基于模糊數學的挖掘機整機性能評價研究

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中國礦業大學機電工程學院 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、水利建設等領域應用廣泛。其生產廠家根據市場需求進行產品定位，研發具有性能梯度的產品類型。挖掘機的整機性能是占據市場的關鍵，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據加以利用，結合客戶使用感受，評估挖掘機可靠性。文獻 [3]基于模糊數學方法進行輪式挖掘機模糊評價，利用車載終端數據，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，權重系數采用線性加法合成，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調性進行量化評分，采用層次分析法確定權重，構造判斷矩陣，將專家或操作手的經驗經數學轉化成權重系數，評價結果更加客觀。

基于此，筆者采用模糊數學結合多因素評價方法，對挖掘機整機性能進行綜合評價與分析，在對標基礎上確定評價因子，進而評判挖掘機整機性能優劣，而后得到 4 款挖掘機整機性能模糊評價因子，最后結合試驗結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

評價項目應來自挖掘機常用動作，如，工作裝置單動作、行走、回轉、復合動作以及整機操作；評價因素應根據各個項目的特點制定，如，整機性能應關注經濟性、可靠性、舒適性、操作性，單動作、復合動作應關注響應、速度、沖擊、穩定性、協調性等；評價分數應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，做出優劣判斷，并分別賦予相應的分值，便可實現數據量化。

1.2 評價權重

筆者根據挖掘機整機性能，確定經濟性、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系與對立性，其評判步驟如下[7]：

(1) 確定被評判系統的影響因素集合U，相關因素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分別表示經濟性、可靠性、舒適性。

(2) 確定評判系統的評判集合V，相關評語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) 確定權重集合，對集合U而言，各個影響因素程度不同，設權重集合A={a1，a2，a3，…，an}，權重集合應滿足

(4) 構建綜合評判矩陣，對影響因素ui進行評判，得到綜合評判矩陣

設挖掘機性能影響因素數值集合為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，做出優劣判斷，并分別賦予相應分值，便可實現數據量化[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。根據相關學者對整機性能影響因素的研究[9]，將 4 臺挖掘機經濟性、可靠性、舒適性、操作性賦予權重分析，權重集合A={a1，a2，a3，a4}={經濟性，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 %

根據表2、式 (2) 得到 4 臺挖掘機整機性能評價矩陣為

經計算，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越，并兼具經濟節能性、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某測試場，東經 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、被動側布置加速度傳感器，采集懸置主、被動側加速度信號，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、動臂提升加回轉時間，研究其工作裝置單動作、復合動作性能；在回轉平臺安裝陀螺儀，采集回轉速度、回轉制動角度，研究其回轉性能，測點位置如圖1(c)、1(d) 所示。試驗采用多通道 Dewesoft 數據采集系統、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，將物理信號轉換為時域信號，經數據處理得到試驗結果。試驗設備如表3 所列。

圖1 試驗平臺Fig.1 Experimental platform

表3 試驗設備Tab.3 Experimental equipment

表4 動臂提升加回轉測試數據Tab.4 Experimental data of boom lifting and rotation

3.2 試驗結果與討論

振動噪聲試驗以其主要作業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、回轉和甩方 4 種動態循環姿態；駕駛室噪聲應在門、窗關閉并且空調開啟下進行試驗，挖掘機按挖掘、提升、回轉和甩方 4 種靜姿態進行模擬挖掘。圖2(a) 為駕駛室聲壓級隨發動機轉速變化曲線，由圖2(a) 可知，試驗樣機隔噪性能優越，駕駛室降噪表現良好，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，如式 (6) 所示[10]。

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

式中：aa為駕駛室懸置主動側振動加速度有效值，m/s2；ap為駕駛室懸置被動側振動加速度有效值，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，與模糊評價結果一致。

動臂提升加回轉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、回轉和甩方 4 種動態循環姿態，發動機按最高轉速進行試驗。鏟斗、斗桿和動臂單動作較高端機型差距不大，鏟斗內收時間僅增加 4.0%，斗桿內收、外擺時間僅增加 6.7%。但試驗樣機鏟斗內收開啟有抖動，液壓聲大，后期加速不明顯，內收停止有沖擊；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。復合動作動臂上升加回轉時，試驗樣機回轉開啟加速慢，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相當，性能較優，且與操作手得分一致，模糊評價方法準確性得以驗證[12]。

回轉制動試驗考察挖掘機回轉起動響應性以及制動穩定性，故采用“回轉起動—回轉停止—反向回轉”作為一個作業循環，調整工作裝置，斗桿液壓缸全收，鏟斗液壓缸全伸，調節動臂液壓缸，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。試驗樣機回轉開啟加速不穩，輕微抖動，過程中稍有顛簸感，高端機型同樣出現此類問題，兩車回轉制動時間和制動角度均滿足國標。

4 結論

采用模糊數學結合多因素評價方法，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劣，得出如下結論：

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

(2) 搭建試驗平臺，對評價結果進行試驗驗證，試驗樣機振動噪聲性能較好；工作裝置單動作、回轉與高端機型相當，鏟斗內收單動作時間增加 4.0%，斗桿內收、外擺時間增加 6.7%。重載時高度稍低，動臂提升加回轉時間雖增加 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。回轉開啟雖加速不穩，輕微抖動，過程中稍有顛簸感，但高端機型同樣出現此類問題，兩車回轉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相當，整機性能較優，與操作手得分一致，模糊評價方法準確性得以驗證。