正铲液压挖掘机水平推压工作范围研究.pdf

正铲液压挖掘机水平推压工作范围研究 黄智奇 ， 吴维石 ， 张羽林 ， 陈露丰 ， 宁晓斌 浙江工业大学 摘要 提出一种可以高效而精确地获得特定平面上挖掘机水平推压最大距离的方法。 基于对 正铲液压挖掘机运动学分析并排除挖掘机水平推压时铲斗姿态的盲位盲角，得到挖掘机水平推压 的工作范围。利用此工作范围， 测量得到在特定水平面上挖掘机水平推压的最大距离。 将该最大距 离测量值与其他方法测得的数值进行比较， 证明了此方法的正确性。 此方法为进一步优化挖掘机运 动学性能提供了有力的支持。 关键词 挖掘机 ； 运动学 ； 水平推压 ； 工作范围 液压挖掘机无论是在农 田水利、建筑工程 ， 还 是在交通建设 、 矿 山采掘 、 管道铺设 ， 甚至在现代化 军事工程等领域都有广泛的应用【l_ 3 1。由于挖掘机广 泛应用带来的作业对象和环境变化 大【4 j ， 人们对于 挖掘机各项运动学性能指标的要求越来越高。 目前 ， 在挖掘机运动学性能指标方面的设计研 究 多集 中于工作装置的工作范 围，即最大挖掘深 度、 最大挖掘半径、 最大挖掘高度翻 。而水平推压作 为正铲液压挖掘机最常见 和最重要 的工作方式之 一 ，人们在对挖掘机做运动学性能优化的时候考 虑得较少 。其中一个重要原因就是对于需要同时操 纵动臂 、 斗杆 、 铲斗 3个液压缸才能实现水平推压 的工作装置 ， 需要获得特定平面上水平推压最大距 离这项指标 比较困难。目前常采用多次手动调试得 到该水平面上可水平推压的始末点位置而求得距 离 ， 而此方法在精度和效率上均不理想。 本文基于挖掘机运动学分析 ， 分析并绘制挖掘 机可实现水平推压 的工作范围， 再对此工作范围实 现水平推压的可行性进行分析证明。最后 ， 通过不 同测量方法的测量结果对 比， 进一步证明了该方法 的正确性 。 1 挖掘机建模与仿真 1 ． 1 建模与约束添加 以某正铲液压挖掘机为原型 ，利用 U G软件建 立三维模型， 再将其导人 A D A MS软件 中， 三维模型 图如图 1 所示。对于本研究内容， 其主要工作装置 模型包括 动臂 、 动臂液压缸及其活塞杆 ， 斗杆 、 斗 图 1 三维模型图 作者简介 黄智奇 1 9 9 O 一 ， 男， 浙江富阳人， 在读本科， 研究方向 车辆工程。 一 3 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 三 藿 、 J 诖 鲢 时间 s 图 3 进行仿真 Ⅱ时角 LE HG的值 时间c ／ s 图 4 进行仿真 Ⅱ时铲斗液压缸的长度 2 ． 8 6 s 之间低于 3 ． 5 5 m。而根据两次仿真结果 ， 包 络线 2未处于包络线 1 范围的时间是 1 ． 9 2～ 2 ． 8 6 s ， 即为图 2中 e c d段 曲线 。由此推断出包络线 2与包 络线 1 非重叠 区域是水平推压 时铲斗姿态 的盲位 盲角区域。 为进一步排除包 络线 1与包络线 2重叠范 围 内的其他盲位盲角区域， 本文分别在相对于铲斗停 机水平 面 一2 m， 一1 m， 0 m， 1 m， 2 m， 3 m， 4 m， 5 I I 1 的各水平面对挖掘机做水平推压运动进行仿真。 删除 3 个液压缸上的移动驱动。对铲斗分别施 加沿着 、 y方 向的移动驱动和绕 z方 向的转动驱 动 ， 使挖掘机产生一系列水平推压运动。绘制出铲 斗斗尖运动轨迹线 ， 见图 5中的曲线 3 。 同时， 测得／_ E HG和铲斗液压缸长度的变化情 况 ， 见图 6和图 7 。 从 图 6和图 7的测量结果可 以分析 出此挖掘 机在各平面进行水平推压时均没有盲位和盲角。再 从图像分析 ， 排除过渡过程 ， 挖掘机沿单段直线水 平推压仿真时， ／__ E H G的值呈单调变化，而铲斗液 压缸的长度多数段呈单调变化， 少数段略有浮动但 变化范围非常小 。从而可以推断出 ， 包 络线 1与包 络线 2 重叠区域内没有水平推压时铲斗姿态的盲 位盲角。 所 以挖掘机水平 推压 的工作范 围可 以认为是 --- 3 4- 拯 罡 { 皿 蝴 ／ 7 ,J 0．0 5 ． 0 1 0．0 水平距离x l m 图 5 铲斗斗尖轨迹 图 1 5 ． 0 挖掘机整体工作范围与忽略铲斗液压缸可伸缩范 围时的挖掘机水平推压工作范围的重叠区域。 2 - 3 对比验证 为进一步验证此测量方法 的正确性 ， 将此方法 求得的特定水平面上， 水平推压最大距离与多次手 动调试的测量结果进行对比。因为相对于铲斗停机 水平面 0 m， 1 m， 2 m的各水平面是挖掘机水平推压 的最常作业平面 ， 故只测量此 3 个平面的水平推压 最大距离 ， 分别记作 厶， ， ￡ ， 。对 比结果见表 1 。 O O O O O O 6 2 8 4 O 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 o 赵 赵 时间眺 图 6 水平推压运动仿真时／E HG的值 图7 水平推压运动仿真时铲斗液压缸的长度 表 1 两种测量方法的结 果 m 测量项 目 2 多次手动调试测量结果 4 ． 0 3 3 ． 9 6 3 ． 9 0 本 文所述方法测量结果 4 ． O 6 2 3 ． 9 4 7 3 ． 9 0 2 通过表 1 两种方法 的测量结果对 比， 可以看 出 两种方法 的各项测量值相差较小 。因此 ， 说 明了本 文所述方法测量水平推压最大距离的正确性。 3 结论 本文基于挖掘机运动学分析 ， 提出了一种利用 A D A MS软件得到挖掘机水平推压的工作范围的方 法。此方法可以准确高效测得特定平面上挖掘机水 平推压 的最大距离 ， 为进一步优化挖掘机运动学性 能提供了有力的支持 。 参考文献 【 1 】胡雄伟．液压挖掘机反铲装置的力学性能分析与优化研 究【 D 】 ． 湖南 中南大学， 2 0 0 9 ． [ 2 ] F r i m p o n g S ， H u Y ． I n t e l l i g e n t c a b l e s h o v e l e x c a v a t i o n mo d e l i n g a n d s i m u l a t i o n [ J ] ． C a n a d i an M e t a l l u r g i c a l Q u a r - t e d y ， 2 0 0 8 1 2 - 1 0 ． [ 3 ]3 张卧波 ， 杨俊峰， 王建明， 等． 挖掘机工作及运动状态的 仿真与应用研究叨． 农业工程学报， 2 0 0 8 2 1 4 9 1 5 1 ． [ 4 ] 徐兵， 朱晓军， 刘伟 ， 等． 挖掘机工作装置运动学建模与 仿真[J 】 _ 机床与液压， 2 0 1 1 9 9 7 9 9 ． 【 5 ]5 朱小晶， 权龙， 王新中， 等． 大型矿用正铲液压挖掘机水 平推压特性联合仿真 【 J ] ．农业机械学报 ， 2 0 1 1 5 3 O 一 3 4 ． [ 6 ]同济大学．单斗液压挖掘机[ M】 ． 北京 中国建筑工业出版 社 ， 1 9 8 6 9 5 1 1 4 ． [ 7 ] 李渊博． 基于 Wi n d o w s C E的挖掘机器人轨迹规划研究 【 D ] ． 湖南 中南大学， 2 0 0 9 ． [ 8 ]K o i v o A J ． K i n e ma t i c s o f e x c a v a t o r s b a c k h o e s f o r t r ans f e r - r i n g s u r f a c e m a t e r i al [ J 】 ． C ana d i a n M e t a l l u r g i c al Q u a r t e r l y ， 1 9 9 4 1 1 7 3 2 ． [ 9 】P y u n g H u n C h a n g ， S o o - J i n L e e ． A s t r a i g h t - l i n e m o t i o n t r a c k - ’ i n g c o n tr o l o f h y d r a u l i c e x c a v a t o r s y s t e m[ J 1 ． Me e h a t r o n i c s ， 2 0 0 2 ． 1 2 1 l 1 9 1 3 8 ． 通信地址 浙江省杭州市下城区潮王路 1 8号浙江工业大学 3 1 0 0 1 4 收稿日期 2 0 1 3 0 2 0 7 一 3 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m