液压挖掘机有效载荷智能测量系统_俞松松.pdf

试验 研究Test and Research2 0 2 3 4液压挖掘机有效载荷智能测量系统俞松松，刘建广西柳工机械股份有限公司摘要针对挖掘机在装载作业过程中，为避免被装载卡车超载，需频繁复核装载物料总载荷量而导致的装载作业效率低的问题，利用布置在挖掘机动臂液压缸上的压力测量单元和布置在工作装置和机身上的惯性传感器，设计一种挖掘机有效载荷智能测量系统及人机交互界面，通过速度补偿算法，大幅提高了载荷量的计算精度。试验证明，测试载荷量与实际载荷量误差在3%以内，说明该有效载荷智能测量系统应用效果良好，在提高装载作业效率的同时，为数字化施工奠定了一定基础。关键词：液压挖掘机；有效载荷；测量系统；智能化作者简介：俞松松（1987），男，江西南昌人，硕士，研究方向：挖掘机振动与噪声控制、振动舒适性分析、整机控制等核心技术的研究与应用。液压挖掘机广泛应用于各种物流、采矿、土石方等工程作业中，其一项重要的工作就是装车作业。随着目前道路对卡车装载重量的要求越来越严苛，需要卡车司机实时获取每一车装载的载荷量，常规的做法是每装完一次，就要去地磅复核，超重则重新返回作业现场，卸载一部分物料，再次过磅复核，如此反复，直到不超重为止，作业效率较低。如果挖掘机可以实时检测每一铲斗或者每一车装载的载荷量，在装载的过程中控制被装载卡车不超重，就会大大提高作业效率。本文介绍一种有效载荷智能测量系统，该系统可实现实时检测和实时显示单斗载荷量、斗数和装载载荷量的功能，大大提高液压挖掘机装载作业的整体效率。1数据采集单元目前，行业内主流的有效载荷测量系统一般通过检测动臂液压缸有杆腔和无杆腔的压力和整机几何姿态，并通过一定的算法，实时估算出铲斗内物料的载荷量。如图 1 所示为有效载荷智能测量系统数据采集单元及机构简图，通过在动臂液压缸有杆腔和无杆腔处安装压力测量单元，实时采集压力数据，在工作装置和机身处安装有惯性传感器，实时监测工作装置运动角度。惯性传感器是一种具有静态特性和动态特性结合的系统，包括角加速度和角速度（陀螺）单/双轴组合 IMU（惯性测量单元）。542 0 2 3 4第卷总第期5459第期44图 1数据采集单元及机构简图通常用 D-H 坐标变换法计算挖掘机工作装置的坐标值。D-H 坐标变换法，即在机构中的每个连杆上固定一个坐标系，相邻两连杆的空间关系通过一个 44 变换矩阵来描述。通过连续变换便可得到末端机构相对于初始坐标系的位姿，从而得出机构的运动学关系。挖掘机的工作装置可近似认为是一个 4 自由度连杆机构。为更准确地对挖掘机的工作装置进行运动学分析，研究各构件间的位置关系，通常用 D-H 坐标变换法建立其运动学模型。如图 3 所示为简化后的工作装置 D-H 坐标系示意图。由 D-H 法确立工作装置各杆件参数如表 1 所示。根据 D-H 法，由坐标系 Oi-1到 Oi（i=1，2，3），绕 zi轴旋转 i角度的变换矩阵，可用改良后的 44 变换矩阵表示为：Mi-1=ci-si0li-1sici00001i000|1（2）由原始坐标系 O 到动臂坐标系 O1的 44 变换矩阵图 2有效载荷智能测量系统原理2有效载荷智能测量系统有效载荷智能测量系统原理如图 2 所示，基于图 1，以动臂和车身的铰接点 O 为坐标原点，以挖掘机前进的水平方向为 X 轴正方向，以垂直 X 轴竖直向上的方向为Y 轴正方向。根据静力学平衡方程，O 点为平衡点，动臂、斗杆、铲斗和载荷 4 部分对 O 的重力矩等于动臂液压缸推力 Fbc在垂直方向的分力对 O 的力矩，平衡方程为：Fbc Xbc=Gb Xb+Ga Xa+Gk Xk+G X（1）式中：Xbc为动臂液压缸在动臂上的铰接点在 XOY 坐标系中的横坐标值；Xb为动臂重心点在 XOY 坐标系中的横坐标值；Xa为斗杆重心点在 XOY 坐标系中的横坐标值；Xk为铲斗重心点在 XOY 坐标系中的横坐标值；X 为载荷重心点在 XOY 坐标系中的横坐标值；Ga、Gb、Gc及 G 分别为斗杆、动臂、铲斗所受重力及载荷。55试验 研究Test and Research2 0 2 3 4图 4速度补偿系数示意图图 3D-H 坐标系表 1工作装置 D-H 参数表杆件编号 i杆件长度 li-1杆件扭角 i-1关节平移量 di关节回转量 i关节变量1000112l100223l200334l30可表示为：MO1=100a010b0010000|1（3）由坐标系 O3到齿尖 V 的 44 变换矩阵表示为：M3V=100l301000010000|1（4）根据坐标系变换原则，工作装置末端的位姿矩阵为：MOV=MO1M12M23M3V=c123-s1230a+l1c1+l2c12+l3c123s123c1230b+l1c1+l2c12+l3c1230011+2+3000|1（5）其中：ci=cos 1，c12=cos（1+2），c123=cos（1+2+3）si=sin 1，s12=sin（1+2），s123=sin（1+2+3）c123-s1230s123c1230001为姿态矩阵a+l1c1+l2c12+l3c12b+l1s1+l2s12+l3s121+2+3为位置矩阵若设齿尖位置 V 点的姿态角为=1+2+3，则 V 点的位置可由矩阵（6）表示：POV=XVYV|=a+l1c1+l2c12+l3c12b+l1s1+l2s12+l3s121+2+3|（6）显然，动臂铰接点、动臂重心点、斗杆重心点、铲斗重心点和载荷重心点等坐标值均可根据以上各式获得。然而，以上理论公式只是静力学平衡方程，挖掘机的挖掘作业过程为一动态过程，且各个动作切换速度很快，结合挖掘机作业的特点，在完成挖掘动作，进行动臂提升的过程中，动臂液压缸压力较稳定，且为一个相对平衡的状态，故选取此动作进行铲斗内物料载荷量计算（铲斗内无物料）。但是载荷量还会受到不同人员操作的影响，经过大量试验数据总结，增加动臂速度补偿（图 4 所示为速度补偿系数示意图），可以大大提高计算载荷量，故铲斗内物料载荷量为：m=G/g+K（7）562 0 2 3 4第卷总第期5459第期44图 5有效载荷系统人机交互界面式中：m 为物料质量；K 为速度补偿系数。3有效载荷智能测量系统测试与试验有效载荷智能测量系统人机交互界面如图 5 所示，通过此人机交互界面，司机可提前设定好需要装载的载荷量，界面实时显示单斗载荷量、斗数、装车载荷量和装车百分比，当接近设定载荷量时会发出报警声音，提醒司机即将超重。通过实际挖掘机装车试验，利用地磅测量每一次装载的载荷量并记录，并与图 5 显示的载荷量进行对比，对比结果如表 2 所示。由表 2 可知，有效载荷智能测量系统的精度基本可控制在3%以内，满足挖掘机装载作业实际工程需求。4结束语本文设计的有效载荷智能测量系统，通过引入速度补偿系数，大大提高了测量系统的精度；搭载有效载荷智能测量系统的液压挖掘机，在挖掘机装载作业中可实现以下特点：1）挖掘机作业司机在熟悉操作该有效载荷智能测量系统后，可避免重复复核载荷量，提高整体作业效率；2）在一定工况下，精度可控制在3%以内，满足挖掘机装载作业实际工程需求；3）作业数据可通过远程通信单元共享，形成作业报表，提高了施工作业数字化、智能化水平，也为数字化施工奠定了一定的基础。参考文献1 Artur Gawlink，Piotr Kucybala.Dynamic Weighing systemUsed in ExcavatorJ.Journal of KONES，2017，24（4）.DOI：10.5604/01.3001.0010.31622 Hsu H P，King J C，Corder P J.Weight estimation for excavatorpayloads：US，20080319710A1P.3 李文新，刘建.液压挖掘机载荷智能监控系统J.液压气动与密封，2020（7）：50-53.4 何经旺.液压挖掘机动态称重方法的研究D.泉州：华侨大学，2015.5 许林华.挖掘机自动称重系统研究 D.泉州：华侨大学，2019.6 刘剑，李文新.惯性传感器在挖掘机智能控制系统上的应用J.建筑机械，2019（6）：70-72.通信地址：广西柳州广西柳工机械股份有限公司（545007）（收稿日期：2023-01-05）序号实测载荷量/t系统测试载荷量/t差异/%12.932.960.922.932.971.632.993.051.842.932.89-1.352.922.85-2.5表 2测试结果对比57Intelligent Measurement System for Payload of Hydraulic ExcavatorIn view of low loading efficiency caused by frequent review of the total load of the loaded materials to avoid overloading during the loading operation of the exca-vator,an intelligent measurement system for excavator payload and a human-ma-chine interaction interface are designed by using the pressure measurement unit arranged on the hydraulic cylinder of the excavator boom and the inertial sen-sors arranged on the equipment and the machine body,and through the velocity compensation algorithm,the accuracy of the load calculation is greatly improved.The test proves that the error between the tested load and the actual load is within 3%,which shows that the intelligent measurement system for the payload has a good application effect and lays a cer-tain foundation for digital construction while improving the efficiency of loading operation.Keywords:Hydraulic excavator;Pay-load;Measurement system;IntelligenceResearch on Swinging Pulley of Dual A&R Winch System of Deepwater Pipe-lay VesselThe dual A&R winch system can greatly improve the capability and reliability of offshore pipelay operations of pipelay vessels,providing a solid guarantee for deepwater pipelay operations.The structure,function and working prin-ciple of the A&R swinging pulley are introduced.The swinging pulley of the dual A&R winch system can easily and quickly realize the switching function between single and dual A&R winch system.The finite element analysis of the forces on the A&R swinging pulley in a single and dual A&R winch system is carried out.The swinging pulley of the dual A&R winch system has com-pleted some tests and achieved the ex-pected design results.The successful re-search and development of the relevant products has broken the monopoly of foreign technology and filled the tech-nology gap in the related domestic field and has a certain significance to the technological progress of the deepwater pipelay industry.Keywords:Deepwater pipelay;A&R winch system;Dual A&R winches;Swinging pulleyOptimization Design of Lower Lug of Counter-jib Tie Rod for Flat Top Tower Crane Based on ANSYSIn order to enhance the load-bearing capacity of the counter-jib lug of the flat-top tower crane and improve its stress condition,on the basis of the stress analysis of the lug,the tension of the tie rod,the position of the lug axis and the angle between the counter-jib and the tie rod are determined in line with the actual operating conditions of the crane.On this basis,the strength of the lug is cal-culated,and ANSYS is applied for finite element analysis of the lug to obtain the stress distribution law of the lug,and the structure optimization and design of the original lug are carried out.After theo-retical calculation,the overall strength of the optimized lug meets the require-ments,the stress distribution is uniform,and the stress state is improved.Keywords:Lug;Optimization design;Strength check;Maximum dangerous cross-sectionCalculation Method for High Strength Bolts of Engineering Lifting ApplianceIn order to improve the reliability of bolt 英文摘要ABSTRACTS IN ENGLISHVol.54Serial No.594No.4Publishing on Apr.10,2023