[发明专利]反铲液压挖掘机挖掘性能综合表征方法

摘要

本发明涉及一种反铲液压挖掘机挖掘性能综合表征方法，在充分考虑挖掘阻力系不确定性的基础上，得出挖掘阻力系数和阻力矩系数的惯常作用区间，并通过求解由该区间与整机限制条件所组成的线性不等式组，将三组液压缸的工作压力输入六面体空间映射为铲斗末端的力输出凸多面体空间，基于此多面体，提出了一组评价挖掘机挖掘能力和各限制条件所占比例的综合性能评价指标，用以衡量挖掘机工作机构设计的合理性以及工作机构与液压缸作用力的匹配关系；本方法实现了适应于挖掘阻力系多变特性的挖掘机挖掘性能的量化分析及可视化表达，为反铲液压挖掘机整机性能分析、工作机构设计合理性评估及优化设计提供了理论依据，提高了生产的挖掘机的性能。

主权项

1.一种反铲液压挖掘机挖掘性能综合表征方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)分析挖掘阻力特性，得出挖掘阻力系数和阻力矩系数的惯常作用区间，其中所述分析挖掘阻力特性，是将挖掘阻力系数简化为与齿尖运动方向相切的切向挖掘阻力F_t、垂直于齿尖运动方向的法向挖掘阻力F_n以及挖掘阻力矩M，计算出阻力系数ε和阻力矩系数δ，阻力系数ε即为挖掘阻力方向角β的正切值，由ε的主值区间并考虑挖掘阻力总是阻碍铲斗的运动可计算得出β的主值区间，β的主值区间即为不确定条件下挖掘阻力方向的惯常作用区间，而δ的主值区间反映了不确定条件下挖掘阻力矩大小的惯常作用区间；液压缸大腔推力为正值，小腔拉力为负值，得出反铲液压挖掘机工作机构液压缸的作用力空间W_o；式中F_p‑液压缸小腔、液压缸大腔作用力极限以及液压缸实际作用力，其中p＝1、2、3分别对应于动臂液压缸、斗杆液压缸和铲斗液压缸；k＝1、2分别对应于铲斗挖掘和斗杆挖掘；(2)计算整机限制条件，所述整机限制条件包括主动液压缸工作压力限制、被动液压缸闭锁压力限制以及整机倾翻和滑移限制，其中所述计算整机限制条件，是将铲斗所受挖掘阻力分解为竖直方向的力F_y和水平方向的力F_x，铲斗挖掘时，斗杆液压缸作用力极限限制和动臂闭锁限制作为被动液压缸闭锁压力的限制条件，铲斗液压缸作用力极限限制作为主动液压缸工作压力限制，斗杆挖掘时，斗杆缸液压缸作用力极限限制是主动液压缸工作压力限制，动臂闭锁限制和铲斗液压缸作用力极限限制作为被动液压缸闭锁压力限制；挖掘机自身五种限制条件限定得到关于水平方向阻力F_x、竖直方向阻力F_y以及阻力矩M的三元一次不等式：1)动臂闭锁限制，当动臂液压缸大腔作用时，大腔的作用力不超过其作用力极限，得限制条件：式中，λ_Ax‑挖掘阻力水平分量对A点的力臂；λ_Ay‑挖掘阻力竖直分量对A点的力臂；e₁‑动臂液压缸作用力对A点的力臂；G₂～G₈‑分别为动臂、斗杆、铲斗、连杆、摇杆和铲斗液压缸与斗杆液压缸的重力；r_Aj‑重力G_j对A点的力臂；当动臂液压缸小腔作用时，得限制条件：2)斗杆液压缸作用力极限限制，当斗杆液压缸大腔作用时，大腔作用力不得超过其作用力极限，得：式中λ_Bx‑挖掘阻力水平分量对B点的力臂；λ_By‑挖掘阻力竖直分量对B点的力臂；e₂‑斗杆液压缸作用力对B点的力臂；r_Bj‑重力G_j对B点的力臂；当斗杆液压缸小腔作用时，小腔作用力不得超过其限定值，得：3)铲斗液压缸作用力极限限制，当铲斗液压缸大腔作用时，考虑大腔的作用力极限，有：式中λ_Gx‑挖掘阻力水平分量对G点的力臂；λ_Gy‑挖掘阻力竖直分量对G点的力臂；e₃‑铲斗液压缸对G点的当量力臂；r_Gj‑重力G_j对G点的力臂；当铲斗液压缸小腔作用时，考虑小腔的作用力极限，有：4)整机滑移限制，考虑向前滑移的限制方程为：F_X+μF_Y≤G_gμ      (8)式中μ‑地面附着系数，取0.6；G_g‑整机重量，考虑向后滑移的限制方程为：F_X‑μF_Y≥‑G_gμ     (9)5)整机稳定性限制，取整机为隔离体，对前倾点T取力矩平衡，得前倾限制条件：式中λ_Tx‑挖掘阻力水平分量对T点的力臂；λ_Ty‑挖掘阻力竖直分量对T点的力臂；r_Tj‑重力G_j对T点的力臂，对后倾点S取力矩平衡，得后倾限制条件：式中λ_Sx‑挖掘阻力水平分量对S点的力臂；λ_Sy‑挖掘阻力竖直分量对S点的力臂；r_Sj‑重力G_j对S点的力臂；(3)将步骤(1)得到的挖掘阻力系数和阻力矩系数的惯常作用区间与步骤(2)得到的整机限制条件相结合作为约束条件，构造挖掘阻力系惯常作用区间多面体，其中所述步骤(3)为将挖掘阻力和阻力矩分别除以参考值得出无量纲当量挖掘阻力系数F_Xr、F_Yr和当量阻力矩系数M_r：[F_Xr F_Yr M_r]＝[F_X/F_ref F_Y/F_ref M/M_ref]       (12)式中M_ref＝G_gl_GJ其中l_GJ为铲斗上G点与J点的距离，M_ref、F_ref分别为力矩和阻力的参考值；(4)根据步骤(3)得到的多面体，计算出单个挖掘姿态下最大挖掘力F_rmax、最大挖掘力矩M_max、单个挖掘姿态下挖掘能力测度V和主动液压缸充分发挥比例及各限制因素所占比例η_i作为挖掘机挖掘性能的评价指标，其中主动液压缸充分发挥比例及各限制因素所占比例η_i；M_max＝M_refM_r         (14)式中V₁～V₁₀分别依次为整机限制条件(3)～(12)所对应的挖掘能力空间，V_G为重力影响区域，主动液压缸大腔作用力限制区域V_i(i＝3，5)与挖掘能力测度V的比值定义为主动液压缸充分发挥比例；其余各限制区域体积V_i(i＝1，2，4，6，...，10)与挖掘能力测度V的比值定义为相应限制因素所占比例，即：