裝載機轉(zhuǎn)斗缸外負載力變化特性的測定*

徐禮超

裝載機油缸外負載力作為液壓系統(tǒng)元件動力學分析的重要參數(shù)之一，對于準確計算油缸工作效率與液壓系統(tǒng)總效率、合理評價液壓系統(tǒng)元件匹配性能有著直接影響。目前在分析確定裝載機工作裝置油缸外負載力時，大多按照油缸力矩平衡方程給出外負載力計算公式，且未考慮油缸的運動速度影響［1-2］，或采用建模仿真方法來研究外負載力變化情況［3］，這與裝載機實際的復雜作業(yè)工況相差較大。針對這種情況，本研究以轉(zhuǎn)斗缸為例，通過實車測試其油壓與活塞位移并加以分析處理，確定了裝載機典型工況下轉(zhuǎn)斗缸外負載力的變化特性。

1 轉(zhuǎn)斗缸外負載力的數(shù)學模型

轉(zhuǎn)斗收斗時，轉(zhuǎn)斗缸外負載力F1可表示為

式中，p1為無桿腔油壓，MPa;A1為活塞面積，m2;p2為有桿腔油壓，MPa;A2為有桿腔有效作用面積，m2;m為作用于活塞上的當量質(zhì)量，kg;b為液體黏性阻尼系數(shù)，N·s/m;f為活塞與缸、活塞桿與油封間摩擦力，N;x為活塞位移，m;v為活塞速度，m/s;a為活塞加速度，m/s2。

轉(zhuǎn)斗開始卸料至轉(zhuǎn)斗及物料重心越過動臂與轉(zhuǎn)斗鉸接點前，轉(zhuǎn)斗缸外負載力F2可表示為

而當轉(zhuǎn)斗及物料重心越過動臂與轉(zhuǎn)斗鉸接點后，轉(zhuǎn)斗缸外負載力F3則可表示為

式(2)、式(3)符號意義同式(2)。

由于轉(zhuǎn)斗缸活塞與缸體、活塞桿與油封間摩擦力f通常較小，活塞位移基本呈線性變化，因此f、ma這2項數(shù)值一般不考慮。經(jīng)實測得活塞直徑D=0.16 m，活塞桿直徑 d=0.09 m，b通常取 10 N·s/m［4］，則式(1)～ 式(3)可改寫為

2 裝載機轉(zhuǎn)斗缸工作參數(shù)的測試

裝載機鏟掘不同物料時的作業(yè)過程通常由相應物料的若干個典型作業(yè)循環(huán)構(gòu)成，而每個作業(yè)循環(huán)又由多個作業(yè)段組成，這些作業(yè)段包括空載前進接近物料段、鏟掘段、重載倒退段、重載前進卸料段、空載倒退段等。本研究以鏟裝松散土為例，采用V型作業(yè)方式對轉(zhuǎn)斗缸工作時的進、出口油壓和活塞位移進行實車測試。為準確分析確定各作業(yè)段起止點，實際測試時，還測試了前進擋位信號，數(shù)據(jù)采集儀的1～4信道分別對應測試轉(zhuǎn)斗缸有桿腔、無桿腔、活塞位移和裝載機前進擋信號。測試時，采樣頻率設置為100 Hz。裝載機鏟裝松散土時各通道測試波形如圖1所示。

圖1 鏟取松散土時各通道采樣波形

由圖1可以看出，裝載機鏟裝松散土時，整個作業(yè)過程具有明顯的循環(huán)作業(yè)特點，每個循環(huán)的不同作業(yè)段間油壓、位移等參數(shù)值變化較大，這與實際工作情況比較一致。

3 典型工況下轉(zhuǎn)斗缸外負載力變化特性的制取與分析

裝載機鏟掘物料時，若測試數(shù)據(jù)符合平穩(wěn)性檢驗要求，則可近似采用一個典型作業(yè)循環(huán)來替代總體作業(yè)情況［5-7］。實車測試結(jié)果表明，在每個作業(yè)循環(huán)的不同作業(yè)段，轉(zhuǎn)斗缸兩腔油壓與活塞位移變化均較大，而不同循環(huán)相同作業(yè)段的油壓與位移變化則較小，因此在采集轉(zhuǎn)斗缸油壓與活塞位移基礎上，應用Vib＇sys和Nsoft軟件按“鏟—續(xù)—鏟”方式對測取的各作業(yè)循環(huán)數(shù)據(jù)進行分段處理，將各作業(yè)循環(huán)同名作業(yè)段的油壓和位移信號按時間順序加以合并，再采用巴特沃斯8階低通濾波器(濾波頻率為10 Hz)對合并后的信號進行濾波處理，采用標準方差檢測法去除測試異常值，應用工程上常用的輪次法對去異值后的數(shù)據(jù)進行平穩(wěn)性檢驗，對經(jīng)平穩(wěn)性檢驗的相同作業(yè)段數(shù)據(jù)進行加權(quán)平均處理后，利用nsoft軟件將各作業(yè)段波形數(shù)據(jù)按作業(yè)時間順序進行合并(具體處理過程參見文獻［6］)，得到的單次典型作業(yè)循環(huán)轉(zhuǎn)斗缸無桿腔、有桿腔油壓和活塞位移變化歷程分別如圖2～圖4所示。

圖2 轉(zhuǎn)斗缸無桿腔油壓變化歷程

圖3 轉(zhuǎn)斗缸有桿腔油壓變化歷程

圖4 轉(zhuǎn)斗缸活塞位移變化歷程

圖5 裝載機鏟裝松散土時外負載力變化特性曲線

應用Matlab的數(shù)據(jù)擬合功能，可對裝載機鏟裝松散土時制取的單次典型作業(yè)循環(huán)不同作業(yè)段的轉(zhuǎn)斗缸無桿腔油壓、有桿腔油壓和活塞位移進行擬合。根據(jù)式(4)～式(6)，在Matlab命令窗口中輸入相應參數(shù)，應用Matlab的繪圖功能可得到轉(zhuǎn)斗缸外負載力不同作業(yè)段的數(shù)據(jù)波形。應用Nsoft軟件將轉(zhuǎn)斗缸外負載力各作業(yè)段波形數(shù)據(jù)按作業(yè)時間順序進行合并，即可獲得如圖5所示的裝載機鏟裝松散土時外負載力變化特性曲線。達3.96×104N，隨著物料與鏟斗的重心越來越靠近鏟斗與動臂絞接點以及斗內(nèi)物料的不斷減少，轉(zhuǎn)斗缸外負載力急劇減小;在空載后退段(46.06～55.5 s)，裝載機空載后退的同時，轉(zhuǎn)斗缸無桿腔進油、有桿腔回油實現(xiàn)小角度收斗后，轉(zhuǎn)斗缸外負載力逐漸穩(wěn)定并保持較低值。從以上分析可知，確定的轉(zhuǎn)斗缸外負載力變化特性與實際工況比較吻合，這為轉(zhuǎn)斗缸工作效率、液壓系統(tǒng)效率分析計算，實現(xiàn)液壓缸、液壓控制閥、液壓泵合理匹配提供了條件。

4 結(jié)論

(1)裝載機采用V型作業(yè)方式鏟裝松散土時，循環(huán)作業(yè)特點明顯，單次作業(yè)循環(huán)時間為55.5 s，每一循環(huán)的空載前進、鏟裝、重載后退、重載前進、卸料、空載后退等不同作業(yè)段間數(shù)值變化較大。

(2)綜合應用 Vib＇sys、Nsoft和 Matlab 等軟件對轉(zhuǎn)斗缸實測油壓、位移數(shù)據(jù)進行分段合并、濾波、去異值以及擬合處理，并結(jié)合轉(zhuǎn)斗缸外負載力計算公式，可方便求取轉(zhuǎn)斗缸外負載力變化特性曲線，這為其他油缸外負載力變化特性的測定提供了參考。

由圖5可知，在裝載機空載前進段(0～14.33 s)，受路面不平度和工作裝置激勵影響，轉(zhuǎn)斗缸外負載力產(chǎn)生小幅變化;在鏟斗插入料堆并進行松散土鏟裝作業(yè)段(14.34～19.97 s)，轉(zhuǎn)斗缸無桿腔進油、有桿腔回油，活塞桿以較低速度伸出實現(xiàn)收斗動作，在此過程中受插入阻力與鏟斗裝載質(zhì)量急劇增加以及鏟斗與物料間摩擦力等因素影響，轉(zhuǎn)斗缸外負載力增加較快;在重載倒退及前進舉升段(19.98～41.69 s)，轉(zhuǎn)斗缸處于閉鎖狀態(tài)，受行駛中擋位調(diào)整、路面不平度影響，在動臂舉升后期，轉(zhuǎn)斗缸外負載力呈近似“w”型變化，最大變化幅度約為1.2×104N;在卸料段(41.7～46.05 s)，轉(zhuǎn)斗缸有桿腔進油、無桿腔回油，活塞桿回縮并通過拉桿帶動鏟斗翻轉(zhuǎn)卸料，開始卸料時，轉(zhuǎn)斗缸外負載力很大，最高值

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