单斗液压挖掘机“定点全方位分析法”(续四)──第五讲 单斗液压挖掘机“最佳型谱”应用

・技术讲座・
单斗液压挖掘机“定点全方位分析法”
(续四)“Fixed Point Omnibearing Analysis Method ”of Single Bucket
Hydraulic Excavator (Continuous 4)华北水利水电学院　冯　才　曹景华　郝玉宝　(郑州450002)
第五讲　单斗液压挖掘机“最佳型谱”应用
[摘　要]　先利用“最佳型谱”对现有产品进行性能分析,并提出改进意见;而后从整机优化的角度
来论述“最佳型谱”,最后简述求载荷谱的方法。

[关键词]　协调原则　主要挖掘区　载荷谱　矛盾方程　
最小二乘法
图13　铲斗油缸推力条件限定的型谱图1　前　言
在文献[10]和[16]中已求得了“最佳力谱”和“最佳功率谱”,并说明了如何利用“最佳型谱”来提高机器的作业能力和使用经济性,但对其它方面的应用都须有具体说明,在此,我们来作这些具体说明。

2　现有产品的性能分析
我们在此利用“最佳型谱”对现有的单斗液压挖掘机进行性能分析,并提出改进意见。

对现有产品可作出限定条件型谱图和百分比型谱图。

限定条件型谱是将所有同一限定条件下的所有计算点都绘在一张挖掘范围图上,这张图即为限定条件图谱。

图13是某挖掘限定条件Ⅰ=2(铲斗油缸推力限定)下的限定型谱图。

2.1　限定条件的协调性分析
机器工作时,主动油缸的推力能否实现要受被动油缸的闭锁力和整机的稳定性及附着性能的限制,限定条件标号Ⅰ=2、3、4……9、10,分别为:主动铲斗油缸的推力条件、斗杆油缸大腔闭锁条件、斗杆油缸小腔闭锁条件、动臂油缸大腔闭锁条件、动臂油缸小腔闭锁条件、整机向后倾翻条件、整机向前倾翻条件、整机与地面相对滑移条件(Ⅰ=9,机器向前滑移;Ⅰ=10,机器向后滑移)。

在此指出,限定条件Ⅰ=2,只说明主动油缸的推力能够充分发挥,而不能说机器的设计就合理。

因为
只要主动铲斗油缸的推力足够小,就可实现Ⅰ=2。

设计是否合理,在这里主要是看限定条件是否符合协调原则。

所谓协调原则,是指任意点处,由I =2条件限定的最大值与I 等于其它某一值所限定的最大值,两者相差不多,不要超过10%,一般以5%左右为宜。

5
5第5期水利电力机械
设某点处的实际限定条件I≠2,我们逐渐增大铲斗油缸的推力,使其限定条件I刚刚不等于2,如此时限定的最大值已超过原来由I=2时限定的最大值的10%,这一方面说明设定的铲斗油缸的推力过小,另一方面说明I=j(j=3、4、5、6)的闭锁力过大,即二者不协调。

为此,应适当增加推力或减小闭锁力,一般可稍许提高铲斗油缸的工作压力或降低被动油缸的闭锁压力,实际应该增大铲斗油缸的缸径或减小被动油缸的缸径。

必要时,需重新设计铲斗连杆机构或斗杆和动臂机构。

设某点处的实际限定条件I≠2,而I=3(或4、5、6)时,则斗杆(动臂)油缸的闭锁力限制了铲斗油缸推力的充分发挥。

如果限定的挖掘力小于铲斗在此转角时油缸推力所产生的斗齿力的90%,则应适多增大斗杆(动臂)油缸的闭锁力。

一般可稍许提高斗杆(动臂)油缸的缸径。

必要时,需重新设计斗杆(动臂)机构。

设某点处的实际限定条件I≠2,而I=7或8,则整机的稳定性限制了铲斗油缸推力的充分发挥。

改进方案是调整平衡重的重量或调整整机的布置方案。

设某点处的实际限定条件I≠2,而I=9或10,这表明机器已发生滑移了,整机的附着性能限制了铲斗油缸推力的充分发挥。

当附着性系数f给定后,机器的工作总重量决定了附着力。

即机器滑移是由机器重量偏轻或主动铲斗缸所产生的挖掘力过大而引起,故改进方案应是稍许增加机重或降低铲斗油缸推力,必要时需重新设计铲斗连杆机构。

挖掘范围内的所有点处都实现限定条件的协调原则是非常不容易的。

一般只要求在主要挖掘区(见图14)内,达到限定条件基本协调。

由上分析知,要想达到这一点,有待于正确协调设计各机构,此外,也与油缸工作压力与闭锁压力的正确调整有关。

2.2　最佳工作区分析
单斗液压挖掘机的最佳工作区是挖掘机本身所特有的,一般用百分比“最佳型谱图”表示。

某机的最佳工作区,是指百分比大于(70～80)%的“最佳型谱”区。

一般要求单斗液压挖掘机的最佳工作区与该机的主要挖掘区基本重合,即要求最佳工作区的地面以下的面积与主要挖掘区的面积基本相等,其形状和位置也基本一致。

主要挖掘区(见文献[14])是指经常工作的即安全可靠、生产率又高的区域。

在这区域内挖掘时充斗效率高,循环时向短,便于卸土、装车,司机的视野性也好。

对小型反铲来说,主要挖掘区参见图14,其范围大致为地表以下至(2/3～3/4)H1max,履带支承点前0.5米至(2/3～3/4)R1的区间。

图中阴影线所围的部分即为主要挖掘区(Hlmax是最大挖掘深度,R1是最大挖掘半径)。

图15是某单斗液压挖掘机的70%的最佳型谱图,我们将该机的主要挖掘区用粗实线围起来。

由图看出,该机的最佳工作区离机体太近,且位置有些偏上,在地面以下的面积与主要挖掘区的面积相近。

改进方案:适当加长动臂的长度,可使最佳工作区稍远离机体;增加动臂的下摆角,可使最佳工作区下移。

最好是重新选择结构尺寸、初始位置、
运动范围和进行机构设计。

图14　
主要挖掘区示意图
图15　某挖掘机的最佳工作区
3　“最佳型谱”在设计和研究上的应用
“最佳型谱”与结构尺寸、初始位置、运动范围及机构设计的内在联系,本能地决定了它完全可用在设计和研究单斗液压挖掘机上。

原则上讲,能用“最佳型谱”对现有产品的性能进行综合分析,就可用它来对单斗液压挖掘机进行整机的优化设计。

优化时要考虑以
65冯　才、曹景华、郝玉宝:单斗液压挖掘机“定点全方位分析法”(续四)1997年10月
下几方面的问题。

(1)挖掘范围的形状要合理,即挖掘范围要满足所提出的工作尺寸要求,其形状大小要正好包含单斗液压挖掘机的主要挖掘区域。

这需要正确选择动臂铰点O1的位置,合理选择结构参数l1、l2、l3,恰当地确定运动构件的初始位置和运动范围。

(2)机器的最佳工作区要与主要挖掘区基本重合。

这不仅需要合理的挖掘范围形状,而且还需要正确地协调设计各机构。

(3)限定条件要符合协调原则。

在正确协调设计各机构(动臂机构、斗杆机构、铲斗机构)的基础上,还要正确选择油缸的缸径、各缸的工作压力和闭锁压力;此外,还需要对整机进行合理布置。

(4)优化设计不仅应考虑机器的技术性能,而且要考虑它的综合经济性(包括成本、使用经济性和市场情况)。

由上看出,应用“最佳型谱”对单斗液压挖掘机进行整机优化,其目标函数应取多目标,且需综合加权。

关于设计变量的选取、约束方程的设计及具体优化方法,则更是一个复杂的问题,在此不赘述。

4　求载荷谱的方法
4.1　载荷谱及其实测
所谓载荷谱,是指铲斗在挖掘过程中,土壤给铲斗的阻力的变化规律,它与土壤性质和铲斗的参数有关,其变化规律往往以铲斗转角θ3为自变量来表示,即W1=f1(θ3)(49)
W2=f2(θ3)或ψ=f(θ3)(50)
因实际工作压力取决于外载荷,则载荷的变化必将引起各油缸所受力的变化和铰点力的变化,故实测载荷谱时,需对油缸的受力(即铰点力)和油压进行采样。

在平衡状态下,外载荷与油缸作用力应满足平衡方程式,平衡方程即是将文献[10]的约束方程中的某些方程的不等式变为等式。

转斗挖掘时,一般是铲斗的铰点O3不动,故实测时要先确定O3点的位置,而后再进行转斗挖掘的具体实测。

实测的数据一般是:铲斗油缸的位移S3j、斗杆油缸的位移S2j、动臂油缸的位移S1j;各油缸大、小腔的实际压力;A1,B1;A2,B2;A3,B3各点处的铰点力。

实测可在正常工作状态(各限定条件都没有起限定作用的状态)下和限定状态(主动铲斗油缸的推力足够,其它某一限定条件起作用的状态)下进行,一般只在斗杆或动臂油缸的闭锁条件起限定作用下进行。

4.2　载荷谱的求解方法
求载荷谱的过程,即是将所测的数据代入相应的一些公式,计算求解得到我们所需的变化规律(公式(49)、(50))的过程。

两种状态下,文献[10]的公式(2)都必取。

另外,在正常工作状态下,除公式(2)外,还取两个公式,一个公式从(3)与(4)中取,另一个公式则从(5)和(6)中取;在限定状态下,除公式(2)外,还要取一个公式,即(3)、(4)、(5)、(6)中取一个。

公式的选取原则,参见文献[10]。

求载荷谱所应用的公式中,除作用力外,还要知道结点的位置及传力比i j。

作用力由实测读取;而结点的位置,运动构件的瞬时转角和传力比,则需计算求得。

由各油缸的安装长度和行程及机构的构件尺寸,求得各机构的初始位置和运动范围;由初始位置、构件的尺寸和各机构油缸的瞬时位移,来求得瞬时转角θ1j、θ
2j
、θ3j,而后则可求得所有结点的位置及对应于θ3j的传力比i j(j是实测点的标号)。

有了结点的位置,就可求得向径的方向角。

将数据代入相应的平衡方程则得正常工作状态下的方程:
　a21w1+a22=0(51)　a ji w1+a j2w2+a j3=0 j=3、4,取其中之一
j=5、6,取其中之一ZI
(52)
(53)
在这3个方程中,有两个末知数,是一组矛盾方程。

由式(51)解得w1,将其代入式(52)、(53),故w2有矛盾解。

而后应用最小二乘法求得w2的实测解,对所有的实测点均可求得w1j、w2j或ψj,故可得公式(49)、(50)所表示的实测载荷谱。

限定状态下的方程有
除公式(51)外还有
a j1w1+a j2w2+a j3=0(54)
(j=3、4、5、6,只取其中之一)
此组方程数是两个,末知数也是两个,则可求得唯一解。

故可由公式(51)、(54)求得实测载荷谱。

式中a21=l3;a22是文献[10]中约束方程(2)的第二项(系数项);a j1,a j2,a j3分别是文献[10]中相应约束方程(3)、(4)、(5)、(6)(j=3、4、5、6)的各项系数。

一般情况是在正常工作状态下实测载荷谱,而限定状态只作一种辅助手段。

参　考　文　献
16　冯　才等1单斗液压挖掘机“定点全方位分析法”
讲座,第四讲单斗液压挖掘机“最佳功率谱”研究
———“定点全方位分析法”应用之二。

水利电力机
械,1997(4)
(待续)
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第5期水利电力机械。