彭 博 劉 健 鐘 穎 劉祥彪 李春雷

（恒天九五重工有限公司，長(zhǎng)沙 410100）

在挖掘機(jī)的性能參數(shù)中，挖掘力是很重要的參數(shù)，代表著挖掘機(jī)作業(yè)時(shí)的挖掘能力[1]。關(guān)于挖掘機(jī)挖掘力的計(jì)算，目前缺少對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)闡述的資料，而且在挖掘機(jī)教材書(shū)籍中也僅給出了計(jì)算公式[2]。對(duì)于鏟斗挖掘力來(lái)說(shuō)，其計(jì)算方式很復(fù)雜，無(wú)法用代數(shù)解析的方法求解最大值。常用的計(jì)算方法有分段插值法和編程法。前者屬于數(shù)值計(jì)算方法，計(jì)算過(guò)程非常煩瑣，后者對(duì)編程能力及計(jì)算軟件的使用能力要求較高[3]。然而，用Pro/E三維軟件實(shí)現(xiàn)上述計(jì)算，可省去解三角形、編程等煩瑣的過(guò)程，僅利用三維軟件本身強(qiáng)大的計(jì)算功能就能實(shí)現(xiàn)。

1 鏟斗挖掘力計(jì)算方式

本文涉及的鏟斗挖掘力僅為挖掘機(jī)工作裝置六連桿機(jī)構(gòu)對(duì)鏟斗油缸推動(dòng)力的傳導(dǎo)，不考慮效率、質(zhì)量、穩(wěn)定性等因素。挖掘機(jī)工作裝置反鏟斗六連桿機(jī)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中，F(xiàn)為鏟斗挖掘力，計(jì)算公式為：

式中：h1、h2、h3、r為力臂值；F0為油缸推動(dòng)力；p為鏟斗油缸額定壓力；D為鏟斗油缸缸徑。

在鏟斗油缸活塞桿向外伸出的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，h1、h2、h3隨著活塞行程的變化而變化，r、p、D是定值，在運(yùn)動(dòng)中保持不變。若h1、h2、h3用代數(shù)解析法求解，過(guò)程非常煩瑣，必須借助編程計(jì)算軟件（如MATLAB）才能計(jì)算出結(jié)果[4-5]。

2 基于Pro/E三維軟件計(jì)算鏟斗挖掘力

2.1 參數(shù)化建模

構(gòu)成挖掘機(jī)反鏟工作裝置六連桿機(jī)構(gòu)的部件有斗桿、鏟斗、連桿、搖臂、鏟斗油缸缸筒（以下簡(jiǎn)稱缸筒）以及鏟斗油缸活塞桿（以下簡(jiǎn)稱活塞桿）。本次建模過(guò)程中，選擇在Pro/E軟件中構(gòu)建這6個(gè)構(gòu)件的三維模型，如圖2所示。

2.2 構(gòu)件連接

首先，新建一組件（Assembly），并調(diào)入斗桿模型，選擇約束類型為“缺?。―efault）”；其次，依次調(diào)入缸筒、活塞桿、搖臂、連桿和鏟斗的模型，并在各構(gòu)件之間建立連接關(guān)系（Connection），即缸筒與斗桿、鏟斗與斗桿、搖臂與斗桿、連桿與鏟斗之間用銷釘連接，連桿與活塞桿用圓柱連接，活塞桿與缸筒用滑動(dòng)桿連接；最后，設(shè)置油缸的最短長(zhǎng)度與最長(zhǎng)長(zhǎng)度，并將原始位置設(shè)置為最短長(zhǎng)度位置。連接后的六連桿機(jī)構(gòu)如圖2所示。

2.3 設(shè)置參數(shù)關(guān)系式

依次點(diǎn)擊菜單命令“工具（Tools）”“關(guān)系（Relations）”，然后在文本框中輸入關(guān)系式“D=80、P=24.5、F0=P/4”。此處以缸徑80 mm、額定壓強(qiáng)P=24.5 MPa為例，參數(shù)關(guān)系式設(shè)置如圖3所示。設(shè)好后點(diǎn)擊“確定”退出。

2.4 設(shè)置原動(dòng)力定義

首先進(jìn)入機(jī)構(gòu)模塊，并依次在菜單命令中選擇“應(yīng)用程序（Applications）”“機(jī)構(gòu)（Mechanism）”，然后開(kāi)始原動(dòng)力（Motor）設(shè)置。在這一過(guò)程中，要注意的是漢化版的軟件將Motor譯為伺服電動(dòng)機(jī)，其實(shí)際意義應(yīng)為原動(dòng)力或運(yùn)動(dòng)源。其次，依次在菜單命令中選擇“插入（Insert）”“伺服電動(dòng)機(jī)（Servo Motors）”，再進(jìn)入伺服電動(dòng)機(jī)定義（Servo Motor Definition）對(duì)話框中，并在名稱（Name）文本框中將名稱改為“Slide_Cylinde”，“類型（Type）”選擇“幾何（Geometry）”，然后依次點(diǎn)選活塞桿與缸筒軸孔基準(zhǔn)平面，如圖4所示。最后，點(diǎn)擊“輪廓（Profile）”，在“規(guī)范（Specification）”下拉選框中選取“速度（Velocity）”，在“模（Magnitude）”下拉選框中默認(rèn)選取“常數(shù)（Constant）”，在“A”數(shù)值輸入框中輸入“73”（這一數(shù)值為鏟斗油缸行程的十分之一），如圖5所示。設(shè)好后點(diǎn)擊“確定”退出。

2.5 設(shè)置分析定義

依次在菜單命令中選擇“分析（Analysis）”“機(jī)構(gòu)分析（Mechanism Analysis）”命令，進(jìn)入分析定義（Analysis Definition）對(duì)話框，然后在名稱（Name）文本框中將名稱改為“Digging_Force”，其他設(shè)置選擇默認(rèn)即可，如圖6所示。設(shè)置完成后先點(diǎn)擊“運(yùn)行”，再點(diǎn)擊“確定”退出。

2.6 設(shè)置測(cè)量定義

2.6.1 設(shè)置兩點(diǎn)之間距離測(cè)量定義

依次在菜單命令中選擇“分析（Analysis）”“測(cè)量（Measures）”命令，進(jìn)入測(cè)量結(jié)果（Measures Results）對(duì)話框，然后選擇“創(chuàng)建新測(cè)量（Create New Measure）”命令，再在名稱（Name）文本框中將名稱改為“AB”，表示測(cè)量AB兩點(diǎn)間的距離，然后在“類型（Type）”下拉菜單中選擇“分離（Sepration）”，再分別選取A點(diǎn)與B點(diǎn)，如圖7所示，最后點(diǎn)擊“確定”退出。其他7個(gè)兩點(diǎn)距離測(cè)量定義（AC、BC、BD、BE、CD、DE、ER）的建立方式與此相同。

2.6.2 設(shè)置力臂測(cè)量定義

在測(cè)量結(jié)果（Measures Results）對(duì)話框中選擇“創(chuàng)建新測(cè)量（Create New Measure）”，然后在名稱（Name）文本框中將名稱改為“h1”，再在“類型（Type）”下拉菜單中選取“用戶定義的（User Defined）”，并在“量（Quantity）”下拉菜單中選取“長(zhǎng)度（Length）”，然后在文本框中輸入h1的計(jì)算式，如圖8所示，最后點(diǎn)擊“確定”退出。其他2個(gè)力臂測(cè)量定義（h2、h3）的建立方式與此相同。

2.6.3 設(shè)置挖掘力測(cè)量定義

在“測(cè)量結(jié)果（Measures Results）”對(duì)話框中選擇“創(chuàng)建新測(cè)量（Create New Measure）”，然后在名稱（Name）文本框中將名稱改為“Result_F”，再在“類型（Type）”下拉菜單中選取“用戶定義的（User Defined）”，并在“量（Quantity）”下拉菜單中選取“力（Force）”，然后在文本框中輸入F的計(jì)算式，如圖9所示，最后點(diǎn)擊“確定”退出。建立挖掘力最大值測(cè)量定義時(shí)，可復(fù)制“Result_F”的測(cè)量定義，只需將名稱改為“Result_Fmax”，然后在“評(píng)估方法（Evaluation method）”下拉菜單中選取“最大值”，如圖10所示，最后點(diǎn)擊“確定”退出即可。

2.7 結(jié)果輸出

在“測(cè)量結(jié)果”對(duì)話框中設(shè)置完各項(xiàng)測(cè)量定義后，需要在“圖形類型（Graph Type）”下拉菜單中選取“測(cè)量對(duì)測(cè)量（Measure vs. Measure）”，并在“測(cè)量X軸（Measure for X Axis）”下拉菜單中選取選取“AB”，再同時(shí)選取“Result_F”與“Digging_Force”，此時(shí)左上角的圖形輸出圖標(biāo)亮顯，如圖11所示。點(diǎn)擊圖形輸出圖標(biāo)，結(jié)果如圖12所示。圖12中，橫坐標(biāo)是油缸長(zhǎng)度，縱坐標(biāo)是挖掘力，將鼠標(biāo)的光標(biāo)停留在曲線上任一點(diǎn)，即可顯現(xiàn)出對(duì)應(yīng)的兩坐標(biāo)值。

3 結(jié)語(yǔ)

上述計(jì)算方法建立在三維建?；A(chǔ)之上，在三維模型中修改六連桿機(jī)構(gòu)的鉸點(diǎn)位置、油缸缸徑、額定壓力等參數(shù)非常方便，且修改參數(shù)后重新運(yùn)行即可得到新的結(jié)果。相關(guān)技術(shù)人員只需熟悉掌握三維設(shè)計(jì)軟件，就能實(shí)現(xiàn)挖掘力計(jì)算與三維模型設(shè)計(jì)的無(wú)縫銜接，從而方便快捷地得出結(jié)果。