單斗液壓挖掘機“定點全方位分析法”(續(xù)三)──第四講單斗液.

1、第 4 期水利電力機械？49?單斗液壓挖掘機定點全方位分析法”（續(xù)三 Fixed Point Omn ibeari ng An alysis Method of Si ngle BucketHydraulic Excavator （Con ti nu ous 3第四講單斗液壓挖掘機最佳功率譜”研究華北水利水電學(xué)院馮才郝玉寶竇蘊萍（鄭州 450045摘 要 以定點全方位分析法”理論為依據(jù)，以發(fā)揮機器最大功率為追求 目標,求得了最佳功率譜”給出了計算型譜數(shù)據(jù)的流程框圖，并說明了最佳功率 譜”的應(yīng)用。關(guān)鍵詞 傳力比 最佳功率譜 最佳型譜 最佳操縱參數(shù)實際挖掘力模型實際功率模型參變量1 冃 U 言由文

2、獻3、 5、 6、 7知,在挖掘范圍的內(nèi)點處,鏟斗都有一個方位域范圍，并可定量描述，這樣,任意內(nèi)點處鏟斗就有無窮多 方位,即與無窮多組運動參數(shù)對應(yīng)。傳統(tǒng)方法只分析給定點一個方位的機器性能，所謂的挖掘圖”也是如此。本文用定點全方位分析法”研究分析挖掘機的性能,并求得 最佳操縱型譜（簡稱 最佳型譜”。文獻10以發(fā)揮最大挖掘力為目標求得了最佳力譜”本文則以發(fā)揮最大功率為目標來求得 最佳功率譜”。2 明確研究 最佳功率譜”的已知條件研究給定機器和工況下的 最佳功率譜”的已知條件是：機器的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如 結(jié)構(gòu)尺寸、形狀參數(shù)、鉸點布置、初始位置、運動范圍；機器的外形尺寸、重量分 配以及與計算有關(guān)的其它尺寸（

3、如油缸的結(jié)構(gòu)尺寸等；機器與地面的附著系數(shù) f ;挖 掘機為定量液壓系統(tǒng)，油泵的流量 Q 和各壓力閥的調(diào)定壓力均為已知；W 2=書 W 1 代 為已知。3 挖掘機的實際功率模型挖掘機的實際功率模型是機器發(fā)揮最大功率的數(shù)學(xué)模型。在文獻 1的基礎(chǔ) 上,按文獻9將鏟斗方位域分割為若干份，并計算各方位下所對應(yīng)的運動參數(shù)（Q 1、Q 2、Q 3 ,而且按文獻12、 13計算各方位下挖掘機各結(jié)點的坐標,再按 文獻14建立機器挖掘力的約束方程和挖掘機的實際功率模型。 311 有關(guān)說明（1 作用力和向徑的符號說明重量符號如表 5 及圖 11 所示表 5 重量符號項目名稱斗點桿的缸分在重 B 2 量動點臂的缸分在

4、重 B 1 量動臂重量斗桿缸重量斗桿重量鏟斗缸重鏟斗重量鏟斗中土重量動臂缸重量上車重量下車重量平衡重量鏟點斗的缸分在重 B 3 量符號G 0G 1G 2G 3G 4G 5G 6G 7G 8G 9G 10G 11G 12油缸作用力用“ P 卩雙下標表示；其它力用“ F ”加雙下標表示；向徑用“ r 加f雙下標表示。向量的方向角用“a加雙下標表示。第 一下標為向量的始端，第二下標為向量的終端。(2 挖掘阻力用符號 W 表示,它可分解為法向挖掘阻力W 2和切向挖掘阻力 W 1,其方向角分別為aW ,aW 2 ,aW并有如下關(guān)系：aW1=aO3v +2當(dāng)書 0 時，aW 2=av o 3 當(dāng) 書 0(

5、35 W 1|r O 3v |Sin (a-WO3-|PA 3B 3|i 0(36W 1 沖O 2v +W 2 沖O 2v +P A 2B 2XO 2B 2+6i(39G i (x O 2-x i r O 2v +P A 2B 2XO 2B 2+6iG i (x O 2-x i 0(38式(37、(38 中:i=0,3,4,7W 1X O 1v +W 2X O 1v +P A1B 1XO 1B 1+67i =1(39G i (x O 1-x i 01 沖一O 1v +W2r O 1v +PB 1A 1XO 1B 1+67i =1G i (x O 1-x i 0(40W1 X O 5v +W2X

6、 O 5v +611i =2G i (x O 5-x i 0(42 (G f -|W |sinOW-|W |cos a W 0(43 (GW |sin a?W +|W |cos a W 0(44式中 |W 2|=書|W 1|=書 W 1|W l=|W 1? + 書=W 1+書G f-挖掘機的附著重量，對鏟斗挖掘工況，G f=G -G 6;第 4 期水利電力機械? 51?G機器的工作重量。式（35（44 即為挖掘阻力的約束方程。式（35、（36 是由鏟斗油缸主動推力建立的約束方程,式（37、（38 是由斗桿油缸閉鎖力 建立的約束方程,式（39、（40 是由動臂油缸閉鎖力建立的約束方程，式（41、

7、（42 是 由整機穩(wěn)定性建立的約束方程,式（43、（44 是由整機附著性建立的約束方程。在具體計算過程中除式（35、（36 均有效外,其它方程是否有效要根據(jù)判據(jù)選定；式（37 與（38、式（39 與（40、式（43 與（44 分別根據(jù)判據(jù)I、U、川選擇其中之一或一個也不選；式（41 與（42 根據(jù) 判據(jù)川,選擇其中之一或均不選或均選取。判據(jù)I（斗桿油缸閉鎖判據(jù) 為aO 2v -aW。當(dāng)aO 3v -aW =0 或n時，挖掘機的挖掘力不由斗桿油缸的閉鎖條件限定,故式（37 與（38一個也不選；當(dāng)n（aO 3aW C 時，選式（37 ,否則選式（38。判據(jù)U（動臂油缸 閉鎖判據(jù)為aO1V -aW。

8、當(dāng)aO 1v -aW =0 或n時，挖掘機的挖掘力不由動臂油缸的閉鎖條件限定，式（39 與（40中一個也不選；當(dāng)naO 1V -aW 0 寸,選式（39 ,否則選式（40。判據(jù)川（穩(wěn)定滑移判據(jù)為aW卓用網(wǎng)圳社點扛布走 并計*貳#4方飼燉當(dāng) a W =2 或-2時,挖掘機的挖掘力不由滑移條件限定，式（43 與（44 均不選；當(dāng)-2aW aW aO 5v +n寸，挖掘機的挖掘力不由穩(wěn)定條件限定，故式（41 和（42 均不選；當(dāng)aO 5v +naW aO 4v 時，選式（42；當(dāng)aO 5v +naW aO 4v 時，選式（41 ;否則式（41 和（42 均被選取。約束方程（35（44 ,再加上相關(guān)判

9、據(jù)，即為挖掘機實際發(fā)揮的挖掘力數(shù)學(xué)模型簡稱實際挖掘力模型。31213 給定工況下挖掘機所能發(fā)揮的力矩和挖掘機的實際功率模型將 W 2=書 W 1 代入所取的有效約束方程,則從各有效方程中解得 W 1,再將其值 代入式(32 即得由各有效方程限定的力矩M (它的數(shù)目最多可達到 9 個。各點某一鏟斗方位下的實際力矩是各有效方程所限定值中最小的那個，即 M min。從一個方位到另一個相鄰方位過程中的力矩，我們認為是兩方位處力矩的平均值，即M icp =2(M min (i +M min (i - 1 , (i =1,2,3m(45 在對方位域分割的基礎(chǔ)上，已求得了各方位下對應(yīng)的運動參數(shù)，并求解了所

10、有結(jié)點的坐標，而且又已知油缸的結(jié)構(gòu)尺寸和油泵的流量 Q ,則角速度3可按下式 求解：3=dtQt= Q 3? Q/ l A 3B 3? A (46式中的 Q 3 和厶 l A 3B 3 可寫為Q 3(i =Q 3(i -Q 3(i -1 (i =1,2,3I m3B 3(i =l A 3B 3(i -l A 3B 3(i -1 , (i=1,2,3 . mA 為油缸的有效作用面積。當(dāng)無桿腔進油時,A =A 1;當(dāng)有桿腔進油時,A =A2。則有3i =Q 3(i ? Q/Al A 3B 3?A 1(47將式(45、（47 代入式（31 得由式（35（44 方程限定的功率。從 i 位置到 i +1

11、 位置所發(fā)出 的功率為N i =M icp ? 3 i（48 我們將實際挖掘力模型和公式（45、（47、（48 的總和稱為給定工況下挖掘機能發(fā)揮的功率數(shù)學(xué)模型，簡稱實際功率模型。4 最大功率及最佳操縱參數(shù)某點處的最大功率 Nmax 即是 N i （i =1,2中最大的那個值。能發(fā)揮這個值的方位標號為j ,j方位下所對應(yīng)的操縱參數(shù)即是以最大功率為追求目標的操縱參 數(shù),我們稱它為最佳操縱參數(shù)（Q 31,Q 32,Q 33。圖 12 為求最大功率及其操縱參數(shù)的計算流程框圖。圖 12 最佳功率操縱參數(shù)計算流程框圖? 52?馮 才、郝玉寶、竇蘊萍：單斗液壓挖掘機定點全方位分析法”續(xù)三 1997 年 8月

12、5 最佳功率譜511 最佳功率譜及其繪制按流程框圖 12 計算并記錄下來的最佳操縱參數(shù)及其它有關(guān)數(shù)據(jù)，稱為最佳功率 數(shù)據(jù)。為研究隨負載變化的規(guī)律，可以 f、書為參變量進行計算。此時只需對流程圖作如下改動，即可計算出最佳功率譜 所需的數(shù)據(jù)。在第四框后加入 f、書值的組合框(一般是分別給出 f 與書的初始值和步長f 和厶書并進行循環(huán)。在結(jié)束框前加判斷 f 和書的組合,看是否還有框(一般是用控制語句解決。如果沒有，就直接結(jié)束；如果還有,就返回取下一組值進行計算。計算出的大量數(shù)據(jù)即為 最佳功率譜”的原始數(shù)據(jù)，將它們存放在構(gòu)造的數(shù)據(jù)庫 中,即為最佳功率譜”數(shù)據(jù)庫。上述是將 f、書的組合放在外循環(huán)來計算最

13、佳功率譜所需數(shù)據(jù)的，也可將 f、書的組合放在內(nèi)循環(huán)來計算最佳功率譜數(shù)據(jù)，而且可大大節(jié)省機時。數(shù)據(jù)庫中存放著各點的位置參數(shù)、最大功率及其對應(yīng)的操縱參數(shù)和其它有關(guān)數(shù) 據(jù),以滿足 最佳型譜”運作的需要。下面我們用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)來評價某機器的功率利用情況。為此，將實際發(fā)揮 的最大功率與機器的系統(tǒng)功率對比，往往以實際功率占系統(tǒng)功率的百分數(shù)來描述。泵輸出的功率為N H =612(kW N j =N H ? j % (j =30、40、50、60、70、80、90、100例如在 f、書的某一組合下，將實際功率大于和等于 N j 的點篩選出來，并 放入各自的文件中，這些文件的總和即為以數(shù)據(jù)表示的 最佳功率譜”

14、將各文件中 的所有點，用計算機描繪在挖掘范圍內(nèi)，即得 最佳功率圖譜”不同的 f、 書值的組 合,其最佳功率譜”也有所不同。512 最佳功率譜的應(yīng)用(1 利用最佳型譜”可對現(xiàn)有機型進行綜合性能分析,能定量求得大于和等于 N j 的挖掘范圍區(qū)域及其面積，希望 N N 60 的區(qū) 域越大越好。(2 可對現(xiàn)有的機型進行改進，通過合理選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)，以達到擴大 N 60 以上的挖掘范圍區(qū)域的目的。(3 不僅可利用最佳功率譜”對現(xiàn)有機型進行性能分析和改進，而且還可根據(jù)最佳功率譜”與機器參數(shù)的依存關(guān)系來進行新機 型的研究和設(shè)計。(4 利用最佳功率譜”選擇挖掘機的合理工作區(qū)及其最佳操縱參數(shù)，使機器經(jīng)常在 NN

15、60 以上的功率譜區(qū)域內(nèi)工作，從而提高 機器的作業(yè)能力，提高機器的使用經(jīng)濟性。(5 可利用 f、書值的不同組合與最佳功率譜”間的依存關(guān)系，通過對實際工作情況的實測數(shù)據(jù)(點的位置、運動參數(shù)、受力情 況、油的壓力、各鉸點的力 進行處理，則可得到載荷譜。6 結(jié)束語文獻10以定點全方位分析法”為理論依據(jù)求得了 最佳力譜”本文又以 定 點全方位分析法”為依據(jù)求得了最佳功率譜”這兩種型譜主要反映了在 f、屮給定的情況下，挖掘機的具體性能，對土壤的具體阻力沒有涉及到，而這對機 器的生產(chǎn)率和經(jīng)濟性影響很大，并且追求高生產(chǎn)率和高經(jīng)濟性又是我們的最終目 的。在已知阻力的情況下，依據(jù) 定點全方位分析法”理論也可得到 最佳型譜”我們 稱此型譜為 最佳生產(chǎn)率譜”。利用適時控制和 最佳生產(chǎn)率譜”可對挖掘機進行最高 生產(chǎn)率控制。在此，我們還提出兩點：(1 值不僅與土壤性質(zhì)有關(guān)，而且還與斗形和鏟斗尖的角度有關(guān)，通過實測和 最佳型譜”的分析可得到合理的斗形和鏟斗尖的角度。(2 求解 最佳型譜”時,均設(shè)定是定量液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)的形式對 最佳型譜” 有很大影響，尤其是對 最佳功率譜”的影響更大。可依據(jù) 定點全方位分析法”理論, 參照定量系統(tǒng)的 最佳型譜”求解過程得到變量系統(tǒng)的 最佳型譜”。參考文獻10 馮 才 1 單斗液壓挖掘機的 最佳力譜”研究-定點全方位分析法”應(yīng)用之一