挖掘机平地轨迹研究及改进

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(天津工程机械研究院， 天津　300409)

引言

液压挖掘机作为一种高效的工程机械，被广泛应用于铁路、公路、机场等工程建设领域。挖掘机在实际工作中为了提高其工作效率，节省工作时间，会经常进行复合作业，所谓复合作业指挖掘机的执行机构同时完成两个及以上动作[1-3]。挖掘机平地过程就是动臂和斗杆完成复合作业的过程，复合动作时要求参与的两个机构运动要达到协调一致，挖掘机平地作业属于精细作业，该如何评价挖掘机平地作业的好坏成了摆在研究人员面前的一个难题。本研究介绍了一种评价挖掘机平地作业好坏的方法，对现有某挖掘机按该方法进行了平地试验和虚拟平地仿真，通过改进其液压系统改善了平地效果。

1　试验及评价方法

挖掘机平地试验的过程中按照以下方法操作：平地动作试验时需要使用标准铲斗，操作时至少有一个操纵杆开到最大行程。其中平地动作1个周期的模拟动作如图1所示。开始时的姿势为实线所示：工作装置最大程度伸长，使铲斗铰链销及斗齿尖在一条直线上，斗齿尖在离地面10 cm以内；动作过程为虚线所示：动臂上升的同时，斗齿尖在不与地面接触的情况下将斗杆收缩到斗齿尖平地移动距离L为4.5 m。这段期间只操作动臂跟斗杆，斗齿尖与地面的目标距离在30 cm以内；动臂下降，斗杆回收，返回到开始的姿态。

按照试验方法对某现有挖掘机进行试验，观察该挖掘机的铲斗齿尖在平地过程中的运动轨迹， 如果平地轨迹相对平缓则挖掘机平地过程中动臂和斗杆的协调性较好，平地效果好，反之则较差。以挖掘机平地过程中的铲斗齿尖的运动轨迹来评价挖掘机平地作业效果的好坏，比通过比较进入动臂油缸和斗杆油缸的流量或者动臂和斗杆完成平地动作的时间差要合理的多，这与挖掘机平地实际情况也比较接近。

图1　挖掘机平地动作示意图

2　数学模型建立

为了准确的研究挖掘机平地过程中斗齿尖轨迹与动臂和斗杆油缸速度的关系，建立了挖掘机工作装置数学模型如图2所示。根据图中所示位置，通过数学几何关系推导能够得到斗齿尖任意一点的位置(x，y)与各工作装置转角的关系为：

(1)

其中：θ1、θ2和θ3为动臂、斗杆和铲斗装置的转角，由于平地过程中铲斗始终保持试验要求姿态，所以θ3为零；l1、l2和l3分别为各铰接点的距离，数值分别为：l1=5650 mm，l2=2940 mm，l3=1500 mm；

从图2a中可以看出，各个装置的转角又与其对应油缸的转角和结构角相关，得出：

(2)

其中：φ1、φ2为动臂和斗杆自身结构角，φ1=22°；φ2=160°；α1和α2为动臂油缸和斗杆油缸的转角。

动臂油缸和斗杆油缸工作结构为液压缸摇杆结构，如图3所示(以动臂液压缸为例)。

图3　动臂液压缸摇杆结构

由余弦定理得到：

(3)

图2　挖掘机工作装置数学关系图

同理可以得出：

(5)

其中：vdg为斗杆油缸实时速度。将式(2)、(4)、(5)带入到式(1)中，得到斗齿尖任意一点的位置(x，y)为式(6)所示，从中可以看出斗齿尖轨迹与动臂和斗杆油缸的速度和时间的关系，所以在挖掘机实际平地试验中得到动臂和斗杆油缸的速度数据，即可用来绘制斗齿尖的运动轨迹曲线。

(6)

3　机构仿真及分析

挖掘机平地试验时平地轨迹很难用肉眼直观的看出，为了更加清楚方便的研究挖掘机平地时铲斗齿尖的运动轨迹，利用三维建模软件Proe建立起现有某挖掘机工作装置的模型[4-6]，采用试验与仿真相结合的方法对挖掘机平地轨迹进行研究。即按照章节2中叙述的试验方法，对某现有挖掘机进行平地试验(如图4所示)，获得实际平地试验过程中挖掘机动臂油缸和斗杆油缸的移动速度试验数据，经过处理后导入到工作机构运动模型中。

挖掘机的工作装置如图5所示，主要由机座、动臂油缸、动臂、斗杆油缸、斗杆、铲斗油缸和铲斗等部分组成。

通过Proe软件自身的机构运动模块，建立起挖掘机工作装置机构运动模型如图6所示，建模过程中视地面为挖掘机底盘，在该模块中定义各连接件之间的运动副连接方式如表1所示，各连接件之间主要为旋转副，液压油缸活塞与缸体之间全为移动副。由于平地过程中铲斗姿势保持不变，所以在仿真模型中将驱动加在动臂油缸和斗杆油缸上，且定义伺服电机的驱动类型为速度驱动。

图4　挖掘机平地试验图

图5　挖掘机工作装置三维模型

图6　挖掘机工作装置机构运动模型

连接件名称运动副类型动臂与机座旋转副动臂油缸与机座旋转副动臂油缸与动臂旋转副斗杆与动臂旋转副斗杆油缸与动臂旋转副铲斗与斗杆旋转副铲斗油缸与斗杆旋转副油缸活塞与缸体移动副

将平地试验获得的数据处理成油缸的移动速度以表格形式导入到动臂油缸和斗杆油缸的驱动伺服电机中如图7所示，其他各连接件运动副按表1所示进行设置。为与实际平地试验数据采集时间相一致，设置其仿真时间为4 s，步长为0.01 s。模型仿真运行后，一个周期内，挖掘机平地过程中铲斗齿尖运动轨迹如图8所示。

图7　仿真模型中动臂和斗杆伺服电机数据设置

图8　平地过程仿真铲斗齿尖运动轨迹

通过对挖掘机平地试验过程仿真的结果可以看出，铲斗斗齿运动的轨迹并不平缓，最低点和最高点分别距离铲斗初始位置水平线为461.5 mm和370.2 mm，竖直方向有近91 mm的差值，存在着优化和改进的必要性。

4　系统研究与改进

挖掘机平地过程中铲斗斗齿运动的轨迹并不平缓，主要原因为动臂和斗杆复合动作协调性不好，根本上来讲是液压泵供应给动臂油缸和斗杆油缸的流量分配不够合理。通过对挖掘机液压系统原理、仿真参数优化设计以及现场试验研究发现挖掘机随着斗杆油缸流量增加，动臂油缸流量的减少，平地试验中铲斗斗齿运动轨迹趋向于更加平稳，于是在原有的液压系统基础上增加了一个斗杆调速阀，这样平地试验过程中，双泵供油时可以增加流向斗杆油缸的流量，减少流向动臂油缸的流量，图9为改进前、后挖掘机液压系统简图的对比，该调速阀只用于挖掘机平地动作时增加流向斗杆油缸的流量，当挖掘机进行其他动作时该阀关闭。

改进后的液压系统中加入了斗杆调速阀使得液压泵流向斗杆油缸和动臂油缸的流量比值稳定， 计算得到平地过程中两者的流量比值为4∶3，按照此比值分配流入到斗杆和动臂油缸的流量，将液压系统改进后的挖掘机按要求进行实际平地试验，得到的数据处理成动臂油缸和斗杆油缸的移动速度，重新导入到仿真模型中进行平地仿真。仿真设置的参数不变，仿真运行后，增加斗杆调速阀液压系统的挖掘机平地仿真过程中铲斗齿尖运动轨迹如图10所示。

图9　改进前、后挖掘机液压系统对比图

图10　改进后平地过程仿真铲斗齿尖运动轨迹

从平地作业仿真结果来看，挖掘机在平地作业时增加斗杆调速阀，使液压系统具有增加斗杆油缸流量的功能，可以使动臂和斗杆动作协调性变好，铲斗齿尖运动轨迹变平坦。与改进前相比较，铲斗斗齿的最低点和最高点分别距离铲斗初始位置水平线变为346.3 mm和284.1 mm，竖直方向差值变为62 mm，改进前、后铲斗斗齿运动轨迹对比如图11所示，改进后铲斗斗齿运动的轨迹明显变得平缓(图11中细实线为改进后铲斗斗齿轨迹)，挖掘机平地复合动作的协调性得到了改善。

图11　改进前、后平地过程中铲斗齿尖运动轨迹对比

5　结论

(1) 按照本研究给出的挖掘机平地试验方法进行

平地试验，用平地试验过程中铲斗齿尖的运动轨迹来评价挖掘机平地作业效果的好坏，相比于其他平地考核方法更为合理，更接近实际情况；

(2) 通过Proe软件自带机构运动模块，分别对现有某挖掘机液压系统改进前、后进行了虚拟平地仿真。结果表明：在原有液压系统的基础上，增加斗杆调速阀，调节挖掘机在平地过程中进入到动臂油缸和斗杆油缸的流量， 可以明显的改善挖掘机平地复合动作的协调性。平地过程中，铲斗斗齿运动的轨迹最低点和最高点与铲斗初始位置水平线距离分别下降了24.96%和23.25%，竖直方向差值下降了31.86%。

参考文献：

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[2]张大庆，郝鹏，何清华．液压挖掘机铲斗轨迹控制 [J]．建筑机械，2005，(1)：61- 63．

[3]郭刚，龚烈航．液压挖掘机工作装置斗齿轨迹的控制[J]．工程机械，1998，(6)：11-12．

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