挖掘機(jī)平地軌跡研究及改進(jìn)

， ， ，

(天津工程機(jī)械研究院， 天津　300409)

引言

液壓挖掘機(jī)作為一種高效的工程機(jī)械，被廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、機(jī)場等工程建設(shè)領(lǐng)域。挖掘機(jī)在實(shí)際工作中為了提高其工作效率，節(jié)省工作時間，會經(jīng)常進(jìn)行復(fù)合作業(yè)，所謂復(fù)合作業(yè)指挖掘機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時完成兩個及以上動作[1-3]。挖掘機(jī)平地過程就是動臂和斗桿完成復(fù)合作業(yè)的過程，復(fù)合動作時要求參與的兩個機(jī)構(gòu)運(yùn)動要達(dá)到協(xié)調(diào)一致，挖掘機(jī)平地作業(yè)屬于精細(xì)作業(yè)，該如何評價挖掘機(jī)平地作業(yè)的好壞成了擺在研究人員面前的一個難題。本研究介紹了一種評價挖掘機(jī)平地作業(yè)好壞的方法，對現(xiàn)有某挖掘機(jī)按該方法進(jìn)行了平地試驗(yàn)和虛擬平地仿真，通過改進(jìn)其液壓系統(tǒng)改善了平地效果。

1　試驗(yàn)及評價方法

挖掘機(jī)平地試驗(yàn)的過程中按照以下方法操作：平地動作試驗(yàn)時需要使用標(biāo)準(zhǔn)鏟斗，操作時至少有一個操縱桿開到最大行程。其中平地動作1個周期的模擬動作如圖1所示。開始時的姿勢為實(shí)線所示：工作裝置最大程度伸長，使鏟斗鉸鏈銷及斗齒尖在一條直線上，斗齒尖在離地面10 cm以內(nèi)；動作過程為虛線所示：動臂上升的同時，斗齒尖在不與地面接觸的情況下將斗桿收縮到斗齒尖平地移動距離L為4.5 m。這段期間只操作動臂跟斗桿，斗齒尖與地面的目標(biāo)距離在30 cm以內(nèi)；動臂下降，斗桿回收，返回到開始的姿態(tài)。

按照試驗(yàn)方法對某現(xiàn)有挖掘機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，觀察該挖掘機(jī)的鏟斗齒尖在平地過程中的運(yùn)動軌跡， 如果平地軌跡相對平緩則挖掘機(jī)平地過程中動臂和斗桿的協(xié)調(diào)性較好，平地效果好，反之則較差。以挖掘機(jī)平地過程中的鏟斗齒尖的運(yùn)動軌跡來評價挖掘機(jī)平地作業(yè)效果的好壞，比通過比較進(jìn)入動臂油缸和斗桿油缸的流量或者動臂和斗桿完成平地動作的時間差要合理的多，這與挖掘機(jī)平地實(shí)際情況也比較接近。

圖1　挖掘機(jī)平地動作示意圖

2　數(shù)學(xué)模型建立

為了準(zhǔn)確的研究挖掘機(jī)平地過程中斗齒尖軌跡與動臂和斗桿油缸速度的關(guān)系，建立了挖掘機(jī)工作裝置數(shù)學(xué)模型如圖2所示。根據(jù)圖中所示位置，通過數(shù)學(xué)幾何關(guān)系推導(dǎo)能夠得到斗齒尖任意一點(diǎn)的位置(x，y)與各工作裝置轉(zhuǎn)角的關(guān)系為：

(1)

其中：θ1、θ2和θ3為動臂、斗桿和鏟斗裝置的轉(zhuǎn)角，由于平地過程中鏟斗始終保持試驗(yàn)要求姿態(tài)，所以θ3為零；l1、l2和l3分別為各鉸接點(diǎn)的距離，數(shù)值分別為：l1=5650 mm，l2=2940 mm，l3=1500 mm；

從圖2a中可以看出，各個裝置的轉(zhuǎn)角又與其對應(yīng)油缸的轉(zhuǎn)角和結(jié)構(gòu)角相關(guān)，得出：

(2)

其中：φ1、φ2為動臂和斗桿自身結(jié)構(gòu)角，φ1=22°；φ2=160°；α1和α2為動臂油缸和斗桿油缸的轉(zhuǎn)角。

動臂油缸和斗桿油缸工作結(jié)構(gòu)為液壓缸搖桿結(jié)構(gòu)，如圖3所示(以動臂液壓缸為例)。

圖3　動臂液壓缸搖桿結(jié)構(gòu)

由余弦定理得到：

(3)

圖2　挖掘機(jī)工作裝置數(shù)學(xué)關(guān)系圖

同理可以得出：

(5)

其中：vdg為斗桿油缸實(shí)時速度。將式(2)、(4)、(5)帶入到式(1)中，得到斗齒尖任意一點(diǎn)的位置(x，y)為式(6)所示，從中可以看出斗齒尖軌跡與動臂和斗桿油缸的速度和時間的關(guān)系，所以在挖掘機(jī)實(shí)際平地試驗(yàn)中得到動臂和斗桿油缸的速度數(shù)據(jù)，即可用來繪制斗齒尖的運(yùn)動軌跡曲線。

(6)

3　機(jī)構(gòu)仿真及分析

挖掘機(jī)平地試驗(yàn)時平地軌跡很難用肉眼直觀的看出，為了更加清楚方便的研究挖掘機(jī)平地時鏟斗齒尖的運(yùn)動軌跡，利用三維建模軟件Proe建立起現(xiàn)有某挖掘機(jī)工作裝置的模型[4-6]，采用試驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方法對挖掘機(jī)平地軌跡進(jìn)行研究。即按照章節(jié)2中敘述的試驗(yàn)方法，對某現(xiàn)有挖掘機(jī)進(jìn)行平地試驗(yàn)(如圖4所示)，獲得實(shí)際平地試驗(yàn)過程中挖掘機(jī)動臂油缸和斗桿油缸的移動速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后導(dǎo)入到工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動模型中。

挖掘機(jī)的工作裝置如圖5所示，主要由機(jī)座、動臂油缸、動臂、斗桿油缸、斗桿、鏟斗油缸和鏟斗等部分組成。

通過Proe軟件自身的機(jī)構(gòu)運(yùn)動模塊，建立起挖掘機(jī)工作裝置機(jī)構(gòu)運(yùn)動模型如圖6所示，建模過程中視地面為挖掘機(jī)底盤，在該模塊中定義各連接件之間的運(yùn)動副連接方式如表1所示，各連接件之間主要為旋轉(zhuǎn)副，液壓油缸活塞與缸體之間全為移動副。由于平地過程中鏟斗姿勢保持不變，所以在仿真模型中將驅(qū)動加在動臂油缸和斗桿油缸上，且定義伺服電機(jī)的驅(qū)動類型為速度驅(qū)動。

圖4　挖掘機(jī)平地試驗(yàn)圖

圖5　挖掘機(jī)工作裝置三維模型

圖6　挖掘機(jī)工作裝置機(jī)構(gòu)運(yùn)動模型

連接件名稱運(yùn)動副類型動臂與機(jī)座旋轉(zhuǎn)副動臂油缸與機(jī)座旋轉(zhuǎn)副動臂油缸與動臂旋轉(zhuǎn)副斗桿與動臂旋轉(zhuǎn)副斗桿油缸與動臂旋轉(zhuǎn)副鏟斗與斗桿旋轉(zhuǎn)副鏟斗油缸與斗桿旋轉(zhuǎn)副油缸活塞與缸體移動副

將平地試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)處理成油缸的移動速度以表格形式導(dǎo)入到動臂油缸和斗桿油缸的驅(qū)動伺服電機(jī)中如圖7所示，其他各連接件運(yùn)動副按表1所示進(jìn)行設(shè)置。為與實(shí)際平地試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時間相一致，設(shè)置其仿真時間為4 s，步長為0.01 s。模型仿真運(yùn)行后，一個周期內(nèi)，挖掘機(jī)平地過程中鏟斗齒尖運(yùn)動軌跡如圖8所示。

圖7　仿真模型中動臂和斗桿伺服電機(jī)數(shù)據(jù)設(shè)置

圖8　平地過程仿真鏟斗齒尖運(yùn)動軌跡

通過對挖掘機(jī)平地試驗(yàn)過程仿真的結(jié)果可以看出，鏟斗斗齒運(yùn)動的軌跡并不平緩，最低點(diǎn)和最高點(diǎn)分別距離鏟斗初始位置水平線為461.5 mm和370.2 mm，豎直方向有近91 mm的差值，存在著優(yōu)化和改進(jìn)的必要性。

4　系統(tǒng)研究與改進(jìn)

挖掘機(jī)平地過程中鏟斗斗齒運(yùn)動的軌跡并不平緩，主要原因?yàn)閯颖酆投窏U復(fù)合動作協(xié)調(diào)性不好，根本上來講是液壓泵供應(yīng)給動臂油缸和斗桿油缸的流量分配不夠合理。通過對挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)原理、仿真參數(shù)優(yōu)化設(shè)計以及現(xiàn)場試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)挖掘機(jī)隨著斗桿油缸流量增加，動臂油缸流量的減少，平地試驗(yàn)中鏟斗斗齒運(yùn)動軌跡趨向于更加平穩(wěn)，于是在原有的液壓系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了一個斗桿調(diào)速閥，這樣平地試驗(yàn)過程中，雙泵供油時可以增加流向斗桿油缸的流量，減少流向動臂油缸的流量，圖9為改進(jìn)前、后挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)簡圖的對比，該調(diào)速閥只用于挖掘機(jī)平地動作時增加流向斗桿油缸的流量，當(dāng)挖掘機(jī)進(jìn)行其他動作時該閥關(guān)閉。

改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)中加入了斗桿調(diào)速閥使得液壓泵流向斗桿油缸和動臂油缸的流量比值穩(wěn)定， 計算得到平地過程中兩者的流量比值為4∶3，按照此比值分配流入到斗桿和動臂油缸的流量，將液壓系統(tǒng)改進(jìn)后的挖掘機(jī)按要求進(jìn)行實(shí)際平地試驗(yàn)，得到的數(shù)據(jù)處理成動臂油缸和斗桿油缸的移動速度，重新導(dǎo)入到仿真模型中進(jìn)行平地仿真。仿真設(shè)置的參數(shù)不變，仿真運(yùn)行后，增加斗桿調(diào)速閥液壓系統(tǒng)的挖掘機(jī)平地仿真過程中鏟斗齒尖運(yùn)動軌跡如圖10所示。

圖9　改進(jìn)前、后挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)對比圖

圖10　改進(jìn)后平地過程仿真鏟斗齒尖運(yùn)動軌跡

從平地作業(yè)仿真結(jié)果來看，挖掘機(jī)在平地作業(yè)時增加斗桿調(diào)速閥，使液壓系統(tǒng)具有增加斗桿油缸流量的功能，可以使動臂和斗桿動作協(xié)調(diào)性變好，鏟斗齒尖運(yùn)動軌跡變平坦。與改進(jìn)前相比較，鏟斗斗齒的最低點(diǎn)和最高點(diǎn)分別距離鏟斗初始位置水平線變?yōu)?46.3 mm和284.1 mm，豎直方向差值變?yōu)?2 mm，改進(jìn)前、后鏟斗斗齒運(yùn)動軌跡對比如圖11所示，改進(jìn)后鏟斗斗齒運(yùn)動的軌跡明顯變得平緩(圖11中細(xì)實(shí)線為改進(jìn)后鏟斗斗齒軌跡)，挖掘機(jī)平地復(fù)合動作的協(xié)調(diào)性得到了改善。

圖11　改進(jìn)前、后平地過程中鏟斗齒尖運(yùn)動軌跡對比

5　結(jié)論

(1) 按照本研究給出的挖掘機(jī)平地試驗(yàn)方法進(jìn)行

平地試驗(yàn)，用平地試驗(yàn)過程中鏟斗齒尖的運(yùn)動軌跡來評價挖掘機(jī)平地作業(yè)效果的好壞，相比于其他平地考核方法更為合理，更接近實(shí)際情況；

(2) 通過Proe軟件自帶機(jī)構(gòu)運(yùn)動模塊，分別對現(xiàn)有某挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)改進(jìn)前、后進(jìn)行了虛擬平地仿真。結(jié)果表明：在原有液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加斗桿調(diào)速閥，調(diào)節(jié)挖掘機(jī)在平地過程中進(jìn)入到動臂油缸和斗桿油缸的流量， 可以明顯的改善挖掘機(jī)平地復(fù)合動作的協(xié)調(diào)性。平地過程中，鏟斗斗齒運(yùn)動的軌跡最低點(diǎn)和最高點(diǎn)與鏟斗初始位置水平線距離分別下降了24.96%和23.25%，豎直方向差值下降了31.86%。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙燕玲，張怡．液壓挖掘機(jī)運(yùn)動軌跡研究[J]．現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2011，(22)：338- 339．

[2]張大慶，郝鵬，何清華．液壓挖掘機(jī)鏟斗軌跡控制 [J]．建筑機(jī)械，2005，(1)：61- 63．

[3]郭剛，龔烈航．液壓挖掘機(jī)工作裝置斗齒軌跡的控制[J]．工程機(jī)械，1998，(6)：11-12．

[4]潘雙夏，季炳偉，童永峰．基于操縱平穩(wěn)性的液壓挖掘機(jī)軌跡規(guī)劃方法 [J]．浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2006，40(8)：1311- 1314．

[5]徐兵，朱曉軍，劉偉，等．挖掘機(jī)工作裝置運(yùn)動學(xué)建模與仿真[J]．機(jī)床與液壓，2011，39(9)：97- 99．

[6]黎波，嚴(yán)峻，曾擁華，等．挖掘機(jī)工作裝置運(yùn)動學(xué)建模與分析[J]．機(jī)械設(shè)計，2011，28(10):7-10.