專利名稱：挖掘機(jī)主動(dòng)挖掘力組合評(píng)價(jià)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種工程機(jī)械性能指標(biāo)，特別涉及一種基于主動(dòng)組合的挖掘力的評(píng)價(jià)方法。
背景技術(shù)：
挖掘機(jī)在建筑、采礦、農(nóng)業(yè)、水利等領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用。挖掘機(jī)的挖掘能力是評(píng)價(jià)挖掘機(jī)性能優(yōu)劣的最關(guān)鍵的指標(biāo)之一。而理論挖掘力的獲得不光是挖掘機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算以及配重選取的依據(jù)，更是反映挖掘性能的重要參數(shù)?，F(xiàn)有技術(shù)中，理論挖掘力具有傳統(tǒng)的分析、評(píng)價(jià)方法。采用沿用至今的評(píng)價(jià)方法獲得挖掘機(jī)在指定姿態(tài)下的最大理論挖掘力，并可以此計(jì)算挖掘機(jī)的穩(wěn)定性系數(shù)。然而，實(shí)踐中對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行前傾穩(wěn)定性計(jì)算過(guò)程中，出現(xiàn)了理論計(jì)算穩(wěn)定而實(shí)際挖掘過(guò)程中前傾現(xiàn)象嚴(yán)重的問(wèn)題。由此，引發(fā)了我們對(duì)傳統(tǒng)理論挖掘力計(jì)算方法的反思。經(jīng)過(guò)分析研究，我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的理論挖掘力計(jì)算方法存在以下問(wèn)題:1.只考慮切向挖掘力，或者簡(jiǎn)單認(rèn)為法切比為定值，通常取為0.2 ；2.從工作裝置姿態(tài)出發(fā)，得到的只是挖掘點(diǎn)在一種位姿下的最大挖掘力，并不是該挖掘點(diǎn)的最大挖掘力，本文中挖掘點(diǎn)是指鏟斗切削刃在空間中的位置；
3.復(fù)合挖掘力計(jì)算方法與單獨(dú)挖掘計(jì)算方法本質(zhì)上并無(wú)區(qū)別，并不能真實(shí)反映復(fù)合挖掘能力。可以看出，傳統(tǒng)的理論挖掘力計(jì)算方法中沒(méi)有考慮到法切比、挖掘姿態(tài)以及挖掘方式這三種因素的變化對(duì)給定挖掘點(diǎn)最大理論挖掘力的影響，這從根本上決定了最大理論挖掘力計(jì)算的不準(zhǔn)確性，因而不能真實(shí)反映挖掘機(jī)的挖掘能力。因此，需要提出一種能夠真實(shí)、準(zhǔn)確反映挖掘性能，從而指導(dǎo)挖掘機(jī)設(shè)計(jì)、優(yōu)化的理論挖掘力評(píng)價(jià)方法。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種挖掘機(jī)主動(dòng)挖掘力組合評(píng)價(jià)方法，該方法得到的最大理論挖掘力能夠更真實(shí)，更準(zhǔn)確的反映挖掘機(jī)的挖掘性能，并因此能夠在挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化過(guò)程中真正發(fā)揮指導(dǎo)作用。本發(fā)明的挖掘機(jī)主動(dòng)挖掘力組合評(píng)價(jià)方法，確定鏟斗的挖掘點(diǎn)，以三種主動(dòng)因素的自由組合，在每一自由組合方式下獲得滿足挖掘機(jī)自身四種限制因素的最大理論挖掘力，確定有效范圍內(nèi)多個(gè)三種主動(dòng)因素的組合方式對(duì)應(yīng)的最大理論挖掘力中的最大值，該最大值作為該挖掘點(diǎn)的最大主動(dòng)組合挖掘力；主動(dòng)組合挖掘力為忽略鏟斗與土壤的相互作用，在閉鎖油缸的閉鎖能力、整機(jī)穩(wěn)定性和地面附著性的挖掘機(jī)自身因素限制下，工作油壓作用于主動(dòng)工作油缸，進(jìn)而傳遞到鏟斗切削刃處的作用力；其中，主動(dòng)挖掘力為忽略外界載荷限制條件下的挖掘機(jī)本身?xiàng)l件所限制的挖掘力；三種主動(dòng)因素為:1.同一挖掘點(diǎn)對(duì)應(yīng)的不同工作裝置姿態(tài)；2.該挖掘點(diǎn)對(duì)應(yīng)的不同的挖掘方式，即油缸在閉鎖與主動(dòng)工作兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換；3.該挖掘點(diǎn)對(duì)應(yīng)的不同的法切比；
所述油缸包括挖掘機(jī)動(dòng)臂油缸、斗桿油缸和鏟斗油缸；閉鎖油缸為挖掘作業(yè)中處于閉鎖狀態(tài)的油缸，主動(dòng)工作油缸為挖掘作業(yè)中處于主動(dòng)工作狀態(tài)的油缸；進(jìn)一步，包括下列步驟:a.確定鏟斗的挖掘點(diǎn)，根據(jù)該挖掘點(diǎn)確定一種組合，即選擇一種挖掘方式、一種工作裝置姿態(tài)和一個(gè)法切比；所述挖掘方式包括鏟斗單獨(dú)挖掘、斗桿單獨(dú)挖掘或者鏟斗-斗桿復(fù)合挖掘；工作裝置姿態(tài)為動(dòng)臂、斗桿和鏟斗的空間位置；在確定的組合方式中，根據(jù)挖掘方式確定各組油缸能夠達(dá)到的極限壓力；根據(jù)挖掘方式和挖掘姿態(tài)，確定切向力的作用方向，所述切向力的方向與切削刃運(yùn)動(dòng)方向相同；根據(jù)鏟斗切向力的作用方向 以及法切比確定挖掘合力的作用方向；所述法切比是指法向力和切向力的比值；所述切向力是指產(chǎn)生于挖掘點(diǎn)的挖掘合力沿切削刃運(yùn)動(dòng)方向的分力，所述法向力是指產(chǎn)生于挖掘點(diǎn)的挖掘合力在垂直于切削刃運(yùn)動(dòng)方向上的分力；b.設(shè)定限制因素:1.穩(wěn)定性限制需Mt > 0，所述Mt為設(shè)定地面對(duì)主機(jī)的支持力僅作用于前傾線，作用于挖掘機(jī)上的力系對(duì)其前傾線的合力矩;MS ( O, Ms為設(shè)定地面對(duì)主機(jī)的支持力僅作用于后傾線，作用于挖掘機(jī)上的力系對(duì)其后傾線的合力矩；2.附著性限制需Fh < Φ6, Fh為合力在水平方向上的分力，Φ表不地面附著系數(shù),G表不挖掘機(jī)所受重力；3.閉鎖油缸的最大閉鎖油壓限制；當(dāng)鏟斗油缸處于閉鎖狀態(tài)時(shí)，為保證鏟斗不繞鏟斗鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，以最大閉鎖壓力作為油缸壓力，如果是鏟斗油缸大腔閉鎖，則作用于鏟斗上的力系對(duì)鏟斗鉸點(diǎn)的合力矩Mg ( O ;如果是鏟斗油缸小腔閉鎖，則作用于鏟斗上的力系對(duì)鏟斗鉸點(diǎn)的合力矩Me ^ O ；當(dāng)斗桿油缸處于閉鎖狀態(tài)時(shí)，為保證斗桿不繞斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，以最大閉鎖壓力作為油缸壓力，如果是斗桿油缸大腔閉鎖，則作用于斗桿上的力系對(duì)斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)的合力矩Mb ( O ;如果是斗桿油缸小腔閉鎖，則作用于斗桿上的力系對(duì)斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)的合力矩Mb Ss O ；當(dāng)動(dòng)臂油缸處于閉鎖狀態(tài)時(shí)，為保證動(dòng)臂不繞動(dòng)臂與上車鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，以最大閉鎖壓力作為油缸壓力，如果是動(dòng)臂油缸大腔閉鎖，則作用于動(dòng)臂上的力系對(duì)動(dòng)臂與上車鉸點(diǎn)的合力矩Ma ^ O ;如果是動(dòng)臂油缸小腔閉鎖,則作用于動(dòng)臂上的力系對(duì)動(dòng)臂與上車鉸點(diǎn)的合力矩Ma < O ；4.工作油缸的最大工作油壓限制當(dāng)纟產(chǎn)斗油缸處于主動(dòng)工作狀態(tài)時(shí),為保證纟產(chǎn)斗能夠繞纟產(chǎn)斗鉸點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，以最大工作壓力作為油缸壓力，則作用于鏟斗上的力系對(duì)鏟斗鉸點(diǎn)的合力矩K O;當(dāng)斗桿油缸處于主動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)，為保證斗桿能夠繞斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，以最大工作壓力作為油缸壓力，則作用于斗桿上的力系對(duì)斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)的合力矩Mb彡O;當(dāng)動(dòng)臂油缸處于主動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)，為保證動(dòng)臂能夠繞動(dòng)臂與上車鉸點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，以最大工作壓力作為油缸壓力，則作用于動(dòng)臂上的力系對(duì)動(dòng)臂與上車鉸點(diǎn)的合力矩Ma ( O ；
c.根據(jù)步驟a的組合，找出滿足步驟b中4種限制因素的最大挖掘力，將其作為給定挖掘點(diǎn)在給定的組合方式下，挖掘機(jī)能夠主動(dòng)發(fā)揮的最大理論挖掘力，即最大主動(dòng)組合挖掘力；d.根據(jù)步驟a的方式確定另一種組合，重復(fù)步驟b和步驟c ；e.重復(fù)步驟d，確定每種組合所對(duì)應(yīng)的最大理論挖掘力，并進(jìn)行對(duì)比，找出其中的最大值，并將其作為給定挖掘點(diǎn)在所有的組合方式下，挖掘機(jī)能夠主動(dòng)發(fā)揮的最大理論挖掘力，即最大主動(dòng)組合挖掘力；f.在設(shè)定范圍內(nèi)改變挖掘點(diǎn)，重復(fù)步驟a至e。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的挖掘機(jī)主動(dòng)挖掘力組合評(píng)價(jià)方法，其特征在于:步驟a的組合中，首先確定挖掘方式；步驟d中，在該挖掘方式下按照一定步長(zhǎng)改變鏟斗角，所述鏟斗角是指鏟斗鉸點(diǎn)與切削刃之間的連線與水平方向的夾角，從而獲得一系列有效挖掘姿態(tài)，按照一定順序選擇一種有效挖掘姿態(tài)，重復(fù)步驟b至C，獲得各個(gè)有效挖掘姿態(tài)下的最大理論挖掘力；進(jìn)一步，所述法切比為一個(gè)變量，針對(duì)特定的挖掘地點(diǎn)土壤，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果選定其范圍；進(jìn)一步，步驟f中，設(shè)定范圍為根據(jù)評(píng)價(jià)方法的需求設(shè)定特定的挖掘區(qū)域，挖掘點(diǎn)可以均布于或按設(shè)定規(guī)律分布于挖掘區(qū)域。本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明的挖掘機(jī)主動(dòng)挖掘力組合評(píng)價(jià)方法具有下列優(yōu)點(diǎn):1、在挖掘機(jī)自身四種限制因素`的基礎(chǔ)上，提出了三種主動(dòng)因素的自由組合，基于所有的主動(dòng)組合方式，獲得挖掘機(jī)在給定挖掘點(diǎn)的最大理論挖掘力，該方法較全面的綜合進(jìn)行評(píng)價(jià)，形成評(píng)價(jià)體系，能夠更真實(shí)、準(zhǔn)確的反映挖掘機(jī)在給定挖掘點(diǎn)上的挖掘能力；2、改變現(xiàn)有技術(shù)中基于工作裝置姿態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)的方式，而是基于挖掘點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定挖掘機(jī)在對(duì)應(yīng)的空間位置上基于主動(dòng)組合能夠發(fā)揮的最大理論挖掘力，且根據(jù)不同的目的決定挖掘點(diǎn)的不同分布，相比現(xiàn)有技術(shù)中按油缸長(zhǎng)度分級(jí)更具靈活性和針對(duì)性；3、基于挖掘點(diǎn)的評(píng)價(jià)方式，獲得在給定挖掘點(diǎn)上能夠發(fā)揮的最大理論挖掘力，能夠更加合理準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)挖掘機(jī)在不同區(qū)域的挖掘能力；4、基于主動(dòng)組合的最大挖掘力，注重更加合理全面的因素，能夠更真實(shí)、準(zhǔn)確的反映挖掘能力，有助于挖掘機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。圖1為給定挖掘點(diǎn)最大主動(dòng)組合挖掘力的獲得方法流程圖。圖2為反鏟液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為挖掘機(jī)工作區(qū)域和主挖區(qū)域圖；圖4為一個(gè)挖掘點(diǎn)對(duì)應(yīng)的多個(gè)挖掘姿態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為鏟斗-斗桿復(fù)合挖掘時(shí)，切向挖掘力的方向范圍；圖6為一組法切比在同一個(gè)切向力方向下對(duì)應(yīng)的一組挖掘合力方向；
具體實(shí)施例方式圖1為給定挖掘點(diǎn)最大主動(dòng)組合挖掘力的獲得方法流程圖，圖2為反鏟液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，圖3為挖掘機(jī)工作區(qū)域和主挖區(qū)域圖，圖4為一個(gè)挖掘點(diǎn)對(duì)應(yīng)的多個(gè)挖掘姿態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖，圖5為鏟斗-斗桿復(fù)合挖掘時(shí)，切向挖掘力的方向范圍，圖6為一組法切比在同一個(gè)切向力方向下對(duì)應(yīng)的一組挖掘合力方向；如圖所示:本發(fā)明的挖掘機(jī)主動(dòng)挖掘力組合評(píng)價(jià)方法，確定鏟斗的挖掘點(diǎn)，以三種主動(dòng)因素的自由組合，在每一自由組合方式下獲得滿足挖掘機(jī)自身四種限制因素的最大理論挖掘力，確定有效范圍內(nèi)多個(gè)三種主動(dòng)因素的組合方式對(duì)應(yīng)的最大理論挖掘力中的最大值，該最大值作為該挖掘點(diǎn)的最大主動(dòng)組合挖掘力；主動(dòng)組合挖掘力(包括最大主動(dòng)組合挖掘力)為忽略鏟斗與土壤的相互作用，在閉鎖油缸的閉鎖能力、整機(jī)穩(wěn)定性和地面附著性的挖掘機(jī)自身因素限制下，工作油壓作用于主動(dòng)油缸，進(jìn)而傳遞到鏟斗切削刃處的作用力；其中，主動(dòng)挖掘力為忽略外界載荷限制條件下的挖掘機(jī)本身?xiàng)l件所限制的挖掘力；三種主動(dòng)因素為:1.同一挖掘點(diǎn)對(duì)應(yīng)的不同工作裝置姿態(tài)；2.該挖掘點(diǎn)對(duì)應(yīng)的不同的挖掘方式，即油缸在閉鎖與主動(dòng)工作兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換；3.該挖掘點(diǎn)對(duì)應(yīng)的不同的法切比；所述油缸包括挖掘機(jī)動(dòng)臂油缸、斗桿油缸和鏟斗油缸；閉鎖油缸為挖掘作業(yè)中處于閉鎖狀態(tài)的油缸，主動(dòng)工作油缸為挖掘作業(yè)中處于主動(dòng)工作狀態(tài)的油缸。如圖所示:挖掘機(jī)包括機(jī)體1、動(dòng)臂2、動(dòng)臂油缸3、斗桿5、斗桿油缸4、纟產(chǎn)斗6、伊斗油缸8、腰桿9和連桿7 ;本發(fā)明的挖掘機(jī)主動(dòng)挖掘力組合評(píng)價(jià)方法，具體包括下列步驟:a.確定鏟斗的挖掘點(diǎn)，根據(jù)該挖掘點(diǎn)確定一種組合，即選擇一種挖掘方式、一種工作裝置姿態(tài)和一個(gè)法切比；所述挖掘方式包括鏟斗6單獨(dú)挖掘、斗桿5單獨(dú)挖掘或者鏟斗6和斗桿5復(fù)合挖掘；工作裝置 姿態(tài)為動(dòng)臂2、斗桿5和鏟斗6的空間位置；挖掘點(diǎn)的生成是根據(jù)不同的分析目的，可以在如圖3中虛線所圍成的整個(gè)工作區(qū)域中或者矩形實(shí)線所圍成的主挖區(qū)域中按照一定密度均布挖掘點(diǎn)，當(dāng)然也可以根據(jù)不同目的按照不同規(guī)律分布挖掘點(diǎn)；在確定的組合方式中，根據(jù)挖掘方式確定各組油缸能夠達(dá)到的極限壓力；根據(jù)挖掘方式和挖掘姿態(tài)，確定切向力的作用方向，所述切向力的方向與切削刃運(yùn)動(dòng)方向相同；根據(jù)鏟斗切向力的作用方向以及法切比確定挖掘合力的作用方向；所述法切比是指法向力和切向力的比值；所述切向力是指產(chǎn)生于挖掘點(diǎn)的挖掘合力沿切削刃運(yùn)動(dòng)方向的分力，所述法向力是指產(chǎn)生于挖掘點(diǎn)的挖掘合力在垂直于切削刃運(yùn)動(dòng)方向上的分力；即:在生成的所有挖掘點(diǎn)中選取一個(gè)，根據(jù)該挖掘點(diǎn)確定一種挖掘方式、一種工作裝置姿態(tài)和法切比形成的組合；所述法切比是指法向力和切向力的比值，用ε。表示；根據(jù)上述組合確定的挖掘方式即可確定各組油缸能夠達(dá)到的極限壓力；根據(jù)上述組合確定的挖掘方式和工作裝置姿態(tài)即可確定切向力作用方向；根據(jù)切向力作用方向和上述組合確定的法切比即可確定對(duì)應(yīng)的挖掘合力的方向；各組油缸可以達(dá)到的極限壓力的確定方法:一組油缸有主動(dòng)工作和閉鎖兩種狀態(tài)，若為主動(dòng)工作，那么該油缸可達(dá)到的極限壓力為該油缸最大工作壓力；若為閉鎖，那么該油缸可達(dá)到的極限壓力即為該油缸最大閉鎖壓力；考慮鏟斗6單獨(dú)挖掘、斗桿5單獨(dú)挖掘以及鏟斗6和斗桿5復(fù)合挖掘這三種最為常用的挖掘方式；當(dāng)鏟斗6單獨(dú)挖掘時(shí)，鏟斗油缸所能達(dá)到的極限壓力為其最大工作壓力，而斗桿油缸和動(dòng)臂油缸所能達(dá)到的極限壓力分別為其所對(duì)應(yīng)的最大閉鎖壓力；當(dāng)斗桿5單獨(dú)挖掘時(shí)，斗桿油缸所能達(dá)到的極限壓力為其最大工作壓力，而鏟斗油缸和動(dòng)臂油缸所能達(dá)到的極限壓力分別為其所對(duì)應(yīng)的最大閉鎖壓力；當(dāng)鏟斗6-斗桿5復(fù)合挖掘時(shí)，鏟斗油缸和斗桿油缸所能達(dá)到的極限壓力分別為其所對(duì)應(yīng)的最大工作壓力，而動(dòng)臂油缸所能達(dá)到的極限壓為其所對(duì)應(yīng)的最大閉鎖壓力；切向力作用方向的確定方法:如前所述切向力是指產(chǎn)生于挖掘點(diǎn)的挖掘合力沿切削刃運(yùn)動(dòng)方向的分力，那么切向力的作用方向即是切削刃的運(yùn)動(dòng)方向；而切削刃的運(yùn)動(dòng)方向則是由挖掘方式和挖掘姿態(tài)共同決定；單獨(dú)挖掘時(shí)，切削刃的運(yùn)動(dòng)方向垂直于轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，比如鏟斗6單獨(dú)挖掘時(shí)切削刃的運(yùn)動(dòng)方向垂直于鏟斗6切削刃與鏟斗6鉸點(diǎn)的連線GM，斗桿單獨(dú)5挖掘時(shí)切削刃的運(yùn)動(dòng)方向垂直于鏟斗6切削刃和斗桿5與動(dòng)臂2鉸點(diǎn)的連線BM ；復(fù)合挖掘時(shí)，參與復(fù)合挖掘的構(gòu)件共同決定了切削刃的運(yùn)動(dòng)方向，比如鏟斗-斗桿復(fù)合挖掘中，鏟斗6繞G點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)斗桿5也在繞B點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，那么切削刃的運(yùn)動(dòng)方向便由鏟斗6和斗桿5的復(fù)合運(yùn)動(dòng)共同決定了，此時(shí)考慮所有的可能性，切削刃的運(yùn)動(dòng)方向?qū)⒃贕M與BM的垂線Fb和Fa所示方向范圍之內(nèi)，如圖5所示；以一定步長(zhǎng)dr將此范圍離散為一系列特定的切削刃運(yùn)動(dòng)方向，每一個(gè)切削刃運(yùn)動(dòng)方向便確定一個(gè)切向力方向；挖掘合力作用方向的確定方法:當(dāng)確定了切向力的作用方向之后，根據(jù)主動(dòng)組合方式所確定的法切比便可確定挖掘合力的作用方向。如圖6所示，當(dāng)確定了切向力Fir的方向之后，令法切比ε C1在0.2到0.8之間以0.05的步長(zhǎng)增加，便可以確定13種挖掘合力Fi的方向；b.設(shè)定限制因素:1.穩(wěn)定性限制需Mt > 0，所述Mt為設(shè)定地面對(duì)主機(jī)的支持力僅作用于前傾線，作用于挖掘機(jī)上的力系對(duì)其前傾線的合力 矩;MS ( O, Ms為設(shè)定地面對(duì)主機(jī)的支持力僅作用于后傾線，作用于挖掘機(jī)上的力系對(duì)其后傾線的合力矩；2.附著性限制需Fh < Φ6, Fh為合力在水平方向上的分力，Φ表不地面附著系數(shù),G表不挖掘機(jī)所受重力；3.閉鎖油缸的最大閉鎖油壓限制；當(dāng)鏟斗油缸處于閉鎖狀態(tài)時(shí)，為保證鏟斗不繞鏟斗鉸點(diǎn)G轉(zhuǎn)動(dòng)，以最大閉鎖壓力作為油缸壓力，如果是鏟斗油缸大腔閉鎖，則作用于鏟斗上的力系對(duì)鏟斗鉸點(diǎn)G的合力矩Mg^ O ;如果是鏟斗油缸小腔閉鎖，則作用于鏟斗上的力系對(duì)鏟斗鉸點(diǎn)G的合力矩Me ^ O ；當(dāng)斗桿油缸處于閉鎖狀態(tài)時(shí)，為保證斗桿不繞斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)B轉(zhuǎn)動(dòng)，以最大閉鎖壓力作為油缸壓力，如果是斗桿油缸大腔閉鎖，則作用于斗桿上的力系對(duì)斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)B的合力矩魄< O ;如果是斗桿油缸小腔閉鎖，則作用于斗桿上的力系對(duì)斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)B的合力矩Mb彡O ;當(dāng)動(dòng)臂油缸處于閉鎖狀態(tài)時(shí)，為保證動(dòng)臂不繞動(dòng)臂與上車鉸點(diǎn)A轉(zhuǎn)動(dòng)，以最大閉鎖壓力作為油缸壓力，如果是動(dòng)臂油缸大腔閉鎖，則作用于動(dòng)臂上的力系對(duì)動(dòng)臂與上車鉸點(diǎn)A的合力矩^ ^ O ;如果是動(dòng)臂油缸小腔閉鎖,則作用于動(dòng)臂上的力系對(duì)動(dòng)臂與上車鉸點(diǎn)A的合力矩Ma彡O ;上述的力矩正負(fù)為結(jié)合附圖設(shè)定的逆時(shí)針作用力矩為正，反之為負(fù)；當(dāng)然，也可相反設(shè)定，并不影響最終的結(jié)果；4.工作油缸的最大工作油壓限制當(dāng)鏟斗油缸處于主動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)，為保證鏟斗能夠繞鏟斗鉸點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，以最大工作壓力作為油缸壓力，則作用于鏟斗上的力系對(duì)鏟斗鉸點(diǎn)G的合力矩K O;當(dāng)斗桿油缸處于主動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)，為保證斗桿能夠繞斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)B順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，以最大工作壓力作為油缸壓力，則作用于斗桿上的力系對(duì)斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)的合力矩Mb彡O ;當(dāng)動(dòng)臂油缸處于主動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)，為保證動(dòng)臂能夠繞動(dòng)臂與上車鉸點(diǎn)A順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，以最大工作壓力作為油缸壓力，則作用于動(dòng)臂上的力系對(duì)動(dòng)臂與上車鉸點(diǎn)的合力矩Ma ( O ；c.根據(jù)步驟a的組合，找出滿足步驟b中4種限制因素的最大挖掘力，將其作為給定挖掘點(diǎn)在給定的組合方式下，挖掘機(jī)能夠主動(dòng)發(fā)揮的最大理論挖掘力，即最大主動(dòng)組合挖掘力；其中，找出滿足步驟b中4種限制因素的最大值即是求解滿足步驟b中4種限制因素在特定組合方式下對(duì)應(yīng)的特定不等式組的最大解；d.根據(jù)步驟a的方式確定另一種組合,重復(fù)步驟b和步驟c ；e.重復(fù)步驟d，確定每種組合所對(duì)應(yīng)的最大理論挖掘力，并進(jìn)行對(duì)比，找出其中的最大值，并將其作為給定挖掘點(diǎn)在所有的組合方式下，挖掘機(jī)能夠主動(dòng)發(fā)揮的最大理論挖掘力，即最大主動(dòng)組合挖掘力；f.在設(shè)定范·圍內(nèi)改變挖掘點(diǎn)，重復(fù)步驟a至e ;即在a步驟生成的所有挖掘點(diǎn)中按順序選取下一個(gè)挖掘點(diǎn)，重復(fù)步驟a至e，直到所有挖掘點(diǎn)都被統(tǒng)計(jì)并經(jīng)過(guò)獲取各自的最大理論挖掘力。本實(shí)施例中，步驟a的組合中，首先確定挖掘方式；步驟d中，在該挖掘方式下按照一定步長(zhǎng)改變鏟斗角，所述鏟斗角是指鏟斗鉸點(diǎn)G與切削刃M之間的連線GM與水平方向的夾角，從而獲得一系列有效挖掘姿態(tài)，即在挖掘方式確定的前提下，確定一種有效挖掘姿態(tài)；通過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的方法，按照一定步長(zhǎng)改變鏟斗角即可求解出對(duì)應(yīng)此挖掘點(diǎn)的一系列挖掘姿態(tài)，按照一定順序選擇一種有效挖掘姿態(tài)，重復(fù)步驟b至C，獲得各個(gè)有效挖掘姿態(tài)下的最大理論挖掘力。本實(shí)施例中，所述法切比為一個(gè)變量，針對(duì)特定的挖掘地點(diǎn)土壤，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果選定其范圍；本實(shí)施例中，步驟f中，設(shè)定范圍為根據(jù)評(píng)價(jià)方法的需求設(shè)定特定的挖掘區(qū)域，挖掘點(diǎn)可以均布于或按設(shè)定規(guī)律分布于挖掘區(qū)域。具體實(shí)例:選取某30T級(jí)挖掘機(jī)，采用基于主動(dòng)組合的挖掘力計(jì)算方法計(jì)算在三種常用挖掘方式下主挖區(qū)能發(fā)揮的最大挖掘力和最大平均挖掘力。a.挖掘點(diǎn)的生成；在主挖區(qū)內(nèi)按照IOOmm等間距均布挖掘點(diǎn)。b.在a步驟生成的所有挖掘點(diǎn)中選取一個(gè)，根據(jù)該挖掘點(diǎn)確定一種組合，即選擇一種挖掘方式、一種工作裝置姿態(tài)和一個(gè)法切比；以下結(jié)合給定挖掘點(diǎn)最大主動(dòng)組合挖掘力的計(jì)算流程圖進(jìn)行說(shuō)明:(I)按照一定順序選擇一種挖掘方式:設(shè)計(jì)計(jì)算和工程實(shí)際中常用的挖掘方式包括以下三種:鏟斗單獨(dú)挖掘、斗桿單獨(dú)挖掘、鏟斗-斗桿復(fù)合挖掘(三種挖掘方式分別對(duì)應(yīng)i=l、i=2和 i=3)；(2)按照一定順序選擇一種挖掘姿態(tài):一般情況下一個(gè)挖掘點(diǎn)對(duì)應(yīng)無(wú)數(shù)種工作裝置姿態(tài)，令鏟斗角 在-160° 30°范圍內(nèi)變化，取步長(zhǎng)(1,=5°，運(yùn)用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的方法求解出對(duì)應(yīng)ζ的各種不同姿態(tài)組合；需要指出的是鏟斗角ζ的范圍只是保證在該范圍鏟斗能夠?qū)崿F(xiàn)挖掘，而并非該范圍內(nèi)每一個(gè)ζ都能解出一種姿態(tài)組合；假設(shè)給定挖掘點(diǎn)在給定
挖掘方式下共求解出m種有效挖掘姿態(tài),令j表示一種挖掘姿態(tài),則j=l, 2，......, m ;如圖
4所示，即是切削刃位于主挖區(qū)內(nèi)一挖掘點(diǎn)M時(shí)，對(duì)應(yīng)的一組有效的挖掘姿態(tài)；(3)按照一定順序選擇一種法切比:對(duì)于30t級(jí)挖掘機(jī)常用的作業(yè)環(huán)境為三級(jí)土壤，根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定法切比ε ^的變化范圍為0.2 0.8，取步長(zhǎng)d ε 0=0.05得到13種法切比，令k表示一種法切比，則k=l，2，......，13 ；(4)各組油缸可以達(dá)到的極限壓力的確定方法:一組油缸有主動(dòng)工作和閉鎖兩種狀態(tài)，若為主動(dòng)工作，那么該油缸可達(dá)到的極限壓力為該油缸最大工作壓力；若為閉鎖，那么該油缸可達(dá)到的極限壓力即為該油缸最大閉鎖壓力；(5)切向力作用方向的確定方法:如前所述切向力是指產(chǎn)生于挖掘點(diǎn)的挖掘合力沿切削刃運(yùn)動(dòng)方向的分力，那么切向力的作用方向即是切削刃的運(yùn)動(dòng)方向；而切削刃的運(yùn)動(dòng)方向則是由挖掘方式和挖掘姿態(tài)共同決定；比如，在鏟斗-斗桿復(fù)合挖掘的情況下，當(dāng)工作裝置處于圖5所示的姿態(tài)時(shí)，切削刃的運(yùn)動(dòng)方向在Fb和Fa所示方向之間，以步長(zhǎng)dr=2°將此范圍離散為20種切削刃運(yùn)動(dòng)方向，每一個(gè)切削刃運(yùn)動(dòng)方向便確定一個(gè)切向力方向，如圖5所示；(6)挖掘合力作用方向的確定方法:當(dāng)確定了切向力的作用方向之后，根據(jù)主動(dòng)組合方式所確定的法切比ε ^便可確定挖掘合力的作用方向，進(jìn)而確定水平方向到挖掘合力作用方向的角度值Jre。圖6所示即當(dāng)挖掘方式、挖掘姿態(tài)和切向力Fir的方向確定以后，對(duì)應(yīng)13種不同法切比的13種挖掘合力的作用方向。c.設(shè)定限制因素:1.穩(wěn)定性限制挖掘機(jī)挖掘作業(yè)時(shí)，為保證其不向前傾翻，假定地面對(duì)主機(jī)的支持力僅作用于前傾線，則作用于挖掘機(jī)上的力系對(duì)其前傾線的合力矩Mt應(yīng)大于或等于0，即Mt > O:
權(quán)利要求
1.一種挖掘機(jī)主動(dòng)挖掘力組合評(píng)價(jià)方法,其特征在于:確定鏟斗的挖掘點(diǎn)，以三種主動(dòng)因素的自由組合，在每一自由組合方式下獲得滿足挖掘機(jī)自身四種限制因素的最大理論挖掘力，確定有效范圍內(nèi)多個(gè)三種主動(dòng)因素的組合方式對(duì)應(yīng)的最大理論挖掘力中的最大值，該最大值作為該挖掘點(diǎn)的最大主動(dòng)組合挖掘力； 主動(dòng)組合挖掘力為忽略鏟斗與土壤的相互作用，在閉鎖油缸的閉鎖能力、整機(jī)穩(wěn)定性和地面附著性的挖掘機(jī)自身因素限制下，工作油壓作用于主動(dòng)工作油缸，進(jìn)而傳遞到鏟斗切削刃處的作用力；其中，主動(dòng)挖掘力為忽略外界載荷限制條件下的挖掘機(jī)本身?xiàng)l件所限制的挖掘力；三種主動(dòng)因素為:1.同一挖掘點(diǎn)對(duì)應(yīng)的不同工作裝置姿態(tài)；2.該挖掘點(diǎn)對(duì)應(yīng)的不同的挖掘方式，即油缸在閉鎖與主動(dòng)工作兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換；3.該挖掘點(diǎn)對(duì)應(yīng)的不同的法切比: 所述油缸包括挖掘機(jī)動(dòng)臂油缸、斗桿油缸和鏟斗油缸； 閉鎖油缸為挖掘作業(yè)中處于閉鎖狀態(tài)的油缸，主動(dòng)工作油缸為挖掘作業(yè)中處于主動(dòng)工作狀態(tài)的油缸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的挖掘機(jī)主動(dòng)挖掘力組合評(píng)價(jià)方法，其特征在于:包括下列步驟: a.確定鏟斗的挖掘點(diǎn)，根據(jù)該挖掘點(diǎn)確定一種組合，即選擇一種挖掘方式、一種工作裝置姿態(tài)和一個(gè)法切比；所述挖掘方式包括鏟斗單獨(dú)挖掘、斗桿單獨(dú)挖掘或者鏟斗-斗桿復(fù)合挖掘；工作裝置姿態(tài)為動(dòng)臂、斗桿和鏟斗的空間位置； 在確定的組合方式中，根據(jù)挖掘方式確定各組油缸能夠達(dá)到的極限壓力；根據(jù)挖掘方式和挖掘姿態(tài)，確定切向力的作用方 向，所述切向力的方向與切削刃運(yùn)動(dòng)方向相同；根據(jù)鏟斗切向力的作用方向以及法切比確定挖掘合力的作用方向；所述法切比是指法向力和切向力的比值；所述切向力是指產(chǎn)生于挖掘點(diǎn)的挖掘合力沿切削刃運(yùn)動(dòng)方向的分力，所述法向力是指產(chǎn)生于挖掘點(diǎn)的挖掘合力在垂直于切削刃運(yùn)動(dòng)方向上的分力； b.設(shè)定限制因素: (1).穩(wěn)定性限制 需仏^ O，所述MtS設(shè)定地面對(duì)主機(jī)的支持力僅作用于前傾線，作用于挖掘機(jī)上的力系對(duì)其前傾線的合力矩；MS ( O, Ms為設(shè)定地面對(duì)主機(jī)的支持力僅作用于后傾線，作用于挖掘機(jī)上的力系對(duì)其后傾線的合力矩； (2).附著性限制 需FhS Φ6，F(xiàn)hS合力在水平方向上的分力，Φ表示地面附著系數(shù)，G表示挖掘機(jī)所受重力； (3).閉鎖油缸的最大閉鎖油壓限制； 當(dāng)鏟斗油缸處于閉鎖狀態(tài)時(shí)，為保證鏟斗不繞鏟斗鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，以最大閉鎖壓力作為油缸壓力，如果是鏟斗油缸大腔閉鎖，則作用于鏟斗上的力系對(duì)鏟斗鉸點(diǎn)的合力矩K O ;如果是鏟斗油缸小腔閉鎖，則作用于鏟斗上的力系對(duì)鏟斗鉸點(diǎn)的合力矩Me ^ O ； 當(dāng)斗桿油缸處于閉鎖狀態(tài)時(shí)，為保證斗桿不繞斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，以最大閉鎖壓力作為油缸壓力，如果是斗桿油缸大腔閉鎖，則作用于斗桿上的力系對(duì)斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)的合力矩Ms ≤O ;如果是斗桿油缸小腔閉鎖，則作用于斗桿上的力系對(duì)斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)的合力矩Mb≥O ;當(dāng)動(dòng)臂油缸處于閉鎖狀態(tài)時(shí)，為保證動(dòng)臂不繞動(dòng)臂與上車鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，以最大閉鎖壓力作為油缸壓力，如果是動(dòng)臂油缸大腔閉鎖，則作用于動(dòng)臂上的力系對(duì)動(dòng)臂與上車鉸點(diǎn)的合力矩Ma ^ O ;如果是動(dòng)臂油缸小腔閉鎖,則作用于動(dòng)臂上的力系對(duì)動(dòng)臂與上車鉸點(diǎn)的合力矩Ma彡O ; (4).工作油缸的最大工作油壓限制 當(dāng)鏟斗油缸處于主動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)，為保證鏟斗能夠繞鏟斗鉸點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，以最大工作壓力作為油缸壓力，則作用于鏟斗上的力系對(duì)鏟斗鉸點(diǎn)的合力矩Mc彡O ;當(dāng)斗桿油缸處于主動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)，為保證斗桿能夠繞斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，以最大工作壓力作為油缸壓力，則作用于斗桿上的力系對(duì)斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)的合力矩Mb彡O ;當(dāng)動(dòng)臂油缸處于主動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)，為保證動(dòng)臂能夠繞動(dòng)臂與上車鉸點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，以最大工作壓力作為油缸壓力，則作用于動(dòng)臂上的力系對(duì)動(dòng)臂與上車鉸點(diǎn)的合力矩Ma ( O ； c.根據(jù)步驟a的組合，找出滿足步驟b中4種限制因素的最大挖掘力，將其作為給定挖掘點(diǎn)在給定的組合方式下，挖掘機(jī) 能夠主動(dòng)發(fā)揮的最大理論挖掘力，即最大主動(dòng)組合挖掘力； d.根據(jù)步驟a的方式確定另一種組合，重復(fù)步驟b和步驟c； e.重復(fù)步驟d，確定每種組合所對(duì)應(yīng)的最大理論挖掘力，并進(jìn)行對(duì)比，找出其中的最大值，并將其作為給定挖掘點(diǎn)在所有的組合方式下，挖掘機(jī)能夠主動(dòng)發(fā)揮的最大理論挖掘力，即最大主動(dòng)組合挖掘力； f.在設(shè)定范圍內(nèi)改變挖掘點(diǎn)，重復(fù)步驟a至e。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的挖掘機(jī)主動(dòng)挖掘力組合評(píng)價(jià)方法，其特征在于:步驟a的組合中，首先確定挖掘方式；步驟d中，在該挖掘方式下按照一定步長(zhǎng)改變纟產(chǎn)斗角,所述纟產(chǎn)斗角是指鏟斗鉸點(diǎn)與切削刃之間的連線與水平方向的夾角，從而獲得一系列有效挖掘姿態(tài)，按照一定順序選擇一種有效挖掘姿態(tài)，重復(fù)步驟b至C，獲得各個(gè)有效挖掘姿態(tài)下的最大理論挖掘力。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的挖掘機(jī)主動(dòng)挖掘力組合評(píng)價(jià)方法，其特征在于:所述法切比為一個(gè)變量，針對(duì)特定的挖掘地點(diǎn)土壤，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果選定其范圍。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的挖掘機(jī)主動(dòng)挖掘力組合評(píng)價(jià)方法，其特征在于:步驟f中，設(shè)定范圍為根據(jù)評(píng)價(jià)方法的需求設(shè)定特定的挖掘區(qū)域，挖掘點(diǎn)可以均布于或按設(shè)定規(guī)律分布于挖掘區(qū)域。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種挖掘機(jī)主動(dòng)挖掘力組合評(píng)價(jià)方法，確定鏟斗的挖掘點(diǎn)，以三種主動(dòng)因素的自由組合，在每一種三種主動(dòng)因素的自由組合方式下獲得滿足挖掘機(jī)自身四種限制因素的最大理論挖掘力，確定有效范圍內(nèi)多個(gè)三種主動(dòng)因素的組合方式對(duì)應(yīng)的最大理論挖掘力中的最大值作為該挖掘點(diǎn)的最大主動(dòng)組合挖掘力；本發(fā)明以挖掘機(jī)的實(shí)際應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，考慮更多的實(shí)際可能性，從挖掘點(diǎn)出發(fā)獲得在給定挖掘點(diǎn)上能夠發(fā)揮的最大理論挖掘力，能夠更加合理的評(píng)價(jià)挖掘機(jī)在不同區(qū)域的挖掘能力；基于主動(dòng)組合的最大挖掘力，考慮了更加合理全面的因素，能夠更好的反映實(shí)際挖掘能力，有助于挖掘機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
文檔編號(hào)E02F9/00GK103243766SQ20131001953
公開(kāi)日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月18日
發(fā)明者陳進(jìn), 任志貴, 慶飛, 龐曉平, 李松林, 賀康生, 鄧波 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)