裝載機(jī)鏟裝過(guò)程試驗(yàn)分析及阻力研究

林 軒，諶炎輝，周德儉

（1.廣西科技大學(xué)機(jī)械與交通工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

1 引言

裝載機(jī)鏟裝對(duì)象可以是碎石、泥土、沙石等各種不同形狀的物料，在鏟裝的過(guò)程中，料堆會(huì)隨著鏟裝的過(guò)程的變化而變化，鏟裝阻力也會(huì)隨之變化。所以合理的分析鏟裝過(guò)程以及阻力的變化可以有效地降低鏟裝阻力并提高工作效率。

國(guó)內(nèi)外許多研究人員對(duì)鏟裝過(guò)程及鏟裝阻力開(kāi)展了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[2]采用庫(kù)倫土壓力理論分析研究了不同的鏟裝階段時(shí)，鏟斗的運(yùn)動(dòng)和受力；文獻(xiàn)[3]對(duì)鏟裝軌跡進(jìn)行了研究，提出了不同的鏟裝區(qū)間有著不同的水平等阻線(xiàn)，同時(shí)也提出了不同的控制方法；姬慧勇[4]也得出了鏟斗在一定的鏟斗軌跡下的計(jì)算公式，而且還分析了該公式的精度；文獻(xiàn)[5]基于散體理論，分析了鏟斗受到的水平插入阻力，從本質(zhì)上解釋作業(yè)阻力的產(chǎn)生機(jī)理；文獻(xiàn)[6]借助6軸傳感器對(duì)插入阻力進(jìn)行了測(cè)量，運(yùn)用經(jīng)典力學(xué)理論對(duì)散體物料進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[7]根據(jù)實(shí)驗(yàn)和離散元法對(duì)鏟斗作業(yè)阻力進(jìn)行了研究，分別得到了鏟斗刀片前方的水平阻力和刀片下方的垂直阻力。目前大多數(shù)對(duì)鏟裝過(guò)程以及工作阻力的研究還不夠深入，而且一般的工作阻力是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式得到：PBH=9.8K1K2L1B.H25BK3K4，由式中可以看到，經(jīng)驗(yàn)公式中系數(shù)多，取值范圍大，系數(shù)的取值依賴(lài)于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，并且隨意性大，計(jì)算得到鏟裝阻力不準(zhǔn)確，不能全面反應(yīng)鏟斗的鏟裝阻力。所以通過(guò)對(duì)裝載機(jī)動(dòng)臂油缸位移以及轉(zhuǎn)斗油缸位移進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)位移的變化，把裝載機(jī)鏟裝過(guò)程分為鏟斗放平、空載前進(jìn)、插入、轉(zhuǎn)斗、舉升四個(gè)階段。同時(shí)實(shí)驗(yàn)利用安裝在鏟斗與動(dòng)臂鉸接處的銷(xiāo)軸傳感器測(cè)試銷(xiāo)軸兩向載荷，獲得鏟裝作業(yè)時(shí)鏟斗鏟裝阻力。

2 傳感器的檢測(cè)與標(biāo)定

實(shí)驗(yàn)使用的傳感器為銷(xiāo)軸傳感器以及位移傳感器，銷(xiāo)軸傳感器采集動(dòng)臂與鏟斗兩個(gè)鉸接點(diǎn)B1、B2處X、Y向的載荷，位移傳感器采集動(dòng)臂油缸位移以及轉(zhuǎn)斗油缸位移。

銷(xiāo)軸傳感器有兩路信號(hào)Fx、Fy與數(shù)據(jù)采集儀相連，通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀能讀出銷(xiāo)軸傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)。由于銷(xiāo)軸傳感器與鏟斗是固定的，而測(cè)到的Fx、Fy也不是整機(jī)水平、豎直方向的鏟裝阻力，因此需要通過(guò)動(dòng)臂油缸位移傳感器、轉(zhuǎn)斗油缸位移傳感器來(lái)獲得動(dòng)臂油缸、轉(zhuǎn)斗油缸兩鉸接點(diǎn)間的實(shí)際位移，再通過(guò)機(jī)構(gòu)計(jì)算把銷(xiāo)軸傳感器所測(cè)得的Fx、Fy的力轉(zhuǎn)變所需要的整機(jī)水平方向、豎直方向的力。

2.1 銷(xiāo)軸傳感器的標(biāo)定

銷(xiāo)軸傳感器為二維徑向受力傳感器，需要測(cè)出不同角度承載下的Fx、Fy值，如圖1所示，且Fx、Fy與信號(hào)之間建立一種關(guān)系，如Fx=kx*信號(hào)+ɑx，kx、ɑx為常量；公式中的信號(hào)為電壓信號(hào)，是把應(yīng)變信號(hào)通過(guò)惠世通全橋轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。目前做法：第一，先在正X、Y軸分別加載標(biāo)定，獲得Fx、Fy與電壓信號(hào)的線(xiàn)性關(guān)系；第二，在采集儀上設(shè)定Fx、Fy與測(cè)量信號(hào)的線(xiàn)性關(guān)系；第三，測(cè)量加載力F、設(shè)定角度α（不連續(xù)角度）下傳感器的Fx、Fy值，并與標(biāo)準(zhǔn)值Fcosα、Fsinα來(lái)計(jì)算相對(duì)誤差。其具體的操作為：（1）銷(xiāo)軸傳感器輸入廠(chǎng)家給定的標(biāo)定值，就把銷(xiāo)軸傳感器的電壓信號(hào)（應(yīng)變片全橋信號(hào)）轉(zhuǎn)變?yōu)檩d荷信號(hào)，從數(shù)采儀輸出。（2）萬(wàn)能機(jī)連續(xù)加載、卸載3次，加載載荷為（0～45）t；比較銷(xiāo)軸傳感器、拉壓傳感器的數(shù)值（不同角度的計(jì)算數(shù)值），若相對(duì)誤差滿(mǎn)足要求就說(shuō)明銷(xiāo)軸傳感器可用。（3）若標(biāo)定數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，就用銷(xiāo)軸傳感器、拉壓傳感器的數(shù)值的線(xiàn)性擬合來(lái)修正銷(xiāo)軸傳感器的標(biāo)定系數(shù)。銷(xiāo)軸傳感器標(biāo)定示意圖，如圖2所示。

圖1 不同角度下載荷示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Load at Different Angles

圖2 銷(xiāo)軸傳感器標(biāo)定示意圖Fig.2 Pin Axis Sensor Calibration Diagram

2.2 位移傳感器的標(biāo)定

首先在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定位移傳感器自身的精度，按傳感器說(shuō)明書(shū)輸入零點(diǎn)、額定量程長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的電壓值，再驗(yàn)證幾個(gè)不連續(xù)點(diǎn)的值，誤差滿(mǎn)足要求即可。目前傳感器廠(chǎng)家提供的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，一般不需要修正，按要求設(shè)置零點(diǎn)、額定量程對(duì)應(yīng)的電壓值即可。其次，傳感器安裝到整車(chē)上后，位移傳感器已連接數(shù)據(jù)采集儀，操控工作裝置運(yùn)動(dòng)，先用卷尺測(cè)量動(dòng)臂油缸、轉(zhuǎn)斗油缸的鉸接點(diǎn)在兩個(gè)不同姿態(tài)下的位移，加上數(shù)采儀讀取的位移傳感器的實(shí)際位移，所以卷尺位移-數(shù)采儀讀取值=常數(shù)，再在數(shù)據(jù)采集儀上定義一個(gè)計(jì)算通道，該計(jì)算通道值=常數(shù)+位移傳感器數(shù)值=油缸鉸接點(diǎn)的距離，后面再驗(yàn)證幾個(gè)不同姿態(tài)，若滿(mǎn)足要求就說(shuō)明該標(biāo)定數(shù)據(jù)可行。最后，油缸鉸接點(diǎn)的距離是用來(lái)求解工作裝置的姿態(tài)。

3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)所需要測(cè)試的數(shù)據(jù)有：裝載機(jī)動(dòng)臂油缸位移、轉(zhuǎn)斗油缸位移以及鏟裝阻力、整車(chē)位移，根據(jù)所需測(cè)試的數(shù)據(jù)，安裝傳感器于：裝載機(jī)動(dòng)臂油缸處布置動(dòng)臂油缸位移傳感器，測(cè)量動(dòng)臂油缸位移，如圖3所示。裝載機(jī)轉(zhuǎn)斗油缸處布置轉(zhuǎn)斗油缸位移傳感器，測(cè)量轉(zhuǎn)斗油缸位移，如圖4所示。裝載機(jī)動(dòng)臂與鏟斗的連接處安裝兩個(gè)銷(xiāo)軸傳感器B1、B2，測(cè)量鏟斗與動(dòng)臂銷(xiāo)軸X方向與Y方向載荷，從而得到其鏟裝阻力，如圖5所示。裝載機(jī)整車(chē)位移利用五輪儀來(lái)獲得，如圖6所示。

圖3 動(dòng)臂油缸位移傳感器Fig.3 Boom Cylinder Displacement Sensor

圖4 轉(zhuǎn)斗油缸位移傳感器Fig.4 Rotary Cylinder Displacement Sensor

圖5 銷(xiāo)軸傳感器B1、B2Fig.5 Pin Sensor B1、B2

圖6 五輪儀Fig.6 Five Wheel

在鏟裝阻力的研究中，利用的鏟裝試驗(yàn)臺(tái)主要用來(lái)測(cè)試松散物料（如碎石、沙子、煤炭、鐵礦粉等），而實(shí)驗(yàn)的作業(yè)對(duì)象為碎石物料，鏟裝試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試目的主要是測(cè)試散體物料下的鏟裝阻力，不管怎樣，都需要保證測(cè)試數(shù)據(jù)有良好的重復(fù)性、再現(xiàn)性。目前鏟裝試驗(yàn)臺(tái)在鏟裝過(guò)程中已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，因此人為因素誤差已消除，剩下的鏟裝試驗(yàn)臺(tái)自身的影響當(dāng)做系統(tǒng)誤差來(lái)處理。影響測(cè)試結(jié)果重復(fù)性再現(xiàn)性的關(guān)鍵因素就是物料性能（如物料安息角、濕度、物料均勻性等）、自動(dòng)鏟裝的起始位置。試驗(yàn)中兩個(gè)關(guān)鍵控制：（1）物料的整理，保證安息角相同，即物料坡度相同；（2）自動(dòng)鏟裝起始位置與整車(chē)發(fā)動(dòng)位置的距離要準(zhǔn)確。其實(shí)驗(yàn)具體操作過(guò)程為：手動(dòng)操控裝載機(jī)，使其移動(dòng)至距離物料一定距離的位置，并且控制鏟斗找平、動(dòng)臂下降貼近地面，然后拉起駐車(chē)制動(dòng)開(kāi)關(guān)或者踩住行車(chē)制動(dòng)踏板，撥動(dòng)機(jī)器的檔位撥桿選擇空1 擋（N1），確保機(jī)器在試驗(yàn)前不會(huì)移動(dòng)。測(cè)量鏟斗斗尖至物料底部的距離。（3）確定的鏟裝軌跡及控制過(guò)程參數(shù)確定后，使用上位機(jī)軟件下載至控制器。（4）按下1次“觸發(fā)記錄開(kāi)關(guān)”，系統(tǒng)將控制工作裝置自動(dòng)地運(yùn)動(dòng)至軌跡曲線(xiàn)中的第1點(diǎn)。（5）將駐車(chē)制動(dòng)開(kāi)關(guān)按下，并松開(kāi)行車(chē)制動(dòng)踏板，將檔位撥桿往前推，機(jī)器進(jìn)入“前進(jìn)1擋”工作狀態(tài)。之后機(jī)器將按照設(shè)定的參數(shù)進(jìn)入自動(dòng)控制狀態(tài)，司機(jī)只需保證機(jī)器的行進(jìn)方向?yàn)橹本€(xiàn)。（6）當(dāng)軌跡控制完成后，機(jī)器將降為怠速，需司機(jī)控制機(jī)器進(jìn)入空擋，并踩下行車(chē)制動(dòng)踏板，防止溜車(chē)等意外情況出現(xiàn)。手動(dòng)控制動(dòng)臂舉升，并高于2/3高度。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 對(duì)鏟裝過(guò)程進(jìn)行分析

實(shí)驗(yàn)對(duì)碎石物料進(jìn)行鏟裝，記錄整個(gè)操作過(guò)程中動(dòng)臂、轉(zhuǎn)斗油缸位移，銷(xiāo)軸載荷等參數(shù)，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Ncode軟件的Glyphworks模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到的裝載機(jī)動(dòng)臂、轉(zhuǎn)斗油缸位移曲線(xiàn)圖，如圖7所示。裝載機(jī)整車(chē)位移曲線(xiàn)圖，如圖8所示。

圖7 裝載機(jī)動(dòng)臂、轉(zhuǎn)斗油缸位移曲線(xiàn)圖Fig.7 Load Motorized arm、Rotary Cylinder Length Curve

圖8 裝載機(jī)整車(chē)位移曲線(xiàn)圖Fig.8 Loader Displacement Curve of Loader

圖7中，通道40表示動(dòng)臂油缸位移，通道41表示轉(zhuǎn)斗油缸位移，圖8中通道42表示裝載機(jī)整車(chē)位移，把圖中時(shí)間歷程分為S1、S2、S3、S4、S5五段對(duì)應(yīng)（0～2）s、（2.1～5.5）s、（5.6～6.5）s、（6.6～10.8）s、（10.9～14）s，S1段裝載機(jī)轉(zhuǎn)斗油缸位移曲線(xiàn)降到最低點(diǎn)，而動(dòng)臂油缸位移曲線(xiàn)沒(méi)有變化，可以看出，此過(guò)程是利用轉(zhuǎn)斗油缸將鏟斗放置與地面水平，為裝載機(jī)進(jìn)行鏟裝做準(zhǔn)備，而裝載機(jī)整車(chē)位移稍有變化是因?yàn)樵谵D(zhuǎn)斗的過(guò)程中，整車(chē)有微小震動(dòng)，可視為位移為0；S2段裝載機(jī)整車(chē)位移曲線(xiàn)開(kāi)始上升，而轉(zhuǎn)斗油缸位移不變，動(dòng)臂油缸位移有微小變化，可視為位移不變，表示裝載機(jī)開(kāi)始前進(jìn)，準(zhǔn)備鏟裝；S3段裝載機(jī)整車(chē)位移曲線(xiàn)繼續(xù)上升，而動(dòng)臂油缸位移變長(zhǎng)后保持不變，轉(zhuǎn)斗油缸位移繼續(xù)保持不變，表示裝載機(jī)開(kāi)始水平插入碎石物料并進(jìn)行鏟裝；S4段裝載機(jī)整車(chē)位移曲線(xiàn)持續(xù)上升，而動(dòng)臂油缸位移曲線(xiàn)也繼續(xù)上升，轉(zhuǎn)斗油缸位移開(kāi)始上升，表示裝載機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)斗鏟裝；S5段裝載機(jī)整車(chē)位移曲線(xiàn)持續(xù)上升后保持不變?nèi)缓笞優(yōu)?，而動(dòng)臂油缸位移曲線(xiàn)保持不變后持續(xù)上升，轉(zhuǎn)斗油缸位移曲線(xiàn)保持不變，表示裝載機(jī)轉(zhuǎn)斗鏟裝完成，動(dòng)臂開(kāi)始舉升物料至高于2/3高度并停車(chē)。根據(jù)動(dòng)臂、轉(zhuǎn)斗油缸位移以及整車(chē)位移曲線(xiàn)變化情況，可以把裝載機(jī)的鏟裝過(guò)程分為鏟斗放平、空載前進(jìn)、插入、轉(zhuǎn)斗、舉升五個(gè)作業(yè)時(shí)段，分別對(duì)應(yīng)圖中S1、S2、S3、S4、S5時(shí)段。

4.2 鏟裝阻力的研究

對(duì)裝載機(jī)進(jìn)行鏟裝實(shí)驗(yàn)測(cè)試，獲得鏟斗與動(dòng)臂兩個(gè)鉸點(diǎn)處的銷(xiāo)軸X與Y兩個(gè)方向的動(dòng)載荷，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Ncode軟件中處理后，銷(xiāo)軸B1和銷(xiāo)軸B2的兩個(gè)方向載荷時(shí)間歷程，如圖9～圖12所示。

圖9 銷(xiāo)軸B1點(diǎn)X方向載荷Fig.9 Pin B1 Point X Direction Load

圖10 銷(xiāo)軸B1點(diǎn)Y向載荷Fig.10 Pin B1 Point Y-Direction Load

圖11 銷(xiāo)軸B2點(diǎn)X向載荷Fig.11 Pin B2 Point X Direction Load

圖12 銷(xiāo)軸B2點(diǎn)Y向載荷Fig.12 Pin B2 Point Y-Direction Load

由圖9～圖12可知，根據(jù)油缸位移圖7以及圖8的分段，同樣可以對(duì)銷(xiāo)軸B1點(diǎn)及B2點(diǎn)兩個(gè)方向的載荷進(jìn)行分段，由于S1段為鏟斗放平階段，所受鏟裝阻力為0，所以只取S2、S3、S4、S5段進(jìn)行分析。對(duì)S2段裝載機(jī)空載前進(jìn)，鏟斗處于低位水平位置，銷(xiāo)軸兩個(gè)方向載荷小且無(wú)明顯波動(dòng)，鏟裝阻力視為0；對(duì)S3段裝載機(jī)鏟斗插入物料階段，鏟斗開(kāi)始插入物料時(shí)，銷(xiāo)軸兩個(gè)方向的力開(kāi)始增大且存在明顯波動(dòng)，銷(xiāo)軸X方向的力的峰值明顯要高于Y方向峰值，然后趨于穩(wěn)定，這與鏟斗插入物料時(shí)受到水平阻力大于垂直阻力是吻合的；對(duì)S4段裝載機(jī)鏟斗轉(zhuǎn)斗階段，銷(xiāo)軸兩個(gè)方向的力逐漸增大且存在明顯波動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)斗完成時(shí)，銷(xiāo)軸兩個(gè)方向的力達(dá)到峰值；對(duì)S5段裝載機(jī)鏟斗舉升階段，在開(kāi)始舉升之前的這段時(shí)間，即物料趨于穩(wěn)定時(shí)段，銷(xiāo)軸兩個(gè)方向的力也逐漸趨于穩(wěn)定，在開(kāi)始舉升時(shí)，因?yàn)殓P斗內(nèi)物料存在慣性沖擊，銷(xiāo)軸兩個(gè)方向的力會(huì)存在明顯的峰值波動(dòng)，最后在舉升的過(guò)程中，物料穩(wěn)定，力也穩(wěn)定下降。通過(guò)上面分析可以發(fā)現(xiàn)，鏟裝阻力最大時(shí)段出現(xiàn)在S4段，即裝載機(jī)鏟斗轉(zhuǎn)斗階段，B1點(diǎn)X方向的鏟裝阻力最大值2.931kN，Y方向鏟裝阻力最大值為2.87kN，B2點(diǎn)X方向的鏟裝阻力最大值2.526kN，Y方向鏟裝阻力最大值為3.139kN。銷(xiāo)軸傳感器可以精確測(cè)量動(dòng)臂與鏟斗鉸接處的受力，并且各點(diǎn)載荷對(duì)應(yīng)的時(shí)間段能夠與裝載機(jī)鏟裝過(guò)程對(duì)應(yīng)，驗(yàn)證了銷(xiāo)軸測(cè)試鏟裝阻力的可行性，實(shí)現(xiàn)了鏟裝阻力的數(shù)字化。

5 結(jié)論

（1）由圖9～圖12可知，鏟斗所受阻力并非定值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式.計(jì)算鏟斗鏟裝阻力時(shí)，由于經(jīng)驗(yàn)公式中系數(shù)多，每個(gè)系數(shù)取值范圍大，而對(duì)于不同的人系數(shù)取值也不同，所以得到的計(jì)算結(jié)果各不相同，利用經(jīng)驗(yàn)公式獲得的鏟裝阻力不準(zhǔn)確。（2）通過(guò)裝載機(jī)動(dòng)臂油缸以及轉(zhuǎn)斗油缸的位移變化，可以準(zhǔn)確分析不同時(shí)間段裝載機(jī)鏟裝工作過(guò)程，包括：S1段0-2s對(duì)應(yīng)鏟斗放平，S2段2.1-5.5s對(duì)應(yīng)空載前進(jìn)，S3段5.6-6.5s對(duì)應(yīng)插入，S4段6.6-10.8s對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)斗以及S5段10.9-14s對(duì)應(yīng)舉升。（3）對(duì)應(yīng)裝載機(jī)鏟裝過(guò)程，分析處理了銷(xiāo)軸兩個(gè)方向載荷時(shí)間歷程，由圖9～圖12可知，鏟裝阻力最大時(shí)段出現(xiàn)在S4段，即裝載機(jī)鏟斗轉(zhuǎn)斗階段，B1點(diǎn)X方向的鏟裝阻力最大值為2.931kN，Y方向鏟裝阻力最大值為2.87kN，B2點(diǎn)X方向的鏟裝阻力最大值2.526kN，Y方向鏟裝阻力最大值為3.139kN。所以與經(jīng)驗(yàn)公式得到的鏟裝阻力相比，通過(guò)銷(xiāo)軸傳感器測(cè)得的載荷數(shù)據(jù)能夠直觀(guān)準(zhǔn)確反映鏟裝過(guò)程中鏟裝阻力的變化，同時(shí)將鏟裝阻力數(shù)字化后，能為鏟斗設(shè)計(jì)提供重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，為整機(jī)能耗和效率的提升提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。