主挖力臂配比對主挖區界定及挖掘性能評價的影響研究

李佳豪 任志貴,2 龐曉平 王軍利,2 曹書生 俞松松

1.陜西理工大學機械工程學院,漢中,723001

2.陜西省工業自動化重點實驗室,漢中,723001

3.重慶大學機械與運載工程學院,重慶,400030

4.廣西柳工機械股份有限公司,柳州,545000

0 引言

液壓挖掘機廣泛應用在工程界各個領域中,其作業范圍、挖掘力大小和影響挖掘力發揮的限制因素是挖掘性能主要參數指標,而挖掘性能評判是衡量一臺挖掘機設計優劣的關鍵因素。主挖區往往是反映挖掘性能的關鍵區域,傳統主挖區的定義未考慮停機面上方的作業或是涵蓋了挖掘力較小的邊界作業區域,這樣定義的區域難以表現出用于評價和分析挖掘機的最佳挖掘性能區。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范圍和挖掘性能表現。通過引入力臂系數來分析三組液壓缸處于主挖力臂段和主要挖掘狀態時的作業區域和挖掘機所表現出的挖掘性能,該部分區域也是主挖力臂的最佳挖掘性能區(即主挖區)。

在挖掘機作業范圍的研究中,YIN等[1]基于蒙特卡羅方法建立挖掘機工作裝置運動學模型獲得了整個作業空間,并從各種設計方案中選擇出最佳作業空間。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,發現法向阻力和阻力矩都與切向阻力有密切的關系,從而分析和統計了二者與切向阻力比值(即阻力系數、阻力矩系數)的主值區間,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],得出了復合挖掘力方向角的范圍,從而建立了復合挖掘力求解模型;對理論挖掘力的匹配特性研究[8]得出,復合挖掘力模型應將阻力矩的因素考慮進去才能計算得出復合挖掘力大于斗桿極限挖掘力和鏟斗極限挖掘力。故在此基礎上提出建立考慮了阻力矩和復合挖掘力方向角的極限復合挖掘力模型[9]。在挖掘性能的研究中,基于傳統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定性的鏟斗挖掘能力與液壓缸驅動能力的動態關系,給出了挖掘能力多面體和多邊形評價體系指標;后者避免了圖譜疊加法存在的以某姿態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尺寸變化對挖掘范圍及作業性能指標的影響規律。PALOMBA等[14]提出基于狀態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自由懸掛的負載引起的動態力變化來準確模擬挖掘機的穩定性,其結果將作用于改變負載質量、泵的幾何形狀和轉速,以預測各種操作條件下挖掘機的穩定性。RENNER等[16]提出了一種用于連接鏟斗的連桿的有效載荷(包括質量)動態參數估計新方法。CHEN等[17]基于離散元-多體動力學的耦合對土-刀具相互作用模型進行標定,以此模擬動態仿真載荷并搭建了硬件閉環試驗臺。畢秋實等[18]基于離散元-多體動力學聯合仿真方法對挖掘阻力數值進行模擬以預測挖掘阻力大小,該模型所計算出的挖掘阻力大小也是側面反映挖掘力大小的間接體現。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構型的改進[20]和結構拓撲優化[21]的相關研究報道。

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域(即主挖區),引入力臂系數概念,依據機構傳動比和力臂曲線選取力臂系數段,并根據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范圍、挖掘力大小和影響挖掘力發揮限制因素,從而分析得出不同挖掘方式的主挖區以及不同主挖力臂配比對挖掘性能的影響規律。

1 力臂配比的主挖區域分析

1.1 力臂系數

1.1.1力臂的計算及其系數的定義

挖掘力的大小計算與各液壓缸的作用力臂有直接關系,圖1為挖掘機工作裝置液壓缸對各自轉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轉動鉸點A、B的力臂以及Q的當量力臂分別為e1、e2和e3。鏟斗機構是六連桿機構,其力臂通過搖桿和連桿傳遞到鏟斗轉動鉸點Q,其中鏟斗液壓缸對搖桿LNK的轉動鉸點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)中機構間的幾何夾角因機構運動而不便測量,可將其轉換為與之關聯且分別由角度傳感器測得的動臂轉動夾角θ2、斗桿轉角θ3和鏟斗轉角θ4。因此,如若測得液壓缸實時位置和機構轉角即可求解實時力臂大小。具體力臂求解公式與機構轉角關聯的表達式及推導過程見文獻[6]。

為了研究不同力臂配比對主挖區界定及其挖掘性能的影響規律,在此引入力臂系數概念,可定義為挖掘機在某時刻挖掘姿態下,工作裝置各機構液壓缸對其轉動鉸點的力臂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、斗桿缸力臂系數和鏟斗缸當量力臂系數(后文簡稱為動臂、斗桿和鏟斗力臂系數)。由于機構最大力臂可由工作裝置幾何參數計算得出,因此,當給定力臂系數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影響最大力臂全區域所表現出的挖掘性能情況,當考慮力臂系數對挖掘性能的影響時,給定相應系數即可。

1.1.2力臂系數的選取

圖2為某22 t反鏟液壓挖掘機工作裝置動臂機構、斗桿機構和鏟斗機構的力臂曲線和各機構傳動比曲線。分析可得:鏟斗機構的最大傳動比最大,且依次大于斗桿機構最大傳動比和動臂機構最大傳動比。三者力臂相較而言,斗桿機構的最大力臂最大,且依次大于動臂最大力臂和鏟斗最大當量力臂。可見雖然鏟斗機構傳動比較大,但其主動液壓缸產生的力臂卻較小,其原因可能是力臂的傳遞在搖桿和連桿中損失了一部分,其本質是四桿機構的最大傳動比要大于六連桿機構的最大傳動比。三者機構的傳動比和力臂曲線的共性表現為: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出先增大后減小的趨勢且呈山谷狀。不同區別在于鏟斗的當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力臂及傳動比

因挖掘性能的評價應該是主要評價處于挖掘狀態時的性能,且在挖掘狀態下一般需要克服較大的挖掘阻力,所以需要較大的作業力臂。又因為各液壓缸所發揮的工作推力分別作用于各自轉動鉸點,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中處于挖掘狀態時的挖掘性能及其所作業的主挖區,以及不同力臂的配比對挖掘性能的影響規律,力臂系數的選取應綜合考慮以下因素:①考慮更多姿態應處于切削裝載階段和滿載轉斗階段;②工作裝置各部件應處于能發揮較大力臂階段從而保證能發揮出較大的挖掘力;③挖掘力臂所處階段應在整個挖掘軌跡作業中占比較大;④機構的傳動比也應處于較大階段;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揮從而可提高發動機的有用功率;⑥盲位和盲角的限制應盡可能減小不可挖掘區域面積。綜合考慮上述6個因素,并在滿足上述要求的基礎上選定動臂力臂段、斗桿力臂段和鏟斗當量力臂段均為0.6和0.8以上的力臂段。如圖2所示,用短點線標注動臂力臂曲線的0.6e1和0.8e1力臂段(紅色),用虛線標注斗桿力臂曲線的0.6e2和0.8e2力臂段(黃橙色),用點劃線標注鏟斗當量力臂曲線的0.6e3和0.8e3力臂段(紫色)。

1.1.3力臂系數配比方案

圖3所示的柱狀圖為一組全區域與7組力臂配比組的不同工作域挖掘點占比統計結果,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所示的主挖區定義一、不可挖掘區、停機面上方作業區劃分的工作域示意圖,各部分占比見圖3。圖3中右側藍色數字為每組按照圖4h所示的方法統計得到的全區域挖掘點總數,圖3中左側及后文中出現的比例都是指動臂、斗桿、鏟斗力臂系數之比。選定未考慮力臂系數影響的全區域作為參照組,選定3組力臂系數均為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的挖掘作業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計圖

1.2 主挖區

1.2.1主挖區作業域面積

現有主挖區的定義包括多種書籍所提到的圖4h所示的主挖區定義二(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中心向前0.25～0.8倍為最大挖掘半徑所定義的主挖區),以及圖4h所示的主挖區定義一[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)。定義一所定義的主挖區也是后文探討的主挖區。本文以滿足實際作業中更多是處于挖掘狀態的不同力臂系數配比方案來定義主挖區的作業域范圍,其指標要求在作業域內盡可能地使不可挖掘區面積最小,傳統主挖區定義二的區域面積最大,停機面上方作業域面積次之,并且在保證總的作業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挖掘力性能最佳,后文將對不同配比方案作業域內的挖掘力性能進行探討,首先探討其作業域面積和作業位置。

因力臂系數越大挖掘力越大,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域作業域面積。結合圖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的占比但會減小全區域作業域面積以及主挖區面積;單獨增大鏟斗力臂和斗桿力臂其主挖區占比和全區域作業面積變化不大,并且單獨增大斗桿力臂相比增大鏟斗力臂對主挖區占比和全區域作業面積的影響較大;同時增大鏟斗動臂力臂、斗桿動臂力臂和鏟斗斗桿力臂時,主挖區占比最高的是同時增大斗桿動臂力臂,但其全區域作業面積最小;全區域作業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域面積

1.2.2主挖區作業域位置

圖5～圖7為不同力臂配比方案工作裝置作業范圍對比圖,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,對其他作業范圍參數的影響不大;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范圍參數均會改變。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范圍的影響不大,所以主挖區范圍的界定應考慮增大動臂力臂,從而減小挖掘高度以提高主挖區作業域面積占比。

圖5 所有力臂配比方案作業范圍對比圖

圖6 三組力臂同時增大作業范圍對比圖

(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配比方案作業域面積和作業范圍是為了找到挖掘機挖掘性能較優的主挖區,而非采用圖4h所示的兩種傳統方法定義的主挖區,這樣定義的主挖區不利于衡量挖掘機主挖區性能,因為它涵蓋了所有作業狀態而非是主要處于挖掘狀態下的挖掘性能,而且該主挖區未考慮停機面以上的挖掘作業,實際中作業對象更多的是停機面前挖取物料作業和停機面以下的挖坑作業。所以不同主挖力臂的配比為主挖區定義提供依據,而不同的作業域面積和作業范圍參數的研究將對定義主挖區提供一個指標。接下來分析不同力臂配比方案作業域內理論挖掘力大小和影響理論挖掘力發揮的限制因素情況,以此提供定義主挖區的另一個指標。

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,以及在整個作業域內挖掘力的限制因素有何分布規律,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域,統計各限制因素在工作域內的占比,并繪制出挖掘力及其限制因素圖譜。

2.1 全區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域,即力臂系數為1∶1∶1的鏟斗極限挖掘力及其限制因素的作業域圖譜,其具體挖掘力值和限制因素占比統計分別見表2和表3。

表2 不同力臂配比方案鏟斗極限挖掘力結果統計

表3 不同力臂配比方案鏟斗極限挖掘力限制因素統計結果

圖8 全區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揮的所占區域內挖掘力均有不錯的表現,其挖掘力值均大于126 kN,且鏟斗充分發揮比例為49.53%;在其他限制因素占比區域內挖掘力相對較小。在斗桿缸大腔閉鎖的限制下挖掘力的性能較差。在整個工作域內挖掘力平均值為121.14 kN,而傳統方法定義的主挖區內平均挖掘力為127.14 kN,最大挖掘力為148.57 kN。所以該機型的全區域鏟斗極限挖掘力性能與傳統定義一的主挖區內挖掘力性能較為相近,但靠近機身處和最大挖掘包絡邊界處鏟斗挖掘力較小,且在整個作業域內該機型出現最大挖掘力的區域是在停機面以上的挖高作業區域,而非傳統意義上的主挖區內,即現有主挖區對挖掘性能最佳區域的表征不夠準確。

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,其挖掘力大小統計結果見表2;圖10為不同力臂配比下影響挖掘力發揮的限制因素分布圖,其結果統計見表3。對于方案A,其挖掘力分布規律、挖掘力限制因素分布規律與全區域情況較為相似,挖掘力性能最優處也位于挖高區域內,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域相比變化不大。對比方案A、B、C可得,隨著三組力臂系數的增大,鏟斗最大挖掘力和平均挖掘力均有增大,并且出現最大挖掘力的區域所在位置也隨之下降。對于限制因素,鏟斗缸充分發揮比例均有相應幅度的增大,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趨近于挖掘區域中部且挖掘力達到最大,挖掘性能最佳區為所形成的月牙狀區域。對于方案D限制因素,鏟斗缸充分發揮比例大幅降低,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域向著主挖區下移。

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揮比例大幅降低,而相應的斗桿缸大腔閉鎖限制比例有所增大,挖掘力性能最佳區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,且鏟斗充分發揮比例影響很小,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增大鏟斗斗桿力臂,這樣其鏟斗缸充分發揮比例會較高,閉鎖限制比中液壓缸也參與其作業,使得整體穩定性較好,并且挖掘力有著不錯的表現,所以應將0.6∶0.8∶0.8的力臂配比所形成的作業域作為鏟斗挖掘方式的主挖區。

3 力臂配比的斗桿挖掘性能分析

3.1 全區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域,即力臂系數為1∶1∶1的斗桿極限挖掘力及其限制因素的作業域圖譜,其具體挖掘力值和限制因素占比統計分別見表4和表5。

表4 不同力臂配比方案斗桿極限挖掘力結果統計

表5 不同力臂配比方案斗桿極限挖掘力限制因素統計結果

圖11 全區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域占比小于鏟斗挖掘力性能最佳區域。斗桿挖掘方式限制因素的斗桿缸充分發揮比例高達73.40%,動臂缸小腔閉鎖限制占比較小集中在包絡區邊界挖坑作業區,而整機后傾限制占比次之集中在包絡區邊界的挖高作業區。由挖掘力值圖譜可得,大部分斗桿缸充分發揮所在區域,挖掘力均有著不錯的性能表現。斗桿挖掘方式主挖區的平均挖掘力要大于全區域的平均挖掘力,而全區域的最大挖掘力要大于主挖區的最大挖掘力。該挖掘力性能最佳區域為中部所形成的月牙狀區域,且挖掘力均大于120 kN。由此可見,若以傳統方法定義主挖區則未能涵蓋斗桿挖掘性能最佳區。

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,其挖掘力大小統計結果見表4;圖13為不同力臂配比下影響挖掘力發揮的限制因素分布圖,其結果統計見表5。對于方案A,其挖掘力的分布規律與全區域的情況相似,只是挖掘性能最佳區域向挖高作業區域移動。隨著力臂系數的增大,對于方案B、C,其最大挖掘力和平均挖掘力也隨之增大,全區域的最大挖掘力大于主挖區的的最大挖掘力,而主挖區的平均挖掘力大于全區域的平均挖掘力。對于限制因素,隨著力臂系數的增大,斗桿缸充分發揮比例也相應增大,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律也與對照組相近。且與對照組相比,斗桿缸充分發揮比例略有增大,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域和主挖區的最佳,其限制因素的斗桿缸充分發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揮比例大幅增大,進而發動機功率增大,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揮比例增大。所以,在全區域和主挖區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揮占比最小,相應的鏟斗缸大腔閉鎖和動臂缸小腔閉鎖均會參與作業。結合表1中各作業區面積可得,對于斗桿挖掘方式,應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域作為斗桿挖掘方式的主挖區。

4 力臂配比的復合挖掘性能分析

4.1 全區域復合挖掘性能分析

圖14所示為基于極限復合挖掘力模型和工作域圖譜分析法所求解得到的全區域,即力臂系數為1∶1∶1的極限復合挖掘力和其限制因素的作業域圖譜,其具體挖掘力值和限制因素占比統計分別見表6和表7。

表6 不同力臂配比方案極限復合挖掘力結果統計

表7 不同力臂配比方案極限復合挖掘力限制因素統計結果

圖14 全區域極限復合挖掘力及其限制因素圖譜

分析可得該22 t反鏟液壓挖掘機復合挖掘力性能明顯要優于單缸挖掘的鏟斗和斗桿的挖掘力性能,其全區域和主挖區的最大挖掘力和平均挖掘力均要優于單缸挖掘方式,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,且斗桿缸充分發揮比例大于鏟斗缸充分發揮比例。整體而言,挖掘力較大區域大部分主要由鏟斗缸充分發揮、斗桿缸充分發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為主挖區的橢圓狀挖坑作業區域,該區域的挖掘力均大于176 kN,所以其主挖區的界定更多要考慮挖坑作業工況。

4.2 不同力臂配比復合挖掘性能分析

圖15為不同力臂配比方案極限復合挖掘力工作域的挖掘力大小分布圖,其挖掘力大小統計結果見表6;圖16為不同力臂配比影響挖掘力發揮的限制因素分布圖,其結果統計見表7。對于方案A,其復合挖掘力相比全區域的分布規律有所差異,其挖掘力較大區域集中在靠近包絡區邊界所形成的月牙狀區,該部分區域對應的限制因素為鏟斗缸充分發揮所形成的月牙狀區域。隨著力臂系數的增大,對于方案B、C,其最大挖掘力和平均挖掘力也隨之增大,挖掘力性能最佳區域逐步向挖坑作業包絡邊界處下移,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略有上移;其限制因素的鏟斗缸充分發揮占比降至最低6.31%,而斗桿缸充分發揮比占比增至最大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,且鏟斗缸充分發揮占比會顯著增大,斗桿缸充分發揮占比會大幅降低,其余限制比變化很小,并且在鏟斗缸充分發揮比所在區為挖掘力性能最佳區域。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,挖掘力性能最佳區域面積有所增大;其限制因素的鏟斗缸充分發揮占比有所增大,斗桿缸充分發揮占比有所減小,挖掘力性能最佳區對應于鏟斗缸充分發揮所在區。

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揮占比降至12.66%,斗桿缸充分發揮占比增大至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揮占比達到最大61.43%,斗桿缸充分發揮占比也降至最低的32.29%,并且鏟斗缸充分發揮所在區為挖掘力性能最佳區。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,分別略小于同時增大三組力臂的方案C對應的最大挖掘力和平均挖掘力;其限制因素的鏟斗缸充分發揮占比17.81%,斗桿缸充分發揮占比71.42%,與方案C相比,二者之和略大。當二者之和越小且發揮挖掘力越大時,可有效地節約發動機有用功率。

上述分析可得,對于復合挖掘方式,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,即最佳挖掘性能區面積增大。二者相比,增大斗桿力臂對其鏟斗缸發揮占比影響較大,增大鏟斗力臂對其斗桿缸發揮占比影響很小。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,所以將力臂系數之比為0.6∶0.8∶0.8所形成的作業域作為復合挖掘方式最佳的主挖區。

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揮的限制因素圖譜可得,若考慮優化動臂、斗桿和鏟斗的最大力臂匹配時:對鏟斗挖掘方式和復合挖掘方式應減小動臂力臂,同時增大鏟斗和斗桿力臂,有利于在作業域面積尤其是傳統主挖區面積損失不大的情況下,增大其作業域內最大挖掘力和平均挖掘力,并且有利于主動作業液壓缸的有效充分發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域面積損失不大的情況下,增大其作業域內最大挖掘力和平均挖掘力,并且斗桿缸充分發揮比例還有所降低,有利于液壓系統功率的有效節能。

5 結論

(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力臂系數配比所形成的作業域作為鏟斗主挖區。該區域不僅保證挖掘力大小,而且三組液壓缸系統有著合理分配利用。

(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,后者斗桿缸發揮比例更小,且挖掘力相近情況下作業域面積較大。所以,將只增大斗桿力臂的0.6∶0.8∶0.6力臂系數配比所形成的作業域作為斗桿主挖區。該區域在發揮同樣挖掘力的情況下,有利于降低液壓系統能耗。

(3)對于復合挖掘方式,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。增大某作業缸力臂會使得其充分發揮比例降低,而另一作業缸充分發揮比例增大。增大動臂力臂會增大鏟斗缸發揮比例而降低斗桿缸發揮比例。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力臂系數配比所形成的作業域作為復合挖掘主挖區。該區域斗桿缸發揮比大于鏟斗缸發揮比例,有利于當繼續增大鏟斗缸發揮比例時發揮出更大的挖掘力。