本發(fā)明屬于一種工程機(jī)械性能指標(biāo)，涉及一種反鏟液壓挖掘機(jī)挖掘性能綜合表征方法。

背景技術(shù)：

反鏟液壓挖掘機(jī)作為最重要的工程機(jī)械之一，已在礦山開(kāi)采、農(nóng)田土壤改良、交通運(yùn)輸施工等工程中得到廣泛應(yīng)用。由于液壓挖掘機(jī)主要工作于非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，并且其挖掘?qū)ο缶哂卸嘧兲匦?，因此挖掘阻力也呈現(xiàn)出不確定性。隨著作業(yè)質(zhì)量要求的不斷提高，人們對(duì)液壓挖掘機(jī)挖掘性能的要求也越來(lái)越高。設(shè)計(jì)出不確定性環(huán)境下具有良好挖掘性能的挖掘機(jī)對(duì)提高生產(chǎn)率和延長(zhǎng)挖掘機(jī)使用壽命具有重要意義。挖掘機(jī)所能發(fā)揮的最大挖掘力、主動(dòng)液壓缸充分發(fā)揮比例、被動(dòng)液壓缸閉鎖限制比例以及整機(jī)傾翻和滑移限制比例是評(píng)判挖掘機(jī)工作裝置機(jī)構(gòu)力傳動(dòng)效率和設(shè)計(jì)合理性的重要指標(biāo)，也是挖掘機(jī)工作裝置機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的重要依據(jù)。目前，缺少關(guān)于表征反鏟液壓挖掘機(jī)在挖掘阻力系慣常作用區(qū)間上的挖掘能力以及工作液壓缸與工作機(jī)構(gòu)匹配關(guān)系的研究，導(dǎo)致挖掘機(jī)的性能、生產(chǎn)率和壽命比較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種反鏟液壓挖掘機(jī)挖掘性能綜合表征方法，充分考慮挖掘過(guò)程中挖掘阻力系慣常作用區(qū)間及整機(jī)限制條件，對(duì)挖掘機(jī)的挖掘性能進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，從而設(shè)計(jì)出在不確定性環(huán)境下扔具有良好挖掘性能的挖掘機(jī)。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種反鏟液壓挖掘機(jī)挖掘性能綜合表征方法，其特征在于：包括以下步驟：

(1)分析挖掘阻力特性，得出挖掘阻力系數(shù)和阻力矩系數(shù)的慣常作用區(qū)間；

(2)計(jì)算整機(jī)限制條件，所述整機(jī)限制條件包括主動(dòng)液壓缸工作壓力限制、被動(dòng)液壓缸閉鎖壓力限制以及整機(jī)傾翻和滑移限制；

(3)將步驟(1)得到的挖掘阻力系數(shù)和阻力矩系數(shù)的慣常作用區(qū)間與步驟(2)得到的整機(jī)限制條件相結(jié)合作為約束條件，求解構(gòu)造挖掘阻力系慣常作用區(qū)間多面體；

(4)根據(jù)步驟(3)得到的多面體，計(jì)算出單個(gè)挖掘姿態(tài)下最大挖掘力F_rmax、最大挖掘力矩M_max、單個(gè)挖掘姿態(tài)下挖掘能力測(cè)度V和主動(dòng)液壓缸充分發(fā)揮比例及各限制因素所占比例η_i作為挖掘機(jī)挖掘性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

進(jìn)一步，所述分析挖掘阻力特性，是將挖掘阻力系簡(jiǎn)化為與齒尖運(yùn)動(dòng)方向相切的切向挖掘阻力F_t、垂直于齒尖運(yùn)動(dòng)方向的法向挖掘阻力F_n以及挖掘阻力矩M，計(jì)算出阻力系數(shù)ε和阻力矩系數(shù)δ，阻力系數(shù)ε即為挖掘阻力方向角β的正切值，由ε的主值區(qū)間并考慮挖掘阻力總是阻礙鏟斗的運(yùn)動(dòng)可計(jì)算得出β的主值區(qū)間，β的主值區(qū)間即為不確定條件下挖掘阻力方向的慣常作用區(qū)間，而δ的主值區(qū)間反映了不確定條件下挖掘阻力矩大小的慣常作用區(qū)間；液壓缸大腔推力為正值，小腔拉力為負(fù)值。得出反鏟液壓挖掘機(jī)工作機(jī)構(gòu)液壓缸的作用力空間W_o；

式中F_p—液壓缸小腔、液壓缸大腔作用力極限以及液壓缸實(shí)際作用力。其中p＝1、2、3分別對(duì)應(yīng)于動(dòng)臂液壓缸、斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸；k＝1、2分別對(duì)應(yīng)于鏟斗挖掘和斗桿挖掘。

進(jìn)一步，所述計(jì)算整機(jī)限制條件，是將鏟斗所受挖掘阻力分解為豎直方向的力F_y和水平方向的力F_x,鏟斗挖掘時(shí)，斗桿液壓缸作用力極限限制和動(dòng)臂閉鎖限制作為被動(dòng)液壓缸閉鎖壓力的限制條件，鏟斗液壓缸作用力極限限制作為主動(dòng)液壓剛工作壓力限制，斗桿挖掘時(shí)，斗桿缸液壓缸作用力極限限制是主動(dòng)液壓缸工作壓力限制，動(dòng)臂閉鎖限制和鏟斗液壓缸作用力極限限制作為被動(dòng)液壓缸閉鎖壓力限制；挖掘機(jī)自身五種限制條件限定得到關(guān)于水平方向阻力F_X、豎直方向阻力F_y以及阻力矩M的三元一次不等式：

1)動(dòng)臂閉鎖限制，當(dāng)動(dòng)臂液壓缸大腔作用時(shí)，大腔的作用力不超過(guò)其作用力極限，得限制條件：

式中，λ_Ax—挖掘阻力水平分量對(duì)A點(diǎn)的力臂；λ_Ay—挖掘阻力豎直分量對(duì)A點(diǎn)的力臂；e₁—?jiǎng)颖垡簤焊鬃饔昧?duì)A點(diǎn)的力臂；G₂～G₆—分別為動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、連桿、搖桿和鏟斗液壓缸與斗桿液壓缸的重力；r_Aj—重力G_j對(duì)A點(diǎn)的力臂。

當(dāng)動(dòng)臂液壓缸小腔作用時(shí)，得限制條件：

2)斗桿液壓缸作用力極限限制，當(dāng)斗桿液壓缸大腔作用時(shí)，大腔作用力不得超過(guò)其作用力極限，得：

式中λ_Bx—挖掘阻力水平分量對(duì)B點(diǎn)的力臂；

λ_By—挖掘阻力豎直分量對(duì)B點(diǎn)的力臂；

e₂—斗桿液壓缸作用力對(duì)B點(diǎn)的力臂；

r_Bj—重力G_j對(duì)B點(diǎn)的力臂。

當(dāng)斗桿液壓缸小腔作用時(shí)，小腔作用力不得超過(guò)其限定值，得：

3)鏟斗液壓缸作用力極限限制，當(dāng)鏟斗液壓缸大腔作用時(shí)，考慮大腔的作用力極限，有：

式中λ_Gx—挖掘阻力水平分量對(duì)G點(diǎn)的力臂；

λ_Gy—挖掘阻力豎直分量對(duì)G點(diǎn)的力臂；

e₃—鏟斗液壓缸對(duì)G點(diǎn)的當(dāng)量力臂；

r_Gj—重力G_j對(duì)G點(diǎn)的力臂。

當(dāng)鏟斗液壓缸小腔作用時(shí)，考慮小腔的作用力極限，有：

4)整機(jī)滑移限制，考慮向前滑移的限制方程為：

F_X+μF_Y≤G_gμ

式中μ—地面附著系數(shù)，取0.6；

G_g—整機(jī)重量。

考慮向后滑移的限制方程為：

F_X-μF_Y≥-G_gμ

5)整機(jī)穩(wěn)定性限制，取整機(jī)為隔離體，對(duì)前傾點(diǎn)T取力矩平衡，得前傾限制條件：

式中λ_Tx—挖掘阻力水平分量對(duì)T點(diǎn)的力臂；

λ_Ty—挖掘阻力豎直分量對(duì)T點(diǎn)的力臂；

r_Tj—重力G_j對(duì)T點(diǎn)的力臂。

對(duì)后傾點(diǎn)S取力矩平衡，得后傾限制條件：

式中λ_Sx—挖掘阻力水平分量對(duì)S點(diǎn)的力臂；

λ_Sy—挖掘阻力豎直分量對(duì)S點(diǎn)的力臂；

r_Sj—重力G_j對(duì)S點(diǎn)的力臂。

進(jìn)一步，所述步驟(3)為將挖掘阻力和阻力矩分別除以參考值得出無(wú)量綱當(dāng)量挖掘阻力F_Xr、F_Xr和當(dāng)量阻力矩M_r：

[F_Xr F_Yr M_r]＝[F_X/F_ref F_Y/F_ref M/M_ref]

式中F_ref為整機(jī)重量G_g；M_ref＝G_gl_GJ其中l(wèi)_GJ為鏟斗上G點(diǎn)與J點(diǎn)的距離，M_ref、F_ref分別為力矩和阻力的參考值。

進(jìn)一步，步驟(4)中各性能評(píng)價(jià)指標(biāo)為：

1).單個(gè)挖掘姿態(tài)下最大挖掘力F_rmax和最大挖掘力矩M_max；

2).單個(gè)挖掘姿態(tài)下挖掘能力測(cè)度V；

3).主動(dòng)液壓缸充分發(fā)揮比例及各限制因素所占比例η_i

M_amx＝M_refM_r

式中V₁～V₁₀分別依次為整機(jī)限制條件(3)～(12)所對(duì)應(yīng)的挖掘能力空間，V_G為重力影響區(qū)域，主動(dòng)液壓缸大腔作用力限制區(qū)域V_i(i＝3,5)與挖掘能力測(cè)度V的比值定義為主動(dòng)液壓缸充分發(fā)揮比例；其余各限制區(qū)域體積V_i(i＝1,2,4,6,…,10)與挖掘能力測(cè)度V的比值定義為相應(yīng)限制因素所占比例。

進(jìn)一步，還包括對(duì)反鏟液壓挖掘機(jī)挖掘性能綜合表征方法的驗(yàn)證，分別采用慣常多面體方法和SAE J1179標(biāo)準(zhǔn)中的挖掘力計(jì)算方法對(duì)實(shí)測(cè)挖掘軌跡和挖掘點(diǎn)上的挖掘能力進(jìn)行分析。

本發(fā)明的有益效果在于：

1、針對(duì)挖掘阻力系大小和方向的不確定性，在綜合考慮挖掘阻力系慣常作用區(qū)間及整機(jī)限制因素的基礎(chǔ)上，提出了一種基于多面體的挖掘性能表征方法，同時(shí)提出挖掘能力多面體的概念，并給出了挖掘阻力系慣常作用區(qū)間上的挖掘性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。從而實(shí)現(xiàn)了適應(yīng)于挖掘阻力系多變特性的挖掘機(jī)挖掘性能的量化分析及可視化表達(dá)。

2、分別采用慣常多面體方法和SAE J1179標(biāo)準(zhǔn)中的挖掘力計(jì)算方法對(duì)實(shí)測(cè)挖掘軌跡和挖掘點(diǎn)上的挖掘能力進(jìn)行了分析，表明慣常多面體方法計(jì)算出的挖掘力與實(shí)際挖掘過(guò)程更為吻合，從而驗(yàn)證了該方法對(duì)挖掘能力評(píng)估的正確性和有效性。

3、采用慣常多面體方法對(duì)反鏟液壓挖掘機(jī)進(jìn)行挖掘性能綜合評(píng)估，繪制了各項(xiàng)性能指標(biāo)的挖掘圖譜。為反鏟液壓挖掘機(jī)整機(jī)性能分析、工作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性評(píng)估及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，通過(guò)此方法，可以設(shè)計(jì)出在不確定性環(huán)境下扔具有良好挖掘性能的挖掘機(jī)，從而提高挖掘機(jī)的工作生產(chǎn)率和壽命。

附圖說(shuō)明

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說(shuō)明：

圖1為本發(fā)明反鏟液壓挖掘機(jī)挖掘性能綜合表征方法的挖掘性能計(jì)算框圖；

圖2為本發(fā)明挖掘阻力系分解示意圖；

圖3為本發(fā)明液壓缸作用力空間；

圖4為本發(fā)明挖掘機(jī)整機(jī)示意圖及挖掘阻力系；

圖5a為本發(fā)明挖掘能力多面體示意圖原點(diǎn)在多面體內(nèi)；

圖5b為本發(fā)明挖掘能力多面體示意圖原點(diǎn)在多面體外；

圖6a為本發(fā)明挖掘阻力系慣常作用區(qū)間上挖掘能力多面體原點(diǎn)在多面體內(nèi)；

圖6b為本發(fā)明挖掘阻力系慣常作用區(qū)間上挖掘能力多面體原點(diǎn)在多面體外。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。

本實(shí)施例充分考慮在挖掘過(guò)程中挖掘阻力系慣常作用區(qū)間及整機(jī)限制條件的基礎(chǔ)之上，提出了綜合表征挖掘機(jī)挖掘性能的方法，并用本發(fā)明方法對(duì)某36噸級(jí)挖掘機(jī)的挖掘性能進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，圖2中將挖掘阻力系簡(jiǎn)化為與齒尖運(yùn)動(dòng)方向相切的切向挖掘阻力F_t、垂直于齒尖運(yùn)動(dòng)方向的法向挖掘阻力F_n以及挖掘阻力矩M，其中，F(xiàn)_r為挖掘阻力合力，α為鏟斗方向角，β為切向挖掘阻力到法向挖掘阻力的夾角，即挖掘阻力方向角，計(jì)算出挖掘阻力系數(shù)ε和阻力矩系數(shù)δ：

挖掘阻力系數(shù)ε以0.719的概率落于主值區(qū)間[-0.4,0.5]；挖掘阻力矩系數(shù)δ以0.953的概率落于主值區(qū)間[-0.4,0.3]。顯然，阻力系數(shù)ε即為挖掘阻力方向角β的正切值，由ε的主值區(qū)間并考慮挖掘阻力總是阻礙鏟斗的運(yùn)動(dòng)可計(jì)算得出β的主值區(qū)間為[-0.38,0.46](rad)。β的主值區(qū)間即為不確定條件下挖掘阻力方向的慣作用區(qū)間，而δ的主值區(qū)間反映了不確定條件下挖掘阻力矩大小的慣常作用區(qū)間。

挖掘機(jī)的挖掘性能評(píng)估主要是針對(duì)鏟斗挖掘和斗桿挖掘兩種挖掘工況進(jìn)行的。鏟斗挖掘時(shí)，鏟斗液壓缸大腔主動(dòng)工作，其余液壓缸保持閉鎖；斗桿挖掘時(shí)，斗桿液壓缸大腔主動(dòng)工作，其余液壓缸閉鎖。對(duì)于不同挖掘工況，挖掘機(jī)鏟斗末端在工作空間各方向上發(fā)揮的挖掘能力不相同。而挖掘機(jī)的工作裝置是在滿足整機(jī)限制條件的基礎(chǔ)上將液壓缸主動(dòng)作用力轉(zhuǎn)換為鏟斗末端挖掘能力的重要機(jī)構(gòu)。為適應(yīng)挖掘阻力系的多變特性，一方面，工作裝置機(jī)構(gòu)必須具有足夠的力傳動(dòng)效率，從而保證鏟斗末端各向具有足夠的挖掘能力；另一方面，挖掘過(guò)程中操作者將不斷調(diào)整挖掘機(jī)的挖掘姿態(tài)，使工作裝置機(jī)構(gòu)發(fā)揮更大的挖掘力，以保證挖掘過(guò)程能夠平穩(wěn)、高效地完成。為表征挖掘機(jī)在挖掘阻力系慣常作用區(qū)間上所能發(fā)揮的挖掘能力，需充分考慮不同挖掘方式下整機(jī)傾翻和滑移限制、各被動(dòng)液壓缸閉鎖限制和主動(dòng)液壓缸的發(fā)揮程度以及挖掘阻力系慣常作用區(qū)間限制，進(jìn)而計(jì)算出鏟斗末端的挖掘能力輸出。挖掘能力計(jì)算框圖如圖1所示。

假定主動(dòng)工作液壓缸的小腔作用力為零，即不考慮回油背壓，大腔作用力極限為液壓系統(tǒng)最大工作壓力與大腔作用面積之積。為保證被動(dòng)液壓缸可鎖住而不產(chǎn)生溢流，被動(dòng)液壓缸的大、小腔作用力極限為各自限壓閥的調(diào)定壓力與相應(yīng)的作用面積之積。并規(guī)定，液壓缸大腔推力為正值，小腔拉力為負(fù)值。因此，可得出反鏟液壓挖掘機(jī)工作機(jī)構(gòu)液壓缸的作用力空間為：

式中F_p—液壓缸小腔、大腔作用力極限以及液壓缸實(shí)際作用力。其中p＝1、2、3分別對(duì)應(yīng)于動(dòng)臂液壓缸、斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸；k＝1、2分別對(duì)應(yīng)于鏟斗挖掘和斗桿挖掘。

不同挖掘工況下，各液壓缸的大、小腔作用力極限和實(shí)際作用力均不相同。由式(2)所得的反鏟液壓挖掘機(jī)在不同挖掘工況下工作裝置機(jī)構(gòu)液壓缸作用力空間如圖3所示，三組液壓缸的作用力范圍構(gòu)成了工作裝置機(jī)構(gòu)的六面體力輸入空間。

整機(jī)限制條件包括主動(dòng)液壓缸工作壓力限制、被動(dòng)液壓缸閉鎖壓力限制以及整機(jī)傾翻和滑移限制。在評(píng)價(jià)挖掘能力時(shí)必須綜合考慮整機(jī)限制條件。液壓挖掘機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)及挖掘阻力分析如圖4所示，將鏟斗所受挖掘阻力分解為豎直方向的力F_y和水平方向的力F_x,而鏟斗剝離土壤所產(chǎn)生的挖掘阻力矩仍沿Z軸方向。由于挖掘力系與挖掘阻力系大小相等方向相反，因此求出挖掘機(jī)鏟斗末端各向所能克服的最大挖掘阻力和阻力矩，也就求得了挖掘機(jī)各向所能發(fā)揮的最大挖掘能力鏟斗液壓缸作用力極限限制作為主動(dòng)液壓剛工作壓力限制，斗桿挖掘時(shí)，斗桿缸液壓缸作用力極限限制是主動(dòng)液壓缸工作壓力限制，動(dòng)臂閉鎖限制和鏟斗液壓缸作用力極限限制作為被動(dòng)液壓缸閉鎖壓力限制。

1)動(dòng)臂閉鎖限制。對(duì)于不同的挖掘工況，動(dòng)臂液壓缸均需要有足夠的閉鎖能力，使之在挖掘過(guò)程中不被拉長(zhǎng)或壓縮，以保證挖掘能力的充分發(fā)揮。以整個(gè)工作裝置為隔離體，對(duì)A點(diǎn)取力矩平衡。當(dāng)動(dòng)臂液壓缸大腔作用時(shí)，大腔的作用力不超過(guò)其作用力極限，可得限制條件：

式中，λ_Ax—挖掘阻力水平分量對(duì)A點(diǎn)的力臂；λ_Ay—挖掘阻力豎直分量對(duì)A點(diǎn)的力臂；e₁—?jiǎng)颖垡簤焊鬃饔昧?duì)A點(diǎn)的力臂；G₂～G₆—分別為動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、連桿、搖桿和鏟斗液壓缸與斗桿液壓缸的重力；r_Aj—重力G_j對(duì)A點(diǎn)的力臂。

當(dāng)動(dòng)臂液壓缸小腔作用時(shí)，可得限制條件：

2)斗桿液壓缸作用力極限限制。由液壓缸作用力空間的分析可知，不同挖掘工況下，斗桿液壓缸作用力極限有不同取值。取鏟斗、斗桿以及鏟斗液壓缸、連桿和搖桿為隔離體，對(duì)B點(diǎn)取力矩平衡。當(dāng)斗桿液壓缸大腔作用時(shí)，大腔作用力不得超過(guò)其作用力極限，可得：

式中λ_Bx—挖掘阻力水平分量對(duì)B點(diǎn)的力臂；

λ_By—挖掘阻力豎直分量對(duì)B點(diǎn)的力臂；

e₂—斗桿液壓缸作用力對(duì)B點(diǎn)的力臂；

r_Bj—重力G_j對(duì)B點(diǎn)的力臂。

當(dāng)斗桿液壓缸小腔作用時(shí)，小腔作用力不得超過(guò)其限定值，可得：

3)鏟斗液壓缸作用力極限限制。同樣地，在挖掘過(guò)程中，鏟斗液壓缸的作用力也不能超過(guò)其作用力極限。取鏟斗，連桿和搖桿為隔離體，對(duì)G點(diǎn)取力矩平衡。當(dāng)鏟斗液壓缸大腔作用時(shí)，考慮大腔的作用力極限，有：

式中λ_Gx—挖掘阻力水平分量對(duì)G點(diǎn)的力臂；

λ_Gy—挖掘阻力豎直分量對(duì)G點(diǎn)的力臂；

e₃—鏟斗液壓缸對(duì)G點(diǎn)的當(dāng)量力臂；

r_Gj—重力G_j對(duì)G點(diǎn)的力臂。

當(dāng)鏟斗液壓缸小腔作用時(shí)，考慮小腔的作用力極限，有：

4)整機(jī)滑移限制。在挖掘機(jī)挖掘能力分析時(shí)，還需考慮地面附著條件的限制。附著能力較差時(shí)，挖掘機(jī)將產(chǎn)生滑移，從而使挖掘過(guò)程不能進(jìn)行?？紤]向前滑移的限制方程為：

F_X+μF_Y≤G_gμ (9)

式中μ—地面附著系數(shù)，取0.6；

G_g—整機(jī)重量。

考慮向后滑移的限制方程為：

F_X-μF_Y≥-G_gμ (10)

5)整機(jī)穩(wěn)定性限制。整機(jī)的穩(wěn)定與平衡直接關(guān)系到挖掘能力的發(fā)揮和操作者的安全，因此必須考慮整機(jī)穩(wěn)定性。取整機(jī)為隔離體，對(duì)前傾點(diǎn)T取力矩平衡，可得前傾限制條件：

式中λ_Tx—挖掘阻力水平分量對(duì)T點(diǎn)的力臂；

λ_Ty—挖掘阻力豎直分量對(duì)T點(diǎn)的力臂；

r_Tj—重力G_j對(duì)T點(diǎn)的力臂。

對(duì)后傾點(diǎn)S取力矩平衡，可得后傾限制條件：

式中λ_Sx—挖掘阻力水平分量對(duì)S點(diǎn)的力臂；

λ_Sy—挖掘阻力豎直分量對(duì)S點(diǎn)的力臂；

r_Sj—重力G_j對(duì)S點(diǎn)的力臂。

挖掘機(jī)在實(shí)際挖掘過(guò)程中，只有同時(shí)滿足由式(3)至(12)組成的整機(jī)限制條件，才能保證主動(dòng)液壓缸挖掘能力的有效發(fā)揮和挖掘過(guò)程平穩(wěn)、安全地完成。

鏟斗在工作空間內(nèi)的每一個(gè)挖掘點(diǎn)上進(jìn)行挖掘時(shí)，挖掘能力的發(fā)揮都會(huì)受到由式(3)至(12)構(gòu)成的整機(jī)限制條件的約束。10個(gè)關(guān)于水平方向阻力F_X、豎直方向阻力F_Z以及阻力矩M的三元一次不等式共同構(gòu)成了限制挖掘能力輸出的不等式組，該不等式組將挖掘機(jī)工作裝置機(jī)構(gòu)的液壓缸作用力輸入六面體空間映射為鏟斗末端所能克服的挖掘阻力多面體空間。將10個(gè)不等式約束條件變?yōu)榈仁?，并任選三式組合可得到個(gè)交點(diǎn)，再?gòu)倪@些交點(diǎn)中提取同時(shí)滿足不等式組所有約束的點(diǎn)，最終組成多面體的頂點(diǎn)。順次連接各頂點(diǎn)便得到挖掘機(jī)所能克服的阻力空間。該空間為一個(gè)凸多面體，其面數(shù)最多為10，最少為4，并且每一個(gè)面代表一個(gè)約束條件。該多面體為鏟斗末端空間各向所能克服的挖掘阻力和阻力矩的集合。由于挖掘阻力和阻力矩具有較大概率落于慣常作用區(qū)間內(nèi)，因此應(yīng)將式(1)及阻力系數(shù)和阻力矩系數(shù)主值區(qū)間作為約束條件，進(jìn)一步得出挖掘阻力系慣常作用區(qū)間上挖掘機(jī)所能克服的挖掘阻力和阻力矩多面體空間。為使挖掘阻力系慣常作用區(qū)間限制與前述整機(jī)限制條件一致，需將法向挖掘阻力和切向挖掘阻力變換到整機(jī)坐標(biāo)系下，并最終得出整機(jī)坐標(biāo)系下描述的齒尖多面體空間。另外，由于挖掘阻力和阻力矩量綱不一致，致使齒尖末端多面體體積度量失去明確物理意義。因此，需進(jìn)行無(wú)量綱化，將挖掘阻力和阻力矩分別除以參考值得出無(wú)量綱當(dāng)量挖掘阻力F_Xr、F_Xr和當(dāng)量阻力矩M_r：

[F_Xr F_Yr M_r]＝[F_X/F_ref F_Y/F_ref M/M_ref] (13)

式中F_ref可取為整機(jī)重量Gg；M_ref＝G_gl_GJ其中l(wèi)_GJ為鏟斗上G點(diǎn)與J點(diǎn)的距離。為方便起見(jiàn)，本文中直接用挖掘機(jī)所能克服的阻力空間代表挖掘能力輸出空間。因此，經(jīng)過(guò)無(wú)量綱化后的多面體體積可以從尺度上度量挖掘能力的大小。圖5中，線框邊界區(qū)域?yàn)殓P斗末端全空間挖掘能力多面體，陰影部分為挖掘阻力系慣常作用區(qū)間上挖掘能力多面體。由于主動(dòng)液壓缸小腔作用力的限制，使得挖掘能力多面體相對(duì)于原點(diǎn)產(chǎn)生了微小偏移，但是本文已假定主動(dòng)液壓缸的小腔不計(jì)回油背壓，因此該偏移是由工作裝置自身重力造成的。當(dāng)原點(diǎn)位于挖掘能力多面體以內(nèi)時(shí)，工作裝置自身重力在相應(yīng)挖掘姿態(tài)下將不利于挖掘，即主動(dòng)液壓缸要克服工作裝置自身重力，如圖5(a)所示；當(dāng)挖掘能力多面體向遠(yuǎn)離原點(diǎn)一側(cè)偏移或原點(diǎn)在多面體以外時(shí)，工作裝置自身重力在該挖掘姿態(tài)下起到積極作用，有助于挖掘，圖5(b)所示。

通過(guò)挖掘阻力系慣常作用區(qū)間限制面對(duì)全空間挖掘能力多面體的切割，可得到如圖6所示的慣常挖掘能力多面體。圖6為工作裝置重力影響下的兩種挖掘阻力系慣常作用區(qū)間上挖掘能力多面體。圖中粗實(shí)線所圍平面對(duì)應(yīng)于主動(dòng)液壓缸小腔作用力限制條件，深色陰影部分體積為重力偏移量；過(guò)原點(diǎn)的左右兩個(gè)側(cè)面對(duì)應(yīng)于挖掘阻力系數(shù)限制條件，上下兩個(gè)面對(duì)應(yīng)于阻力矩系數(shù)限制條件，其余面由整機(jī)限制條件得到。慣常挖掘能力多面體上的任一對(duì)應(yīng)于整機(jī)限制條件的平面均可與原點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)子空間V_i(i＝1,2,3…,10)。且對(duì)于原點(diǎn)在多面體外的情況，V_i中不包含重力影響部分體積。該子空間V_i即為相應(yīng)整機(jī)限制條件下當(dāng)量挖掘阻力系(F_xr,F_yr,M_r)的集合。根據(jù)挖掘阻力系慣常作用區(qū)間上的挖掘能力多面體特性，可提出針對(duì)單一挖掘姿態(tài)的挖掘性能評(píng)價(jià)指標(biāo)：

1)單個(gè)挖掘姿態(tài)下最大挖掘力F_rmax和最大挖掘力矩M_max。由圖6可知挖掘阻力系慣常作用區(qū)間上的當(dāng)量最大挖掘力必在慣常挖掘能力多面體頂點(diǎn)上取得，并且其值為：因此，相應(yīng)挖掘姿態(tài)下的最大挖掘力為：同理，最大挖掘力矩為：M_amx＝M_refM_r。

2)單個(gè)挖掘姿態(tài)下挖掘能力測(cè)度V，圖6中深色陰影部分為重力影響區(qū)域V_G，其對(duì)應(yīng)于主動(dòng)液壓缸小腔工作壓力限制條件。定義某一挖掘姿態(tài)下的挖掘能力測(cè)度為：

式中V₁～V₁₀分別依次為整機(jī)限制條件(3)～(12)所對(duì)應(yīng)的挖掘能力空間。測(cè)度V為當(dāng)量挖掘阻力和阻力矩(F_xr,F_yr,M_r)在齒尖末端輸出空間的一個(gè)集合，并且為一個(gè)無(wú)量綱因子。V值的大小反映了挖掘機(jī)對(duì)于某一挖掘姿態(tài)在挖掘阻力系慣常作用區(qū)間上挖掘能力的大小。

3)主動(dòng)液壓缸充分發(fā)揮比例及各限制因素所占比例ηi(i＝1,2,3,…,10)。在慣常挖掘能力多面體中，主動(dòng)液壓缸大腔作用力限制區(qū)域V_i(i＝3,5)與挖掘能力測(cè)度V的比值定義為主動(dòng)液壓缸充分發(fā)揮比例；其余各限制區(qū)域體積V_i(i＝1,2,4,6,…,10)與挖掘能力測(cè)度的比值定義為相應(yīng)限制因素所占比例。具體描述如下：

在鏟斗挖掘工況下，η₅為鏟斗液壓缸大腔充分發(fā)揮比例，η₆為鏟斗重力影響程度，η₃和η₄分別為斗桿液壓缸大、小腔閉鎖限制比例；在斗桿挖掘工況下，η3為斗桿液壓缸大腔充分發(fā)揮比例，η₄為斗桿和鏟斗重力影響程度，η₅和η₆分別為鏟斗液壓缸大、小腔閉鎖限制比例。主動(dòng)液壓缸充分發(fā)揮比例反映了挖掘機(jī)工作機(jī)構(gòu)在特定挖掘姿態(tài)下對(duì)主動(dòng)液壓缸工作壓力的傳動(dòng)效率，其值越大說(shuō)明機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)越合理。各限制因素所占比例反映了相應(yīng)限制因素對(duì)挖掘機(jī)挖掘力發(fā)揮的影響程度，其值越大說(shuō)明在特定挖掘姿態(tài)下主動(dòng)液壓缸工作壓力發(fā)揮受其限制越嚴(yán)重，機(jī)構(gòu)與液壓缸工作壓力的匹配性越差。

為驗(yàn)證此方法的正確性和有效性，對(duì)反鏟液壓挖掘機(jī)在鏟斗挖掘和斗桿挖掘兩種不同工況下的實(shí)測(cè)挖掘軌跡進(jìn)行分析，鏟斗挖掘工況為整個(gè)轉(zhuǎn)斗挖掘過(guò)程；斗桿挖掘過(guò)程直至挖不動(dòng)時(shí)停止挖掘，得出實(shí)測(cè)軌跡，采用慣常多面體方法和SAE J1179標(biāo)準(zhǔn)中的挖掘力計(jì)算方法對(duì)實(shí)測(cè)挖掘軌跡和挖掘點(diǎn)上的挖掘能力進(jìn)行了分析，能夠適應(yīng)于多變的挖掘阻力特性，能夠?qū)崟r(shí)顯示挖掘能力在挖掘阻力作用方向的富余程度，有利于挖掘能力可視化表達(dá)與評(píng)估。

為比較直觀地評(píng)價(jià)挖掘機(jī)挖掘性能各項(xiàng)指標(biāo)在挖掘機(jī)工作空間的分布，首先將鏟斗液壓缸進(jìn)行11級(jí)劃分，并計(jì)算出對(duì)應(yīng)于每一級(jí)鏟斗液壓缸的工作空間范圍；然后在相應(yīng)的工作空間范圍內(nèi)均勻取挖掘點(diǎn)，并求取各挖掘點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的挖掘姿態(tài)；最后根據(jù)每個(gè)挖掘點(diǎn)上的挖掘姿態(tài)計(jì)算各挖掘點(diǎn)的各項(xiàng)挖掘性能指標(biāo)，并進(jìn)一步繪制出各性能指標(biāo)在11張挖掘圖譜上的分布云圖。

最后說(shuō)明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍。