一种精确的装载机作业阻力功测量方法

1.本发明属于阻力功测量领域，具体涉及一种精确的装载机作业阻力功测量方法。


背景技术：

2.装载机是我国最为典型的工程机械设备之一，燃油消耗大，排放污染较严重；与国外同类产品相比，我国装载机的作业（生产）效率有较大差距。近年来，全社会对环境和能源问题越来越重视，节能、低碳、环保理念也进一步的被倡导和深入人心，节能增效成为装载机乃至整个工程机械行业面临的重大课题。
3.装载机在作业阶段（铲装物料）能量消耗是整个铲装循环过程中最大的。如何有效的降低装载机的燃油消耗，降低铲装物料时的作业阻力功是最为有效的方法之一，为了研究如何降低作业阻力功，先需要对装载机的作业阻力功进行精确的测量。目前已有的装载机铲装作业阻力方法采用在铲斗上安装传感器进行测试，专利号202010000988.7公开了一种基于位置计算的装载机铲装作业阻力实时测试方法，该方法仅限于通过台架测试装载机作业阻力，无法为整车装载机作业提供耗能依据。


技术实现要素：

4.本发明的目的是解决上述技术问题，提供一种数据更为真实有效、可为整车装载机作业提供耗能依据便于降低作业耗能的精确的装载机作业阻力功测量方法。
5.为实现上述的目的，本发明的技术方案为：一种精确的装载机作业阻力功测量方法，步骤包括：（1）启动装载机直线前进至物料堆处，铲斗铲装物料；（2）测量铲装作业中，物料对铲斗三个方向的阻力，分为水平阻力f1、竖直阻力f2和侧向阻力f3；（3）测量铲装作业中铲斗的水平位移s1和竖直位移s2；（4）通过步骤（2）和（3）测量出的阻力和位移值，计算出铲斗水平方向的阻力功w1和竖直方向的阻力功w2，将w1和w2相加继而得到装载机作业阻力功w0。
6.作为进一步的技术方案，以上所述步骤（2）中测量铲装作业中物料对铲斗三个方向的阻力，是采用三向力传感器测量得到，所述三向力传感器设于铲斗和拉杆之间，三向力传感器的前面与铲斗固定连接，从而与铲斗同步运动；所述三向力传感器的后面分别与两个动臂和拉杆铰接。
7.作为进一步的技术方案，以上所述水平位移s1，由装载机前进的距离l1和铲斗的水平行程l2相加得到；所述竖直位移s2，为铲斗的竖直行程h1。
8.作为进一步的技术方案，以上所述装载机前进的距离l1，是通过在激光测距仪和激光反射板测量得出，所述激光测距仪设置在装载机的外壳上，所述激光反射板固定设置在装载机的初始位置后方。
9.作为进一步的技术方案，以上所述铲斗的水平行程l2和铲斗的竖直行程h1，测量包
括以下步骤：
①
以前车架中心垂直地面的交点设为坐标原点0，平行于地面方向为x方向建立固定坐标系xoy；坐标系内的a点为动臂油缸与前车架的铰接安装点，b点为动臂与前车架的铰接安装点，c点为铲斗油缸与前车架的铰接安装点，d点为动臂与动臂油缸的铰接安装点，e点为铲斗油缸与摇臂的铰接安装点，f点为动臂与摇臂的铰接安装点，g点为摇臂与拉杆的铰接安装点，h点为动臂与三向力传感器的铰接安装点，j点为拉杆与三向力传感器的铰接安装点，过d点做bh连线的垂线得到垂点m，k点为铲斗的斗刃往后100mm处的崛起力测量点；
②
以bh连线、bd连线以及bf连线为斜边分别设定与三角形dba交叉的直角三角形bhn、bdp以及bfq；
③
通过在装载机两个动臂的动臂油缸缸体上分别设置动臂油缸位移传感器，测定左右动臂的动臂油缸的活塞杆在铲斗作业过程中任一时间节点的位移，从而得出动臂油缸的长度l
da
；通过在装载机铲斗油缸的缸体上设置铲斗油缸位移传感器，测定铲斗油缸的活塞杆在铲斗作业过程中任一时间节点的位移，从而得出铲斗油缸的长度l
ec
；
④
在三角形dba中，根据余弦定理计算∠dba的角度；
⑤
通过直角三角形bhn和三角形dba的交叉关系，求出∠hbn的角度，继而求出h点的坐标（xh，yh）；通过直角三角形bdp和三角形dba的交叉关系，求出∠dbp的角度，继而求出d点的坐标（xd，yd）；通过直角三角形bfq和三角形dba的交叉关系，求出∠fbq的角度，继而求出f点的坐标（xf，yf）；
⑥
在三角形efc中，基于f点、c点的坐标和其三边长，计算出e点的坐标（xe，ye）；在三角形efg中，基于e点、f点的坐标和其三边长，计算出g点的坐标（xg，yg）；在三角形hgj中，基于h点、g点的坐标和其三边长，计算出j点的坐标（xj，yj）；在三角形khj中，基于h点、j点的坐标和其三边长，计算出k点的坐标（xk，yk）；
⑦
分别计算出t1和t2时刻k点的坐标值（x
k1
，y
k1
）和 (x
k2
，y
k2
)，则铲斗的水平行程l2=x
k2-x
k1
，铲斗的竖直行程h1=y
k2-y
k1
。
10.作为进一步的技术方案，以上步骤
④
的在三角形dba中，根据余弦定理计算∠dba的角度，计算公式为：l
da2
=l
bd2
l
ba2-2l
bd
×
l
ba
×
cos(∠dba)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）其中，l
da
为动臂油缸的长度；l
bd
为固定值，量取b、d两点的距离所得；l
ba
为固定值，量取a、b两点的距离所得。
11.作为进一步的技术方案，以上步骤
⑤
中，所述求出∠hbn的角度，计算公式为：∠hbn=∠dba ∠hbd-∠nba
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）所述h点的坐标（xh，yh）的计算公式为：xh=xb l
bh
×
sin(∠hbn)，yh=y
b-l
bh
×
cos(∠hbn)
ꢀꢀꢀ
（3）所述求出∠dbp的角度，计算公式为：∠dbp=∠dba
ꢀ‑
∠pba
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）所述d点的坐标（xd，yd）的计算公式为：xd=xb l
bd
×
sin(∠dbp)，yd=y
b-l
bd
×
cos(∠dbp)
ꢀꢀꢀꢀ
（5）
所述求出∠fbq的角度，计算公式为：∠fbq=∠dba ∠fbd-∠qba
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（6）所述f点的坐标（xf，yf）的计算公式为：xf=xb l
bf
×
sin(∠fbq)，yf=y
b-l
bf
×
cos(∠fbq)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（7）其中，∠dba由步骤
④
求得；∠hbd、∠nba、∠pba、∠fbd、∠qba均为固定值，通过角度测量所得；b点的坐标值（xb，yb）为固定值；l
bh
为固定值，量取b、h两点的距离所得；l
bd
为固定值，量取b、d两点的距离所得；l
bf
为固定值，量取b、f两点的距离所得；作为进一步的技术方案，以上步骤
⑥
中，e点的坐标（xe，ye）的计算公式为：l
ef2
=(x
f-xe)2 (y
f-ye)2l
ec2
=(x
e-xc)2 (y
e-yc)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（8）g点的坐标（xg，yg）的计算公式为：l
gf2
=(x
f-xg)2 (y
f-yg)2l
eg2
=(x
e-xg)2 (y
e-yg)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（9）j点的坐标（xj，yj）的计算公式为：l
hj2
=(x
h-xj)2 (y
h-yj)2l
gj2
=(x
g-xj)2 (y
g-yj)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（10）k点的坐标（xk，yk）的计算公式为：l
hk2
=(x
h-xk)2 (y
h-yk)2l
jk2
=(x
j-xk)2 (y
j-yk)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（11）其中，f点的坐标值（xf，yf）、h点的坐标（xh，yh）由步骤
⑤
所得；l
ef
为固定值，量取e、f两点的距离所得；l
ec
为铲斗油缸的长度；l
gf
为固定值，量取g、f两点的距离所得；l
eg
为固定值，量取g、e两点的距离所得；l
hj
为固定值，量取h、j两点的距离所得；l
gj
为固定值，量取g、j两点的距离所得；l
hk
为固定值，量取h、k两点的距离所得；l
jk
为固定值，量取j、k两点的距离所得；作为进一步的技术方案，当以上所述侧向阻力f3大于工程要求值时，测量由步骤（1）重新开始。
12.与现有技术相比，本发明的有益效果为：1、本发明首次提出测量整车装载机作业的方法，测量对象为实际工作中的装载机，并非实验室的铲斗，因此所得数据更为真实有效；并且本发明测量为作业阻力功，阻力功是指装载机铲斗从接触物料到离开物料整个过程中阻力所做的功，更为了解作业中装载
机的铲斗需要消耗的能耗，可以此为依据对铲斗的结构进行进一步的改进，达到节能降耗的目的。
13.2、本发明经研究发现，装载机铲斗在物料中的运动主要集中在水平方向和竖直方向，通过在铲斗的拉杆上设置三向传感器，获得水平阻力f1和竖直阻力f2用于计算作业阻力功，并利用侧向阻力f3作为一个监控数据有效性的指标，虽然在计算阻力功的时候用不上，但是正常情况下，侧向受力很小，如果该值的测试结果过大说明机器在前进过程中轨迹不成直线，测试数据无效，需要重新测量，进一步保证了测量结果的准确性。
14.3、本发明将三向传感器设置在铲斗后方，确保了阻力功在测量过程中的准确性和合理性。
15.4、本发明中，铲斗的位移主要分为水平位移s1和竖直位移s2。水平位移s1由装载机前进的距离l1和铲斗的水平行程l2相加得到，装载机前进的距离由激光测距仪测得；铲斗的位移s2跟装载机行驶的位置无关，只跟动臂油缸和铲斗油缸的行程有关。由于动臂油缸和铲斗油缸的运动都会引起铲斗在水平和竖直方向上的运动，动臂油缸的行程和铲斗油缸的行程如果是确定的，那么铲斗的位置是唯一确定的位置，所以通过测量动臂油缸和铲斗油缸的行程就可以计算出铲斗的位置。动臂油缸的行程由动臂油缸位传感器测得，铲斗油缸的行程由铲斗油缸位移传感器测得，本发明经研究发现，铲斗的斗刃往后100mm处的崛起力测量点k的横向坐标变化值和纵向坐标变化值即为铲斗水平行程l2和竖直行程h1，因而通过三角函数计算出不同时间节点下k的坐标即可，计算方便。
附图说明
16.图1为本发明所用装载机的主视图；图2为本发明所用装载机的立体结构示意图；图3为本发明装载机铲装作业某一时间节点位置的示意图。
17.附图标记：1-物料堆，2-铲斗，3-三向力传感器，4-铲斗油缸，5-铲斗油缸位移传感器，6-激光测距仪，7-激光反射板，8-动臂，9-拉杆，10-摇臂，11-动臂油缸，12-动臂油缸位移传感器，13-前车架。
具体实施方式
18.下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式并不局限于实施例表示的范围。
19.实施例1：如图1和图2所示，物料堆1设在装载机的前方，激光反射板7固定设置在装载机的初始位置后方，激光测距仪6设置在装载机的发动机外壳上，与激光反射板7相对应。 三向力传感器3设在铲斗2和拉杆9之间，三向力传感器3的前面与铲斗2固定连接，从而与铲斗2同步运动；三向力传感器3的两个侧面分别与两个动臂8铰接，三向力传感器3的后面与拉杆9铰接。装载机两个动臂8的动臂油缸11缸体上分别设置动臂油缸位移传感器12，装载机铲斗油缸4的缸体上设置铲斗油缸位移传感器5。
20.如图3所示，一种精确的装载机作业阻力功测量方法，步骤包括：（1）启动装载机直线前进至物料堆1处，铲斗2铲装物料；
（2）测量铲装作业中，采用三向力传感器3测量物料对铲斗2三个方向的阻力，分为水平阻力f1、竖直阻力f2和侧向阻力f3；（3）测量铲装作业中铲斗2的水平位移s1和竖直位移s2；水平位移s1，由装载机前进的距离l1和铲斗2的水平行程l2相加得到；装载机前进的距离l1，是通过在激光测距仪6和激光反射板7测量得出；竖直位移s2，为铲斗2的竖直行程h1；铲斗2的水平行程l2和铲斗2的竖直行程h1，测量包括以下步骤：
①
以前车架13中心垂直地面的交点设为坐标原点0，平行于地面方向为x方向建立固定坐标系xoy；坐标系内的a点为动臂油缸11与前车架13的铰接安装点，b点为动臂8与前车架13的铰接安装点，c点为铲斗油缸4与前车架13的铰接安装点，d点为动臂8与动臂油缸11的铰接安装点，e点为铲斗油缸4与摇臂10的铰接安装点，f点为动臂8与摇臂10的铰接安装点，g点为摇臂10与拉杆9的铰接安装点，h点为动臂8与三向力传感器3的铰接安装点，j点为拉杆9与三向力传感器3的铰接安装点，过d点做bh连线的垂线得到垂点m，k点为铲斗2的斗刃往后100mm处的崛起力测量点；点a、b、c铰接在前车架13上，所以三个点的坐标值a（xa,ya）、b(xb,yb)、c(xc,yc)相对于前车架13是固定不变的，是已知值。
21.②
以bh连线、bd连线以及bf连线为斜边分别设定与三角形dba交叉的直角三角形bhn、bdp以及bfq；
③
通过在装载机两个动臂8的动臂油缸11缸体上分别设置动臂油缸位移传感器12，分别测定左右动臂8的动臂油缸11的活塞杆在铲斗2作业过程中t1和t2时刻的位移，因缸体的长度不变，动臂油缸11的总长度l
da
为活塞杆的位移值与缸体的总和，从而分别得出t
1 和t2时刻动臂油缸11的总长度l
da
；通过在装载机铲斗油缸4的缸体上设置铲斗油缸位移传感器5，测定铲斗油缸4的活塞杆在铲斗2作业过程中t1和t2时刻的位移，因缸体的长度不变，铲斗油缸4的长度l
ec
为活塞杆的位移值与缸体的总和，从而分别得出t
1 和t2时刻铲斗油缸4的长度l
ec
；
④
在三角形dba中，根据余弦定理计算∠dba的角度；计算公式为：l
da2
=l
bd2
l
ba2-2l
bd
×
l
ba
×
cos(∠dba)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）其中， 由于b、d点均在动臂8上，相对位置是不变的；a、b点与前车架13固定铰接，所以，l
bd
和l
ba
为固定值，量取对应两点的距离即可；由于l
da
为变值，分别代入t
1 和t2时刻动臂油缸11的长度l
da
，从而得出t
1 和t2时刻的∠dba的角度；
⑤
通过直角三角形bhn和三角形dba的交叉关系，求出∠hbn的角度，计算公式为：∠hbn=∠dba ∠hbd-∠nba
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）继而求出h点的坐标（xh，yh），计算公式为：xh=xb l
bh
×
sin(∠hbn)，yh=y
b-l
bh
×
cos(∠hbn)
ꢀꢀꢀ
（3）通过直角三角形bdp和三角形dba的交叉关系，求出∠dbp的角度，计算公式为：∠dbp=∠dba
ꢀ‑
∠pba
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）继而求出d点的坐标（xd，yd），计算公式为：xd=xb l
bd
×
sin(∠dbp)，yd=y
b-l
bd
×
cos(∠dbp)
ꢀꢀꢀꢀ
（5）通过直角三角形bfq和三角形dba的交叉关系，求出∠fbq的角度，计算公式为：
∠fbq=∠dba ∠fbd-∠qba
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（6）继而求出f点的坐标（xf，yf），计算公式为：xf=xb l
bf
×
sin(∠fbq)，yf=y
b-l
bf
×
cos(∠fbq)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（7）其中，因h、b、d三点均在动臂8上，三点的相对位置是不变的，因此∠hbd、l
bh 、l
bd
的值也是固定不变的，同理，f、b、d三点均固定在动臂8上，三点的相对位置是不变的，因此∠fbd、 l
bf
也是固定不变的；a、b两点都是前车架13上的点，为固定不变的，而n、p、q点是垂点，所以∠nba、∠pba、∠qba是固定不变的，均通过测量可得；由此步骤可得，t1时刻的h点的坐标（x
h1
，y
h1
）、d点的坐标（x
d1
，y
d1
）、f点的坐标（x
f1
，y
f1
），t2时刻的h点的坐标（x
h2
，y
h2
）、d点的坐标（x
d2
，y
d2
）、f点的坐标（x
f2
，y
f2
）。
22.⑥
在三角形efc中，基于f点、c点的坐标和其三边长，计算出e点的坐标（xe，ye），计算公式为：l
ef2
=(x
f-xe)2 (y
f-ye)2l
ec2
=(x
e-xc)2 (y
e-yc)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（8）在三角形efg中，基于e点、f点的坐标和其三边长，计算出g点的坐标（xg，yg）计算公式为：l
gf2
=(x
f-xg)2 (y
f-yg)2l
eg2
=(x
e-xg)2 (y
e-yg)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（9）在三角形hgj中，基于h点、g点的坐标和其三边长，计算出j点的坐标（xj，yj），计算公式为：l
hj2
=(x
h-xj)2 (y
h-yj)2l
gj2
=(x
g-xj)2 (y
g-yj)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（10）在三角形khj中，基于h点、j点的坐标和其三边长，计算出k点的坐标（xk，yk），计算公式为：l
hk2
=(x
h-xk)2 (y
h-yk)2l
jk2
=(x
j-xk)2 (y
j-yk)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（11）其中，l
fc2
=(x
f-xc)2 (y
f-yc)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（12）因e、f、g三点均在摇臂10上，三点的相对位置是不变的，因此l
ef
、l
gf
、l
eg
的值也是固定不变的；同理，g点为摇臂10与拉杆9的铰接安装点，h点为动臂8与三向力传感器3的铰接安装点，j点为拉杆9与三向力传感器3的铰接安装点，三点的相对位置是不变的，因此l
hj
、l
gj
的值也是固定不变的；因h、j和k三点的相对位置是不变的，则l
hk
、l
jk
的值也是固定不变的，均通过测量可得。
23.⑦
分别计算出t1和t2时刻k点的坐标值（x
k1
，y
k1
）和 (x
k2
，y
k2
)，则铲斗2的水平行程l2=x
k2-x
k1
，铲斗2的竖直行程h1=y
k2-y
k1
。
24.（4）通过步骤（2）和（3）测量出的阻力和位移值，得到铲斗2的水平位移s1= l1 l2= l1 x
k2-x
k1
铲斗2的竖直位移s2= h1=y
k2-y
k1
装载机作业阻力功w0= w
1 w2= f1×
s1 f2×
s2= f1×
（l1 x
k2-x
k1
） f2×
（y
k2-y
k1
）。
25.侧向阻力f3大于工程要求值时，测量由步骤（1）重新开始。
26.在本发明的描述中，需要理解的是，术语
“ꢀ
中心”、
“ꢀ
纵向”、
“ꢀ
横向”、
“ꢀ
前”、
“ꢀ
后”、
ꢀ“ꢀ
左”、
“ꢀ
右”、“首”、“尾”、
“ꢀ
竖直”、
“ꢀ
水平”、
“ꢀ
顶”、
“ꢀ
底
”“ꢀ
内”、
“ꢀ
外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或 暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接；可以是拆卸连接；也可以是点连接；可以是直接连接；可以是通过中间媒介间接连接，可以使两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。本发明中未详尽说明的设备连接方式，均按本领域的常规连接方式理解。
27.上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。