基于极限挖掘力的组合挖掘性能分析

发布时间：2020-03-29 02:10

【摘要】：随着我国“一带一路”建设的铺开,以及高铁高速等交通网络的迅速发展,国家在各种基础设施建设上的投入比重越来越大,而挖掘机作为国家新时代基础建设中不可或缺的工程机械,其性能的优越性、产品的可靠性至关重要。整个挖掘机系统中,工作装置作为其主要执行机构,其性能的好坏以及结构强度的优劣将直接决定挖掘机的工作效率以及使用寿命等一系列问题。由于实际挖掘对象和环境的复杂性,其所受挖掘阻力一直是挖掘机作业过程中难以确定的因素,它对挖掘机的性能分析以及结构强度分析起着至关重要的作用。此外,由于驾驶员的作业习惯以及工作环境的复杂性,挖掘机作业轨迹也是难以确定。本文中采用新的挖掘阻力计算方法,即极限挖掘力,在考虑了阻力矩影响条件下,以实验测试所得法向力系数和阻力矩系数范围为基础,基于组合挖掘方式对液压挖掘机进行性能分析;此外,由于实测挖掘阻力和被测点应力变化的同步性,故选取组合挖掘轨迹上挖掘阻力最大时相对应的姿态,并以动臂为例,基于新旧两种挖掘力模型进行强度分析,证明了极限挖掘力模型的安全性和可靠性,其内容对国产液压挖掘机设计研究工作有一定的借鉴意义。本文具体研究内容有如下方面:(1)分析了解挖掘机的机构特点,建立了挖掘机整机力学模型和运动数学模型,在考虑挖掘阻力矩的基础上,建立了新的极限挖掘力求解模型,为后文挖掘机性能分析和结构强度分析提供了理论基础。(2)通过实验测试,利用测得的输入参数计算出理论切向阻力、阻力矩和法向阻力,对比它们之间的比值关系,得到求解极限挖掘力所需的法向力系数和阻力矩系数合理范围,再通过比较实测挖掘阻力和被测点应力的关系,为后面进行强度分析选取姿态角作铺垫。(3)基于实测挖掘轨迹,采用铲斗挖和斗杆挖组合挖掘的方式,并基于极限挖掘力模型计算挖掘轨迹上各离散点挖掘阻力,通过分析各轨迹上最大挖掘力和平均挖掘力,以及绘制挖掘力图和限制因素图,对挖掘机性能进行分析,并通过对比实测挖掘轨迹阻力值,证明组合挖掘方式的合理性。(4)在实际试验中,挖掘阻力和被测点应力有同步变化规律,故选取组合挖掘轨迹上五个挖掘阻力最大点对应的姿态角,分别基于极限挖掘力和传统理论挖掘力模型,以动臂为例,进行强度分析,证明了极限挖掘力的安全可靠性。
【图文】：

现场图,挖掘力

极限挖掘力时，引入了法向力与切向力比值 ε 和阻力矩与切掘情况是复杂多变的，挖掘机所受挖掘力也无法得到固定结不能简单定义，需通过实验测试，找出法向力、阻力矩分别为后续求解准确的极限挖掘力，并进行性能分析和强度分析应力情况下，与实际挖掘力比较，找到二者之间关系，为后态做铺垫。实验测试力和斗杆挖掘力模型如图 2.8 所示，通过分别对铰点 A、B，三个方程中只有切向力、法向力和阻力矩为未知量，可以要测得挖掘机三组挖掘姿态角以及三组油缸压力来计算挖掘平台分别对挖掘姿态角位移、三组油缸压力以及若干测点应续性能测试及强度分析提供基础。本次测试是在国内某实验机进行测试，作业对象为Ⅲ级土壤，，现场挖掘情况如图 3.1

角位移传感器

3.1.1 角位移测试角位移测试，可测得动臂、斗杆和铲斗相互之间的夹角，通过三组挖掘姿态夹角，可求得斗齿尖的挖掘轨迹，再辅以挖掘机三组油缸压力，可得到真实挖掘阻力结果。目前主要采用的测试方式有：1、倾角传感器，此种传感器的一大优点便是安装方便，通过测量杆件的绝对转角，结合杆件的几何尺寸来得到构件之间的相对角度。2、拉线传感器，该类传感器在测量位移方面有较多应用，通过测量油缸的线位移，再根据驱动空间和关节空间之间的相互关系，将三组油缸线位移转换成角位移。3、角位移传感器，该类传感器价格实惠，普及率高，主要通过电位计原理直接测试两组杆件相互之间夹角。本次测试采用 NS-RB 角位移传感器分别对挖掘姿态的三组夹角值进行测试，角位移传感器如图 3.2 所示。通过将三个传感器分别放置在主机和动臂、动臂和斗杆以及斗杆和铲斗的销轴连接位置，完成测试过程。现场对角位移传感器安装如3.3 图所示。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU621

【参考文献】