基于Pro/E的挖掘机铲斗挖掘力计算方法

彭 博 刘 健 钟 颖 刘祥彪 李春雷

（恒天九五重工有限公司，长沙 410100）

在挖掘机的性能参数中，挖掘力是很重要的参数，代表着挖掘机作业时的挖掘能力[1]。关于挖掘机挖掘力的计算，目前缺少对其进行系统阐述的资料，而且在挖掘机教材书籍中也仅给出了计算公式[2]。对于铲斗挖掘力来说，其计算方式很复杂，无法用代数解析的方法求解最大值。常用的计算方法有分段插值法和编程法。前者属于数值计算方法，计算过程非常烦琐，后者对编程能力及计算软件的使用能力要求较高[3]。然而，用Pro/E三维软件实现上述计算，可省去解三角形、编程等烦琐的过程，仅利用三维软件本身强大的计算功能就能实现。

1 铲斗挖掘力计算方式

本文涉及的铲斗挖掘力仅为挖掘机工作装置六连杆机构对铲斗油缸推动力的传导，不考虑效率、质量、稳定性等因素。挖掘机工作装置反铲斗六连杆机构示意图如图1所示。其中，F为铲斗挖掘力，计算公式为：

式中：h1、h2、h3、r为力臂值；F0为油缸推动力；p为铲斗油缸额定压力；D为铲斗油缸缸径。

在铲斗油缸活塞杆向外伸出的运动过程中，h1、h2、h3随着活塞行程的变化而变化，r、p、D是定值，在运动中保持不变。若h1、h2、h3用代数解析法求解，过程非常烦琐，必须借助编程计算软件（如MATLAB）才能计算出结果[4-5]。

2 基于Pro/E三维软件计算铲斗挖掘力

2.1 参数化建模

构成挖掘机反铲工作装置六连杆机构的部件有斗杆、铲斗、连杆、摇臂、铲斗油缸缸筒（以下简称缸筒）以及铲斗油缸活塞杆（以下简称活塞杆）。本次建模过程中，选择在Pro/E软件中构建这6个构件的三维模型，如图2所示。

2.2 构件连接

首先，新建一组件（Assembly），并调入斗杆模型，选择约束类型为“缺省（Default）”；其次，依次调入缸筒、活塞杆、摇臂、连杆和铲斗的模型，并在各构件之间建立连接关系（Connection），即缸筒与斗杆、铲斗与斗杆、摇臂与斗杆、连杆与铲斗之间用销钉连接，连杆与活塞杆用圆柱连接，活塞杆与缸筒用滑动杆连接；最后，设置油缸的最短长度与最长长度，并将原始位置设置为最短长度位置。连接后的六连杆机构如图2所示。

2.3 设置参数关系式

依次点击菜单命令“工具（Tools）”“关系（Relations）”，然后在文本框中输入关系式“D=80、P=24.5、F0=P/4”。此处以缸径80 mm、额定压强P=24.5 MPa为例，参数关系式设置如图3所示。设好后点击“确定”退出。

2.4 设置原动力定义

首先进入机构模块，并依次在菜单命令中选择“应用程序（Applications）”“机构（Mechanism）”，然后开始原动力（Motor）设置。在这一过程中，要注意的是汉化版的软件将Motor译为伺服电动机，其实际意义应为原动力或运动源。其次，依次在菜单命令中选择“插入（Insert）”“伺服电动机（Servo Motors）”，再进入伺服电动机定义（Servo Motor Definition）对话框中，并在名称（Name）文本框中将名称改为“Slide_Cylinde”，“类型（Type）”选择“几何（Geometry）”，然后依次点选活塞杆与缸筒轴孔基准平面，如图4所示。最后，点击“轮廓（Profile）”，在“规范（Specification）”下拉选框中选取“速度（Velocity）”，在“模（Magnitude）”下拉选框中默认选取“常数（Constant）”，在“A”数值输入框中输入“73”（这一数值为铲斗油缸行程的十分之一），如图5所示。设好后点击“确定”退出。

2.5 设置分析定义

依次在菜单命令中选择“分析（Analysis）”“机构分析（Mechanism Analysis）”命令，进入分析定义（Analysis Definition）对话框，然后在名称（Name）文本框中将名称改为“Digging_Force”，其他设置选择默认即可，如图6所示。设置完成后先点击“运行”，再点击“确定”退出。

2.6 设置测量定义

2.6.1 设置两点之间距离测量定义

依次在菜单命令中选择“分析（Analysis）”“测量（Measures）”命令，进入测量结果（Measures Results）对话框，然后选择“创建新测量（Create New Measure）”命令，再在名称（Name）文本框中将名称改为“AB”，表示测量AB两点间的距离，然后在“类型（Type）”下拉菜单中选择“分离（Sepration）”，再分别选取A点与B点，如图7所示，最后点击“确定”退出。其他7个两点距离测量定义（AC、BC、BD、BE、CD、DE、ER）的建立方式与此相同。

2.6.2 设置力臂测量定义

在测量结果（Measures Results）对话框中选择“创建新测量（Create New Measure）”，然后在名称（Name）文本框中将名称改为“h1”，再在“类型（Type）”下拉菜单中选取“用户定义的（User Defined）”，并在“量（Quantity）”下拉菜单中选取“长度（Length）”，然后在文本框中输入h1的计算式，如图8所示，最后点击“确定”退出。其他2个力臂测量定义（h2、h3）的建立方式与此相同。

2.6.3 设置挖掘力测量定义

在“测量结果（Measures Results）”对话框中选择“创建新测量（Create New Measure）”，然后在名称（Name）文本框中将名称改为“Result_F”，再在“类型（Type）”下拉菜单中选取“用户定义的（User Defined）”，并在“量（Quantity）”下拉菜单中选取“力（Force）”，然后在文本框中输入F的计算式，如图9所示，最后点击“确定”退出。建立挖掘力最大值测量定义时，可复制“Result_F”的测量定义，只需将名称改为“Result_Fmax”，然后在“评估方法（Evaluation method）”下拉菜单中选取“最大值”，如图10所示，最后点击“确定”退出即可。

2.7 结果输出

在“测量结果”对话框中设置完各项测量定义后，需要在“图形类型（Graph Type）”下拉菜单中选取“测量对测量（Measure vs. Measure）”，并在“测量X轴（Measure for X Axis）”下拉菜单中选取选取“AB”，再同时选取“Result_F”与“Digging_Force”，此时左上角的图形输出图标亮显，如图11所示。点击图形输出图标，结果如图12所示。图12中，横坐标是油缸长度，纵坐标是挖掘力，将鼠标的光标停留在曲线上任一点，即可显现出对应的两坐标值。

3 结语

上述计算方法建立在三维建模基础之上，在三维模型中修改六连杆机构的铰点位置、油缸缸径、额定压力等参数非常方便，且修改参数后重新运行即可得到新的结果。相关技术人员只需熟悉掌握三维设计软件，就能实现挖掘力计算与三维模型设计的无缝衔接，从而方便快捷地得出结果。