jià)因子分別為0.933 1、0.949 6、0.998 2 和 0.949 9，可知，試驗(yàn)樣機(jī)是較優(yōu)的機(jī)型，與高端機(jī)型最相近，比中端機(jī)型高。試驗(yàn)樣機(jī)整機(jī)操作性優(yōu)越，并兼具經(jīng)濟(jì)節(jié)能性、舒適可靠性。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

試驗(yàn)地點(diǎn)為徐州地區(qū)某測(cè)試場(chǎng)，東經(jīng) 117°，北緯 34°。試驗(yàn)平臺(tái)如圖1 所示，在駕駛室左前、左后、右前、右后懸置主、被動(dòng)側(cè)布置加速度傳感器，采集懸置主、被動(dòng)側(cè)加速度信號(hào)，評(píng)估駕駛室懸置的隔振性能；在司機(jī)位置處布置麥克風(fēng)，采集噪聲信號(hào)，評(píng)估駕駛室隔音性能，測(cè)點(diǎn)位置如圖1(a)、1(b)所示。在發(fā)動(dòng)機(jī)鏟斗、斗桿和動(dòng)臂安裝位移傳感器，采集其工作裝置單動(dòng)作、動(dòng)臂提升加回轉(zhuǎn)時(shí)間，研究其工作裝置單動(dòng)作、復(fù)合動(dòng)作性能；在回轉(zhuǎn)平臺(tái)安裝陀螺儀，采集回轉(zhuǎn)速度、回轉(zhuǎn)制動(dòng)角度，研究其回轉(zhuǎn)性能，測(cè)點(diǎn)位置如圖1(c)、1(d) 所示。試驗(yàn)采用多通道 Dewesoft 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、PCB 加速度傳感器、TESTO 麥克風(fēng)、基恩士位移傳感器以及 KYOWA 陀螺儀，將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)域信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)設(shè)備如表3 所列。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Experimental platform

表3 試驗(yàn)設(shè)備Tab.3 Experimental equipment

表4 動(dòng)臂提升加回轉(zhuǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.4 Experimental data of boom lifting and rotation

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

振動(dòng)噪聲試驗(yàn)以其主要作業(yè)工況為研究對(duì)象最為合理，這樣舒適性研究與實(shí)際更相符。振動(dòng)頻率帶寬選擇 1 280 Hz，分辨率選擇 1 Hz；駕駛室噪聲頻率帶寬選擇 10 240 Hz，分辨率選擇 1 Hz。振動(dòng)采用實(shí)地挖掘方式，按挖掘、提升、回轉(zhuǎn)和甩方 4 種動(dòng)態(tài)循環(huán)姿態(tài)；駕駛室噪聲應(yīng)在門、窗關(guān)閉并且空調(diào)開啟下進(jìn)行試驗(yàn)，挖掘機(jī)按挖掘、提升、回轉(zhuǎn)和甩方 4 種靜姿態(tài)進(jìn)行模擬挖掘。圖2(a) 為駕駛室聲壓級(jí)隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線，由圖2(a) 可知，試驗(yàn)樣機(jī)隔噪性能優(yōu)越，駕駛室降噪表現(xiàn)良好，與高端機(jī)型相比，僅大1.3 dB 左右。懸置作為連接動(dòng)力總成和回轉(zhuǎn)支承的彈性元件，具有衰減振動(dòng)傳遞能量的作用，其隔振性能的好壞直接影響駕駛室振動(dòng)強(qiáng)度。隔振率是評(píng)價(jià)懸置隔振性能的重要參數(shù)，如式 (6) 所示[10]。

圖3 工作裝置單動(dòng)作與回轉(zhuǎn)分析Fig.3 Analysis of single action and rotation of working device

式中：aa為駕駛室懸置主動(dòng)側(cè)振動(dòng)加速度有效值，m/s2；ap為駕駛室懸置被動(dòng)側(cè)振動(dòng)加速度有效值，m/s2。

通過采集駕駛室 4 個(gè)懸置主、被動(dòng)側(cè)振動(dòng)加速度信號(hào)，并按式 (6) 進(jìn)行計(jì)算，得到各懸置在x、y和z向的隔振率，隔振率越大表示隔振效果越好，通常設(shè)計(jì)要求懸置的隔振率不低于 20 dB。對(duì)比圖2(b)、2(c)、2(d) 中駕駛室 3 個(gè)方向隔振率曲線可知：y向隔振性能最差，各懸置隔振率均低于 10 dB；x向隔振性能一般，各懸置隔振率在 11～17 dB 之間：z向作為振動(dòng)能量最主要的傳遞方向，隔振性能最好，各懸置隔振率均在 21 dB 以上。試驗(yàn)樣機(jī)振動(dòng)噪聲性能較好，與高端機(jī)型差距不大，與模糊評(píng)價(jià)結(jié)果一致。

動(dòng)臂提升加回轉(zhuǎn)試驗(yàn)考察挖掘過程中動(dòng)臂的提升能力及鏟斗離地高度，進(jìn)而模擬裝車效率，側(cè)面反映挖掘力的大小[11]。采用實(shí)地挖掘方式，按挖掘、提升、回轉(zhuǎn)和甩方 4 種動(dòng)態(tài)循環(huán)姿態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)按最高轉(zhuǎn)速進(jìn)行試驗(yàn)。鏟斗、斗桿和動(dòng)臂單動(dòng)作較高端機(jī)型差距不大，鏟斗內(nèi)收時(shí)間僅增加 4.0%，斗桿內(nèi)收、外擺時(shí)間僅增加 6.7%。但試驗(yàn)樣機(jī)鏟斗內(nèi)收開啟有抖動(dòng)，液壓聲大，后期加速不明顯，內(nèi)收停止有沖擊；鏟斗外擺開啟有沖擊，過程中有兩速變化，外擺停止沖擊大。斗桿內(nèi)收開啟有沖擊，過程中有兩速變化，斗桿外擺過程中有突變、抖動(dòng)；外擺停止有沖擊。動(dòng)臂單動(dòng)作時(shí)間兩車相仿，動(dòng)臂下降停止均無緩沖。復(fù)合動(dòng)作動(dòng)臂上升加回轉(zhuǎn)時(shí)，試驗(yàn)樣機(jī)回轉(zhuǎn)開啟加速慢，動(dòng)臂上升雖有加速，但液壓缸行程百分比較小，重載時(shí)高度稍低，動(dòng)臂提升加回轉(zhuǎn)時(shí)間雖增加6.5%，液壓缸行程百分比僅減小 3.6，鏟斗提升高度百分比僅下降 3.9，且裝車高度相當(dāng)。試驗(yàn)樣機(jī)與高端機(jī)型表現(xiàn)相當(dāng)，性能較優(yōu)，且與操作手得分一致，模糊評(píng)價(jià)方法準(zhǔn)確性得以驗(yàn)證[12]。

回轉(zhuǎn)制動(dòng)試驗(yàn)考察挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)起動(dòng)響應(yīng)性以及制動(dòng)穩(wěn)定性，故采用“回轉(zhuǎn)起動(dòng)—回轉(zhuǎn)停止—反向回轉(zhuǎn)”作為一個(gè)作業(yè)循環(huán)，調(diào)整工作裝置，斗桿液壓缸全收，鏟斗液壓缸全伸，調(diào)節(jié)動(dòng)臂液壓缸，使動(dòng)臂和平臺(tái)鉸軸與鏟斗和斗桿鉸軸處于同一水平位置，鏟斗重載時(shí)裝填適量石料或者泥土。試驗(yàn)樣機(jī)回轉(zhuǎn)開啟加速不穩(wěn)，輕微抖動(dòng)，過程中稍有顛簸感，高端機(jī)型同樣出現(xiàn)此類問題，兩車回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)間和制動(dòng)角度均滿足國(guó)標(biāo)。

4 結(jié)論

采用模糊數(shù)學(xué)結(jié)合多因素評(píng)價(jià)方法，對(duì)挖掘機(jī)整機(jī)性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)與分析，基于對(duì)標(biāo)確定評(píng)價(jià)因子，進(jìn)而評(píng)判挖掘機(jī)整機(jī)性能優(yōu)劣，得出如下結(jié)論：

(1) 試驗(yàn)樣機(jī)整機(jī)性能模糊評(píng)價(jià)因子為 0.949 9，是較優(yōu)機(jī)型，與高端機(jī)型最相近，比中端機(jī)型高。試驗(yàn)樣機(jī)整機(jī)操作性優(yōu)越，兼顧經(jīng)濟(jì)性、可靠性。

(2) 搭建試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)樣機(jī)振動(dòng)噪聲性能較好；工作裝置單動(dòng)作、回轉(zhuǎn)與高端機(jī)型相當(dāng)，鏟斗內(nèi)收單動(dòng)作時(shí)間增加 4.0%，斗桿內(nèi)收、外擺時(shí)間增加 6.7%。重載時(shí)高度稍低，動(dòng)臂提升加回轉(zhuǎn)時(shí)間雖增加 6.5%，液壓缸行程百分比僅減小 3.6，鏟斗提升高度百分比僅下降 3.9，且裝車高度相當(dāng)?；剞D(zhuǎn)開啟雖加速不穩(wěn)，輕微抖動(dòng)，過程中稍有顛簸感，但高端機(jī)型同樣出現(xiàn)此類問題，兩車回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)間和制動(dòng)角度均滿足國(guó)標(biāo)。

(3) 試驗(yàn)樣機(jī)與高端機(jī)型表現(xiàn)相當(dāng)，整機(jī)性能較優(yōu)，與操作手得分一致，模糊評(píng)價(jià)方法準(zhǔn)確性得以驗(yàn)證。