裝載機(jī)自動(dòng)鏟裝作業(yè)軌跡與能耗研究

蔣 恒，諶炎輝，2，鄭 特

（1.廣西科技大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣西 柳州 545006； 2.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，廣西 南寧 545023）

作為鏟裝運(yùn)輸類的大型工程機(jī)械，裝載機(jī)被廣泛應(yīng)用于建筑工地、礦場(chǎng)、公路修建等領(lǐng)域［1］。近年來，為加快工程進(jìn)度、減少成本、提高施工速度，對(duì)裝載機(jī)的要求也越來越高，推進(jìn)了裝載機(jī)的自動(dòng)化和智能化發(fā)展［2］。目前，裝載機(jī)的自動(dòng)化鏟裝不需要長(zhǎng)時(shí)間的手動(dòng)重復(fù)控制操作，不僅解放了勞動(dòng)力，還提高了有效做功［3］。裝載機(jī)的有效做功是裝載機(jī)重要的鏟裝性能，與裝載機(jī)的燃油能耗、作業(yè)時(shí)間、油缸及車輪的做功有關(guān)。國內(nèi)外學(xué)者已對(duì)裝載機(jī)自動(dòng)鏟裝的能耗展開諸多研究。Gottschalk等［4］為測(cè)得裝載機(jī)的整體效率，開發(fā)了一種重復(fù)評(píng)價(jià)各種輪式裝載機(jī)燃油性能和操縱性能的方法。Liu 等［5］為提高裝載機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，利用杠桿圖從液力機(jī)械動(dòng)力分體式變速器（hydrodynamic mechanical power split transmission，HMPST）中找到最優(yōu)節(jié)油方案，并建立輪式裝載機(jī)動(dòng)力總成的仿真模型，驗(yàn)證了該方案的有效性。Huang 等［6］提出一種提高裝載機(jī)自動(dòng)鏟裝性能的強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法，建立統(tǒng)計(jì)模型來模擬實(shí)際環(huán)境，利用統(tǒng)計(jì)模型訓(xùn)練提出的算法，結(jié)果證明該算法具有良好的適應(yīng)性和油耗性能。

雖然學(xué)者對(duì)裝載機(jī)自動(dòng)鏟裝的能耗展開了深入研究，但大多采用預(yù)測(cè)、仿真等方法，缺乏實(shí)際鏟裝試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。因此筆者通過裝載機(jī)鏟裝性能測(cè)試平臺(tái)，實(shí)時(shí)采集裝載機(jī)在不同平行鏟裝軌跡下的自動(dòng)鏟裝數(shù)據(jù)，并對(duì)其對(duì)比分析，找到能耗少、有效功占比高的軌跡。

1 裝載機(jī)自動(dòng)鏟裝作業(yè)過程分析

1.1 鏟裝軌跡分析

裝載機(jī)的鏟裝方式主要有一次鏟裝法、分段鏟裝法、開挖法和配鏟裝法4 種［7］。由于裝載機(jī)根據(jù)配合鏟裝法鏟裝的能耗最低、滿斗率較高，且阻力較小，因此配合鏟裝法最適合裝載機(jī)的自動(dòng)鏟裝。根據(jù)配合鏟裝法規(guī)劃的鏟裝軌跡有曲線軌跡和直線軌跡。鏟裝軌跡如圖1所示。

圖1 鏟裝軌跡Fig.1 shoveling trajectory

圖中：AB為水平鏟裝階段；BC為鏟掘階段；CD為鏟斗提升階段；AD為料堆表面。根據(jù)該方法，首先在AB段裝載機(jī)駛向料堆，將鏟斗水平插入料堆一定深度；然后在BC段，鏟斗翻轉(zhuǎn)配合動(dòng)臂提升，插入料堆深處，在這個(gè)階段的軌跡為曲線或直線；最后在CD段，鏟斗收斗，并將其垂直提升一定高度，鏟裝完成。

1.2 軌跡規(guī)劃

在相同鏟裝量的前提下，直線軌跡比曲線軌跡的鏟裝油耗少，因此直線軌跡更適合裝載機(jī)自動(dòng)鏟裝［8］。同時(shí)為減少作業(yè)阻力，保證鏟裝量，確保鏟斗齒直線軌跡的角度等于料堆的安息角角度［9］，這樣的直線軌跡也稱為平行鏟裝軌跡。平行鏟裝軌跡如圖2所示。

圖2 平行鏟裝軌跡Fig.2 parallel shoveling trajectory

圖中：X為直線鏟裝軌跡與料堆表面的垂直距離，又稱平行鏟裝深度；α為料堆安息角或直線軌跡傾斜角度；L為鏟斗水平插入深度；oe為水平鏟裝階段；ef為鏟掘階段；fg為鏟斗提升階段；og為料堆表面；S為鏟裝物料截面面積

本次鏟裝軌跡的規(guī)劃原理為：保持鏟裝物料橫截面積S一定，改變鏟裝深度X，探究不同平行鏟裝深度下，裝載機(jī)鏟裝碎石的鏟裝能耗。X取值為：400、425、450、475、500、525、550、575 和600 mm。碎石直徑為20～60 mm，密度ρ=2 684 kg/m3，安息角角度為35.34°，孔隙率N=39.9%。

本文的裝載機(jī)作業(yè)性能測(cè)試平臺(tái)基于輪式裝載機(jī)（865 H）改裝，鏟斗的額定鏟裝體積V1=3 m3，額定裝載質(zhì)量為5 000 kg，鏟裝物料橫截面積S=1.05 m2，鏟斗斗寬B=2.90 m，根據(jù)規(guī)定軌跡，可知鏟裝的物料體積V2的表達(dá)式如下：

由于V1=V2，裝載機(jī)根據(jù)規(guī)定軌跡的鏟裝體積等于鏟斗的額定鏟裝體積。探究在理論滿斗率為100%、鏟裝量相同的情況下，平行鏟裝深度不同，裝載機(jī)平行鏟裝軌跡自動(dòng)鏟裝物料的有效功。

1.3 油缸長(zhǎng)度與整車位移分析

裝載機(jī)鏟裝時(shí)，鏟斗的動(dòng)作主要依靠轉(zhuǎn)斗油缸、動(dòng)臂油缸伸縮及裝載機(jī)車體的移動(dòng)，轉(zhuǎn)斗油缸的伸縮控制鏟斗翻轉(zhuǎn)的角度，動(dòng)臂油缸的伸縮控制鏟斗提升的高度，裝載機(jī)車體駛向物料控制鏟斗插入物料。根據(jù)油缸的長(zhǎng)度和整車位移的變化，可真實(shí)地反映鏟斗插入物料的具體情況。油缸長(zhǎng)度和整車位移如圖3所示。

圖3 油缸長(zhǎng)度和整車位移Fig.3 Cylinder length and whole vehicle displacement

圖中：OI為水平鏟裝階段；IJ為鏟掘階段；JK為司機(jī)反應(yīng)階段；KL為鏟斗提升階段。由圖3 可知，OI段的轉(zhuǎn)斗油缸和動(dòng)臂油缸的長(zhǎng)度均未變化，整車位移增加，說明此時(shí)處于水平鏟裝階段，對(duì)應(yīng)圖2中的oe段。在IJ段，動(dòng)臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸鏟斗迅速伸長(zhǎng)，整車位移增加，說明鏟斗在翻轉(zhuǎn)與提升，這個(gè)階段為鏟掘階段，對(duì)應(yīng)圖2 的ef段。在JK段，動(dòng)臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸均沒有伸長(zhǎng)，且整車位移未變化，整個(gè)過程大概持續(xù)1～2 s，是司機(jī)的反應(yīng)時(shí)間段。在KL段，司機(jī)控制鏟斗提升至車身2/3 的高度，這個(gè)階段為提升階段，對(duì)應(yīng)圖2的fg段。

2 鏟斗受力與鏟裝能耗分析

2.1 鏟斗受力分析

裝載機(jī)在實(shí)現(xiàn)上述平行鏟裝軌跡對(duì)碎石鏟裝試驗(yàn)的過程中，主要有水平鏟裝階段、鏟掘階段和鏟斗提升階段3 個(gè)階段，在不同階段，鏟斗受力各不相同，分別求得鏟斗在不同階段的受力大小，如圖4所示。

圖4 鏟斗各階段受力Fig.4 Bucket force in each stage

圖中：F1為鏟斗所受水平阻力；F2為鏟掘階段鏟斗所受阻力；F3為鏟裝物料的重力。

在水平鏟裝階段（oe段），鏟斗只受到水平鏟裝阻力，根據(jù)滑移面理論，其阻力表達(dá)式如下［10］：

三是細(xì)化實(shí)化最嚴(yán)格水資源管理制度。貫徹落實(shí)太湖流域水量分配方案，編制完成新安江流域水量分配方案；組織做好“三條紅線”實(shí)施、監(jiān)督考核和技術(shù)評(píng)估等工作，全面提高水資源管理和保護(hù)能力。

式中：F1為鏟斗所受水平阻力，N；FP為庫倫被動(dòng)土壓力，N；α為物料與鏟斗之間的靜摩擦角，（°）；γ為物料的單位重量，N/m3；H為鏟斗齒上面的物料深度，m；S為鏟斗齒上方物料的橫截面積，m2；k為水平方向和鏟斗運(yùn)動(dòng)方向的夾角，（°）；g為重力加速度，m/s2；K0為材料插入阻力影響系數(shù)。

在鏟掘階段（ef），鏟斗除了受第一階段的庫倫被動(dòng)土壓力，還受部分鏟斗內(nèi)物料的質(zhì)量，此時(shí)鏟斗受力表達(dá)式如下［10］：

式中：F2為鏟掘階段鏟斗所受阻力，N；β為料堆安息角，（°）；δbr為物料與鏟斗之間的靜摩擦角，（°）。

在鏟斗提升階段（fg），鏟斗垂直向上提升，只受到鏟斗內(nèi)物料的重力作用，此時(shí)鏟斗受力為

式中：G為鏟裝完成后，鏟裝物料質(zhì)量，kg；F3為鏟斗提升階段所受阻力，N；ρ為物料密度，kg/m3；N為物料孔隙率，%；B為鏟斗寬度，m；f1（x）為料堆表面物料方程；f2（x）為鏟掘軌跡方程；x為鏟斗插入深度，m。

2.2 鏟裝能耗分析

在鏟裝過程中，裝載機(jī)產(chǎn)生的能耗主要有整車能耗和油缸能耗2 種。通過傳感器測(cè)得的傳動(dòng)軸扭矩和變速箱輸出轉(zhuǎn)速，計(jì)算求得裝載機(jī)的整車能耗；油缸所受合力乘以油缸的伸縮長(zhǎng)度為油缸能耗，其總油缸能耗等于2 個(gè)動(dòng)臂油缸能耗加上1 個(gè)轉(zhuǎn)斗油缸的能耗。

其中整車能耗表達(dá)式如下：

式中：M1為前傳動(dòng)軸扭矩，N·m；M2為后傳動(dòng)軸扭矩，N·m；w為變速箱輸出轉(zhuǎn)速，r/min。

油缸能耗如下：

式中：P1為動(dòng)臂油缸大腔壓力，MPa；P2為動(dòng)臂油缸小腔壓力，MPa；P3為轉(zhuǎn)斗油缸大腔壓力，MPa；P4為轉(zhuǎn)斗油缸小腔壓力MPa；R1為動(dòng)臂油缸大腔半徑，m；R2為動(dòng)臂油缸小腔半徑，m；R3為轉(zhuǎn)斗油缸大腔半徑，m；R4為轉(zhuǎn)斗油缸小腔半徑，m；l1為動(dòng)臂油缸伸長(zhǎng)量，mm；l2為轉(zhuǎn)斗油缸伸長(zhǎng)量，mm。

裝載機(jī)在鏟裝過程中做功的總能耗表達(dá)式如下：

3 作業(yè)能耗分析

3.1 滿斗率分析

裝載機(jī)的滿斗率是衡量裝載機(jī)鏟裝性能與鏟裝軌跡是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的重要因素。如滿斗率低，說明有時(shí)間和能耗浪費(fèi)。因此，需首先分析裝載機(jī)根據(jù)規(guī)劃軌跡鏟裝碎石所得到的滿斗率。不同軌跡的滿斗率如圖5所示。

圖5 不同軌跡的滿斗率Fig.5 Full bucket rate of different trajectories

由圖5 可知，平行鏟裝深度為400 mm 的軌跡，其滿斗率最高，達(dá)到92%；平行鏟裝深度為600 mm的軌跡，其滿斗率最低，僅為70.4%，不符合實(shí)際需求，因此排除該軌跡；其他軌跡的滿斗率均為81.1%～87.8%，符合要求。

3.2 能耗分析

將傳動(dòng)軸扭矩，變速箱輸出轉(zhuǎn)速代入式（6），可計(jì)算得到整車能耗。將油缸大小腔壓力、活塞伸長(zhǎng)量、油缸大小腔半徑代入式（7），可計(jì)算得到油缸能耗。整車能耗和油缸能耗見表1。

表1 整車能耗和油缸能耗Tab.1 Energy consumption of vehicle and cylinder energy consumption

由表1 可知，轉(zhuǎn)斗油缸及動(dòng)臂油缸能耗較平穩(wěn)，分別在61.9～84.2 kJ、284.0～332.4 kJ 之間。但整車能耗波動(dòng)較大，其中，整車能耗相差最大為154.8 kJ，且整車能耗大于轉(zhuǎn)斗油缸與動(dòng)臂油缸能耗的和。

3.3 有效功分析

裝載機(jī)有效功占比反映出裝載機(jī)在鏟裝作業(yè)時(shí)，對(duì)燃油能耗的利用程度，有效功占比越高，即浪費(fèi)的能耗越少，被用于鏟裝物料做功的能量越多，更有利于裝載機(jī)的節(jié)能減排。裝載機(jī)有效功占比等于整車能耗與油缸能耗的和除以總?cè)加湍芎摹Ｑb載機(jī)根據(jù)規(guī)劃鏟裝軌跡，從插入物料到鏟裝結(jié)束的燃油能耗如圖6所示。

圖6 不同軌跡的燃油能耗Fig.6 Fuel energy consumption of different trajectories

由圖6 可知，平行鏟裝深度為425～575 mm 的軌跡，其燃油能耗為4 291.0～5 931.8 kJ，而平行鏟裝深度為400 mm 的軌跡，其燃油能耗僅為3 969.8 kJ，遠(yuǎn)低于其他軌跡的鏟裝能耗。根據(jù)以上油缸能耗、整車能耗與總的燃油能耗，計(jì)算得到有效功占比，如圖7所示。

圖7 有效功占比Fig.7 Ratio of effective work done

由圖7 可知，平行鏟裝深度為400 mm 的軌跡，其有效功占比最高，達(dá)到18.6%，其余鏟裝軌跡的能耗為13.9%～16.4%。根據(jù)總?cè)加头峙浣o油缸和整車車輪做功的25%能耗計(jì)算，其能耗利用率達(dá)到74.4%。

綜上所述，平行鏟裝深度為400 mm 的軌跡，其滿斗率最高，總?cè)加湍芎淖畹停行Чφ急茸罡摺?/p>

3.4 自動(dòng)鏟裝與人工控制鏟裝的對(duì)比

通過裝載機(jī)自動(dòng)鏟裝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得不同軌跡下的能耗及有效功，為確認(rèn)自動(dòng)鏟裝性能是否符合實(shí)際鏟裝的要求，由經(jīng)驗(yàn)豐富的裝載機(jī)司機(jī)進(jìn)行鏟裝試驗(yàn)，將人工控制鏟裝與平行鏟裝深度為400 mm 軌跡的燃油能耗和有效功占比對(duì)比分析，如圖8所示。

圖8 自動(dòng)鏟裝與人工控制鏟裝燃油能耗和有效功占比對(duì)比Fig.8 Comparison of fuel consumption and effective work ratio between automatic and manual shoveling

由圖8 可知，裝載機(jī)按照平行鏟裝深度為400 mm 的軌跡進(jìn)行自動(dòng)鏟裝燃油能耗，比人工控制鏟裝的燃油能耗低3.6%，有效功占比高4.3%。所以裝載機(jī)根據(jù)平行鏟裝深度為400 mm 的軌跡進(jìn)行自動(dòng)鏟裝更有利于節(jié)能減排，符合綠色設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語

本文根據(jù)配合鏟裝法規(guī)劃了9 種平行鏟裝軌跡，有助于研究裝載機(jī)自動(dòng)鏟裝的燃油能耗和有效功。結(jié)合建立的能耗計(jì)算公式及相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確計(jì)算自動(dòng)鏟裝過程中的油缸能耗及整車能耗。對(duì)比分析不同軌跡的滿斗率、燃油能耗和有效功，找到能耗低、有效功占比高的鏟裝軌跡。對(duì)比裝載機(jī)的自動(dòng)鏟裝及人工控制鏟裝的數(shù)據(jù)，證實(shí)裝載機(jī)根據(jù)平行鏟裝深度為400 mm 的軌跡鏟裝的能耗及有效功占比均得到較大的提高。證明該軌跡的作業(yè)能耗符合實(shí)際要求，對(duì)減少裝載機(jī)自動(dòng)鏟裝燃油油耗、提高有效功具有實(shí)際意義，符合節(jié)能減排的可持續(xù)發(fā)展要求。