員征文,徐 雷,朱述敏,宋緒丁,郁錄平,呂彭民

(1.徐工集團(tuán) 江蘇徐州工程機(jī)械研究院,江蘇 徐州 221004;2.徐工集團(tuán) 高端工程機(jī)械智能制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221004;3.長安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院,西安 710064)

輪式裝載機(jī)是一種應(yīng)用于建筑、港口、礦山、鐵路、采礦等工程的主力土方機(jī)械,其既可對土、石方等進(jìn)行鏟掘作業(yè),又可為卡車等運(yùn)輸車輛進(jìn)行物料搬運(yùn)作業(yè).裝載機(jī)主要靠其工作裝置來完成作業(yè),它是一種空間多桿機(jī)構(gòu),主要由動(dòng)臂、搖臂、拉桿、鏟斗和油缸組成.由于裝載機(jī)的作業(yè)對象復(fù)雜多樣、作業(yè)環(huán)境極端惡劣,使得工作裝置承受的載荷變化劇烈,導(dǎo)致了工作裝置經(jīng)常損壞,給工程作業(yè)施工帶來了巨大困難.

為了工作裝置的設(shè)計(jì)更加能滿足使用要求,對其所受載荷特性進(jìn)行全面詳細(xì)的研究,并以此來設(shè)計(jì)優(yōu)化工作裝置.在裝載機(jī)工作裝置優(yōu)化方面,不少學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究.文獻(xiàn)[1]基于多體動(dòng)力學(xué)和剛?cè)狁詈霞夹g(shù),綜合運(yùn)用ANSYS,Adams等仿真軟件分析了裝載機(jī)工作裝置的作業(yè)特點(diǎn)和受力規(guī)律,為優(yōu)化裝載機(jī)工作裝置提供了強(qiáng)有力的定量基礎(chǔ).文獻(xiàn)[2]建立了“Z”形裝載機(jī)工作裝置優(yōu)化模型,綜合采用全參數(shù)尋優(yōu)和部分參數(shù)尋優(yōu)法對裝載機(jī)工作裝置進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化,結(jié)果表明,采用該方法設(shè)計(jì)出的工作裝置比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)更符合工程使用要求.文獻(xiàn)[3-5]基于Matlab軟件,以裝載機(jī)工作裝置油缸載荷、鉸點(diǎn)載荷為優(yōu)化目標(biāo)建立工作裝置優(yōu)化模型,得到了最優(yōu)的動(dòng)臂新結(jié)構(gòu),該方法的應(yīng)用可以有效地提高工作裝置設(shè)計(jì)效率.文獻(xiàn)[6]采用運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)參數(shù)優(yōu)化相結(jié)合的方法,建立了裝載機(jī)工作裝置動(dòng)力學(xué)模型,以作業(yè)過程中工作裝置能量損耗最小為優(yōu)化目標(biāo),完成了對工作裝置的優(yōu)化.文獻(xiàn)[7]基于ODEs建立了裝載機(jī)工作裝置的動(dòng)力學(xué)分析模型,該模型采用了一套獨(dú)特的閉環(huán)控制策略,可以很好地實(shí)現(xiàn)對多目標(biāo)的尋優(yōu).通過該模型,輸出鏟斗提升和旋轉(zhuǎn)加速度,便可以獲得最優(yōu)的位移時(shí)間參數(shù).文獻(xiàn)[8-9]采用了基于滿意度指標(biāo)的多目標(biāo)尋優(yōu)方法對裝載機(jī)工作裝置開展優(yōu)化設(shè)計(jì),該方法針對裝載機(jī)的不同配置和參數(shù),制定滿意度指標(biāo),實(shí)現(xiàn)了不同配置裝載機(jī)工作裝置的最優(yōu)設(shè)計(jì).文獻(xiàn)[10]基于動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS,以理論計(jì)算載荷為輸入條件,進(jìn)行了裝載機(jī)工作裝置典型作業(yè)過程的仿真,針對仿真結(jié)果,以平順性和鉸點(diǎn)力為優(yōu)化目標(biāo)開展了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).文獻(xiàn)[11-12]基于遺傳算法,以鉸點(diǎn)載荷和油缸載荷為目標(biāo),開展了裝載機(jī)工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì),最終得到了滿足設(shè)計(jì)需求的工作裝置.文獻(xiàn)[13]基于靜力學(xué)分析,提出在工作裝置靜強(qiáng)度計(jì)算時(shí)極端載荷出現(xiàn)在動(dòng)臂受水平和垂直載荷同時(shí)作用后輪離地工況,并給出了計(jì)算公式.文獻(xiàn)[14]基于有限元軟件和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件,進(jìn)行了裝載機(jī)工作裝置可視化和參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)工作,實(shí)現(xiàn)了裝載機(jī)工作裝置系列產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì),但其輸入的工作裝置動(dòng)態(tài)作業(yè)姿態(tài)和載荷參數(shù)仍為理論分析結(jié)果,與實(shí)際作業(yè)過程有一定差距.

上述文獻(xiàn)采用了理論計(jì)算、動(dòng)力學(xué)仿真等不同的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法,對裝載機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化,具有一定的實(shí)際意義,但大多數(shù)研究都是建立在對裝載機(jī)作業(yè)過程和所受載荷模擬的基礎(chǔ)上展開的,而這與裝載機(jī)的實(shí)際作業(yè)過程和受力狀態(tài)存在一定的差距.理論計(jì)算輸入的介質(zhì)摩擦阻力、粘滯系數(shù)等性能參數(shù)與裝載機(jī)實(shí)際作業(yè)介質(zhì)有一定差別,且裝載機(jī)鏟掘過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)隨機(jī)過程,理論仿真不能真實(shí)反映這一過程.要更為深入地研究裝載機(jī)工作裝置,就必須精確全面地研究其在實(shí)際作業(yè)過程中的載荷特性,而目前對裝載機(jī)載荷特性的研究工作開展較少.文獻(xiàn)[15]基于油缸力反求法對挖掘機(jī)工作裝置的作業(yè)載荷做了相關(guān)研究,得到了挖掘機(jī)作業(yè)的載荷譜,但裝載機(jī)為空間桿系結(jié)構(gòu),自由度較多,不能單純從油缸力來反求外載荷.本文將對工作裝置進(jìn)行全面的受力分析,建立外載荷識別模型,并設(shè)計(jì)傳感器搭建外載荷識別測試系統(tǒng),通過靜載荷實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,同時(shí),基于該識別模型,在極端工況下,通過實(shí)際鏟裝作業(yè)實(shí)驗(yàn),采集工作裝置的外載荷,分析工作裝置在不同作業(yè)段內(nèi)所受的外載荷分布特點(diǎn),所得結(jié)果可以為裝載機(jī)動(dòng)臂設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及疲勞分析提供數(shù)據(jù)支撐.本文提出的載荷測試方法可以為其他工程機(jī)械載荷獲取提供借鑒.

1 裝載機(jī)外載荷識別模型的建立

裝載機(jī)工作裝置主要包括動(dòng)臂、搖臂、鏟斗、拉桿4部分組成,如圖1所示.當(dāng)裝載機(jī)進(jìn)行鏟裝作業(yè)時(shí),搖臂油缸的伸縮,可以使力通過搖臂傳遞給拉桿,拉桿帶動(dòng)鏟斗繞動(dòng)臂鉸點(diǎn)擺動(dòng);動(dòng)臂油缸的伸縮可以使整個(gè)工作裝置繞前車架轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)物料的提升.只要獲得與鏟斗相連的3個(gè)鉸點(diǎn)處的載荷,即可以獲得整個(gè)工作裝置所受外載荷.

圖1 裝載機(jī)工作裝置組成Fig.1 Composition of the wheel loader working device

取鏟斗為研究對象,受力分析如圖2所示.

圖2 鏟斗受力分析Fig.2 Bucket force analysis

將鏟斗所受外載荷等效到斗尖,則鏟斗受到的載荷為Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，Mx，My，Mz.而與該外載荷平衡的3個(gè)鉸點(diǎn)處的載荷分別為Fy1，F(xiàn)z1，F(xiàn)y2，F(xiàn)z2，F(xiàn)y3，F(xiàn)z3，F(xiàn)4L，F(xiàn)4R.圖2中,x1,x2,y1,y2,z1,z2表示鏟斗局部坐標(biāo)系下各鉸點(diǎn)坐標(biāo).據(jù)據(jù)靜力平衡和力矩平衡,外載荷與鉸點(diǎn)載荷存在如下關(guān)系:

式中:G為鏟斗重力;L為鏟斗坐標(biāo)系下鏟斗重心距離斗尖載荷作用點(diǎn)沿y軸的距離.為方便計(jì)算,將以上各式整理成如下矩陣形式:

由上述推導(dǎo)可知,只要獲得鏟斗鉸點(diǎn)載荷Fy1，F(xiàn)z1，F(xiàn)y2，F(xiàn)z2，F(xiàn)y3，F(xiàn)z3，F(xiàn)4L，F(xiàn)4R,即可得到裝載機(jī)工作過程中的斗尖外載荷.

2 裝載機(jī)載荷測試模型

2.1 鏟斗拉桿鉸點(diǎn)載荷的獲取

為獲得鏟斗與拉桿連接處鉸點(diǎn)載荷Fy1,Fz1,將拉桿視為只受軸向拉壓載荷的二力桿,在裝載機(jī)拉桿側(cè)面黏貼應(yīng)變片,組成泊松比全橋,設(shè)計(jì)成拉桿力傳感器,用于測量拉桿在工作過程中的受力大小.為獲得鏟斗與動(dòng)臂連接處鉸點(diǎn)載荷Fy2，F(xiàn)z2，F(xiàn)y3，F(xiàn)z3，F(xiàn)4L，F(xiàn)4R,特設(shè)計(jì)銷軸傳感器如圖3所示,該傳感器共2個(gè),分別安裝在動(dòng)臂左右鉸接點(diǎn).傳感器的一端固定在鏟斗鉸接耳板上,另一端與動(dòng)臂鉸接,可同時(shí)獲取側(cè)向載荷F4L，F(xiàn)4R和軸向載荷Fy2，F(xiàn)z2，F(xiàn)y3，F(xiàn)z3.在測量徑向載荷Fz2徑向和Fz3因裝載機(jī)實(shí)際作業(yè)中動(dòng)臂鉸接點(diǎn)處的載荷作用點(diǎn)不固定,為消除載荷作用點(diǎn)跨距c的影響,特在斷面D-D和E-E上布置應(yīng)變片,組成差動(dòng)全橋;為抵消彎曲變形的影響,在斷面H-H布置泊松比全橋,以測量軸向載荷F4L，F(xiàn)4R.

在外載荷識別模型中,鏟斗鉸點(diǎn)載荷處在鏟斗局部坐標(biāo)系中,而在鏟裝作業(yè)過程中,鏟斗局部坐標(biāo)系會(huì)不斷改變.要獲得全局坐標(biāo)系下的外載荷,就要找到局部坐標(biāo)系與全局坐標(biāo)系之間的關(guān)系.在由鏟斗、拉桿、搖臂、動(dòng)臂組成的2自由度空間桿系結(jié)構(gòu)中,只要?jiǎng)颖塾透缀蛽u臂油缸位移已知,便可以確定該系統(tǒng)的空間姿態(tài),進(jìn)而確定鏟斗坐標(biāo)系與全局坐標(biāo)系的關(guān)系.因此,在動(dòng)臂油缸和搖臂油缸處布置拉線式位移傳感器以獲取兩處位移.為驗(yàn)證該載荷測試系統(tǒng)的精度,特在動(dòng)臂油缸處布置油壓傳感器以獲得該鉸點(diǎn)載荷.載荷測試系統(tǒng)如圖4所示.

圖3 銷軸傳感器原理圖Fig.3 Schematic diagram of the pin sensor

圖4 載荷測試系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the load test system

3 裝載機(jī)外載荷測試系統(tǒng)的驗(yàn)證

為考察該測試系統(tǒng)及理論模型的準(zhǔn)確性,采用靜態(tài)加載實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行了驗(yàn)證.因5T裝載機(jī)鏟掘物料質(zhì)量一般在50～70 kN,所以選取加載重物分別為5,6,7 T.裝載機(jī)在整個(gè)作業(yè)過程中主要經(jīng)歷鏟掘、運(yùn)輸、舉平、卸料等姿態(tài),所以取以下幾個(gè)典型姿態(tài)進(jìn)行靜載實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)步驟如下:

步驟1測取裝載機(jī)工作裝置各構(gòu)件質(zhì)量,在理論計(jì)算時(shí)加以考慮.

圖5 靜載實(shí)驗(yàn)姿態(tài)示意圖Fig.5 Position of the test

步驟2鏟斗空載并控制搖臂旋轉(zhuǎn)鏟斗到姿態(tài)1(鏟掘姿態(tài)),緩慢抬動(dòng)臂,當(dāng)動(dòng)臂抬升至下鉸接點(diǎn)距地面400 mm時(shí)保持姿態(tài)不變,記錄各傳感器示數(shù).

步驟3鏟斗加載重塊到步驟1同一姿態(tài),記錄各傳感器示數(shù).

步驟4將裝載機(jī)姿態(tài)變換到姿態(tài)2(運(yùn)輸姿態(tài))、3(平舉姿態(tài))、4(卸料姿態(tài)),分別重復(fù)步驟1和步驟2.

步驟5對重塊進(jìn)行稱重,測試精度為10 kg.

步驟6通過懸掛法測定重物重心位置.

圖6 靜載驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場Fig.6 Static load verification test

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示.

由表1可知,在不同載荷下,裝載機(jī)外載荷識別模型所得載荷大小誤差在5%以內(nèi),角度偏差在3°以內(nèi),其造成誤差的原因有兩點(diǎn):① 裝載機(jī)鏟斗鉸接處存在摩擦力,而在實(shí)驗(yàn)過程中無法對其準(zhǔn)確測量,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過程中存在額外阻力;② 重物的重心測量存在誤差,導(dǎo)致應(yīng)用本模型計(jì)算外載荷時(shí)存在偏差.

表1 靜載驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 裝載機(jī)各個(gè)作業(yè)段下載荷特點(diǎn)分析及統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

4.1 裝載機(jī)極限載荷測試實(shí)驗(yàn)

在采石場的初采大粒度巖石的鏟裝作業(yè)工況,因巖石物料的粒度和密度大,裝載機(jī)承受的鏟裝載荷和沖擊載荷大,為裝載機(jī)作業(yè)的典型工況之一.為研究裝載機(jī)在鏟裝作業(yè)中的載荷特性,以此工況為例,采用外載荷測試系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)載荷采集實(shí)驗(yàn),并研究不同作業(yè)段下的載荷特點(diǎn).

如圖7所示,實(shí)驗(yàn)場地為某處采石場,為保證裝載機(jī)的正常鏟裝作業(yè),實(shí)驗(yàn)場地進(jìn)行了平整;為使載荷數(shù)據(jù)真實(shí)地反映裝載機(jī)實(shí)際作業(yè)情況,根據(jù)文獻(xiàn)資料和廣泛調(diào)研,選取作業(yè)斗數(shù)為100斗.

圖7 大石方工況載荷實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場Fig.7 Load test under the rock condition

4.2 結(jié)果分析

基于本文提出的載荷識別模型和搭建的測試系統(tǒng),對大石方工況動(dòng)載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析.圖8給出了經(jīng)理論模型計(jì)算的其中20斗斗尖合力的載荷時(shí)間歷程.由圖8可見,輪式裝載機(jī)外載荷時(shí)間歷程總體上是不規(guī)則的、隨機(jī)的,但每個(gè)工作循環(huán)之間又存在著一定的相似性.

圖8 大石方工況下循環(huán)載荷數(shù)據(jù)Fig.8 Cyclic loading data under the rock condition

為了便于分析,取其中一個(gè)作業(yè)循環(huán),根據(jù)裝載機(jī)工作裝置姿態(tài)信號和實(shí)驗(yàn)視頻,將作業(yè)循環(huán)分出鏟掘、重載運(yùn)輸、卸料、輕載運(yùn)輸?shù)?個(gè)作業(yè)段,如圖9所示.

圖9 大石方工況下各作業(yè)段載荷特性Fig.9 Load characteristics of each section under the rock condition

從圖9可以看出,裝載機(jī)的4個(gè)作業(yè)段各自呈現(xiàn)不同的載荷特性.鏟掘段是裝載機(jī)工作裝置主要的受力階段.在該段內(nèi),裝載機(jī)動(dòng)臂在動(dòng)臂油缸的驅(qū)動(dòng)下接近地面,鏟斗底板與地面平行,并在發(fā)動(dòng)機(jī)的牽引下插入物料,這時(shí),鏟斗主要受到水平方向物料的沖擊阻力和地面的摩擦力.隨著鏟斗物料漸滿,鏟斗在搖臂油缸的驅(qū)動(dòng)下開始逐漸收斗,同時(shí)動(dòng)臂緩慢提升,這時(shí)鏟斗同時(shí)受到物料對其水平方向和豎直方向的摩擦阻力.從圖9可以看出,鏟掘段的載荷波動(dòng)最大且數(shù)值最高,對工作裝置的疲勞壽命影響最大.當(dāng)鏟斗鏟滿物料以后開始重載運(yùn)輸,在該階段內(nèi),鏟斗主要受到物料的重力,由于路面的顛簸,載荷呈現(xiàn)一定的波動(dòng)性,但其水平低于鏟掘段.當(dāng)裝載機(jī)運(yùn)輸物料到指定地點(diǎn),鏟斗舉升到最高并開始卸料,在卸料過程中,由于慣性,鏟斗下限位塊會(huì)與動(dòng)臂發(fā)生碰撞,產(chǎn)生一定的沖擊載荷.卸料完成后,動(dòng)臂開始下降,鏟斗與地面保持一定高度,裝載機(jī)逐漸接近物料,開始下一次鏟裝,工作裝置在該作業(yè)段主要受到鏟斗重力,所受載荷最小.

動(dòng)臂在工作過程中主要承受交變載荷,為了將造成動(dòng)臂疲勞損傷的載荷循環(huán)提取出來,采用雨流計(jì)數(shù)方法分別對鏟掘、重載運(yùn)輸、卸料、輕載運(yùn)輸4個(gè)作業(yè)段進(jìn)行載荷統(tǒng)計(jì)分析,所得結(jié)果如圖10所示.

圖10 大石方工況下裝載機(jī)各工作段載荷特點(diǎn)Fig.10 Load characteristics of wheel loader under the rock condition

由圖10分析可知:鏟掘段載荷幅值和均值最大且分布范圍較廣,測得的均值最大值接近265 kN,約50%的載荷在120 kN以上,這說明此作業(yè)段裝載機(jī)工作裝置承受的載荷最為惡劣;重載運(yùn)輸段和卸料段載荷水平接近,其中重載運(yùn)輸段的載荷頻次較高,且在100～240 kN的大載荷仍占15%的比例,而卸料段的載荷頻次較低,約80%的載荷均值集中在20～80 kN,高于100 kN的大載荷僅占1%;輕載運(yùn)輸段載荷均幅值水平最低,其中約90%的載荷均值在50 kN以下.

本實(shí)驗(yàn)所用5 T裝載機(jī)的靜載最大掘起力為185 kN,最大牽引力為160 kN,而裝載機(jī)在掘起作業(yè)過程中所承受的載荷最大,工作裝置此時(shí)既承受掘起力又承受牽引力,但由于裝載機(jī)的動(dòng)力輸出有限,一般認(rèn)為不能同時(shí)輸出最大掘起力和最大牽引力.在以往研究中,對于兩者的關(guān)系一般有3種處理方式:第1種是僅僅單獨(dú)考慮一個(gè)力的作用;第2種是假設(shè)同時(shí)達(dá)到最大;第3種是假設(shè)一個(gè)力達(dá)到最大,另一個(gè)力按照最大值折合一定的比例系數(shù).但這3種處理方法都只是對實(shí)際情況的猜測.在本研究中測得的最大值為265 kN,此時(shí)的掘起力達(dá)到了210 kN,牽引力達(dá)到了160 kN.這是由于在掘起的瞬時(shí),轉(zhuǎn)斗缸溢流閥不能及時(shí)泄壓,導(dǎo)致轉(zhuǎn)斗油缸大腔瞬間壓力高于系統(tǒng)壓力,最終導(dǎo)致動(dòng)載掘起力高于靜載穩(wěn)定掘起力.所以裝載機(jī)工作過程中所受載荷要高于靜態(tài)實(shí)驗(yàn)載荷.

在裝載機(jī)作業(yè)過程中,各作業(yè)段的大載荷所占比例對于工作裝置的疲勞影響較大.如圖11所示,在對裝載機(jī)工作裝置施加本研究所得最大載荷時(shí),工作裝置所受最大應(yīng)力為280 MPa,而Q345A材料的疲勞極限約為240 MPa,在計(jì)算結(jié)構(gòu)疲勞損傷過程中,疲勞極限以下20%的小載荷對損傷影響極小,可以忽略不計(jì),據(jù)此折算到本研究中,小于50 kN的外載荷可以忽略不計(jì).

圖11 極限載荷下裝載機(jī)工作裝置應(yīng)力分析Fig.11 Stress analysis of the wheel loader working device under the ultimate load

5 結(jié)論

(1) 通過對裝載機(jī)工作裝置進(jìn)行受力分析,將鏟斗所受外載荷簡化到斗尖上的6階張量,通過力學(xué)平衡方程,建立外載荷的6階張量與鏟斗3個(gè)鉸點(diǎn)力之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,并建立了相關(guān)系數(shù)矩陣和鏟斗外載荷識別理論模型.基于鏟斗各鉸點(diǎn)處結(jié)構(gòu)特點(diǎn),通過布置差動(dòng)電橋、泊松比電橋等測試方法,設(shè)計(jì)相應(yīng)鉸點(diǎn)處的載荷采集傳感器,并結(jié)合信號采集儀器,搭建了基于鏟斗外載荷識別理論模型的載荷測試系統(tǒng),該套方法可以為類似工程車輛的載荷獲取提供相關(guān)思路.在不同作業(yè)姿態(tài)和不同外載荷下對工作裝置進(jìn)行靜載荷實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,裝載機(jī)外載荷識別模型計(jì)算載荷大小的相對誤差在5%以內(nèi),角度偏差在3°以內(nèi).

(2) 基于本文提出的載荷識別模型和測試系統(tǒng),選取大粒度巖石工況進(jìn)行載荷采集實(shí)驗(yàn),并進(jìn)行載荷特性分析,發(fā)現(xiàn)鏟掘段載荷的均幅值最大,且載荷范圍分布廣泛,均值最大值達(dá)到了265 kN,高于靜載實(shí)驗(yàn)值.重載運(yùn)輸段和卸料段載荷水平接近,其中，重載運(yùn)輸段的大載荷比例和載荷頻次要高于卸料段.輕載運(yùn)輸段載荷水平最低,約90%的載荷均值在50 kN以下.