李佳豪 任志貴,2 龐曉平 王軍利,2 曹書生 俞松松

1.陜西理工大學(xué)機械工程學(xué)院,漢中,723001

2.陜西省工業(yè)自動化重點實驗室,漢中,723001

3.重慶大學(xué)機械與運載工程學(xué)院,重慶,400030

4.廣西柳工機械股份有限公司,柳州,545000

0 引言

液壓挖掘機廣泛應(yīng)用在工程界各個領(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),而挖掘性能評判是衡量一臺挖掘機設(shè)計優(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)出用于評價和分析挖掘機的最佳挖掘性能區(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)。通過引入力臂系數(shù)來分析三組液壓缸處于主挖力臂段和主要挖掘狀態(tài)時的作業(yè)區(qū)域和挖掘機所表現(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工作裝置運動學(xué)模型獲得了整個作業(yè)空間,并從各種設(shè)計方案中選擇出最佳作業(yè)空間。在理論挖掘力的研究中,筆者團隊提出了以挖掘點為對象反求挖掘姿態(tài)的理論挖掘力計算方法[2]。筆者團隊又基于實測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去才能計算得出復(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代替最大理論挖掘力的缺點。為此本課題組又提出了基于凸多面體的液壓挖掘機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穩(wěn)定性的鏟斗挖掘能力與液壓缸驅(qū)動能力的動態(tài)關(guān)系,給出了挖掘能力多面體和多邊形評價體系指標(biāo);后者避免了圖譜疊加法存在的以某姿態(tài)表示挖掘點最大挖掘力的不足。此外,范沁紅等[13]研究了挖掘機工作機構(gòu)尺寸變化對挖掘范圍及作業(yè)性能指標(biāo)的影響規(guī)律。PALOMBA等[14]提出基于狀態(tài)估計的方法來確定挖掘過程中土壤與鏟斗之間交換的力以及鏟斗所累計土壤的載荷。EDWARDS等[15]首次嘗試通過考慮由旋轉(zhuǎn)自由懸掛的負載引起的動態(tài)力變化來準(zhǔn)確模擬挖掘機的穩(wěn)定性,其結(jié)果將作用于改變負載質(zhì)量、泵的幾何形狀和轉(zhuǎn)速,以預(yù)測各種操作條件下挖掘機的穩(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)動態(tài)參數(shù)估計新方法。CHEN等[17]基于離散元-多體動力學(xué)的耦合對土-刀具相互作用模型進行標(biāo)定,以此模擬動態(tài)仿真載荷并搭建了硬件閉環(huán)試驗臺。畢秋實等[18]基于離散元-多體動力學(xué)聯(lián)合仿真方法對挖掘阻力數(shù)值進行模擬以預(yù)測挖掘阻力大小,該模型所計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]研究了刀具鈍化對中低強度巖石的各種機械挖掘機挖掘性能的影響情況。近年來也有挖掘機工作裝置機構(gòu)構(gòu)型的改進[20]和結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化[21]的相關(guān)研究報道。

本文從挖掘性能入手,為了得到用于評價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)機構(gòu)傳動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力臂的計算及其系數(shù)的定義

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

各自機構(gòu)實時力臂求解的表達式如下:

(1)

eQi=LQLsin∠QLK

其中,i為液壓缸伸縮時所處的實時位置;LFC、LDH、LEK分別為動臂液壓缸、斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸的長度,實測中由位移傳感器測得液壓缸長度。式(1)中機構(gòu)間的幾何夾角因機構(gòu)運動而不便測量,可將其轉(zhuǎn)換為與之關(guān)聯(lián)且分別由角度傳感器測得的動臂轉(zhuǎn)動夾角θ2、斗桿轉(zhuǎn)角θ3和鏟斗轉(zhuǎn)角θ4。因此,如若測得液壓缸實時位置和機構(gòu)轉(zhuǎn)角即可求解實時力臂大小。具體力臂求解公式與機構(gòu)轉(zhuǎn)角關(guān)聯(lián)的表達式及推導(dǎo)過程見文獻[6]。

為了研究不同力臂配比對主挖區(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,可定義為挖掘機在某時刻挖掘姿態(tài)下,工作裝置各機構(gòu)液壓缸對其轉(zhuǎn)動鉸點的力臂eji與其最大力臂ejmax之比,具體表達式如下:

kj=eji/ejmaxj=1,2,3

(2)

其中,k1、k2、k3分別為動臂缸力臂系數(shù)、斗桿缸力臂系數(shù)和鏟斗缸當(dāng)量力臂系數(shù)(后文簡稱為動臂、斗桿和鏟斗力臂系數(shù))。由于機構(gòu)最大力臂可由工作裝置幾何參數(shù)計算得出,因此,當(dāng)給定力臂系數(shù)時便可計算出實時力臂大小。k1、k2、k3均取1時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)對挖掘性能的影響時,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反鏟液壓挖掘機工作裝置動臂機構(gòu)、斗桿機構(gòu)和鏟斗機構(gòu)的力臂曲線和各機構(gòu)傳動比曲線。分析可得:鏟斗機構(gòu)的最大傳動比最大,且依次大于斗桿機構(gòu)最大傳動比和動臂機構(gòu)最大傳動比。三者力臂相較而言,斗桿機構(gòu)的最大力臂最大,且依次大于動臂最大力臂和鏟斗最大當(dāng)量力臂?？梢婋m然鏟斗機構(gòu)傳動比較大,但其主動液壓缸產(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)是四桿機構(gòu)的最大傳動比要大于六連桿機構(gòu)的最大傳動比。三者機構(gòu)的傳動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的過程,各自力臂值大小均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢且呈山谷狀。不同區(qū)別在于鏟斗的當(dāng)量力臂曲線和傳動比曲線的遞增段占比較少,遞減段占比更多,而動臂和斗桿的力臂和傳動比曲線近似關(guān)于最大力臂和最大傳動比呈對稱分布。單獨分析每一個機構(gòu)傳動比和力臂的變化趨勢可得,傳動比越大,力臂越大,在傳動比達到最大時,相應(yīng)的力臂也達到最大。

圖2 某22 t液壓挖掘機工作裝置各機構(gòu)力臂及傳動比

因挖掘性能的評價應(yīng)該是主要評價處于挖掘狀態(tài)時的性能,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。又因為各液壓缸所發(fā)揮的工作推力分別作用于各自轉(zhuǎn)動鉸點,且對各鉸點的力臂和力矩是不一樣的,從而合成到鏟斗齒尖切削刃J點的挖掘力是不一樣的。為反映更貼近真實作業(yè)中處于挖掘狀態(tài)時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)在整個挖掘軌跡作業(yè)中占比較大;④機構(gòu)的傳動比也應(yīng)處于較大階段;⑤處于力臂曲線和傳動比曲線斜率較大的階段可以保證液壓缸主動作用力得以充分發(fā)揮從而可提高發(fā)動機的有用功率;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個因素,并在滿足上述要求的基礎(chǔ)上選定動臂力臂段、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,用短點線標(biāo)注動臂力臂曲線的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占比統(tǒng)計結(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以圖4h所示的主挖區(qū)定義一、不可挖掘區(qū)、停機面上方作業(yè)區(qū)劃分的工作域示意圖,各部分占比見圖3。圖3中右側(cè)藍色數(shù)字為每組按照圖4h所示的方法統(tǒng)計得到的全區(qū)域挖掘點總數(shù),圖3中左側(cè)及后文中出現(xiàn)的比例都是指動臂、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的配比方案為對照組,后文中所提到的“相比”均是指與對照組相比。再考慮到3組力臂同時增大、鏟斗力臂單獨增大、斗桿力臂單獨增大、動臂力臂單獨增大、鏟斗和動臂力臂同時增大、斗桿和動臂力臂同時增大以及鏟斗和斗桿力臂同時增大的7種情況為實驗組,7種情況滿足實際中可能出現(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](簡單地以停機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,后文將對不同配比方案作業(yè)域內(nèi)的挖掘力性能進行探討,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綜合分析對比可得,增大動臂力臂會提高主挖區(qū)的占比但會減小全區(qū)域作業(yè)域面積以及主挖區(qū)面積;單獨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,并且單獨增大斗桿力臂相比增大鏟斗力臂對主挖區(qū)占比和全區(qū)域作業(yè)面積的影響較大;同時增大鏟斗動臂力臂、斗桿動臂力臂和鏟斗斗桿力臂時,主挖區(qū)占比最高的是同時增大斗桿動臂力臂,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)范圍對比圖,綜合對比可得:不同力臂配比方案的共性相較而言,都是對最大挖掘高度和最大卸載高度的影響較大,對其他作業(yè)范圍參數(shù)的影響不大;單獨增大鏟斗力臂,最大挖掘深度和最大挖掘高度不變,單獨增大斗桿力臂,最大挖深和最大垂直挖深不變,單獨增大動臂力臂,最大挖掘半徑和停機面最大挖掘半徑不變,同時增大鏟斗動臂力臂、斗桿動臂力臂、鏟斗斗桿力臂其作業(yè)范圍參數(shù)均會改變。動臂對其最大挖掘高度和最大卸載高度的影響最大,鏟斗和斗桿單獨增大力臂對作業(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)范圍對比圖

圖6 三組力臂同時增大作業(yè)范圍對比圖

(a)鏟斗力臂單獨增大 (b)斗桿力臂單獨增大 (c)動臂力臂單獨增大

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)不利于衡量挖掘機主挖區(qū)性能,因為它涵蓋了所有作業(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)未考慮停機面以上的挖掘作業(yè),實際中作業(yè)對象更多的是停機面前挖取物料作業(yè)和停機面以下的挖坑作業(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)的研究將對定義主挖區(qū)提供一個指標(biāo)。接下來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、挖掘點的理論挖掘力限制因素有何不同,以及在整個作業(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,并將挖掘點取得足夠密以形成面域而均布整個作業(yè)域,統(tǒng)計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)計分別見表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

表3 不同力臂配比方案鏟斗極限挖掘力限制因素統(tǒng)計結(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反鏟液壓挖掘機在鏟斗缸充分發(fā)揮的所占區(qū)域內(nèi)挖掘力均有不錯的表現(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,但靠近機身處和最大挖掘包絡(luò)邊界處鏟斗挖掘力較小,且在整個作業(yè)域內(nèi)該機型出現(xiàn)最大挖掘力的區(qū)域是在停機面以上的挖高作業(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)計結(jié)果見表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)計見表3。對于方案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

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

對于方案G(即同時增大鏟斗動臂力臂),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。對于方案H(即同時增大動臂斗桿力臂),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%。對于方案I(即同時增大鏟斗斗桿力臂),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,而動臂缸小腔閉鎖限制比例增大至10.40%。

上述分析可得,對于鏟斗挖掘方式,增大鏟斗力臂會使得其平均挖掘力和最大挖掘力有所增大,而增大動臂和斗桿力臂對其最大挖掘力幾乎無影響,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。同時增大鏟斗斗桿力臂時,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臂缸小腔閉鎖限制組成。由此可見對于鏟斗挖掘方式應(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)計分別見表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

表5 不同力臂配比方案斗桿極限挖掘力限制因素統(tǒng)計結(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73.40%,動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)域為中部所形成的月牙狀區(qū)域,且挖掘力均大于120 kN。由此可見,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)計結(jié)果見表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)計見表5。對于方案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。隨著力臂系數(shù)的增大,對于方案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,動臂缸小腔閉鎖限制比例隨之減小,而整機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)律也與對照組相近。且與對照組相比,斗桿缸充分發(fā)揮比例略有增大,動臂缸小腔閉鎖限制比例些許減小。對于方案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,動臂缸小腔閉鎖限制比例明顯增大,此時會出現(xiàn)斗桿缸大腔閉鎖,但占比很小。對于方案F(即只增大動臂力臂),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97.45%,整機后傾限制比例很小,可見增大動臂力臂會顯著增大其斗桿缸充分發(fā)揮占比。

對于方案G(即同時增大鏟斗動臂力臂),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)揮占比達到所有方案組中的最大,整機后傾限制占比很小。對于方案H(即同時增大動臂斗桿力臂),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。對于方案I(即同時增大鏟斗斗桿力臂),其最大挖掘力達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%,動臂缸小腔閉鎖限制占比增大至24.46%。

上述分析可得,對于斗桿挖掘方式,增大其鏟斗力臂對其挖掘力無影響,但會使得斗桿缸充分發(fā)揮比例有所增大;增大動臂力臂會使得最大挖掘力略有減小,同樣會使得斗桿缸充分發(fā)揮比例大幅增大,進而發(fā)動機功率增大,但未能增大其挖掘力。單獨增大斗桿力臂會使得其挖掘力增大,而充分發(fā)揮比例占比減小。對于同時增大動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,增大動臂斗桿力臂會使得斗桿缸充分發(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臂缸小腔閉鎖均會參與作業(yè)。結(jié)合表1中各作業(yè)區(qū)面積可得,對于斗桿挖掘方式,應(yīng)只增大斗桿力臂而減小鏟斗和動臂力臂,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)計分別見表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

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)計結(jié)果見表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)計見表7。對于方案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?增大鏟斗力臂主要會使得最大挖掘力增大,增大斗桿力臂會使得平均挖掘力增大,且鏟斗缸充分發(fā)揮占比會顯著增大,斗桿缸充分發(fā)揮占比會大幅降低,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。對于方案F(即只增大動臂力臂),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)對應(yīng)于鏟斗缸充分發(fā)揮所在區(qū)。

對于方案G(即同時增大鏟斗動臂力臂),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%,此時動臂缸大腔閉鎖限制占比增至12.10%。對于方案H(即同時增大動臂斗桿力臂),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)。對于方案I(即同時增大鏟斗斗桿力臂),其最大挖掘力和平均挖掘力均有不錯的性能表現(xiàn),分別略小于同時增大三組力臂的方案C對應(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,可有效地節(jié)約發(fā)動機有用功率。

上述分析可得,對于復(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;增大斗桿力臂對最大挖掘力無影響,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,增大斗桿力臂對其鏟斗缸發(fā)揮占比影響較大,增大鏟斗力臂對其斗桿缸發(fā)揮占比影響很小。所以,斗桿缸力臂對其平均挖掘力和鏟斗缸發(fā)揮占比影響較大;鏟斗缸力臂對其最大挖掘力影響較大。對于作業(yè)域面積的減小,停機面上方增大鏟斗缸力臂對其影響較大;而停機面下方增大斗桿缸力臂對其影響較大。所以,同時增大鏟斗斗桿力臂、減小動臂力臂會使得在作業(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)化動臂、斗桿和鏟斗的最大力臂匹配時:對鏟斗挖掘方式和復(fù)合挖掘方式應(yīng)減小動臂力臂,同時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;對于斗桿挖掘方式,只需考慮在保持鏟斗和動臂力臂不變,單獨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)對于鏟斗挖掘方式,增大動臂或斗桿力臂對其挖掘力影響很小,但后者會使得鏟斗缸發(fā)揮比例大幅提高。增大鏟斗力臂會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)對于斗桿挖掘方式,增大鏟斗力臂對挖掘力影響很小,增大動臂力臂會使得挖掘力略有減小,但斗桿缸發(fā)揮比例卻很高。同時增大動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。增大動臂力臂會增大鏟斗缸發(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)揮比例時發(fā)揮出更大的挖掘力。