装载机动态称重系统设计与实现

1、专业学位硕士学位论文装载机动态称重系统设计与实现作者姓名：王里学科、专业：塑鲑王猩学号：堑指导教师：昱国住完成日期：竖生！旦旦大连理工大学大连理工大学专业学位硕士学位论文摘要装载机是工程机械中重要的机种，是一种集铲、运、装、卸作业于一体的自行式机械，它广泛应用于建筑、公路、铁路、水电、港口及国防中，对加快工程建设速度、提高工程质量、降低工程成本都发挥着重要作用，其工作性能的好坏直接关系着工程的进度及质量。但装载机不具备称重功能，而在有些场合则需要装载机在快速装卸货物的同时，对所装载的货物重量进行称重计量。装载机载重称量系统就是为完成这个任务而设计的。装载机工作装置是组成装载机的关键部件之一。同

2、时，装载机工作装置的分析模型及工作装置的运动学及动力学特性与本课题的研究有着直接的关系。装载机工作装置形式多种多样，国产轮式装载机大都采用转斗缸后置式六连杆反转机构。本文详细地分析了确定六杆机构所需的参数及机构输入角、输出角与传动角之间的关系，并建立了载重量的数学模型。既通过对装载机工作装置举升过程中动臂位置角和动臂举升缸无杆腔压力两个主要参数的测量来完成对载重的称量。设计中采用压力传感器采集无杆腔的压力值，利用角度传感器采集动臂的旋转角度，利用单片机控制，实现软、硬件的连接与运算，完成了利用动臂举升缸无杆腔压力值及相应的动臂位置角来等效其载重的称量方法。通过实验证明：对装载机工作装置举升过程

3、中动臂位置角和动臂举升缸无杆腔压力两个主要参数的测量来完成对载重的称量，具有可行性。该系统的提出对于装载机进一步向智能化方向发展，对于推动我国机器人化工程机械产品的开发，有着重要的意义。关键词：装载机；动态称重；工作装置王罡：装载机动态称重系统设计与实现，皿，堍，国：；独创性说明作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的伺志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。作者签名：

4、碰日期：塑堡大连理工大学硕士研究生学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名导师签名：殛大连理工大学专业学位硕士学位论文绪论装载机是工程机械中重要的机种，是一种集铲、运、装、卸作业于一体的自行式机械，它广泛应用于建筑、公路、铁路、水电、港口及国防中，对加快工程建设速度、提高工程质量、降低

5、工程成本都发挥着重要作用，其工作性能的好坏直接关系着工程的进度及质量。九十年代以来，我国装载机发展也较快，企业由十几家发展到近百家，年产量由三千台发展到两万台以上，但我国的装载机产品与国外相比，差距较大，尤其是近十年，差距越来越大，主要表现在：国外产品增大了电子技术含量，不断推出性能更为完善的新机型，技术发展方向是实现机、电、液一体化，相比之下，我国装载机突出问题是整机可靠性差，技术含量低。由于国内企业间竞争激烈，国外具有高技术水平的装载机又参与市场竞争，我国传统的装载机行业将面临着极大的危机。采用电控技术，增加产品功能，已成为企业追求发展的方向。本课题研究的目的、内容及意义本课题研究的目的是

6、实现装载机具有智能化称重功能。该项目利用了单片机控制下的电子测控技术，实现装载机载重的动态称量。采用对装载机工作装置的状态监控技术，对动臂举升位置及动臂举升缸压力能做到时刻进行监控。通过采集动臂举升位置角及动臂举升缸压力等参数，完成装载机载物重量的测算，并可实现显示，统计，报警，打印等功能。本文对装载机工作装置工作过程的运动学及动力学特性进行了分析，提出了利用动臂举升缸无杆腔压力值及相应的动臂位置角来等效其载重的称量方法，建立了载重量与动臂举升缸无杆腔压力值及相应的动臂位置角关系的数学模型，利用数学模型设计了单片机控制下的硬件和软件系统。在硬件系统设计中选择了合适的传感器和单片机等，设计了电源

7、电路，接口电路，在软件系统设计了相应的硬件接口程序，实现系统功能的软件程序，实现了系统的连接，并通过实验验证了系统的可行性和可靠性。该系统在实际上隶属于装载机工作装置电子监控系统，实现机、电、液、信一体化，该系统使得国产装载机智能化程度得到进一步提高。通过对该系统的研究，不仅实现了装载机动态称重，还可通过该系统方便地实现对装载机车队及每台装载机的管理。详细掌握每个装载机操作者的工作情况及每台装载机的使用情况，提高车队的运作效率。同时通过该系统也能间接掌握被装车辆工作情况。王罡：装载机动态称重系统设计与实现装载机载重称量系统的提出，进一步增加了国产装载机的高技术含量，这对于其参与国际市场竞争，抢

8、占竞争激烈的工程机械市场份额，推动我国机器人化工程机械产品的开发与发展，起着重要的作用，这也是本次研究的意义所在。国外装载机发展趋势及国内现状自九十年代以来，国外装载机进入了一个新的发展时期。在广泛应用新技术的同时，不断涌现出新结构和新产品，继完成提高整机可靠性任务之后，技术发展的重点在于增加产品的电子信息技术含量，努力完善产品的标准化、系列化和通用化，改善驾驶员的工作条件，向节能环保方向发展。为提高装载机的作业生产率，各大厂商在广泛应用新技术、新结构的同时，经过不懈努力，相继研制出许多超强功能的系统。如：（）计算机故障诊断系统。通过控制面板上的指示灯，听觉与视觉相结合的报警信号，提醒司机可能

9、潜在的故障隐患，这样司机只管全神贯注地工作，而无需不断察看仪表读数。（）动力电子控制管理系统。根据传动装置及液压系统的工作状态，自动调节发动机输出功率，以满足不同作业工况的需求，提高燃料的经济性。如在装载机处于非作业工况时，自动降低发动机转速，减小燃料消耗及发动机噪音；根据负载状态，自动调节车速及发动机飞轮扭矩，实现高速小扭矩或低速大扭矩的动力输出。（）先进的转向系统。替代传统的方向盘和变速杆，将转向与变速操纵装置集成为一个操纵手柄，并利用简单的触发式方向控制开关和选挡用的分装式加速按钮。利用肘节的自然动作左右扳动操纵手柄，实现转向，利用大拇指选择按钮，实现前进与后退，加速与减速行使。（）附着

10、力控制系统。在每个车轮上安装一个速度传感器，自动将所需的制动力矩施加到车轮上，并将扭矩传给与之紧密相连的车轮，便于装载机直线行驶及转向。（）行驶平稳性控制系统。在动臂举升油缸回路中增加一个蓄能器，以衰减工作装置在行驶过程中产生的振动，减少装载机的颠簸。另外，国外厂商广泛应用微电子技术与信息技术，完善计算机辅助驾驶系统、信息管理系统，采用单一噪声材料、噪声抑制方法等，消除或降低机器噪音。通过不断改善电喷装置，进一步降低柴油发动机的尾气排放量，研究无污染、经济型、环保型的动力装置。提高液压元件、传感元件和控制元件的可靠性与灵敏性，提高整机的机、电、液、信一体化水平。在控制系统方面，将广泛应用电子监

11、控和自动报警系统、自动换挡变速装置，用于物料精确装、载、运作业的定位与重量自动称量装置，开发特种用途的“机器人大连理工大学专业学位硕士学位论文式”装载机。与此同时，装载机向系列化、特大型化、微型化、多用途等方向发展。在结构设计上，工作装置已不再采用单一的“”型连杆机构，出现了八杆平行机构、皿连杆机构和“，”机构（单动臂铸钢结构），以及公司专为小型装载机而设计的连杆机构，公司型高卸位轮式装载机上的可折叠式创新连杆机构等。驾驶室将逐步实施和设计方法，配置冷暖空调，全封闭及降噪处理的“安全环保型”驾驶室。采用人机工程学设计的司机座椅可全方位调节，以及功能集成的操纵手柄、全自动换挡装置大大改善了司机的

12、工作环境，提高了作业效率。闭路监视系统以及超声波后障碍探测系统为司机安全作业提供音频和视频信号。微机监控和自动报警的集中润滑系统大大简化了机器的维修程序，缩短了维修时间。如公司的系列装载机日常维修时间只需。目前大型装载机寿命达万小时，最高可达万小时。总之，装载机发展方向是计算机参与的智能型设备，但在动态称重系统方面研究的还不多，还没有成熟的技术可借鉴。我国的装载机产品与国外相比，差距较大。尤其是九十年代以来，差距越来越大，主要表现在：国产装载机整机可靠性差，产品单一，各生产厂家没有自己的拳头产品，没有自身的关键技术及强有力的技术创新队伍。中国加入之后，国外知名厂商纷纷涌入中国装载机市场，他们对

13、吨级以上产品基本形成垄断。虽然在中小吨位装载机上对中国国内不会造成太大威胁，但国外厂商正在研究中国市场的特点，开发适合中国国情的新产品，迸一步扩大其市场的占有率。所有这些给我国传统的装载机行业带来了极大的危机。中匡政府和轮式装载机厂认识形势的严峻，近几年加大了技术投入，采用了不同的技术路线，在关键部件及系统上有了很多创新，以提高产品的科技含量，形成有自己特色的产品，提高产品在国际、国内的竞争力。使产品从低水平、低质量、低价位、满足功能型向高水平、高质量、中价位、经济实用型过渡，从仿制仿造向自主开发过渡。虽然国内外装载机技术在迅速发展，但在动态称重系统方面研究的并不多，还没有成熟的技术可借鉴，也

14、没有企业开发出产品来。论文要做的工作和章节安排第一章：绪论。写课题背景目的意义及国内外现状，论文主要工作和组织结构。第二章：装载机载重称量系统数学模型的建立。第三章：装载机载重称量系统的系统设计。第四章：数据采集和处理的实现。第五章：系统、狈试。第六章：结论。，王罡：装载机动态称重系统设计与实现装载机载重称量系统数学模型的建立装载机工作装置的结构分析装载机工作装置是组成装载机的关键部件之一。同时，装载机工作装置的结构分析本课题的研究有着直接的关系。装载机工作装置的结构形式装载机铲掘和装卸物料的作业是通过工作装置的运动实现的。装载机的工作装置由铲斗、动臂、摇臂、连杆及液压系统等组成。铲斗用以铲装

15、物料；动臂和动臂举升缸的作用是举升（或下降）铲斗并使之与机架连接：转斗油缸通过摇臂、连杆使铲斗转动。动臂的升降和铲斗的转动采用液压操纵。由动臂、动臂举升缸、铲斗、转斗油缸、摇臂、连杆及车架相互铰接所构成的连杆机构，在装载机工作时要保证：当动臂处于某种作业位置不动时，在转斗油缸作用下，通过连杆机构使铲斗绕其铰接点转动；当转斗油缸闭锁时，动臂在动臂举升缸作用下举升或下降铲斗过程中，连杆机构应能使铲斗举升时保持平移或斗底平面与地面的夹角变化控制在很小的范围，以免装满物料的铲斗倾斜而使物料撒落；而在动臂下降时，又自动将铲斗放平（指特定位置），以减轻驾驶员的劳动强度，提高劳动生产率。装载机工作装置的形式

16、多种多样，国产轮式装载机大都采用转斗缸后置式六连杆反转机构。六连杆包括：动臂、铲斗、连杆、摇臂、转斗油缸及机架。其结构如图所示意。动臂铲斗一连杆垂摇臂蝾斗缸蝴架图六杆机构示意图该机构将转斗缸布置在动臂上面，转斗缸小腔作用对进行铲撼。这种机构又称为“”形连杆机构（）。该机构具有下列优点：一是，铲斗插入时转斗缸大腔进大连理工大学专业学位硕士学位论文油，并且连杆机构的传力比可以设计成较大值，故可获得较大的掘起力；二是，合理设计连杆机构各构件的尺寸，不仅可以获得良好的铲斗平移性能，而且可以实现铲斗的自动放平：三是，结构十分紧凑，前悬小，司机视野好。缺点是摇臂和连杼布置在铲斗和前桥之间的狭窄部位，各构件

17、间易发生干涉。所谓反转是指，当机构运动时，铲斗与摇臂的转动方向相反。其运动特点是，发出最大铲起力时的铲斗转角是正的，且铲起力变化曲线陡峭，因此，在举升铲斗时的铲起力较大，之后迅速下降，适于装载矿石，由于铲掘时转斗缸小腔进油故不利于地面的挖掘；铲斗倾斜时的角速度小，卸料平缓，但难于抖落沙土；举升动臂时能基本保持铲斗平移，因此物料撤落较少，易于实现铲斗自动放平。反转连杆机构多采用单连杆，双连杆机构布置较困难。反转连杆机构当铲斗位于运输位置时，连杆与动臂轴线相交，因此，难于布置在同一平面内，工作装置受力较差。但由于这种型式结构简单，铲起力较大，所以中小型装载机采用较多“。国产轮式装载机就属于这种。应

18、该指出的是，该机构是非平行四边形机构，因此，在动臂举升过程中，铲斗或多或少总要向后翻转一些。装载机工作装置反转六杆机构分析由于物料种类和作业条件的不同，装载机实际作业时不可能使铲斗切削刃均匀受载，但可简化为两种极端情况：（）认为载荷沿切削刃均匀分布，并以作用在铲斗切削刃中（）由于铲斗偏铲、料堆密实程部的集中载荷来代替其均布载荷，称为对称受载情况；度不均，使载荷偏于铲斗一侧，形成偏载情况时，通常是将其简化后的集中载荷加在铲斗侧边第一斗齿上。由于铲装时的这两种情况，导致了铲斗在随动臂举升过程中，物料两种同样情况的分布，即均布和不均布。在对称受载工况中，由于工作装置是个对称结构，故两动臂受的载荷相等

19、。同时略去铲斗及支承横梁对动臂受力及变形的影响，则可取工作装置结构的一侧进行受力分析。其上作用的载荷取相应工况外载荷之半进行计算。其理论依据为：平移力的作用线必须相应增加一个附加力偶才能与原来的力等效。把作用于两动臂之问的等效集中载荷等量二分后，分别移向两动臂，并附加两个模值大小相等，转动方向相反的力偶。由这一对力偶的性质决定了其并不会对工作装置产生影柳旬，故在对称载荷作用下，进行受力分析肘，可对单动臂取相应工况外载荷之半进行分析计算。在偏载工况中，可近似地用求支梁反力的方法，求出分配于左右动臂平面内的等效力。，王罡：装载机动态称重系统设计与实现在实际中，真正的对称载荷并不存在，但也绝不会出现

20、极限的偏载工况。大多数情况下，实际物料的分布类似于对称载荷。即使不对称载荷，也可由工作装置的钢架结构（装载机采用单摇臂单横梁结构，其中，横粱除了用于支承摇臂外，主要还承受由于装载机偏载而引起的外载荷）去克服。再者，由工作装置液压系统的特点决定了两动臂液压缸的压力是相等的。出于本课题的考虑，在该论文中不考虑偏载工况。装载机工作装置是一个受力较复杂的空间超静定系统。组成其工作装置的各构件是通过销轴联接的，且各销轴相互平行，其结构具有纵向对称性。因此，在进行工作装置运动学分析时，可认为动臂轴线与连杆、摇臂轴线位于同一平面，则所有的作用力都通过构件（除铲斗外）断面的弯曲中心，即略去了由于安装铰座而产生

21、的附加的扭矩。可将工作装置简化为带液压缸的平面低副多杆机构，不计各杆件的自重，并认为各杆件为刚体，且假设各铰接点的摩擦力为零。这样就可以用折线或曲线来代替实际构件。把装载机工作装置这样一个空间超静定结构，简化为平面问题来进行受力分析。选择机架作为反转六杆机构工作装置的运动参考系，并建立如图所示的平面直角坐标系。点是动臂与机架的铰点，点是动臂举升缸与机架的铰点，点是动臂举升缸活塞杆与动臂的铰点。该图为典型的反转六杆机构工作装置的杆系结构简图。令为动臂位置角，即动臂上、下铰接点的连线与轴负向的夹角，以绕动臂上铰接点逆时针方向为正，反之为负；为铲斗位置角，即铲斗斗底线于轴正向的夹角，逆时针为正，反之

22、为负。对于反转六杆机构的工作装置，它由举升机构、油缸四连杆机构姗和铲斗四连杆机构等组成。其中，活动构件数，低副数，高副数。这样，由平面机构自由度的计算公式可得，反转六杆机构工作装置的自由度。当转斗缸闭锁时，动臂在举升缸的作用下举升或下降铲斗，此时刻该工作装置的自由度为，举升缸为原动件；当举升缸阅锁，动臂处于某一特定作业位置不动时，在转斗缸的作用下，通过六杆机构使铲斗绕其铰接点转动，此时刻该工作装置的自由度亦为，转斗缸为原动件。该系统设计目标要实现以下功能：（）单斗重量显示；测量每次装载的重量，并在屏幕上显示，还可累加。（）各种物料分类自动累计；在装载机同时装载几种物料，可实现分类累加。（）预定

23、装载量设置，并自动累减，累减至小于下限时报警提示；如在给火车装煤时，我们可预定装载量为吨，在装载时，装一次减掉一次重量，当差值小于吨时，系统报警，提示操作人员，控制最后一斗重量。由于装载机工作装置的自由度为，当铲斗位置角和动臂位置角确定之后，机构运动状态就唯一地被确定。故选取和作为自变量，并采用相对坐标的向径法进行分析与计算。大连理工大学专业学位硕士学位论文、图反转六杆机构工作装置示意图四杆机构分析通过对六连杆反转机构的分析，可以发现，四连杆是它的基本组合模型。其中，油缸四连杆机构可以看作某一杆件长度可以连续变化的四连杆机构，如果把这一变化的杆长看作是某一变量的函数（如：是系统压力和流量的函数

24、），则实际上也是一个基本的四连杆机构。因此，分析基本四连杆机构的函数关系，建立其数学模型，就成为工作装置连杆机构分析的基础。（）确定四秆机构所需的参数在对四杆机构尺度综合时，仅已知各杆杆长及输入角旺，四杆机构的运动仍不能唯一确定。如图所示的基本四杆机构中，连秆，的杆长分别为、设输入角为，为主动杆，为连杆，为被动杆（或从动杆）。则：在中，有：在中，有：一王罡：装载机动态称重系统设计与实现九从而可得：。扣墨！±墨！二墨！二墨竺±圣：墨！：墨！竺竖月冀图基本四杆机构简图显然，满足上式的角度：九的解有两个：个解九在之间，即一个解尥在伊之间，即从而有：这里引入的称为四杆机构的符号，为

25、正号机构，一为负号机构。当四连杆运动过死点（即连杆和被动杆拉直时）时，将改变符号。因此，死点是机构发生变号的临界点。由于在死点位置机构极易卡住，运动不能传递，所以一般的机构设计均不允许出现死点。装载机工作装置亦是如此。因此，在四杆机构的运动范围内属性不变。综上所述，确定的一个四杆机构的参数有杆长、，输入角，机构符号。除此之外，由于四杆机构在运动过程中有两种状态：正转状态：主动杆和从动杆同向转动。反转状态：主动杆和从动杆异向转动。大连理工大学专业学位硕士学位论文为了表示机构的运转状态，以参数来表示，表示正转，表示反转，从图中可知：正转状态，杆和杆在杆的同一侧，此时：五反转状态，杆和杆在杆的两侧，

26、此时：九、，综上，则有：（九）（九）（甲）如令（虹渖），则得：若，这时机构位于死点位置；若，这时机构位于连杆和主动杆拉直位置口】。（）四杆机构输入角、输出角与传动角之间的关系如图，求输出角及传动角九。规定：口为动杆按逆时针方向离开固定杆时的夹角。为正时表示固定杆的延长线按逆时针转动角才能与被动杆重合。为负表示，须顺时针转动才能重合。根据四连杆机构运动特性，写出矢量方程：面蔚：历蔚（）分别向轴和轴投影得：（）（）、（）式中为杆与轴正向的夹角。由式（）得：。（）（）（）代入式（）得：一（）（）王罡：装载机动态称重系统设计与实现即：（一一（）（）令：一【一（）把下列三触换公式吧忑。（譬）（譬）季出驴

27、忑兰）鸯（兰）代入（）中，得到关于协（娶）的一元二次方程。令（昙），得：（）解得：面（：）（）得值为：一（）一说明：式中，双运算符号代表着机构两种不同的运转状态，“”表示反转四连杆机构，“一”表示正转四连杆机构：，一，表示机构无法实现。带入运转状态参数，则得：。兰二！：皇：±！：垒：（）止一所以有：当时有：一卜当时有：卜。大连理工大学专业学位硕士学位论文则：兀（）（）又有式（）和式（）得：丸：里掣（，）定义函数：（足，口）（，口）（）（）（）四杆机构正反转过渡分析参见图，令代表所希望的正反转状态，则有：，表示该位置的转向状态与希望正反转状态相同；），表示该位置的转向状态与希望正反转状

28、态相反。很明显，当机构出现正反转过渡时，必有杆与杆共线的情况出现，即所谓的拉直现象出现。如果机构在转角范围内不出现拉直现象，则机构不可能发生正反转过渡，反之，则有可能发生正反转过渡。当杆与杆共线，出现拉直现象时，四连杆机构实则变为了三角形。则关系式：（玛）墨一心必须成立。式中，表示拉直状态，一表示外拉直，表示内拉直。饯旯属）墨（）如果满足上式，则机构可能发生正反转过渡，不满足则不可能发生正反转过渡。如果出现了拉直现象，则可求出正反转过渡点处主动杆的理论转角，判别是否在主动杆的实际转角值范围之内。等等群口考虑拉直的内外性及机构的正负性，则正反转过渡角为：引入角度范围血的转向因子，当从转到以为逆时

29、针时，顺时针时，。则若在位范围内，必有：王罡：装载机动态称重系统设计与实现（），（）（）若上式成立，则说明四连杆机构发生了正反转过渡，否则，说明四连杆机构的正反转状态没有发生改变。工作装置各铰点坐标及运动速度、加速度的计算由以上分析可知，装载机工作装置反转六杆机构的自由度为。即当转斗缸闭锁时，动臂在举升缸的作用下举升或下降铲斗，此时刻该工作装置自由度为，举升缸为原动件；当举升缸闭锁，动臂处于某一特定作业位置不动时，在转斗缸的作用下，通过六杆机构使铲斗绕其铰接点转动，此时该工作装置的自由度亦为，转斗缸为原动件。故当铲斗位置角和动臂位置角确定之后，机构运动状态就唯一地被确定。工作装置各铰点的坐标也

30、就确定了。参见图示。本文所采用的是相对极坐标，有关极均采用线段两端字母表示，角度值采用该角所夹的三个字母表示。如和是相同的，均表示杆件的长度。即表示角。加下标的值，表示该点的坐标值，加下标的值，表示该点的坐标值：】。点的坐标：七圪一其中，点的坐标（，）为已知，为动臂设计尺寸。点的坐标：（）圪一（）；均为动臂设计尺寸，已知。点的坐标：（）写巧（）为铲斗设计尺寸，即斗底与地面水平时（）于轴正向的夹角【。大连理工大学专业学位硕士学位论文在反转四连杆机构中，如图所示，是主动杆，是被动杆。则；，图反转四连杆机构示意图。输入旺为：。投一）（式中删为与轴正向的夹角，释（，蝴为与轴正向的夹角，代入式（）可以计

31、算出值。则与轴正向的夹角为：此处相当于四杆机构中融与轴正向的夹角。所以，点的坐标为：如）单取出摇臂，如图所示。则有：，为）与轴，点的坐标为：珏七（）式中，为在轴的投影，”为在轴的投影。一王罡：装载机动态称重系统设计与实现图摇臂示意图通过以上计算可以看出，工作装置各铰点的坐标，在工作过程中，随动臂位置角和铲斗位置角的变化而改变（点和点除外），是二者的完全可解函数。计算中的所有参数，除和之外，均为已知的尺寸（可实际测得，也可从设计尺寸获得）。而动臂位置角和铲斗位置角也可通过相应的传感器测得。故工作装置各铰点的坐标，在工作中的任何位置都能完全确定阐。把工作装置各铰点的坐标。（，）分别对时间求一阶和二

32、阶导数，就可得到各铰点在工作装置运动过程中的速度和加速度。速度是或的一阶导函数，加速度是或的二阶导函数。由于篇幅所限，在此就不详述。理想的装载机工作装置，在动臂的举升过程中，工作装置的其它部分应与动臂一起做平动，而不应该有相对运动，这即所谓的理想平顺性（见后面定义）。而实际上，由于组成反转六连杆机构的两个四连杆机构均非平行四边形机构，故保持理想平顺是不可能的。在动臂举升过程中，铲斗、连杆、摇臂、转斗缸的运动均是由动臂的举升运动和相对于动臂的运动二者的合成运动。这也可从各铰点的速度、加速度函数均是和的二元函数看出。装载机载重称量系统数学模型的建立本课题是采取间接的方法完成对装载机有效载荷的称量，

33、因此系统数学模型的建立更为重要。所谓间接是指通过对装载机工作装置举升过程中动臂位置角（动臂下限位置角与动臂角位移之和），动臂举升缸有无杆腔压力差：，铲斗收斗角（或铲斗位置角），转斗缸有无杆腔压力差等参数的测量来等效出装载机该次作业所完成的作业量，即有效载重。它们之间的可解的函数关系（，），（表示其它因素，大连理工大学专业学位硕士学位论文如系统摩擦、发动机转速、外界自然条件、液压系统及操纵手柄等的影响，这在以后逐步讨论）就是本次设计所要完成的任务。动臂举升过程中转斗缸压力分析（）理想平顺性时转斗缸压力分析这里先定义一下理想平顺性：假设组成反转六杆机构的两个四杆机构能够使得在动臂举升过程中铲斗做绝

34、对平动，铲斗收斗角为定值，物料重心不变。当然这是一种理想状态，实际之中也没有必要。如图所示，假设铲斗载重为集中载荷，重心为（可有大量统计求得），与斗底夹角（理想平顿时为定值），铲斗位置角，动臂位置角。工作装置己过运输位置；铲斗与动臂没有干涉。由力矩平衡方程得：即即（）铂（）（）陆（）卸式中如，杆中的作用力：杆中的作用力，即（）。在此只作理论分析，暂不考虑工作装置各部分的自重由上面两式可解得：。；（）（）”点（）（）陀）下面分别求出角，的表达式。在四杆机构中，输入角：【式中如前所述，是铲斗设计尺寸，即时，于轴正向的夹角，为己知（，嗍（，同样在四连杆机构中，若输入角，则得：（，）在中，（为与轴负向

35、的夹角）、（）丘王罡：装载机动态称重系统设计与实现（帅（）则：于雾：图转斗缸压力分析简图又在中由整个推导过程可见，杆长也是动臂位置角和铲斗位置角的函数，表示为：（，）把，代入可得鬻（，）器可以看出与动臂位置角，铲斗的位置角，铲斗载重有关。即：又（），故：爿（，）即转斗缸有无杆腔压力差与动臂位置角，铲斗位置角，铲斗载重有关嘲。大连理工大学专业学位硕士学位论文在次作业中，在理想平顺前提下，铲斗位置角不变，铲斗载重也可以认为是定值（由于铲斗绝对平动，不考虑物料的撒落），故，转斗缸有无杆腔压力差只为动臂位置角的单值函数，即爿（）。这样用一维搜索法可求得，使得最小。即：（）。（）实际动臂举升过程中转斗缸

36、被动压力的分析动臂实际举升过程中，控制工作装置液压系统采用转斗优先，动臂油缸和转斗油缸不同时动作。工作装置液压系统原理图如图所示。由于四杆机构，均为非平行四边形，再加上工作装置本身的不协调性，使得在动臂举升过程中，铲斗位置角时刻在变化。下面给出铲斗位置角的近似表达式。参见图。在四连杆机构中，输入角取为：，（，）十在四连杆机构中，输入角取为，则由式（得：（，）从而我们可以得到函数：（）三在动臂的举升过程中，只是有变化的趋势或微小变化，在此可认为不变。故铲斗位置角可认为是动臂位置角的单值函数凹。即：（）可以用一维搜索法分别求出拌，￥，使其满足：）产（【，固（￥）从而可求出在动臂举升过程中铲斗最大收

37、斗角与最小收斗角之差，即：从上面的分析可知，在动臂举升过程中，随动臂位置角的变化，铲斗位置角也在变化，且是的单值函数。由可知杆长也在变化（或有变化趋势），动臂位置角，铲斗位置角，铲斗载重有关。动臂举升过程中被动力矩的取值及性质由于此时在多路阀的作用下转斗缸闭锁，故造成了在动臂举升过程中，转斗缸的被动压力。知其大小与王罡：装载机动态称重系统设计与实现由于动臂举升过程中转斗缸被动压力的存在，所以，在这个过程当中存在一个被动力矩。因此，就有必要搞清楚在动臂举升过程中这个被动力矩是阻力矩还是动力矩。这不但与转斗缸与机架的铰点和动臂与机架的铰点的相对位置有关，还与杆的长度变化趋势有关（即在动臂举升过程中

38、转斗缸活塞杆是被拉出还是被压入）。下面将分述之。在动臂举升过程中，转斗缸活塞杆是被拉出还是被压入与该过程中铲斗位置角的变化趋势有关。若增大，则活塞杆被拉出，若减小，则活塞杆被压入。在此引入转斗缸活塞杆出入状态参数，表示活塞杆被拉出，即杆长度加大，一表示活塞杆被压入，即杆长度减小。的取值表明了转斗缸被动压力差口的方向。图装载机工作装置液压系统原理图油箱滤油器工作泵多路阀举升油缸转斗油缸杆长可近似为动臂位置角的单值函数埘。（）取任意，满足，为任意正小数，则：（）（）大连理工大学专业学位硕士学位论文对铰点和铰点的相对位置引入参数，：表示铰点在铰点之上。一表示铰点在铰点之下（在实际动臂举升过程中，不可

39、能出现铰点，与点共线的情况，这是一个死点位置）。令：（）（），表示力矩性质。则：时，表示转斗缸被动力矩为动力矩，一时，表示转斗缸被动力矩为阻力矩【“。下面给出被动力矩力臂的计算过程。如图所示。图转斗缸动力臂计算简图被动力力为：（）在四连杆机构中，由式（）可得：（，）上式中（，切，在一定的动臂位置角和铲斗位置角情况之下，可认为是已知。则：卜在四连杆机构中，由式（）可得：（，）式中：，其中如前所述，为铲斗的设计角度（铲斗位置角为零时，与轴正向的夹角）。由以上各式回推，即可求得被动力臂。由以上计算过程可知，随动臂位置角和铲斗位置角的变化而变化，可表示为：，）王罡：装载机动态称重系统设计与实现考虑力矩

40、的性质，可得到被动力矩的表达式为：式中一为被动力矩性质参数，其意义如前所述；一为转斗缸的数目；一为杆中的被动力。动臂举升过程中角加速度分析假设在动臂举升过程中，动臂举升缸中活塞的移动是匀速度的。油缸行程为，动臂从下限位置上升到上限位置的时间（即动臂举升时间）为，则动臂举升缸活塞的移动速度为：。：丝动臂在任意位置时刻动臂举升缸的安装距为，则：式中动臂在下限位置时动臂举升缸的安装尺寸。在中，根据余弦定理：（）五蓊（矿式中±，为与轴负向的夹角，是设计尺寸，为已知。当点位于点左侧时，式中取正号，反之，取负号。故上式又可表示为：。（）丽丽（）（）对佗）求导可得：万黑日亿，±月、对式（

41、）求导可得：。：（一）（）、。（±）丫式中正负号的取值同上所述。一（）（砜）一砑再可五獗互丽丽，钔弘二刈大连理工大学专业学位硕士学位论文式位）表示在装载机动臂举升过程中，即使举升缸活塞作匀速运动，但由于举升机构的原因，动臂也生产了角加速度。该速度与动臂举升机构设计尺寸、此刻动臂位置角和举升缸活塞运动速度有关【】。在装载机实际工作过程中，发动机的转速不一定平稳，加上液压脉动等因素的影响，使得进入举升缸无杆腔的流量为时变的，再者液压缸泄漏随系统压力的增加而增大，油液的可压缩性等使得动臂举升缸中活塞的运动不可能是匀速度的。这样在动臂的举升过程中，不可避免地要产生角加速度。由于动臂举升过程中角加速度的存在，