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2009年9月 农 业 机 械 学 报 第 40 卷 第 9 期 反铲液压挖掘机挖掘图谱程序化绘制与实验 3 斌 何清华1 2 　 黄　 1　 贺继林1 2 　王北战1 　姜饶保1 1. 中南大学现代复杂装备设计与极端制造教育部重点实验室 长沙 410083 2. 湖南山河智能机械股份有限公司 长沙 410100 【摘要】 在对反铲液压挖掘机工作装置的运动学 、 　　 　 动力学性能以及挖掘力数学模型全面分析的基础上 建立 了反铲液压挖掘机整机的位置模型和挖掘力发挥模型 。

    讨论了挖掘作业过程中各种限制因素对整机挖掘力的影 响 。

    编写了基于 VB 610 的计算程序 实现了作业区域内任意位置挖掘力的计算及以限制因素分区的挖掘图谱的 程序化绘制 。

    实验结果分析验证了计算方法的可行性 。

     关键词 : 反铲液压挖掘机 　挖掘图谱 　运动分析 　动力学性能 　挖掘力数学模型 中图分类号 : TP391. 9 文献标识码 : A Research on Dra wing Mine Map of Backhoe Hydraulic Excavator Huang Bin1 　He Qinghua1 2 　He J ilin1 2 　Wang Beizhan1 　 iang Raobao 1 J 1 . Key L aboratory of Modern Com plex Equi pment Design and Ex t reme M anuf act u ri ng M i nist ry of Education Cent ral S out h U niversity Changsha 410083 Chi na 　 . Hunan S unw ard Intelligent M achi nery Co. L t d. Changsha 410100 Chi na 2 Abstract Models of t he position and tool forces of backhoe hydraulic excavator were built based on t he f ull analysis of kinematics kinetic performance of working device and mat hematic model of tool forces. Various rest rictive factors of tool forces which appeared in t he work process were discussed. A computation program based on VB 6. 0 was compiled which was used to calculate tool forces in any position of t he working area. Computer plotting of drawing mine map t hat was divided by rest ricting factors was realized. The experimental result s demonst rated t he feasibility of t his met hod. Key words 　Backhoe hydraulic excavator Drawing mine map Motion analysis Kinetic performance Mat hematic model of tool forces 试结果相对照 为改进设计提供理论依据 。

    文献 1 　　引言 建立了大型正铲液压挖掘机工作装置的数学模型 挖掘图谱是衡量液压挖掘机工作装置结构合理 应用图谱叠加分析法实现了正铲液压挖掘机的工作性及整机作业性能的重要手段之一 。

    它能够比较直 装置优化 文献 2 提出了反铲液压挖掘机整机理论观地反映挖掘机在假定工况和位置上主动液压缸挖 挖掘力的计算方法 为反铲工作装置挖掘图谱的程 整机稳掘力的发挥情况 以及被动液压缸闭锁条件 、 序化绘制奠定了基础 文献 3 实现了基于限制因素定性条件和地面附着条件等作业限制因素对斗齿挖 分界线的挖掘图程序化绘制 。

    掘力的限制情况 。

    通过计算机辅助分析 能够比较 本文在对数学模型分析的基础上 讨论各种限直观地得到整机结构的设计缺陷 从而为结构设计 制因素对作业性能的影响 。

    编写基于 VB6. 0 的计和结构优化提供理论依据 同时 也可以修正已拟定 算程序 以实现整机理论挖掘力的程序化计算以及的各种初步方案 或验算挖掘机的作业性能 并与测 反铲挖掘图谱的程序化绘制 。

     收稿日期 : 2008208222 　修回日期 : 2008210210 3 国家 863” “ 高技术研究发展计划资助项目 2003AA430200 作者简介 : 黄斌 博士生 主要从事工程机械机电液一体化控制技术及其作业性能分析研究 E2mail : hbdfbz116 yahoo . com. cn 通讯作者 : 何清华 教授 博士生导师 主要从事液压工程机械、 机械电子工程与技术应用研究 E2mail : hqh mail. csu. edu. cn 特种机器人、 第 9 期 　　　　　　　　　　　黄斌 等 : 反铲液压挖掘机挖掘图谱程序化绘制与实验 27 当单独采用铲斗液压缸进行挖掘时 挖掘轨迹是以1　挖掘力数学模型的建立与分析 铲斗与斗杆的铰点 Q 为中心 以 L QV 为半径的一段 挖掘力是衡量液压挖掘机工作装置综合作业性 圆弧 。

    如图 3 所示 铲斗液压缸理论挖掘力为能的重要指标之一 其变化特性是工作装置设计的 FB F3 i p i A B i 2关键 也是评价挖掘机综合性能的重点 。

    ISO 6015 : — 转斗液压缸推力 式中 　F3 ——2006 将挖掘力定义为机具力 即单独操作铲斗或斗 — 工作装置最大设定压力 p i ——杆液压缸时作用在工作装置末端的实际作用力 — 转斗液压缸作用面积 A B ——ISO 7135 :1993 将挖掘力分为破碎力和斗杆插入力 并要求参见 ISO 6015 :2006 。

    由此可知 挖掘力 — 铲斗连杆机构总传动比 i ——的大小与挖掘工况 铲斗挖掘 、 复合挖 斗杆挖掘 、 工作装置姿态 、掘 、 液压系统参数和传动效率等有关。

     最大铲斗切向力和最大 文献 4 对最大挖掘力 、斗杆力进行了定义 。

    其中 最大挖掘力是指作用在铲斗切削点最外处的挖掘力 该力由作用在产生挖掘力的液压缸上的工作压力计算求得 但该工作压力不得超过其他液压回路的保持压力 。

    在计算挖掘力时 不考虑工作装置质量和摩擦等影响因素 。

    111 　斗杆挖掘时斗杆液压缸的理论挖掘力 在较坚硬的土质条件下工作时 为了能够满斗 中小型液压挖掘机在实际工作中常以斗杆液压缸进行挖掘 。

    当单独采用斗杆液压缸进行挖掘时 挖掘轨迹是以动臂与斗杆的铰点 F 为中心 以斗齿尖到 图1　斗杆液压缸理论挖掘力计算简图铰点 F 的长度 L FV 为半径的一段圆弧 。

    如图 1 所 Fig. 1 　Calculating diagram of boom’ theoretical tool forces s示 斗杆液压缸的理论挖掘力为 1. 动臂 　 斗杆 　 铲斗 　 斗杆液压缸 　 铲斗液压缸 2. 3. 4. 5. 　 F2 e3 p i A se3 FS 1 L FV L FV — 斗杆液压缸推力式中 　F2 —— — 工作装置最大设定压力 p i —— — 斗杆液压缸作用面积 A s —— — 斗杆液压缸对铰点 F 的作用力臂 e3 —— — 铰点 F 到铰点斗齿尖 V 的距离 L FV —— 以 SWE85 型反铲液压挖掘机为例 斗杆液压 图2　斗杆液压缸理论挖掘力特性曲线缸的理论挖掘力特性曲线如图 2 所示 图中 θ 为铲 4 Fig. 2 　Theoretic tool forces curve of boom cylinder斗转角 。

    SWE85 型反铲液压挖掘机的系统参数及 　工作装置结构参数为 : 整机质量 8 250 kg 标准斗容0128 m3 高/ 宽/ 长为 2166 m/ 21425 m/ 5192 m 发动机功率 60 kW 发动机转速 2 200 r/ min 系统压力2815 M Pa 动臂长度 3172 m 斗杆长度 1162 m 铲斗切削半径 1105 m 底盘轮距 21335 m 平台离地间隙 图3　铲斗液压缸理论挖掘力计算简图0176 m 底盘离地间隙 0135 m 。

     Fig. 3 　Calculating diagram of bucket ’ theoretical tool forces s112 　转斗挖掘时铲斗液压缸的理论挖掘力 　 转斗挖掘常用于清除障碍 挖掘较松软的土壤 以 SWE85 型反铲液压挖掘机为例 转斗液压以提高生产率 其挖掘行程较短 为了能够满斗 需 缸的理论挖掘力特性曲线如图 4 所示 。

    要有较大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的土壤 113 　整机理论挖掘力因此 挖掘机的最大挖掘力一般在转斗挖掘时达到 。

     进行挖掘力设计时 应保证工作装置在额定负 28 业 机 械 学 报 农 　 　 　 　 　 　　　　　　　　　　　　　　　　 0 0 9 年 2 — 铲斗液压缸闭锁条件限制的最大挖 W 03 —— 掘力 W 04 — 地面附着条件限制的最大挖掘力 —— — 由整机前倾稳定性条件限制的最大 W 05 —— 挖掘力 W 06 — 由整机后倾稳定性条件限制的最大 —— 挖掘力 图4　转斗液压缸理论挖掘力特性曲线 动臂液压缸受拉 其抗拉能力取决于有杆腔闭 Fig. 4 　Theoretic tool forces curve of bucket cylinder 锁力 P′ 设动臂液压缸限压阀的调定压力为 p′ 1x 1 　 有杆腔面积为 A ′则 P′ p′ ′对动臂与机体的 1 1A1 强度满足 同时避免整机倾翻和荷下做到结构优化 、 1x 铰点 C 取力矩平衡 可求得由于动臂液压缸闭锁限滑移现象的发生 。

    整机理论挖掘力指按整机考虑在 制的挖掘力不同姿态下能够产生的理论挖掘力 可通过铲斗液 6压缸挖掘力和斗杆液压缸挖掘力进行计算与测量 P′ e2 1x ∑G r i 1 i Ci且最大理论挖掘力可以通过优化方法求得 。

    液压挖 W 01 4 e8掘机处于某一工况下 工作液压缸的主动挖掘力能 — 动臂对铰点 C 的作用力臂 式中 　e2 ——否实现主要取决于下列条件 2 5～6 : 工作液压缸的 — 动臂 、 、 G1 ～ G6 —— 连杆和摇 斗杆 带土铲斗 、闭锁能力 整机的工作稳定性 整机与地面的附着性 斗杆液压缸 、 臂、 铲斗液压缸的能 土壤的阻力 工作装置的结构强度 。

     重力 当全面考虑这些条件后求得的工作液压缸能实 r C1 ～ r C6 — ——G1 ～ G6 至铰点 C 的作用力臂现的挖掘力就是整机在该工况下的挖掘力 。

     — e8 ——W 01 对 C 点的作用力臂 求整机理论挖掘力时做如下假定 : ①考虑整机 动臂液压缸能够闭锁的条件为 : W 02 ≤W 01 。

    自重 有相对运动的构件质量分别计算 液压缸质量 斗杆液压缸主动作用产生的力为 FS 方向垂直简化到连接的两铰点上 。

     ②在挖掘过程中铲斗中的 于铰点 F 和斗齿尖 V 连线 考虑铲斗加土以及连杆土视为主动液压缸长度的分级性函数 其质心与铲 装置自重对挖掘力的影响 可得斗杆液压缸能够克斗质心一致 。

     ③不考虑液压系统和连杆机构的效 服的最大挖掘力率。

    ④不考虑液压缸小腔背压 。

     ⑤不考虑土壤阻力 G2 r F2 G3 r F3 G4 r F4 G6 r F6和工作装置结构强度限制 。

     ⑥不考虑停机面坡度 、 W 02 FS e7 5 动载等的影响 。

    惯性力 、 式中 　r F2 、F3 、F4 、F6 —— r r r — 斗杆 、 连杆 铲斗加土重 、 根据挖掘主动液压缸的不同 整机理论挖掘力 铲斗液压缸 机构自重 、可分为铲斗挖掘整机理论挖掘力和斗杆挖掘整机理 对铰点 F 的作用力臂论挖掘力 复合挖掘工况一般不计算整机理论挖掘 — e7 ——W 02 为对铰点 F 的作用力臂力7 。

     铲斗液压缸受压 其抗压能力取决于无杆腔闭11311 　斗杆挖掘时的整机理论挖掘力 锁力 P′ 设铲斗液压缸限压阀的调定压力为 p′ 3D 3 由文献 2 可知 在斗杆挖掘作业过程中 一般 无杆腔面积为 A ′ 则 P′ p′ ′ .