裝載機工作裝置載荷識別模型與載荷測取方法*

萬一品， 宋緒丁， 郁錄平， 員征文

(1.長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室 西安，710061) (2.徐工集團江蘇徐州工程機械研究院 徐州，221004)

引 言

裝載機是一種實現(xiàn)散狀物料鏟裝及運輸作業(yè)的土方機械，獲得反映裝載機工作裝置受力特性的外載荷，是載荷譜編制與疲勞壽命預(yù)測的關(guān)鍵基礎(chǔ)[1]。

裝載機在鏟裝物料時外載荷直接作用在鏟斗上，鏟斗底板是主要受力位置，在分析裝載機外載荷時，可簡化為鏟斗的斗尖載荷，并將其視為工作裝置所受外載荷。文獻[2]分析了裝載機工作裝置外載荷計算方法，推導(dǎo)了載荷計算數(shù)學(xué)經(jīng)驗公式。文獻[3]分析了不同鏟掘阻力下工作裝置結(jié)構(gòu)強度的變化，獲得了插入阻力作用點位置與結(jié)構(gòu)強度變化的關(guān)系。文獻[4-5]對裝載機工作裝置在正載假設(shè)條件下的靜力學(xué)和動力學(xué)特性進行研究，模擬了工作裝置在實際作業(yè)過程的受力特性。文獻[6]基于離散元法(discrete element method，簡稱DEM)模擬鏟斗插入物料的過程，得到工作裝置所受物料阻力的基本變化趨勢。但是基于仿真研究和靜態(tài)設(shè)計的產(chǎn)品已難以滿足高性能比和高可靠性的要求，基于真實外載荷的動態(tài)抗疲勞設(shè)計成為解決上述問題的重要途徑之一。文獻[7]通過裝載、運輸和卸載礦石物料試驗過程中實測的油缸壓力的變化來研究鏟斗所受外載荷，但是未能給出所受外載荷的表示形式。趙云良[8]通過試驗研究了石灰?guī)r物料鏟裝作業(yè)過程中鏟斗所受載荷特性，給出了水平插入阻力與插入物料深度的數(shù)學(xué)關(guān)系。文獻[9]在理論上對裝載機鏟斗在鏟掘作業(yè)過程中的載荷進行了分段識別，并給出了不同鏟掘時刻鏟斗上所受阻力的經(jīng)驗公式。文獻[10]分析了鏟斗與物料的相互作用特點，確定了鏟掘作業(yè)過程中鏟斗受力的影響因素，仿真得到鏟斗所受載荷為沿斗齒的切向、法向和側(cè)向三個方向阻力的合力?，F(xiàn)有文獻給出的工作裝置載荷識別結(jié)果多為經(jīng)驗公式，需要考慮物料的各種屬性參數(shù)，所得結(jié)果與實際載荷相差很大。通過實測外載荷研究構(gòu)件的力學(xué)特性已得到廣泛應(yīng)用，飛機結(jié)構(gòu)載荷測試方法與疲勞性能研究已相對成熟[11-12]，裝載機外載荷的測試和疲勞研究多集中在傳動系統(tǒng)[13]。

由于缺乏合適的裝載機工作裝置外載荷時間歷程制取方法，理論和經(jīng)驗計算所得結(jié)果無法準確反映裝載機鏟裝作業(yè)這一動態(tài)作業(yè)過程，因此，筆者根據(jù)鏟斗鉸點力與斗尖所受外載荷關(guān)系，建立裝載機工作裝置外載荷識別模型。基于載荷識別結(jié)果提出三向力銷軸傳感器法和動臂截面彎矩法兩種工作裝置載荷時間歷程制取方法，并通過典型作業(yè)姿態(tài)加載試驗分析兩種測試方法的精度?；阡N軸傳感器法，搭建LW900K裝載機載荷測試系統(tǒng)，對應(yīng)鏟裝作業(yè)過程分析鏟斗鉸點載荷和工作裝置外載荷時間歷程。提出的測試方法為工程機械臂架結(jié)構(gòu)載荷測試提供多方案選擇，所得結(jié)果為載荷譜編制和疲勞分析提供依據(jù)。

1 裝載機外載荷識別模型

裝載機工作裝置由動臂、鏟斗、搖臂和連桿組成，工作裝置在搖臂油缸和動臂油缸的聯(lián)合作用下實現(xiàn)散狀物料的鏟裝、運輸和卸料作業(yè)。裝載機工作裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 裝載機工作裝置結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structure of loader working device

裝載機鏟裝物料時由動臂油缸和搖臂油缸提供動力用于克服鏟斗上的物料阻力，將裝載機工作裝置作業(yè)過程視為瞬時準靜態(tài)過程，根據(jù)工作裝置鉸點力之間的力學(xué)關(guān)系，以平行水平地面為x方向，垂直地面向上為y方向，建立工作裝置上鏟斗鉸接點載荷與油缸壓力之間的關(guān)系模型，如圖2所示。

圖2 裝載機鏟斗鉸點與油缸鉸點力學(xué)關(guān)系示意圖Fig.2 Mechanical relationship between loader bucket hinge points and cylinder hinge points

如圖2所示，F(xiàn)E和FI分別為搖臂油缸和動臂油缸鉸點力，F(xiàn)Ax，F(xiàn)Ay，F(xiàn)Dx，F(xiàn)Dy，F(xiàn)Ix和FIy為動臂上各鉸接點受力在x和y方向上的分力，鏟斗上鉸點A處受力與FAx和FAy等大反向；FCx，F(xiàn)Cy，F(xiàn)Ex和FEy為搖臂對應(yīng)鉸接點受力在x和y方向上的分力，α1，α2和α3分別為鉸點E，I和C所受力與y軸方向的夾角；FB為鉸點B處鏟斗受力。各鉸點之間的距離在x和y方向上的投影分別用xij和yij表示，i和j為鉸點標號。

對搖臂、動臂結(jié)構(gòu)進行力學(xué)分析，分別取鉸點D和鉸點G處力矩平衡，如式(1)和式(2)所示

MD=FExyDE+FEyxDE-FCxyCD-FCyxCD=

FE(yDEsinα1+xDEcosα1)-FC(yCDsinα2+

xCDcosα2)

(1)

MG=FAxyAG+FAyxAG+FDxyDG+FDyxDG-FIxyIG-FIyxIG=FAxyAG+FAyxAG+FDxyDG+FDyxDG-FI(yIGsinα3+xIGcosα3)

(2)

得鉸點B、鉸點C和鉸點E受力關(guān)系如式(3)所示，鉸點I、鉸點A、鉸點C和鉸點E受力關(guān)系如式(4)所示

(3)

(FEsinα1+FCsinα2)yDG+(FEcosα1+

FCcosα2)xDG]

(4)

對搖臂結(jié)構(gòu)取受力平衡，如式(5)所示

(5)

在裝載機工作裝置姿態(tài)確定時，動臂油缸和搖臂油缸鉸點力與鏟斗上鉸點力之間的對應(yīng)關(guān)系可以通過式(3)和式(4)確定。將鏟斗結(jié)構(gòu)從工作裝置中隔離出來，以圖2中所示的AB鉸點中心孔連線為Y方向，垂直AB鉸孔連線為X方向，垂直XY方向所在平面為Z方向，建立鏟斗三維局部坐標系，記鏟斗上的3個鉸接點在鏟斗局部坐標系下在X和Y方向的分力分別為FX1，F(xiàn)Y1，F(xiàn)X2，F(xiàn)Y2，F(xiàn)X3和FY3，以及動臂與鏟斗鉸點處的側(cè)向力FZ1和FZ2。由裝載機鏟斗斗尖載荷得到工作裝置外載荷識別模型如圖3所示。

圖3 裝載機工作裝置外載荷識別模型Fig.3 Load identification model of loader working device

將鏟斗3個鉸接點上受到的外力FX1，F(xiàn)Y1，F(xiàn)Z1，F(xiàn)X2，F(xiàn)Y2，F(xiàn)Z2，F(xiàn)X3和FY3簡化到鏟斗中心斗齒處，得到載荷FX，MX，F(xiàn)Y，MY和FZ作為裝載機工作裝置所受外載荷。FX為工作裝置插入物料時所受的水平外載荷；FY為工作裝置掘起物料阻力所受垂向外載荷；FZ為工作裝置所受側(cè)向外載荷；MX和MY為物料左右不均勻引起的偏載阻力矩。記動臂與鏟斗鉸點與連桿與鏟斗鉸點距離在Z方向的投影為l，得到工作裝置外載荷與鏟斗鉸點載荷關(guān)系如下

(6)

因此，鏟斗鉸接點上受到的外力FX1，F(xiàn)Y1，F(xiàn)Z1，F(xiàn)X2，F(xiàn)Y2，F(xiàn)Z2，F(xiàn)X3和FY3為裝載機工作裝置外載荷識別模型求解和載荷時間歷程制取的關(guān)鍵。

2 外載荷制取方法

由工作裝置外載荷識別模型結(jié)果可知，裝載機作業(yè)過程中受到正載、偏載和側(cè)載作用于動臂與鏟斗的兩個鉸接點處，提出三向力銷軸傳感器法和動臂截面彎矩法來獲取鏟斗與動臂鉸點載荷。連桿與鏟斗鉸接點處的載荷可以通過連桿的受力獲取，將連桿視為二力桿，按照受拉與受壓測試原理設(shè)計傳感器[14]。在動臂與鏟斗鉸接點處設(shè)計分別測試X，Y和Z方向力的銷軸傳感器，其結(jié)構(gòu)原理如圖4所示[15]。

圖4 三向力銷軸傳感器結(jié)構(gòu)原理圖Fig.4 Structure and principle of the pin-shaft sensor

用三向力銷軸傳感器代替原有銷軸，銷軸傳感器上選取兩個截面，兩截面與X和Y方向的交點上分別依次粘貼兩組應(yīng)變片RX1，RX2，RX3，RX4，RY1，RY2，RY3和RY4，對兩組應(yīng)變片分別組橋來測量對應(yīng)方向的銷軸力[14]。在側(cè)向力測力軸上選取一個截面，依次粘貼應(yīng)變片RZ1，RZ2，RZ3和RZ4，組全橋來測量銷軸Z方向力。

三向力銷軸傳感器能夠直接測量鉸接點處銷軸力，但是對于不同尺寸型號的鉸孔，需要分別設(shè)計三向力銷軸傳感器。采用動臂截面彎矩法則無需進行復(fù)雜的動臂改裝與銷軸傳感器設(shè)計，在動臂與鏟斗鉸接點處末端，取近似平行的兩個截面S-S和R-R，以兩截面中心連線為X′方向，過動臂板中心面且垂直X′方向為Y′方向，同時垂直X′和Y′方向為Z′方向，建立動臂局部坐標系，則動臂與鏟斗鉸點處的力FX′1，F(xiàn)Y′1，F(xiàn)Z′1，F(xiàn)X′2，F(xiàn)Y′2和FZ′2由動臂截面彎矩來獲得。動臂截面彎矩傳感器結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。

圖5 動臂截面彎矩傳感器結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of torque sensor for boom section

(7)

動臂截面彎矩與傳感器橋路輸出電壓之間為正比關(guān)系，可以采用相同的方法得到動臂另一側(cè)的鉸點處受力FX′2，F(xiàn)Y′2和FZ′2。

以LW900K裝載機為試驗樣機，設(shè)計三向力銷軸傳感器、動臂截面彎矩傳感器和連桿力傳感器，通過標定試驗得到傳感器輸入輸出特性，標定工裝與標定試驗如圖6所示。

圖6 載荷測試傳感器標定試驗示意圖Fig.6 Schematic diagram of load test sensor calibration

標定試驗中所施加的力均為階梯載荷，多次標定取各級載荷下傳感器輸出電壓信號的均值，并對結(jié)果進行擬合，得到連桿所受外力F與電橋輸出電壓之間的關(guān)系為

F=0.196UL-0.191

(8)

動臂與鏟斗鉸接點處三個方向所受外力與銷軸傳感器電橋輸出電壓之間的關(guān)系為

(9)

動臂上三個方向力與彎矩截面?zhèn)鞲衅鲗?yīng)電橋輸出電壓之間的關(guān)系，如式(10)所示

(10)

3 載荷測試與特性分析

3.1 典型姿態(tài)下的載荷驗證

為了驗證三向力銷軸傳感器和動臂截面彎矩傳感器的準確性和可靠性，通過常用的壓力傳感器獲取動臂油缸和搖臂油缸的壓力。安裝三向力銷軸傳感器、連桿傳感器、動臂截面彎矩傳感器以及油缸壓力傳感器，如圖7所示。

圖7 測試樣機與傳感器安裝Fig.7 Test prototype and sensor installation

鏟裝8 t的標準塊，選定掘起物料、運輸物料、舉升物料以及舉升物料至最高位置4個典型作業(yè)姿態(tài)，測取動臂和搖臂油缸位移，確定姿態(tài)參數(shù)。裝載機鏟裝標準重物塊時，偏載和側(cè)載對裝載機工作裝置的影響幾乎可以忽略，4種典型姿態(tài)下工作裝置姿態(tài)參數(shù)如表1所示。計算4種典型作業(yè)姿態(tài)下油缸鉸點實測力和鏟斗及動臂上鉸點實測力之間的對應(yīng)關(guān)系，如表2所示。

由表2可知：三向力銷軸傳感器法和動臂截面彎矩法所得4種典型作業(yè)姿態(tài)下油缸鉸接點處載荷值均小于油缸壓力傳感器實測值，這是因為油缸壓力傳感器的測量值包含了動臂結(jié)構(gòu)自重以及各鉸接點處的摩擦阻力；三向力銷軸傳感器法所得油缸力與實測值之間的最大誤差為3.09%，而動臂截面彎矩法所得油缸力與實測值的誤差在10%左右，這是因為銷軸傳感器是對鉸點外力的直接測量，測量精度高，而動臂截面彎矩法通過動臂截面彎矩與力學(xué)換算得到鉸點載荷，將變截面的動臂板視為一個近似等截面結(jié)構(gòu)，所得結(jié)果誤差明顯大于三向力銷軸傳感器測試誤差。在測試精度允許的范圍內(nèi)，截面彎矩測試方法只需要對動臂截面進行貼片組橋，測試相對便捷。

表1 工作裝置典型作業(yè)姿態(tài)參數(shù)

表2 典型作業(yè)姿態(tài)載荷驗證試驗結(jié)果

3.2 載荷時間歷程的制取

在徐工鏟運試驗場內(nèi)，采用精度高的三向力銷軸傳感器法獲取LW900K裝載機所受外載荷，模擬L形鏟裝作業(yè)路線[14]采集鏟裝鐵礦粉物料的載荷，試驗樣機鏟裝作業(yè)如圖8所示。

圖8 鏟裝鐵礦粉物料載荷測試試驗Fig.8 Load test of iron ore material

根據(jù)傳感器標定試驗結(jié)果，得到鏟裝作業(yè)動臂與鏟斗鉸點以及連桿與鏟斗鉸點FX1，F(xiàn)Y1，F(xiàn)Z1，F(xiàn)X2，F(xiàn)Y2，F(xiàn)Z2，F(xiàn)X3和FY3動態(tài)載荷時間歷程如圖9所示。

圖9 鉸接點處載荷時間歷程Fig.9 Load time history each hinge point

由圖9可知，裝載機鏟斗上3個鉸點處受力的變化規(guī)律基本保持一致，根據(jù)油缸位移變化可以將一個鏟裝作業(yè)周期分為空載段、鏟掘段、重載運輸段和卸料段[14]。在空載段，各鉸點載荷呈一條直線；在鏟掘段X方向上分力先達到最大值，之后X方向分力開始減小而Y方向分力增大，這與實際鏟裝作業(yè)中一次鏟裝作業(yè)法的過程相對應(yīng)，鏟斗先插入物料最深，此時X方向受力逐漸增大，然后快速掘起物料，Y方向分力開始增大；重載運輸段各鉸點載荷也呈直線狀，但載荷均值明顯大于空載運輸段；在卸料段，3個鉸點載荷均受到大載荷的作用，大載荷出現(xiàn)在同一時刻，并且載荷時間作用很短，載荷峰值很大，屬于一種沖擊載荷。根據(jù)外載荷識別模型以及實測各鉸點載荷，可以得到LW900K裝載機工作裝置外載荷時間歷程如圖10所示。

圖10 裝載機工作裝置外載荷識別結(jié)果Fig.10 Results of external load identification

由圖10可知，根據(jù)載荷識別模型得到的工作裝置外載荷時間歷程中，由油缸位移變化判斷斗尖載荷所處鏟裝作業(yè)周期段以及工作裝置鏟裝作業(yè)姿態(tài)，工作裝置所受外載荷的峰值出現(xiàn)在鏟裝作業(yè)段和卸料作業(yè)段。鏟裝作業(yè)段外載荷X方向分力值最大，約為220 kN；在卸料作業(yè)段外載荷X和Y方向的力均達到最大，最大值約為400 kN。工作裝置所受側(cè)向力即Z方向載荷最大值約為25 kN，而由鏟斗內(nèi)物料左右不均造成的偏載載荷MX和MY最大值約為60 kN·m。鏟斗鉸點載荷及工作裝置外載荷變化趨勢與裝載機鏟裝作業(yè)過程保持一致，所得載荷反映了裝載機所受外載荷的變化規(guī)律，實現(xiàn)了載荷的定量分析。與文獻[1, 6, 10]對工作裝置及鏟斗所受外力的分析不同的是，實測鏟斗鉸點載荷和斗尖載荷在卸料作業(yè)段均出現(xiàn)了明顯的大載荷。利用油缸位移確定卸料段大載荷出現(xiàn)時刻，裝載機工作裝置作業(yè)姿態(tài)如圖11所示。

圖11 卸料時刻裝載機作業(yè)姿態(tài)Fig.11 Operating attitude of loader on unloading time

卸料時刻，鏟斗向下傾斜，物料沿鏟斗底部向下滑落，此時物料對鏟斗底部的摩擦力以及物料對鏟斗底部壓力在X方向上的分力共同影響FX的大小，而FY的大小主要由物料對鏟斗底部壓力在Y方向上的分力所決定。對于LW900K裝載機，其額定載重為9 t，對鏟斗底部壓力約為90 kN，這與實測到的FY最大值400 kN并不吻合。分析裝載機在鏟裝試驗卸料時刻的作業(yè)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)卸料時刻鏟斗位于最高位，搖臂油缸快速回縮，鏟斗由重載運輸姿態(tài)開始繞鏟斗與動臂鉸點旋轉(zhuǎn)，在鏟斗底板開始低于水平線時，鏟斗內(nèi)物料重力加速了鏟斗旋轉(zhuǎn)，卸料瞬間鏟斗快速靜止于卸料位置，由于慣性作用在鏟斗鉸接點處產(chǎn)生了卸料沖擊載荷。對應(yīng)圖10卸料時刻鏟斗鉸點載荷，連桿與鏟斗鉸點載荷在X和Y方向均有明顯大載荷沖擊，而動臂與鏟斗鉸點載荷只在Y方向出現(xiàn)大的沖擊載荷，即卸料時的沖擊載荷不僅影響動臂左右板的受力狀態(tài)，而且會通過連桿對動臂橫梁部位產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損傷。因此，在工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度校核時，需考慮沖擊載荷的影響。工作裝置所受側(cè)載和鏟斗內(nèi)物料不均引起的偏載遠小于正載FX和FY，只考慮X和Y方向載荷的合力，得工作裝置外載荷時間歷程如圖12所示。

圖12 鏟斗合成外載荷時間歷程Fig.12 External synthetic load time history

采用雨流計數(shù)法統(tǒng)計150斗鐵礦粉物料下LW900K裝載機鏟斗外載荷識別結(jié)果的均幅值頻次數(shù)，并用正態(tài)分布擬合均值頻次關(guān)系，用三參數(shù)威布爾分布擬合幅值頻次關(guān)系，如圖13所示。

圖13 鏟斗外載荷均幅值統(tǒng)計分布規(guī)律Fig.13 Statistical distribution of external load mean and amplitude

由圖13可知，鐵礦粉物料下工作裝置外載荷均值-頻次和幅值-頻次分別服從式(11)、式(12)所示的對數(shù)正態(tài)分布和三參數(shù)威布爾分布

(11)

(12)

4 結(jié) 論

1) 將工作裝置所受外載荷簡化至鏟斗斗尖處，建立了工作裝置外載荷識別模型以及外載荷與鏟斗鉸接點載荷之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，明確了鏟斗鉸點載荷是獲取工作裝置外載荷的基礎(chǔ)。提出了三向力銷軸傳感器和動臂截面彎矩獲取動臂與鏟斗鉸接點載荷的方法，通過不同姿態(tài)下的載荷驗證試驗，校核兩種載荷獲取方法的結(jié)果精度，銷軸傳感器法測試相對誤差在3.09%以內(nèi)，截面彎矩法相對誤差在13.4%以內(nèi)。

2) 基于載荷識別模型和銷軸傳感器載荷測試結(jié)果，工作裝置外載荷峰值出現(xiàn)在鏟掘作業(yè)和卸料作業(yè)段。通過試驗測試得到了裝載機卸料作業(yè)時的慣性沖擊載荷，對于LW900K試驗樣機在鐵礦粉物料工況下，卸料沖擊載荷峰值約為400kN，且載荷作用時間短。對150斗作業(yè)樣本中斗尖載荷進行雨流計數(shù)，得到載荷均值與載荷幅值分別服從正態(tài)分布和三參數(shù)威布爾分布的結(jié)論。

3) 所建立的外載荷識別模型和提出的載荷測試方法為裝載機工作裝置載荷譜編制及結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計提供了參考。