王 飛，馮 濤，嵇秋池

1徐州徐工挖掘機械有限公司 江蘇徐州 221001

2中國礦業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院 江蘇徐州 221001

挖 掘機作為多用途土石方施工機械，在市政工程、礦山開采、水利建設(shè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其生產(chǎn)廠家根據(jù)市場需求進行產(chǎn)品定位，研發(fā)具有性能梯度的產(chǎn)品類型。挖掘機的整機性能是占據(jù)市場的關(guān)鍵，客戶滿意度是評判其性能的金指標[1]。

文獻 [2]基于失效分析方法對挖掘機終端數(shù)據(jù)加以利用，結(jié)合客戶使用感受，評估挖掘機可靠性。文獻 [3]基于模糊數(shù)學(xué)方法進行輪式挖掘機模糊評價，利用車載終端數(shù)據(jù)，減少試驗分析成本。文獻 [4]基于灰色綜合評判方法對液壓挖掘機性能進行評價，但其評價因素權(quán)重參考專家意見，主觀因素影響較大。文獻 [5]基于模糊層次分析法對挖掘機液力緩速器進行制動性能綜合評價，權(quán)重系數(shù)采用線性加法合成，評價因素值較為精確。文獻 [6]基于多因素綜合評價方法對挖掘機動作協(xié)調(diào)性進行量化評分，采用層次分析法確定權(quán)重，構(gòu)造判斷矩陣，將專家或操作手的經(jīng)驗經(jīng)數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)化成權(quán)重系數(shù)，評價結(jié)果更加客觀。

基于此，筆者采用模糊數(shù)學(xué)結(jié)合多因素評價方法，對挖掘機整機性能進行綜合評價與分析，在對標基礎(chǔ)上確定評價因子，進而評判挖掘機整機性能優(yōu)劣，而后得到 4 款挖掘機整機性能模糊評價因子，最后結(jié)合試驗結(jié)果證明評價方法的準確性。

1 模糊評價

1.1 評價項目與因素

評價項目應(yīng)來自挖掘機常用動作，如，工作裝置單動作、行走、回轉(zhuǎn)、復(fù)合動作以及整機操作；評價因素應(yīng)根據(jù)各個項目的特點制定，如，整機性能應(yīng)關(guān)注經(jīng)濟性、可靠性、舒適性、操作性，單動作、復(fù)合動作應(yīng)關(guān)注響應(yīng)、速度、沖擊、穩(wěn)定性、協(xié)調(diào)性等；評價分數(shù)應(yīng)基于操作手的操作感受，借助對標法，操作手同時對多臺挖掘機某一因素進行評價、比較，做出優(yōu)劣判斷，并分別賦予相應(yīng)的分值，便可實現(xiàn)數(shù)據(jù)量化。

1.2 評價權(quán)重

筆者根據(jù)挖掘機整機性能，確定經(jīng)濟性、可靠性、舒適性、操作性為評價因素，采取百分制評價標準，表1 為其含義與解釋[7]。

表1 百分制評價標準Tab.1 Evaluation standard of hundred mark system

1.3 模糊評價方法

挖掘機整機性能評價因素主要為經(jīng)濟性、可靠性、舒適性、操作性，模糊綜合評判可綜合各個因素之間的聯(lián)系與對立性，其評判步驟如下[7]：

(1) 確定被評判系統(tǒng)的影響因素集合U，相關(guān)因素u1、u2、u3等為集合U的元素，即U={u1，u2，u3，…，un}。例如，在挖掘機整機性能中，u1、u2、u3分別表示經(jīng)濟性、可靠性、舒適性。

(2) 確定評判系統(tǒng)的評判集合V，相關(guān)評語v1、v2、v3等為集合V的元素，即V={v1，v2，v3，…，vn}。例如，評判挖掘機操作性能，v1、v2、v3分別表示u1、u2、u3性能，可用 “很好”、“好”、“較好” 評判。

(3) 確定權(quán)重集合，對集合U而言，各個影響因素程度不同，設(shè)權(quán)重集合A={a1，a2，a3，…，an}，權(quán)重集合應(yīng)滿足

(4) 構(gòu)建綜合評判矩陣，對影響因素ui進行評判，得到綜合評判矩陣

設(shè)挖掘機性能影響因素數(shù)值集合為B，B={b1，b2，b3，…，bn}，則rij可定義為

(5) 進行模糊變換，通過模糊線性變換得到綜合評判S，即

2 評價結(jié)果與分析

采用對標法確定各因素，操作手同時對多臺挖掘機某一因素進行評價、比較，做出優(yōu)劣判斷，并分別賦予相應(yīng)分值，便可實現(xiàn)數(shù)據(jù)量化[8]。選取低端機型、中端機型、高端機型與試驗樣機進行對標，4 臺挖掘機整機性能分析如表2 所列。根據(jù)相關(guān)學(xué)者對整機性能影響因素的研究[9]，將 4 臺挖掘機經(jīng)濟性、可靠性、舒適性、操作性賦予權(quán)重分析，權(quán)重集合A={a1，a2，a3，a4}={經(jīng)濟性，可靠性，舒適性，操作性}={0.3，0.2，0.1，0.4}。

表2 4 臺挖掘機整機性能分析Tab.2 Analysis of machine performance for four excavators %

根據(jù)表2、式 (2) 得到 4 臺挖掘機整機性能評價矩陣為

經(jīng)計算，4 臺挖掘機整機性能評價因子分別為0.933 1、0.949 6、0.998 2 和 0.949 9，可知，試驗樣機是較優(yōu)的機型，與高端機型最相近，比中端機型高。試驗樣機整機操作性優(yōu)越，并兼具經(jīng)濟節(jié)能性、舒適可靠性。

3 試驗驗證

3.1 試驗平臺搭建

試驗地點為徐州地區(qū)某測試場，東經(jīng) 117°，北緯 34°。試驗平臺如圖1 所示，在駕駛室左前、左后、右前、右后懸置主、被動側(cè)布置加速度傳感器，采集懸置主、被動側(cè)加速度信號，評估駕駛室懸置的隔振性能；在司機位置處布置麥克風，采集噪聲信號，評估駕駛室隔音性能，測點位置如圖1(a)、1(b)所示。在發(fā)動機鏟斗、斗桿和動臂安裝位移傳感器，采集其工作裝置單動作、動臂提升加回轉(zhuǎn)時間，研究其工作裝置單動作、復(fù)合動作性能；在回轉(zhuǎn)平臺安裝陀螺儀，采集回轉(zhuǎn)速度、回轉(zhuǎn)制動角度，研究其回轉(zhuǎn)性能，測點位置如圖1(c)、1(d) 所示。試驗采用多通道 Dewesoft 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、PCB 加速度傳感器、TESTO 麥克風、基恩士位移傳感器以及 KYOWA 陀螺儀，將物理信號轉(zhuǎn)換為時域信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到試驗結(jié)果。試驗設(shè)備如表3 所列。

圖1 試驗平臺Fig.1 Experimental platform

表3 試驗設(shè)備Tab.3 Experimental equipment

表4 動臂提升加回轉(zhuǎn)測試數(shù)據(jù)Tab.4 Experimental data of boom lifting and rotation

3.2 試驗結(jié)果與討論

振動噪聲試驗以其主要作業(yè)工況為研究對象最為合理，這樣舒適性研究與實際更相符。振動頻率帶寬選擇 1 280 Hz，分辨率選擇 1 Hz；駕駛室噪聲頻率帶寬選擇 10 240 Hz，分辨率選擇 1 Hz。振動采用實地挖掘方式，按挖掘、提升、回轉(zhuǎn)和甩方 4 種動態(tài)循環(huán)姿態(tài)；駕駛室噪聲應(yīng)在門、窗關(guān)閉并且空調(diào)開啟下進行試驗，挖掘機按挖掘、提升、回轉(zhuǎn)和甩方 4 種靜姿態(tài)進行模擬挖掘。圖2(a) 為駕駛室聲壓級隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化曲線，由圖2(a) 可知，試驗樣機隔噪性能優(yōu)越，駕駛室降噪表現(xiàn)良好，與高端機型相比，僅大1.3 dB 左右。懸置作為連接動力總成和回轉(zhuǎn)支承的彈性元件，具有衰減振動傳遞能量的作用，其隔振性能的好壞直接影響駕駛室振動強度。隔振率是評價懸置隔振性能的重要參數(shù)，如式 (6) 所示[10]。

圖3 工作裝置單動作與回轉(zhuǎn)分析Fig.3 Analysis of single action and rotation of working device

式中：aa為駕駛室懸置主動側(cè)振動加速度有效值，m/s2；ap為駕駛室懸置被動側(cè)振動加速度有效值，m/s2。

通過采集駕駛室 4 個懸置主、被動側(cè)振動加速度信號，并按式 (6) 進行計算，得到各懸置在x、y和z向的隔振率，隔振率越大表示隔振效果越好，通常設(shè)計要求懸置的隔振率不低于 20 dB。對比圖2(b)、2(c)、2(d) 中駕駛室 3 個方向隔振率曲線可知：y向隔振性能最差，各懸置隔振率均低于 10 dB；x向隔振性能一般，各懸置隔振率在 11～17 dB 之間：z向作為振動能量最主要的傳遞方向，隔振性能最好，各懸置隔振率均在 21 dB 以上。試驗樣機振動噪聲性能較好，與高端機型差距不大，與模糊評價結(jié)果一致。

動臂提升加回轉(zhuǎn)試驗考察挖掘過程中動臂的提升能力及鏟斗離地高度，進而模擬裝車效率，側(cè)面反映挖掘力的大小[11]。采用實地挖掘方式，按挖掘、提升、回轉(zhuǎn)和甩方 4 種動態(tài)循環(huán)姿態(tài)，發(fā)動機按最高轉(zhuǎn)速進行試驗。鏟斗、斗桿和動臂單動作較高端機型差距不大，鏟斗內(nèi)收時間僅增加 4.0%，斗桿內(nèi)收、外擺時間僅增加 6.7%。但試驗樣機鏟斗內(nèi)收開啟有抖動，液壓聲大，后期加速不明顯，內(nèi)收停止有沖擊；鏟斗外擺開啟有沖擊，過程中有兩速變化，外擺停止沖擊大。斗桿內(nèi)收開啟有沖擊，過程中有兩速變化，斗桿外擺過程中有突變、抖動；外擺停止有沖擊。動臂單動作時間兩車相仿，動臂下降停止均無緩沖。復(fù)合動作動臂上升加回轉(zhuǎn)時，試驗樣機回轉(zhuǎn)開啟加速慢，動臂上升雖有加速，但液壓缸行程百分比較小，重載時高度稍低，動臂提升加回轉(zhuǎn)時間雖增加6.5%，液壓缸行程百分比僅減小 3.6，鏟斗提升高度百分比僅下降 3.9，且裝車高度相當。試驗樣機與高端機型表現(xiàn)相當，性能較優(yōu)，且與操作手得分一致，模糊評價方法準確性得以驗證[12]。

回轉(zhuǎn)制動試驗考察挖掘機回轉(zhuǎn)起動響應(yīng)性以及制動穩(wěn)定性，故采用“回轉(zhuǎn)起動—回轉(zhuǎn)停止—反向回轉(zhuǎn)”作為一個作業(yè)循環(huán)，調(diào)整工作裝置，斗桿液壓缸全收，鏟斗液壓缸全伸，調(diào)節(jié)動臂液壓缸，使動臂和平臺鉸軸與鏟斗和斗桿鉸軸處于同一水平位置，鏟斗重載時裝填適量石料或者泥土。試驗樣機回轉(zhuǎn)開啟加速不穩(wěn)，輕微抖動，過程中稍有顛簸感，高端機型同樣出現(xiàn)此類問題，兩車回轉(zhuǎn)制動時間和制動角度均滿足國標。

4 結(jié)論

采用模糊數(shù)學(xué)結(jié)合多因素評價方法，對挖掘機整機性能進行綜合評價與分析，基于對標確定評價因子，進而評判挖掘機整機性能優(yōu)劣，得出如下結(jié)論：

(1) 試驗樣機整機性能模糊評價因子為 0.949 9，是較優(yōu)機型，與高端機型最相近，比中端機型高。試驗樣機整機操作性優(yōu)越，兼顧經(jīng)濟性、可靠性。

(2) 搭建試驗平臺，對評價結(jié)果進行試驗驗證，試驗樣機振動噪聲性能較好；工作裝置單動作、回轉(zhuǎn)與高端機型相當，鏟斗內(nèi)收單動作時間增加 4.0%，斗桿內(nèi)收、外擺時間增加 6.7%。重載時高度稍低，動臂提升加回轉(zhuǎn)時間雖增加 6.5%，液壓缸行程百分比僅減小 3.6，鏟斗提升高度百分比僅下降 3.9，且裝車高度相當?；剞D(zhuǎn)開啟雖加速不穩(wěn)，輕微抖動，過程中稍有顛簸感，但高端機型同樣出現(xiàn)此類問題，兩車回轉(zhuǎn)制動時間和制動角度均滿足國標。

(3) 試驗樣機與高端機型表現(xiàn)相當，整機性能較優(yōu)，與操作手得分一致，模糊評價方法準確性得以驗證。