液压挖掘机铲斗载荷的测试方法

郁录平,路 宇,向岳山,李鹏波

(长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室,陕西 西安 710064)



液压挖掘机铲斗载荷的测试方法

郁录平,路 宇,向岳山,李鹏波

(长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室,陕西 西安 710064)

提出了一种用于测量挖掘机铲斗载荷的测试方法,该方法主要包括:在连杆上设置传感器测出连杆受力; 设计专门的销轴传感器测出斗杆与铲斗铰接处的销轴受力; 根据所测的受力数据和铲斗的工作姿态数据计算得出铲斗受力.该方法可以完整地得出挖掘机铲斗所受的正载、偏载和侧载.

液压挖掘机; 铲斗载荷; 测试方法

液压挖掘机是一种应用广泛的土石方机械.挖掘机工作时,铲斗所的受载荷特性对挖掘机的研发具有非常重要的意义.由于挖掘机作业工况复杂，铲斗受力不断变化,不能通过在铲斗上直接安装传感器测量其载荷[1].并且所挖掘物料经常会使铲斗受到偏载和侧向载荷.目前,测量挖掘机铲斗受力的方法均采用间接测量的方法[2,3],即首先测量斗杆与铲斗铰接处的销轴受力和连杆受力,通过求解平衡方程得到铲斗所受的外载荷合力[4].姜万录[5]等曾设计出一种间接测量挖掘阻力的传感器,用于测量大型矿用挖掘机的铲斗受力,但是这种传感器无法测量铲斗所受的侧向力和铲斗的偏载.本文所设计的铲斗受力测试方法,可以测出挖掘机工作时铲斗所受的合外力,包括偏载和侧向力.

1 铲斗的受力分析

取铲斗为隔离体,铲斗受到的外力有:斗杆与铲斗铰接处的销轴A处的受力FA，连杆与铲斗铰接处的销轴B处的受力FB,铲斗重力G以及铲斗的外的载荷F.建立平面直角坐标系如图1所示.在销轴A与销轴B的中心连线上建立坐标x轴,y轴垂直于x轴.铲斗所受外力与x轴的夹角分别为α1，α2，α3，α4.其中夹角α2，α3是挖掘机工作装置的姿态参数,可以直接测量,或通过各油缸工作长度计算得出[6],可以视α2，α3为已知.将铲斗外载荷F分解为Fx和Fy.本文中所有力计算都是以图示箭头方向为正.

图1 铲斗受力分析

x方向取力平衡方程有:

(1)

式中：Fx为铲斗所受外载荷F在x方向的分力；FAx为销轴A处的受力FA在x方向的分力.

y方向取力平衡方程有:

(2)

式中：Fy为铲斗所受外载荷F在x方向的分力；FAy为为销轴A处的受力FA在y方向的分力.

根据式(1),(2)可以得到外载荷F:

(3)

(4)

通过上述计算可知,当挖掘机工作装置姿态确定时,如果得到斗杆与铲斗铰接处的销轴A处的受力FA、连杆的受力FB和铲斗重力G,可以通过(1)～(4)求得铲斗外载荷F的大小和方向.铲斗重力G是可以直接测量的,只要设计出测量FA,FB的方法就能间接得到铲斗所受外载荷F.

2 传感器设计

2.1 连杆传感器

连杆为二力杆,可以按照传感器要求在连杆表面贴应变片,采用测量连杆应力的方法测到连杆受力FB.

由挖掘机工作装置结构可知,挖掘机工作时铲斗油缸与连杆的最大夹角近似为180°,可以用铲斗油缸的最大推力计算连杆传感器的量程.

2.2 销轴传感器

由于FA的大小和方向是变化的,将FA按图1分解为FAx和FAy分别测量.为了测量偏载,将铲斗-斗杆销轴分为左右两段,设计左右两个销轴传感器.左传感器测量FAx和FAy在斗杆左边的分力FAxl,FAyl; 右传感器测量FAx和FAy在斗杆右边的分力FAxr,FAyr.将侧向力分解为铲斗向左的侧向力Fzl、铲斗向右的侧向力Fzr分别进行测量.

测试装置总体方案如图2所示.将铲斗4左右两侧与斗杆1连接的耳座向两边移动,形成传感器安装座2,保证传感器安装座2与斗杆1之间存在一段距离.在斗杆1上与铲斗4铰接的销孔内布置套筒5,套筒5的内端封闭,将销轴传感器3插入套筒5中且使销轴传感器3的顶端与套筒5接触.

图2 测试装置总体方案图

2.2.1FAxl的测量

如图3所示,在销轴传感器x轴所在的纵断面贴应变片Rx1,Rx2,Rx3,Rx4,其中Rx1,Rx4在断面D-D上,Rx2,Rx4在断面E-E上,组桥方式图4所示.根据应变测量原理[7],在供桥电压为Uxi的条件下,图4所示的电桥的输出Uxo为

(5)

式中:K为应变片的灵敏度系数;εx1,εx2,εx3,εx4分别为应变片Rx1,Rx2,Rx3,Rx4所在位置的正应变.

图3 销轴传感器原理图

由材料力学[8]可知:

(6)

式中:E为材料弹性模量;Wp为抗弯截面系数；l为断面D-D与E-E之间的水平距离；c为销轴加载位置与断面E-E之间的水平距离.

(7)

(8)

(9)

图4 FAxl测量电桥

将式(6)～(9)代入(5),整理得:

(10)

可以看出,图4所示电桥的输出电压Uxo与c无关,也就是说,不论Fxl在支承点的分布特性怎样变化,这种组桥方式都能从理论上准确地测量出Fxl的数值来.

2.2.2FAyl的测量

如图3所示,在销轴传感器y轴所在的纵断面贴应变片Ry1，Ry2，Ry3，Ry4,其中Ry1，Ry4在断面D-D上,Ry2，Ry4在断面E-E上,利用与测量FAxl相同的方法,可以测出FAyl.

2.2.3Fzl的测量

从图2可以看出,铲斗向左的侧向力Fzl作用在销轴传感器顶端,传感器这一部分的断面积比较小,Fzl会在这个断面产生压应力.如图3所示,在H-H断面上,贴应变片Rz1，Rz2，Rz3，Rz4,其中Rz1，Rz3贴在上下相对的两条母线上,与母线的方向一致;Rz2，Rz4在前后相对的两条母线上,与母线的方向垂直.组桥方式如图5所示,电桥的连接电线从传感器中间的孔中引出.

图5 侧向力测量电桥

在供桥电压为Uzi的条件下,图5所示的电桥的输出电压Uzo为

(11)

式中:εz1，εz2,εz3,εz4分别为应变片Rz1,Rz2，Rz3，Rz4所在位置的正应变.由材料力学可知

(12)

式中:S为Rz1～Rz4所在位置的传感器的断面面积.

(13)

式中:μ为泊松比,“-”表示与εz1的方向相反.

将式(12)、(13)代入(11),得

(14)

3 铲斗所受的合外力

如图2所示,右销轴传感器的布置方式与左销轴传感器对称,右销轴传感器的结构与左销轴传感器相同,利用右销轴传感器测量FAxr，FAyr，Fzr的原理与前述测量FAxl，FAyl，Fzl的原理相同,不再赘述.

3.1FAx的计算

在测得FAxl，FAxr以后,按式(15)求得FAx.

(15)

FAxl，FAxr为两个平行力,利用力学原理可以求得其合力偏离中心的距离为bx:

(16)

bx=0说明FAx无偏载.

3.2FAy的计算

在测得FAyl，FAyr以后,可以用类似的方法求出FAy,FAy偏离中心线的距离by.

(17)

(18)

3.2Fz的计算

在测得Fzl，Fzr以后,统一定义向左(或向右)正,将Fzl和Fzr相加,便可以求出铲斗所受的侧向力Fz.

4 结语

本文提出了一种挖掘机铲斗受力的测试方法,该方法主要是设计测量销轴受力的销轴传感器和连杆受力传感器间接得出铲斗所受的合力.

由于连杆受力传感器结构相对比较简单,文中主要讨论了用销轴受力传感器测量销轴的径向力和轴向力原理和设计计算方法.

从分析的情况来看,这个挖掘机铲斗受力测试方法,原理正确,工艺可行,可以测出铲斗所承受的载荷; 也可以用于装载机的铲斗受力测量.

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Testing method for bucket loading of hydraulic excavators

YU Lu-ping,LU Yu,XIANG Yue-shan,LI Peng-bo

(Key Laboratory of Road Construction Technology& Equipment of the Ministry of Education, Chang'an University, Xi'an, 710064)

Based on a testing method for excavator bucket force measurement, the method is postulated on setting a sensor on the bucket linkage to measure the force of the linkage, designing special pin-type loadcells to measure the force of the pin between dipper and bucket, and computing the bucket force through measurement and bucket position data.Accordingly, this approach can completely detect the bucket loading such situations as forward, partial and lateral loading.

hydraulic excavator; bucket force; testing method

土方机械疲劳可靠性关键技术研究项目(2015BAF07B02)

郁录平(1957-),男,教授.E-mail:1072587536@qq.com

TH 122

A

1672-5581(2016)03-0267-04