李佳豪 任志貴,2 龐曉平 王軍利,2 曹書(shū)生 俞松松

1.陜西理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,漢中,723001

2.陜西省工業(yè)自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,漢中,723001

3.重慶大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院,重慶,400030

4.廣西柳工機(jī)械股份有限公司,柳州,545000

0 引言

液壓挖掘機(jī)廣泛應(yīng)用在工程界各個(gè)領(lǐng)域中,其作業(yè)范圍、挖掘力大小和影響挖掘力發(fā)揮的限制因素是挖掘性能主要參數(shù)指標(biāo),而挖掘性能評(píng)判是衡量一臺(tái)挖掘機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。主挖區(qū)往往是反映挖掘性能的關(guān)鍵區(qū)域,傳統(tǒng)主挖區(qū)的定義未考慮停機(jī)面上方的作業(yè)或是涵蓋了挖掘力較小的邊界作業(yè)區(qū)域,這樣定義的區(qū)域難以表現(xiàn)出用于評(píng)價(jià)和分析挖掘機(jī)的最佳挖掘性能區(qū)。而主挖力臂的大小和三組液壓缸最大力臂的配比直接影響著工作裝置作業(yè)范圍和挖掘性能表現(xiàn)。通過(guò)引入力臂系數(shù)來(lái)分析三組液壓缸處于主挖力臂段和主要挖掘狀態(tài)時(shí)的作業(yè)區(qū)域和挖掘機(jī)所表現(xiàn)出的挖掘性能,該部分區(qū)域也是主挖力臂的最佳挖掘性能區(qū)(即主挖區(qū))。

在挖掘機(jī)作業(yè)范圍的研究中,YIN等[1]基于蒙特卡羅方法建立挖掘機(jī)工作裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)模型獲得了整個(gè)作業(yè)空間,并從各種設(shè)計(jì)方案中選擇出最佳作業(yè)空間。在理論挖掘力的研究中,筆者團(tuán)隊(duì)提出了以挖掘點(diǎn)為對(duì)象反求挖掘姿態(tài)的理論挖掘力計(jì)算方法[2]。筆者團(tuán)隊(duì)又基于實(shí)測(cè)挖掘阻力特性的研究,發(fā)現(xiàn)法向阻力和阻力矩都與切向阻力有密切的關(guān)系,從而分析和統(tǒng)計(jì)了二者與切向阻力比值(即阻力系數(shù)、阻力矩系數(shù))的主值區(qū)間,基于此建立了鏟斗極限挖掘力模型和斗桿極限挖掘力模型[3-6]。此外,本課題組基于對(duì)挖掘阻力方向角和差值角以及鏟斗逆角的研究[7],得出了復(fù)合挖掘力方向角的范圍,從而建立了復(fù)合挖掘力求解模型;對(duì)理論挖掘力的匹配特性研究[8]得出,復(fù)合挖掘力模型應(yīng)將阻力矩的因素考慮進(jìn)去才能計(jì)算得出復(fù)合挖掘力大于斗桿極限挖掘力和鏟斗極限挖掘力。故在此基礎(chǔ)上提出建立考慮了阻力矩和復(fù)合挖掘力方向角的極限復(fù)合挖掘力模型[9]。在挖掘性能的研究中,基于傳統(tǒng)的挖掘性能圖譜分析[10],本課題組提出了挖掘性能圖譜疊加分析法[11],但是二種方法均存在以某一挖掘姿態(tài)所求解的理論挖掘力來(lái)代替最大理論挖掘力的缺點(diǎn)。為此本課題組又提出了基于凸多面體的液壓挖掘機(jī)綜合理論挖掘性能分析方法[12]和挖掘性能工作域圖譜分析法[6],前者基于牛頓-歐拉方程建立了考慮地面附著性和整機(jī)穩(wěn)定性的鏟斗挖掘能力與液壓缸驅(qū)動(dòng)能力的動(dòng)態(tài)關(guān)系,給出了挖掘能力多面體和多邊形評(píng)價(jià)體系指標(biāo);后者避免了圖譜疊加法存在的以某姿態(tài)表示挖掘點(diǎn)最大挖掘力的不足。此外,范沁紅等[13]研究了挖掘機(jī)工作機(jī)構(gòu)尺寸變化對(duì)挖掘范圍及作業(yè)性能指標(biāo)的影響規(guī)律。PALOMBA等[14]提出基于狀態(tài)估計(jì)的方法來(lái)確定挖掘過(guò)程中土壤與鏟斗之間交換的力以及鏟斗所累計(jì)土壤的載荷。EDWARDS等[15]首次嘗試通過(guò)考慮由旋轉(zhuǎn)自由懸掛的負(fù)載引起的動(dòng)態(tài)力變化來(lái)準(zhǔn)確模擬挖掘機(jī)的穩(wěn)定性,其結(jié)果將作用于改變負(fù)載質(zhì)量、泵的幾何形狀和轉(zhuǎn)速,以預(yù)測(cè)各種操作條件下挖掘機(jī)的穩(wěn)定性。RENNER等[16]提出了一種用于連接鏟斗的連桿的有效載荷(包括質(zhì)量)動(dòng)態(tài)參數(shù)估計(jì)新方法。CHEN等[17]基于離散元-多體動(dòng)力學(xué)的耦合對(duì)土-刀具相互作用模型進(jìn)行標(biāo)定,以此模擬動(dòng)態(tài)仿真載荷并搭建了硬件閉環(huán)試驗(yàn)臺(tái)。畢秋實(shí)等[18]基于離散元-多體動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真方法對(duì)挖掘阻力數(shù)值進(jìn)行模擬以預(yù)測(cè)挖掘阻力大小,該模型所計(jì)算出的挖掘阻力大小也是側(cè)面反映挖掘力大小的間接體現(xiàn)。DOGRUOZ等[19]研究了刀具鈍化對(duì)中低強(qiáng)度巖石的各種機(jī)械挖掘機(jī)挖掘性能的影響情況。近年來(lái)也有挖掘機(jī)工作裝置機(jī)構(gòu)構(gòu)型的改進(jìn)[20]和結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化[21]的相關(guān)研究報(bào)道。

本文從挖掘性能入手,為了得到用于評(píng)價(jià)分析挖掘性能最佳區(qū)域(即主挖區(qū)),引入力臂系數(shù)概念,依據(jù)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比和力臂曲線選取力臂系數(shù)段,并根據(jù)挖掘方式的不同建立主挖力臂配比方案,基于工作域圖譜分析法研究作業(yè)范圍、挖掘力大小和影響挖掘力發(fā)揮限制因素,從而分析得出不同挖掘方式的主挖區(qū)以及不同主挖力臂配比對(duì)挖掘性能的影響規(guī)律。

1 力臂配比的主挖區(qū)域分析

1.1 力臂系數(shù)

1.1.1力臂的計(jì)算及其系數(shù)的定義

挖掘力的大小計(jì)算與各液壓缸的作用力臂有直接關(guān)系,圖1為挖掘機(jī)工作裝置液壓缸對(duì)各自轉(zhuǎn)動(dòng)鉸點(diǎn)的力臂注釋示意圖,動(dòng)臂液壓缸、斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸的主動(dòng)作用力相對(duì)各自機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸點(diǎn)A、B的力臂以及Q的當(dāng)量力臂分別為e1、e2和e3。鏟斗機(jī)構(gòu)是六連桿機(jī)構(gòu),其力臂通過(guò)搖桿和連桿傳遞到鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)鉸點(diǎn)Q,其中鏟斗液壓缸對(duì)搖桿LNK的轉(zhuǎn)動(dòng)鉸點(diǎn)N的力臂為eN1,連桿LKL對(duì)鉸點(diǎn)N的力臂為eN2,連桿LKL對(duì)鉸點(diǎn)Q的力臂為eQ。

各自機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)力臂求解的表達(dá)式如下:

(1)

eQi=LQLsin∠QLK

其中,i為液壓缸伸縮時(shí)所處的實(shí)時(shí)位置;LFC、LDH、LEK分別為動(dòng)臂液壓缸、斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸的長(zhǎng)度,實(shí)測(cè)中由位移傳感器測(cè)得液壓缸長(zhǎng)度。式(1)中機(jī)構(gòu)間的幾何夾角因機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)而不便測(cè)量,可將其轉(zhuǎn)換為與之關(guān)聯(lián)且分別由角度傳感器測(cè)得的動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)夾角θ2、斗桿轉(zhuǎn)角θ3和鏟斗轉(zhuǎn)角θ4。因此,如若測(cè)得液壓缸實(shí)時(shí)位置和機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角即可求解實(shí)時(shí)力臂大小。具體力臂求解公式與機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角關(guān)聯(lián)的表達(dá)式及推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。

為了研究不同力臂配比對(duì)主挖區(qū)界定及其挖掘性能的影響規(guī)律,在此引入力臂系數(shù)概念,可定義為挖掘機(jī)在某時(shí)刻挖掘姿態(tài)下,工作裝置各機(jī)構(gòu)液壓缸對(duì)其轉(zhuǎn)動(dòng)鉸點(diǎn)的力臂eji與其最大力臂ejmax之比,具體表達(dá)式如下:

kj=eji/ejmaxj=1,2,3

(2)

其中,k1、k2、k3分別為動(dòng)臂缸力臂系數(shù)、斗桿缸力臂系數(shù)和鏟斗缸當(dāng)量力臂系數(shù)(后文簡(jiǎn)稱為動(dòng)臂、斗桿和鏟斗力臂系數(shù))。由于機(jī)構(gòu)最大力臂可由工作裝置幾何參數(shù)計(jì)算得出,因此,當(dāng)給定力臂系數(shù)時(shí)便可計(jì)算出實(shí)時(shí)力臂大小。k1、k2、k3均取1時(shí)即為后文未考慮力臂系數(shù)影響最大力臂全區(qū)域所表現(xiàn)出的挖掘性能情況,當(dāng)考慮力臂系數(shù)對(duì)挖掘性能的影響時(shí),給定相應(yīng)系數(shù)即可。

1.1.2力臂系數(shù)的選取

圖2為某22 t反鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置動(dòng)臂機(jī)構(gòu)、斗桿機(jī)構(gòu)和鏟斗機(jī)構(gòu)的力臂曲線和各機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比曲線。分析可得:鏟斗機(jī)構(gòu)的最大傳動(dòng)比最大,且依次大于斗桿機(jī)構(gòu)最大傳動(dòng)比和動(dòng)臂機(jī)構(gòu)最大傳動(dòng)比。三者力臂相較而言,斗桿機(jī)構(gòu)的最大力臂最大,且依次大于動(dòng)臂最大力臂和鏟斗最大當(dāng)量力臂?？梢?jiàn)雖然鏟斗機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比較大,但其主動(dòng)液壓缸產(chǎn)生的力臂卻較小,其原因可能是力臂的傳遞在搖桿和連桿中損失了一部分,其本質(zhì)是四桿機(jī)構(gòu)的最大傳動(dòng)比要大于六連桿機(jī)構(gòu)的最大傳動(dòng)比。三者機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比和力臂曲線的共性表現(xiàn)為:隨著各自液壓缸從最短伸至最長(zhǎng)的過(guò)程,各自力臂值大小均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)且呈山谷狀。不同區(qū)別在于鏟斗的當(dāng)量力臂曲線和傳動(dòng)比曲線的遞增段占比較少,遞減段占比更多,而動(dòng)臂和斗桿的力臂和傳動(dòng)比曲線近似關(guān)于最大力臂和最大傳動(dòng)比呈對(duì)稱分布。單獨(dú)分析每一個(gè)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比和力臂的變化趨勢(shì)可得,傳動(dòng)比越大,力臂越大,在傳動(dòng)比達(dá)到最大時(shí),相應(yīng)的力臂也達(dá)到最大。

圖2 某22 t液壓挖掘機(jī)工作裝置各機(jī)構(gòu)力臂及傳動(dòng)比

因挖掘性能的評(píng)價(jià)應(yīng)該是主要評(píng)價(jià)處于挖掘狀態(tài)時(shí)的性能,且在挖掘狀態(tài)下一般需要克服較大的挖掘阻力,所以需要較大的作業(yè)力臂。又因?yàn)楦饕簤焊姿l(fā)揮的工作推力分別作用于各自轉(zhuǎn)動(dòng)鉸點(diǎn),且對(duì)各鉸點(diǎn)的力臂和力矩是不一樣的,從而合成到鏟斗齒尖切削刃J點(diǎn)的挖掘力是不一樣的。為反映更貼近真實(shí)作業(yè)中處于挖掘狀態(tài)時(shí)的挖掘性能及其所作業(yè)的主挖區(qū),以及不同力臂的配比對(duì)挖掘性能的影響規(guī)律,力臂系數(shù)的選取應(yīng)綜合考慮以下因素:①考慮更多姿態(tài)應(yīng)處于切削裝載階段和滿載轉(zhuǎn)斗階段;②工作裝置各部件應(yīng)處于能發(fā)揮較大力臂階段從而保證能發(fā)揮出較大的挖掘力;③挖掘力臂所處階段應(yīng)在整個(gè)挖掘軌跡作業(yè)中占比較大;④機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比也應(yīng)處于較大階段;⑤處于力臂曲線和傳動(dòng)比曲線斜率較大的階段可以保證液壓缸主動(dòng)作用力得以充分發(fā)揮從而可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的有用功率;⑥盲位和盲角的限制應(yīng)盡可能減小不可挖掘區(qū)域面積。綜合考慮上述6個(gè)因素,并在滿足上述要求的基礎(chǔ)上選定動(dòng)臂力臂段、斗桿力臂段和鏟斗當(dāng)量力臂段均為0.6和0.8以上的力臂段。如圖2所示,用短點(diǎn)線標(biāo)注動(dòng)臂力臂曲線的0.6e1和0.8e1力臂段(紅色),用虛線標(biāo)注斗桿力臂曲線的0.6e2和0.8e2力臂段(黃橙色),用點(diǎn)劃線標(biāo)注鏟斗當(dāng)量力臂曲線的0.6e3和0.8e3力臂段(紫色)。

1.1.3力臂系數(shù)配比方案

圖3所示的柱狀圖為一組全區(qū)域與7組力臂配比組的不同工作域挖掘點(diǎn)占比統(tǒng)計(jì)結(jié)果,其中X向表示工作裝置所在平面的前后方(X>0表示前方),Z向表示工作裝置所在平面的上下方(Z>0表示上方)。圖4a～圖4g為不同力臂配比方案的反鏟液壓挖掘機(jī)以圖4h所示的主挖區(qū)定義一、不可挖掘區(qū)、停機(jī)面上方作業(yè)區(qū)劃分的工作域示意圖,各部分占比見(jiàn)圖3。圖3中右側(cè)藍(lán)色數(shù)字為每組按照?qǐng)D4h所示的方法統(tǒng)計(jì)得到的全區(qū)域挖掘點(diǎn)總數(shù),圖3中左側(cè)及后文中出現(xiàn)的比例都是指動(dòng)臂、斗桿、鏟斗力臂系數(shù)之比。選定未考慮力臂系數(shù)影響的全區(qū)域作為參照組,選定3組力臂系數(shù)均為0.6的配比方案為對(duì)照組,后文中所提到的“相比”均是指與對(duì)照組相比。再考慮到3組力臂同時(shí)增大、鏟斗力臂單獨(dú)增大、斗桿力臂單獨(dú)增大、動(dòng)臂力臂單獨(dú)增大、鏟斗和動(dòng)臂力臂同時(shí)增大、斗桿和動(dòng)臂力臂同時(shí)增大以及鏟斗和斗桿力臂同時(shí)增大的7種情況為實(shí)驗(yàn)組,7種情況滿足實(shí)際中可能出現(xiàn)的挖掘作業(yè)方式所引起的力臂變化情況。

圖3 不同力臂配比方案各工作域占比統(tǒng)計(jì)圖

1.2 主挖區(qū)

1.2.1主挖區(qū)作業(yè)域面積

現(xiàn)有主挖區(qū)的定義包括多種書(shū)籍所提到的圖4h所示的主挖區(qū)定義二(以高度方向從地面以下0～0.75倍為最大挖掘深度和以水平方向從回轉(zhuǎn)中心向前0.25～0.8倍為最大挖掘半徑所定義的主挖區(qū)),以及圖4h所示的主挖區(qū)定義一[6](簡(jiǎn)單地以停機(jī)面向前到最大挖掘半徑、向下到最大挖掘深度處所定義的主挖區(qū))。定義一所定義的主挖區(qū)也是后文探討的主挖區(qū)。本文以滿足實(shí)際作業(yè)中更多是處于挖掘狀態(tài)的不同力臂系數(shù)配比方案來(lái)定義主挖區(qū)的作業(yè)域范圍,其指標(biāo)要求在作業(yè)域內(nèi)盡可能地使不可挖掘區(qū)面積最小,傳統(tǒng)主挖區(qū)定義二的區(qū)域面積最大,停機(jī)面上方作業(yè)域面積次之,并且在保證總的作業(yè)域面積減小量不大的情況下,使得本文以力臂配比方式所定義的主挖區(qū)挖掘力性能最佳,后文將對(duì)不同配比方案作業(yè)域內(nèi)的挖掘力性能進(jìn)行探討,首先探討其作業(yè)域面積和作業(yè)位置。

因力臂系數(shù)越大挖掘力越大,為兼顧挖掘力性能,表1列出了計(jì)算得到的圖4中不同配比方案組中最大力臂組合方式下的各區(qū)域作業(yè)域面積。結(jié)合圖3、圖4和表1綜合分析對(duì)比可得,增大動(dòng)臂力臂會(huì)提高主挖區(qū)的占比但會(huì)減小全區(qū)域作業(yè)域面積以及主挖區(qū)面積;單獨(dú)增大鏟斗力臂和斗桿力臂其主挖區(qū)占比和全區(qū)域作業(yè)面積變化不大,并且單獨(dú)增大斗桿力臂相比增大鏟斗力臂對(duì)主挖區(qū)占比和全區(qū)域作業(yè)面積的影響較大;同時(shí)增大鏟斗動(dòng)臂力臂、斗桿動(dòng)臂力臂和鏟斗斗桿力臂時(shí),主挖區(qū)占比最高的是同時(shí)增大斗桿動(dòng)臂力臂,但其全區(qū)域作業(yè)面積最小;全區(qū)域作業(yè)面積變化最小的是同時(shí)增大鏟斗斗桿力臂,但其主挖域占比卻不大。

表1 各力臂配比方案中最大力臂組作業(yè)域面積

1.2.2主挖區(qū)作業(yè)域位置

圖5～圖7為不同力臂配比方案工作裝置作業(yè)范圍對(duì)比圖,綜合對(duì)比可得:不同力臂配比方案的共性相較而言,都是對(duì)最大挖掘高度和最大卸載高度的影響較大,對(duì)其他作業(yè)范圍參數(shù)的影響不大;單獨(dú)增大鏟斗力臂,最大挖掘深度和最大挖掘高度不變,單獨(dú)增大斗桿力臂,最大挖深和最大垂直挖深不變,單獨(dú)增大動(dòng)臂力臂,最大挖掘半徑和停機(jī)面最大挖掘半徑不變,同時(shí)增大鏟斗動(dòng)臂力臂、斗桿動(dòng)臂力臂、鏟斗斗桿力臂其作業(yè)范圍參數(shù)均會(huì)改變。動(dòng)臂對(duì)其最大挖掘高度和最大卸載高度的影響最大,鏟斗和斗桿單獨(dú)增大力臂對(duì)作業(yè)范圍的影響不大,所以主挖區(qū)范圍的界定應(yīng)考慮增大動(dòng)臂力臂,從而減小挖掘高度以提高主挖區(qū)作業(yè)域面積占比。

圖5 所有力臂配比方案作業(yè)范圍對(duì)比圖

圖6 三組力臂同時(shí)增大作業(yè)范圍對(duì)比圖

(a)鏟斗力臂單獨(dú)增大 (b)斗桿力臂單獨(dú)增大 (c)動(dòng)臂力臂單獨(dú)增大

上述分析不同力臂系數(shù)配比方案作業(yè)域面積和作業(yè)范圍是為了找到挖掘機(jī)挖掘性能較優(yōu)的主挖區(qū),而非采用圖4h所示的兩種傳統(tǒng)方法定義的主挖區(qū),這樣定義的主挖區(qū)不利于衡量挖掘機(jī)主挖區(qū)性能,因?yàn)樗w了所有作業(yè)狀態(tài)而非是主要處于挖掘狀態(tài)下的挖掘性能,而且該主挖區(qū)未考慮停機(jī)面以上的挖掘作業(yè),實(shí)際中作業(yè)對(duì)象更多的是停機(jī)面前挖取物料作業(yè)和停機(jī)面以下的挖坑作業(yè)。所以不同主挖力臂的配比為主挖區(qū)定義提供依據(jù),而不同的作業(yè)域面積和作業(yè)范圍參數(shù)的研究將對(duì)定義主挖區(qū)提供一個(gè)指標(biāo)。接下來(lái)分析不同力臂配比方案作業(yè)域內(nèi)理論挖掘力大小和影響理論挖掘力發(fā)揮的限制因素情況,以此提供定義主挖區(qū)的另一個(gè)指標(biāo)。

2 力臂配比的鏟斗挖掘性能分析

為了研究并找出影響理論挖掘力發(fā)揮的限制因素,不同挖掘方式、挖掘點(diǎn)的理論挖掘力限制因素有何不同,以及在整個(gè)作業(yè)域內(nèi)挖掘力的限制因素有何分布規(guī)律,基于工作域圖譜分析法[6]求得給定挖掘點(diǎn)的理論挖掘力及其影響挖掘力發(fā)揮的限制因素,并將挖掘點(diǎn)取得足夠密以形成面域而均布整個(gè)作業(yè)域,統(tǒng)計(jì)各限制因素在工作域內(nèi)的占比,并繪制出挖掘力及其限制因素圖譜。

2.1 全區(qū)域鏟斗挖掘性能分析

圖8所示為基于鏟斗極限挖掘力模型和工作域圖譜分析法所求解的全區(qū)域,即力臂系數(shù)為1∶1∶1的鏟斗極限挖掘力及其限制因素的作業(yè)域圖譜,其具體挖掘力值和限制因素占比統(tǒng)計(jì)分別見(jiàn)表2和表3。

表2 不同力臂配比方案鏟斗極限挖掘力結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表3 不同力臂配比方案鏟斗極限挖掘力限制因素統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖8 全區(qū)域鏟斗極限挖掘力及其限制因素圖譜

分析可得該22 t反鏟液壓挖掘機(jī)在鏟斗缸充分發(fā)揮的所占區(qū)域內(nèi)挖掘力均有不錯(cuò)的表現(xiàn),其挖掘力值均大于126 kN,且鏟斗充分發(fā)揮比例為49.53%;在其他限制因素占比區(qū)域內(nèi)挖掘力相對(duì)較小。在斗桿缸大腔閉鎖的限制下挖掘力的性能較差。在整個(gè)工作域內(nèi)挖掘力平均值為121.14 kN,而傳統(tǒng)方法定義的主挖區(qū)內(nèi)平均挖掘力為127.14 kN,最大挖掘力為148.57 kN。所以該機(jī)型的全區(qū)域鏟斗極限挖掘力性能與傳統(tǒng)定義一的主挖區(qū)內(nèi)挖掘力性能較為相近,但靠近機(jī)身處和最大挖掘包絡(luò)邊界處鏟斗挖掘力較小,且在整個(gè)作業(yè)域內(nèi)該機(jī)型出現(xiàn)最大挖掘力的區(qū)域是在停機(jī)面以上的挖高作業(yè)區(qū)域,而非傳統(tǒng)意義上的主挖區(qū)內(nèi),即現(xiàn)有主挖區(qū)對(duì)挖掘性能最佳區(qū)域的表征不夠準(zhǔn)確。

2.2 不同力臂配比鏟斗挖掘性能分析

圖9為不同力臂配比方案鏟斗極限挖掘力工作域的挖掘力大小分布圖,其挖掘力大小統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2;圖10為不同力臂配比下影響挖掘力發(fā)揮的限制因素分布圖,其結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。對(duì)于方案A,其挖掘力分布規(guī)律、挖掘力限制因素分布規(guī)律與全區(qū)域情況較為相似,挖掘力性能最優(yōu)處也位于挖高區(qū)域內(nèi),只是挖掘力值有著相近比例的減小,挖掘力限制因素與全區(qū)域相比變化不大。對(duì)比方案A、B、C可得,隨著三組力臂系數(shù)的增大,鏟斗最大挖掘力和平均挖掘力均有增大,并且出現(xiàn)最大挖掘力的區(qū)域所在位置也隨之下降。對(duì)于限制因素,鏟斗缸充分發(fā)揮比例均有相應(yīng)幅度的增大,斗桿缸大腔閉鎖限制比例有所下降。

(a)方案A (b)方案B (c)方案C

(a)方案A (b)方案B (c)方案C

與對(duì)照組相比,方案D(即單獨(dú)增大鏟斗力臂)的挖掘力性能最佳區(qū)趨近于挖掘區(qū)域中部且挖掘力達(dá)到最大,挖掘性能最佳區(qū)為所形成的月牙狀區(qū)域。對(duì)于方案D限制因素,鏟斗缸充分發(fā)揮比例大幅降低,而斗桿缸大腔閉鎖限制比例大幅增大,其余限制比例變化不大。與對(duì)照組相比,方案E(即單獨(dú)增大斗桿力臂)的最大挖掘力幾乎不變,但其平均挖掘力有明顯增大。對(duì)于方案E限制因素,鏟斗缸充分發(fā)揮比例高達(dá)83.42%,斗桿缸大腔閉鎖限制比例也降至了最低的4.71%,只是動(dòng)臂缸小腔閉鎖限制比例增至10.78%。對(duì)于方案F(即單獨(dú)增大動(dòng)臂力臂),其最大挖掘力和平均挖掘力變化不大,其各項(xiàng)限制因素占比相比對(duì)照組也變化不大,只是挖掘性能最佳區(qū)域向著主挖區(qū)下移。

對(duì)于方案G(即同時(shí)增大鏟斗動(dòng)臂力臂),其最大挖掘力和平均挖掘力均有增大,其鏟斗缸充分發(fā)揮比例大幅降低,斗桿缸閉鎖限制比例有所增大。對(duì)于方案H(即同時(shí)增大動(dòng)臂斗桿力臂),其最大挖掘力幾乎不變,平均挖掘力有所增大,鏟斗缸充分發(fā)揮比例大幅增大,斗桿缸大腔閉鎖限制比例降低至7.41%。對(duì)于方案I(即同時(shí)增大鏟斗斗桿力臂),其最大挖掘力和平均挖掘力均有增大,且鏟斗缸充分發(fā)揮比例變化不大,斗桿缸閉鎖限制比例有所降低,而動(dòng)臂缸小腔閉鎖限制比例增大至10.40%。

上述分析可得,對(duì)于鏟斗挖掘方式,增大鏟斗力臂會(huì)使得其平均挖掘力和最大挖掘力有所增大,而增大動(dòng)臂和斗桿力臂對(duì)其最大挖掘力幾乎無(wú)影響,平均挖掘力有小幅增大。增大鏟斗力臂使得其鏟斗缸充分發(fā)揮比例大幅降低,而相應(yīng)的斗桿缸大腔閉鎖限制比例有所增大,挖掘力性能最佳區(qū)向挖掘圖譜中部移動(dòng)。同時(shí)增大鏟斗斗桿力臂時(shí),其最大挖掘力和平均挖掘力為方案組中最優(yōu),且鏟斗充分發(fā)揮比例影響很小,其閉鎖限制主要由斗桿缸大腔閉鎖限制和小部分動(dòng)臂缸小腔閉鎖限制組成。由此可見(jiàn)對(duì)于鏟斗挖掘方式應(yīng)增大鏟斗斗桿力臂,這樣其鏟斗缸充分發(fā)揮比例會(huì)較高,閉鎖限制比中液壓缸也參與其作業(yè),使得整體穩(wěn)定性較好,并且挖掘力有著不錯(cuò)的表現(xiàn),所以應(yīng)將0.6∶0.8∶0.8的力臂配比所形成的作業(yè)域作為鏟斗挖掘方式的主挖區(qū)。

3 力臂配比的斗桿挖掘性能分析

3.1 全區(qū)域斗桿挖掘性能分析

圖11所示為基于斗桿極限挖掘力模型和工作域圖譜分析法所求解得到的全區(qū)域,即力臂系數(shù)為1∶1∶1的斗桿極限挖掘力及其限制因素的作業(yè)域圖譜,其具體挖掘力值和限制因素占比統(tǒng)計(jì)分別見(jiàn)表4和表5。

表4 不同力臂配比方案斗桿極限挖掘力結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表5 不同力臂配比方案斗桿極限挖掘力限制因素統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖11 全區(qū)域斗桿極限挖掘力及其限制因素圖譜

分析可得該22 t反鏟液壓挖掘機(jī)的斗桿挖掘力性能最佳區(qū)域占比小于鏟斗挖掘力性能最佳區(qū)域。斗桿挖掘方式限制因素的斗桿缸充分發(fā)揮比例高達(dá)73.40%,動(dòng)臂缸小腔閉鎖限制占比較小集中在包絡(luò)區(qū)邊界挖坑作業(yè)區(qū),而整機(jī)后傾限制占比次之集中在包絡(luò)區(qū)邊界的挖高作業(yè)區(qū)。由挖掘力值圖譜可得,大部分斗桿缸充分發(fā)揮所在區(qū)域,挖掘力均有著不錯(cuò)的性能表現(xiàn)。斗桿挖掘方式主挖區(qū)的平均挖掘力要大于全區(qū)域的平均挖掘力,而全區(qū)域的最大挖掘力要大于主挖區(qū)的最大挖掘力。該挖掘力性能最佳區(qū)域?yàn)橹胁克纬傻脑卵罓顓^(qū)域,且挖掘力均大于120 kN。由此可見(jiàn),若以傳統(tǒng)方法定義主挖區(qū)則未能涵蓋斗桿挖掘性能最佳區(qū)。

3.2 不同力臂配比斗桿挖掘性能分析

圖12為不同力臂配比方案斗桿極限挖掘力工作域的挖掘力大小分布圖,其挖掘力大小統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4;圖13為不同力臂配比下影響挖掘力發(fā)揮的限制因素分布圖,其結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5。對(duì)于方案A,其挖掘力的分布規(guī)律與全區(qū)域的情況相似,只是挖掘性能最佳區(qū)域向挖高作業(yè)區(qū)域移動(dòng)。隨著力臂系數(shù)的增大,對(duì)于方案B、C,其最大挖掘力和平均挖掘力也隨之增大,全區(qū)域的最大挖掘力大于主挖區(qū)的的最大挖掘力,而主挖區(qū)的平均挖掘力大于全區(qū)域的平均挖掘力。對(duì)于限制因素,隨著力臂系數(shù)的增大,斗桿缸充分發(fā)揮比例也相應(yīng)增大,動(dòng)臂缸小腔閉鎖限制比例隨之減小,而整機(jī)后傾限制比例變化不大。

(a)方案A (b)方案B (c)方案C

(a)方案A (b)方案B (c)方案C

對(duì)于方案D(即只增大鏟斗力臂),其最大挖掘力和平均挖掘力幾乎不變并且分布規(guī)律也與對(duì)照組相近。且與對(duì)照組相比,斗桿缸充分發(fā)揮比例略有增大,動(dòng)臂缸小腔閉鎖限制比例些許減小。對(duì)于方案E(即只增大斗桿力臂),其最大挖掘力和平均挖掘力顯著增大,相比對(duì)照組最大挖掘力增大了28.83%,其限制因素斗桿缸充分發(fā)揮比例有明顯降低,動(dòng)臂缸小腔閉鎖限制比例明顯增大,此時(shí)會(huì)出現(xiàn)斗桿缸大腔閉鎖,但占比很小。對(duì)于方案F(即只增大動(dòng)臂力臂),其最大挖掘力和平均挖掘力均未有變化,而其斗桿缸充分發(fā)揮占比高達(dá)97.45%,整機(jī)后傾限制比例很小,可見(jiàn)增大動(dòng)臂力臂會(huì)顯著增大其斗桿缸充分發(fā)揮占比。

對(duì)于方案G(即同時(shí)增大鏟斗動(dòng)臂力臂),其最大挖掘力反而略有減小,平均挖掘力幾乎不變,而其限制因素的斗桿缸充分發(fā)揮占比達(dá)到所有方案組中的最大,整機(jī)后傾限制占比很小。對(duì)于方案H(即同時(shí)增大動(dòng)臂斗桿力臂),其最大挖掘力和平均挖掘力有顯著增大,且平均挖掘力為全區(qū)域和主挖區(qū)的最佳,其限制因素的斗桿缸充分發(fā)揮占比和動(dòng)臂缸小腔閉鎖限制占比略有降低,鏟斗缸大腔閉鎖限制占比有些許增大。對(duì)于方案I(即同時(shí)增大鏟斗斗桿力臂),其最大挖掘力達(dá)到了所有方案組中的最大,平均挖掘力也接近最大,其限制因素的斗桿缸充分發(fā)揮占比降至最低的75.54%,動(dòng)臂缸小腔閉鎖限制占比增大至24.46%。

上述分析可得,對(duì)于斗桿挖掘方式,增大其鏟斗力臂對(duì)其挖掘力無(wú)影響,但會(huì)使得斗桿缸充分發(fā)揮比例有所增大;增大動(dòng)臂力臂會(huì)使得最大挖掘力略有減小,同樣會(huì)使得斗桿缸充分發(fā)揮比例大幅增大,進(jìn)而發(fā)動(dòng)機(jī)功率增大,但未能增大其挖掘力。單獨(dú)增大斗桿力臂會(huì)使得其挖掘力增大,而充分發(fā)揮比例占比減小。對(duì)于同時(shí)增大動(dòng)臂斗桿力臂和鏟斗斗桿力臂,二者具有相似的作用,相較而言在最大挖掘力和平均挖掘力相近的情況下,增大動(dòng)臂斗桿力臂會(huì)使得斗桿缸充分發(fā)揮比例增大。所以,在全區(qū)域和主挖區(qū)最大挖掘力和平均挖掘力相近的提前下,只增大斗桿力臂其充分發(fā)揮占比最小,相應(yīng)的鏟斗缸大腔閉鎖和動(dòng)臂缸小腔閉鎖均會(huì)參與作業(yè)。結(jié)合表1中各作業(yè)區(qū)面積可得,對(duì)于斗桿挖掘方式,應(yīng)只增大斗桿力臂而減小鏟斗和動(dòng)臂力臂,從而使得在主挖區(qū)具有較大面積的條件下,挖掘力性能達(dá)到最佳,即將0.6∶0.8∶0.6的力臂配比所形成的作業(yè)域作為斗桿挖掘方式的主挖區(qū)。

4 力臂配比的復(fù)合挖掘性能分析

4.1 全區(qū)域復(fù)合挖掘性能分析

圖14所示為基于極限復(fù)合挖掘力模型和工作域圖譜分析法所求解得到的全區(qū)域,即力臂系數(shù)為1∶1∶1的極限復(fù)合挖掘力和其限制因素的作業(yè)域圖譜,其具體挖掘力值和限制因素占比統(tǒng)計(jì)分別見(jiàn)表6和表7。

表6 不同力臂配比方案極限復(fù)合挖掘力結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表7 不同力臂配比方案極限復(fù)合挖掘力限制因素統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖14 全區(qū)域極限復(fù)合挖掘力及其限制因素圖譜

分析可得該22 t反鏟液壓挖掘機(jī)復(fù)合挖掘力性能明顯要優(yōu)于單缸挖掘的鏟斗和斗桿的挖掘力性能,其全區(qū)域和主挖區(qū)的最大挖掘力和平均挖掘力均要優(yōu)于單缸挖掘方式,并且挖掘力限制因素也比較均衡,各工作液壓缸均需參與作業(yè),且斗桿缸充分發(fā)揮比例大于鏟斗缸充分發(fā)揮比例。整體而言,挖掘力較大區(qū)域大部分主要由鏟斗缸充分發(fā)揮、斗桿缸充分發(fā)揮和少部分的地面附著性所限制。挖掘力圖譜挖掘性能的最佳區(qū)為主挖區(qū)的橢圓狀挖坑作業(yè)區(qū)域,該區(qū)域的挖掘力均大于176 kN,所以其主挖區(qū)的界定更多要考慮挖坑作業(yè)工況。

4.2 不同力臂配比復(fù)合挖掘性能分析

圖15為不同力臂配比方案極限復(fù)合挖掘力工作域的挖掘力大小分布圖,其挖掘力大小統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表6;圖16為不同力臂配比影響挖掘力發(fā)揮的限制因素分布圖,其結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表7。對(duì)于方案A,其復(fù)合挖掘力相比全區(qū)域的分布規(guī)律有所差異,其挖掘力較大區(qū)域集中在靠近包絡(luò)區(qū)邊界所形成的月牙狀區(qū),該部分區(qū)域?qū)?yīng)的限制因素為鏟斗缸充分發(fā)揮所形成的月牙狀區(qū)域。隨著力臂系數(shù)的增大,對(duì)于方案B、C,其最大挖掘力和平均挖掘力也隨之增大,挖掘力性能最佳區(qū)域逐步向挖坑作業(yè)包絡(luò)邊界處下移,其限制因素占比變化均不大。

(a)方案A (b)方案B (c)方案C

(a)方案A (b)方案B (c)方案C

對(duì)于方案D(即只增大鏟斗力臂),其最大挖掘力有明顯增大,而平均挖掘力增幅不大,并且挖掘力性能最佳區(qū)略有上移;其限制因素的鏟斗缸充分發(fā)揮占比降至最低6.31%,而斗桿缸充分發(fā)揮比占比增至最大80.55%,其余限制占比變化不大。對(duì)于方案E(即只增大斗桿力臂),其最大挖掘力未有明顯變化,而平均挖掘力有顯著增大,并且挖掘力性能最佳區(qū)域所占的面積比例有所增大?？梢?jiàn),增大鏟斗力臂主要會(huì)使得最大挖掘力增大,增大斗桿力臂會(huì)使得平均挖掘力增大,且鏟斗缸充分發(fā)揮占比會(huì)顯著增大,斗桿缸充分發(fā)揮占比會(huì)大幅降低,其余限制比變化很小,并且在鏟斗缸充分發(fā)揮比所在區(qū)為挖掘力性能最佳區(qū)域。對(duì)于方案F(即只增大動(dòng)臂力臂),其最大挖掘力幾乎未變,平均挖掘力有些許增大,挖掘力性能最佳區(qū)域面積有所增大;其限制因素的鏟斗缸充分發(fā)揮占比有所增大,斗桿缸充分發(fā)揮占比有所減小,挖掘力性能最佳區(qū)對(duì)應(yīng)于鏟斗缸充分發(fā)揮所在區(qū)。

對(duì)于方案G(即同時(shí)增大鏟斗動(dòng)臂力臂),其最大挖掘力和平均挖掘力均有明顯增大,其限制因素的鏟斗缸充分發(fā)揮占比降至12.66%,斗桿缸充分發(fā)揮占比增大至69.96%,此時(shí)動(dòng)臂缸大腔閉鎖限制占比增至12.10%。對(duì)于方案H(即同時(shí)增大動(dòng)臂斗桿力臂),其最大挖掘力幾乎不變,而平均挖掘力有大幅增大;其限制因素的鏟斗缸充分發(fā)揮占比達(dá)到最大61.43%,斗桿缸充分發(fā)揮占比也降至最低的32.29%,并且鏟斗缸充分發(fā)揮所在區(qū)為挖掘力性能最佳區(qū)。對(duì)于方案I(即同時(shí)增大鏟斗斗桿力臂),其最大挖掘力和平均挖掘力均有不錯(cuò)的性能表現(xiàn),分別略小于同時(shí)增大三組力臂的方案C對(duì)應(yīng)的最大挖掘力和平均挖掘力;其限制因素的鏟斗缸充分發(fā)揮占比17.81%,斗桿缸充分發(fā)揮占比71.42%,與方案C相比,二者之和略大。當(dāng)二者之和越小且發(fā)揮挖掘力越大時(shí),可有效地節(jié)約發(fā)動(dòng)機(jī)有用功率。

上述分析可得,對(duì)于復(fù)合挖掘方式,增大鏟斗力臂使得最大挖掘力和平均挖掘力有所增大;增大斗桿力臂對(duì)最大挖掘力無(wú)影響,但平均挖掘力有所增大,即最佳挖掘性能區(qū)面積增大。二者相比,增大斗桿力臂對(duì)其鏟斗缸發(fā)揮占比影響較大,增大鏟斗力臂對(duì)其斗桿缸發(fā)揮占比影響很小。所以,斗桿缸力臂對(duì)其平均挖掘力和鏟斗缸發(fā)揮占比影響較大;鏟斗缸力臂對(duì)其最大挖掘力影響較大。對(duì)于作業(yè)域面積的減小,停機(jī)面上方增大鏟斗缸力臂對(duì)其影響較大;而停機(jī)面下方增大斗桿缸力臂對(duì)其影響較大。所以,同時(shí)增大鏟斗斗桿力臂、減小動(dòng)臂力臂會(huì)使得在作業(yè)域面積損失不大的情況下,最大挖掘力和平均挖掘力均有不錯(cuò)的性能表現(xiàn),所以將力臂系數(shù)之比為0.6∶0.8∶0.8所形成的作業(yè)域作為復(fù)合挖掘方式最佳的主挖區(qū)。

綜上所述,綜合分析各配比方案的挖掘力圖譜和影響挖掘力發(fā)揮的限制因素圖譜可得,若考慮優(yōu)化動(dòng)臂、斗桿和鏟斗的最大力臂匹配時(shí):對(duì)鏟斗挖掘方式和復(fù)合挖掘方式應(yīng)減小動(dòng)臂力臂,同時(shí)增大鏟斗和斗桿力臂,有利于在作業(yè)域面積尤其是傳統(tǒng)主挖區(qū)面積損失不大的情況下,增大其作業(yè)域內(nèi)最大挖掘力和平均挖掘力,并且有利于主動(dòng)作業(yè)液壓缸的有效充分發(fā)揮與其余閉鎖限制占比的均衡參與;對(duì)于斗桿挖掘方式,只需考慮在保持鏟斗和動(dòng)臂力臂不變,單獨(dú)增大斗桿力臂即在作業(yè)域面積損失不大的情況下,增大其作業(yè)域內(nèi)最大挖掘力和平均挖掘力,并且斗桿缸充分發(fā)揮比例還有所降低,有利于液壓系統(tǒng)功率的有效節(jié)能。

5 結(jié)論

(1)對(duì)于鏟斗挖掘方式,增大動(dòng)臂或斗桿力臂對(duì)其挖掘力影響很小,但后者會(huì)使得鏟斗缸發(fā)揮比例大幅提高。增大鏟斗力臂會(huì)使得最大挖掘力和平均挖掘力均有明顯增大。所以,將減小動(dòng)臂力臂、增大鏟斗和斗桿力臂的0.6∶0.8∶0.8力臂系數(shù)配比所形成的作業(yè)域作為鏟斗主挖區(qū)。該區(qū)域不僅保證挖掘力大小,而且三組液壓缸系統(tǒng)有著合理分配利用。

(2)對(duì)于斗桿挖掘方式,增大鏟斗力臂對(duì)挖掘力影響很小,增大動(dòng)臂力臂會(huì)使得挖掘力略有減小,但斗桿缸發(fā)揮比例卻很高。同時(shí)增大動(dòng)臂斗桿力臂和鏟斗斗桿力臂,與只增大斗桿力臂相比,后者斗桿缸發(fā)揮比例更小,且挖掘力相近情況下作業(yè)域面積較大。所以,將只增大斗桿力臂的0.6∶0.8∶0.6力臂系數(shù)配比所形成的作業(yè)域作為斗桿主挖區(qū)。該區(qū)域在發(fā)揮同樣挖掘力的情況下,有利于降低液壓系統(tǒng)能耗。

(3)對(duì)于復(fù)合挖掘方式,增大鏟斗力臂有利于增大最大挖掘力,增大斗桿力臂有利于增大平均挖掘力。增大某作業(yè)缸力臂會(huì)使得其充分發(fā)揮比例降低,而另一作業(yè)缸充分發(fā)揮比例增大。增大動(dòng)臂力臂會(huì)增大鏟斗缸發(fā)揮比例而降低斗桿缸發(fā)揮比例。所以,將減小動(dòng)臂力臂而增大鏟斗和斗桿力臂的0.6∶0.8∶0.8力臂系數(shù)配比所形成的作業(yè)域作為復(fù)合挖掘主挖區(qū)。該區(qū)域斗桿缸發(fā)揮比大于鏟斗缸發(fā)揮比例,有利于當(dāng)繼續(xù)增大鏟斗缸發(fā)揮比例時(shí)發(fā)揮出更大的挖掘力。