基于极限挖掘力的组合挖掘性能分析

发表时间:2019/12/18   来源:《基层建设》2019年第26期   作者:刘彬 常艳红 董春锋 崔新隆
[导读] 摘要:为了对极限挖掘力下的组合挖掘机的性能作出分析,本文对某品牌100吨液压挖掘机做出研究,先选用考虑挖掘力的切向力和法向力,即极限挖掘力。
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        摘要:为了对极限挖掘力下的组合挖掘机的性能作出分析,本文对某品牌100吨液压挖掘机做出研究,先选用考虑挖掘力的切向力和法向力,即极限挖掘力。为了确保研究的科学性,本文还考虑了阻力矩。采用铲斗挖掘和斗杆挖掘的组合挖掘。根据挖掘力结果进行性能分析。
        关键词:液压挖掘机;极限挖掘力;组合挖掘;性能分析
        前言
        挖掘机在挖掘过程中,在拉压、冲击和扭转的影响下,其挖掘阻力呈现多样性。随着现代化建设的加快,挖掘机的工作环境变得复杂,工程项目对挖掘阻力的精准性有了更高的要求。在实际的实验中,技术人员发现传统理论挖掘力模型是一种理想状态,挖掘力结果并不真实,挖掘能力难以验证。本文对某品牌100吨液压挖掘机做出研究,通过软件对组合挖掘轨迹进行计算,对每一条挖掘轨迹铲斗挖以及斗杆挖进行统计,分析出挖掘机的性能。
        1建立极限挖掘力模型
        在实际挖掘作业中,挖掘机的极限挖掘力是铲斗所受的最大阻力。因为力的作用是相互的,我们对最大挖掘阻力进行计算,便是对挖掘机的极限挖掘力进行求解[1]。在传统计算模式下,其挖掘力由切向力和法向力组成。并且依据多年受力分析的数据,可将法向力的制定义为切向力的五分之一,切向力和法向力的方向为挖掘轨迹的切线方向以及法线方向。然而这种模型是在理想状态下建立的,忽略了环境因素,即在实际挖掘过程中阻力矩的存在。本文此次进行实验验证采用的极限挖掘力模型跟传统模型存在差异。将切向力认定为独立的变量,而法向力和阻力矩在切向力的方向上的受力分解,所采取的系数值不是唯一不变的[2]。对系数设置主值区间,让系数的取值产生变换,让受力分解更加平衡以及全面。在多个数据结果中筛选最大理论挖掘力,便得出极限挖掘力,这就是极限挖掘力模型。在不同的挖掘姿态下,诸多约束条件会对挖掘机的最大挖掘力造成影响。在不同的限制条件下,求解出的最大挖掘力均不相同。为了保证实验的科学性,我们要将所有的限制条件考虑其中。即筛选出最大挖掘力中最小值,这一结果满足约束条件。传统极限挖掘力模型中,忽略了阻力矩,并定义法向力为切向力的五分之一,公式为Fn=1/5Fr。挖掘机在挖掘过程中,阻力矩和法向力在切向力上的分力是动态变化的,最终的求解不真实[3]。技术人员在极限挖掘力的模型中,要设置法向力的系数为切向力的λ倍,阻力矩的系数为切向力的δ倍。法向力公式为Fn=λFr,阻力矩的公式为Ta=δFr。系数要在区间内取值,λ的取值范围在-0.4至0.5之间,δ的取值范围在-0.4至0.2之间。挖掘姿态固定条件下,系数一定时,便能根据等式求解出极限挖掘力。将区间的每一个值带入,求解出多个值,找出最大值,该值为挖掘机当下姿态下的极限挖掘力。传统极限模式中,忽略了多种因素,其理论最大值必然不等于真实极限挖掘力。因此,技术人员要选定λ和δ初始值,受力分解,求解等式得到最大挖掘力F1;再从区间中选定λ和δ下一组值,求解等式得到最大挖掘力F2。将区间所有的值带入后,选择最大值,极限挖掘力Fmax=(F1;F2;F3;....Fn).其中F1、F2和Fn为不同姿态下,λ和δ不同系数的极限挖掘力。


        2 组合挖掘模式
        液压挖掘机的工作环境不同,土壤的软硬程度不同。在实际的挖掘工作中,通常采用铲斗挖掘和斗杆挖掘交替进行,并以铲斗挖掘结束挖掘过程。挖掘轨迹如下:B1至B2阶段挖掘机斗杆不动,铲斗运动到三点一线的位置。B2至B3阶段,铲斗不动作,斗杆运动到力臂最大位置。B3至B4阶段,斗杆不动作,铲斗运动到后角非负时角度[4]。B4至B5阶段铲斗不动作,斗杆运动到终止点。B5至B6阶段,斗杆不动作,铲斗运动到终止点。在这个过程中,动臂和斗杆,斗杆和铲斗之间的夹角要依据装置的实际尺寸取值,从而确定挖掘轨迹。每一次夹角的取值都能生成一条挖掘轨迹。整片挖掘区的轨迹确定以后,以相同间距取离散点,结合极限挖掘力模型,求出每个点的挖掘力,筛选出每条轨迹上的最大挖掘力以及平均挖掘力,根据筛选结果对极限挖掘力下的组合挖掘性能做出分析。
        3 性能分析
        利用软件对某品牌100吨液压挖掘机进行性能分析。在软件中可看出,挖掘机动作时,动臂和水平线之间的夹角持续缩小,在这个过程中该条挖掘轨迹上的极限铲斗挖掘力和极限斗杆挖掘力的数值也持续下降。铲斗平均挖掘力和斗杆平均挖掘力的值从小到大,再下降。
        在铲斗挖掘力和斗杆挖掘力分析图中,易看出挖掘力的分布呈现规律化[5]。分析图符合在实际情况下,挖掘机在挖掘过程中,相邻挖掘点的阻力区别不大。挖掘机的极限挖掘力位置在中间部分,在挖掘过程中,其阻力依次向左右两边衰减。这一结果符合挖掘机在实际挖掘中,其阻力在挖掘初期和挖掘末期较小的现象。分析图满足其挖机点中间埋入土体最深,因此中部的阻力最大的实际挖掘现象。在分析软件中,铲斗和斗杆约束因素图证明了,铲斗缸和斗杆缸在主要挖掘区域都发挥除了其最大的效果。然而斗杆挖的极限挖掘力区域基本上在停机面以上,这说明该挖掘机的斗杆机构存在缺陷,有待改进。挖掘机的工作区域边缘处,在动臂小腔的闭锁约束下受到影响。需要对动臂小腔闭锁力进行优化,加强其挖掘性能。
        结语
        由于传统计算模型的科学性不高,忽略了部分因素。技术人员采取极限模型,根据挖掘机的作业路径作出分析,确保挖掘路径的全面性和挖掘阻力结果的真实可靠性。统计数据,利用软件对每一条轨迹上离散点,进行分析。得出挖掘阻力结果,分析每一条挖掘轨迹上铲斗挖部分和斗杆挖部分挖掘力。将软件数据导出,得出挖掘力图和约束因素图。并制定出优化意见。其分析结果复合该液压挖掘机的实际挖掘情况。
        参考文献:
        [1]朱红妹.液压挖掘机挖掘性能分析与挖掘力分析计算[J].化工装备技术,2007,28(4):72- 76.
        [2]孙风玉,张鹏.波纹管内流动特性的实验研究[J].工程热物理学报,2008,29(10):1725- 1727.
        [3]杨虎生,胡汝军,曹先齐.波纹管内流动与换热的数值模拟研究[J].机械研究与应用,2011(2):31-32.
        [4]吴峰,曾敏.波纹管内流动与传热规律的数值计算[J].动力工程学报,2009,29(2):169- 173.
        [5]俞惠敏,蔡业彬.几种换热管强化传热性能实验分析与比较[J].流体机械,2003,31(6):7-10.
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