专利名称：一种悬臂结构弯矩的获取装置及工程机械的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及工程机械领域，具体而言，涉及一种悬臂结构弯矩的获取装置，以及具有该悬臂结构弯矩的获取装置的工程机械。
背景技术：
混凝土泵车等具备悬臂结构的工程机械具有如下结构特征包括具有悬臂的悬臂结构和机械本体，悬臂结构可旋转地安装在机械本体上，悬臂结构可相对于机械本体任意转动，且工作时悬臂结构的悬臂姿态随时变化。例如泵车，悬臂结构是可伸缩和折叠的悬臂结构，可旋转地安装在转塔上、转塔固定在泵车的机械本体上，由于悬臂结构的跨度非常大，它对旋转位置施加的弯矩将是一个高达几百吨·米的重载荷。该载荷的准确获取对于转塔的设计、疲劳寿命的分析、悬臂结构性能的评估等均具有十分重要的意义。 通常，弯矩的直接测量需要知道力和力臂两个要素。然而，如果不拆卸悬臂结构，悬臂结构的重量很难获�。恍劢峁乖诠ぷ魇弊颂啾洌淙我庾颂轮匦牡皆ざㄗ岬牧Ρ垡参薹ɑ竦�。因此，为了获取悬臂结构的重量，通常将悬臂结构从机械本体上拆卸下来，置于地磅上进行最原始的测量，这需要消耗大量的人力物力，且重心无法获得。理论上，可以通过分析有限元模型获得悬臂结构的重量及重心，但由于很难准确计量任意姿态下悬臂结构系统的液压油及管道内混凝土的重量，导致悬臂结构的重心和重量的理论估算精度不高。相关技术中也有采用静标动测的原理实现动态弯矩的间接测量的方式。由于静态弯矩、动态弯矩可使试件某部位所产生的静态应变与动态应变相等。因此，以静载为基准，通过应变这一中间量来标定动载。但是，由于应变信号的信噪比不高，导致测量精度难以保证；并且对动态弯矩的测量，依赖于前期大量的静态标定过程，准备工作复杂；静态标定无法保证识别的连续性，必须依赖插值算法，从而降低了精度。因此，如何在非拆卸状态下，对工程机械悬臂结构的实际弯矩进行有效获�。潜玖煊蚣际跞嗽必叫杞饩龅募际跷侍�。
实用新型内容本实用新型的一个目的在于提供一种悬臂结构弯矩的获取装置，能够在非拆卸状态下更准确地获得工程机械的悬臂结构在任意姿态下的弯矩；本实用新型的另一个目的在于提出一种应用悬臂结构弯矩的获取装置的工程机械。根据本实用新型的一个方面，一种悬臂结构弯矩的获取装置，应用于工程机械，所述悬臂结构可转动地安装在所述工程机械的机械本体上，所述工程机械可通过η个支撑机构支撑于地面，其特征在于，所述悬臂结构弯矩的获取装置包括处理器、力传感器、位置传感器和转角传感器，其中，所述转角传感器连接至所述处理器，用于检测悬臂结构的旋转角度并将旋转角度数据传送至所述处理器，所述力传感器连接至所述处理器，用于检测η个所述支撑机构的支撑力并将支撑力数据传送至所述处理器，所述位置传感器连接至所述处理器，用于检测η个所述支撑机构的支撑位置并将支撑位置数据传送至所述处理器；所述处理器可根据所述支撑位置数据计算支撑力至预定转轴的距离；在所述悬臂结构处于第一姿态下，所述处理器根据η个所述支撑机构的支撑力、所述支撑力至预定转轴的距离、所述悬臂结 构在第一姿态下的重力弯矩和所述机械本体的重力弯矩，构建第一弯矩平衡方程；在所述悬臂结构相对于所述第一姿态旋转β角处于第二姿态下，所述处理器根据η个所述支撑机构的支撑力、所述支撑力至预定转轴的距离、所述β角、所述悬臂结构在第二姿态下的重力弯矩和所述机械本体的重力弯矩，构建第二弯矩平衡方程；所述处理器根据所述第一弯矩平衡方程和所述第二弯矩平衡方程，求解方程组得到所述机械本体的重力弯矩；在所述悬臂结构处于任意姿态下，所述处理器根据η个所述支撑机构的支撑力、所述支撑力至所述预定转轴的距离、以及所述机械本体的重力弯矩，获得所述悬臂结构的弯矩。通过构建悬臂结构在两个姿态下的弯矩平衡方程悬臂结构处于第一姿态构建一个弯矩平衡方程，旋转β角度之后的第二姿态再构建一个弯矩平衡方程；针对悬臂结构的每一个姿态，可以检测出工程机械中各个支撑机构所受地面的支撑力及各个支撑力至预定转轴的距离，联立两个弯矩平衡方程，求解该方程组可以计算出机械本体的重力弯矩；在所述悬臂结构处于任意姿态下，根据η个所述支撑机构的支撑力以及各个支撑力至所述预定转轴的距离获得支撑机构的弯矩，再减去机械本体的重力弯矩得到悬臂结构的弯矩。这样，在无需拆卸悬臂结构的情况下能够获取悬臂结构相对于预定转轴的弯矩，提高了悬臂结构弯矩获取结果的精度和便利性。在上述技术方案中，优选地，所述支撑机构为安装在所述机械本体上的支腿，力传感器和位置传感器设置在所述支腿上。在上述技术方案中，优选地，所述支腿为伸缩支腿，所述位置传感器具体为检测支腿水平伸出长度的位移传感器；所述支腿为摆动支腿，所述位置传感器具体为检测摆动支腿展开角度的角度传感器。在上述技术方案中，优选地，所述转角传感器用于检测悬臂结构在水平面内的转动角度，或者，所述转角传感器用于检测悬臂结构在竖直平面内的转动角度。在上述技术方案中，优选地，还包括显示器，与所述处理器连接，用于显示在任意姿态下所述支撑机构的支撑力Fi,以及所述悬臂结构的弯矩Mb。通过显示器能够实时监测随着悬臂结构转动时支撑机构中各支撑力的大小以及悬臂结构的弯矩变化情况，便于监控工程机械的工作情况。根据本实用新型的另一方面，还提供了一种工程机械，包括机械本体和悬臂结构，所述悬臂结构可转动地安装在机械本体上，所述工程机械可通过支撑机构支撑于地面，包括如上述任一技术方案中所述的悬臂结构弯矩的获取装置，能够在非拆卸状态下准确地获得悬臂结构在任意姿态下的弯矩。该工程机械具有与上述悬臂结构弯矩的获取装置相同的技术效果。在上述技术方案中，优选地，所述工程机械具体为混凝土泵车、起重机或者高空消防车，所述悬臂结构为混凝土泵车、起重机或者高空消防车的悬臂结构。
图I示出了本实用新型实施例中具有悬臂结构的工程机械的俯视示意图；图2示出了本实用新型实施例中悬臂结构弯矩的获取装置的示意图；图3示出了图I所示工程机械的受力分析示意图；图4示出了图I所示工程机械的悬臂结构在水平方向上旋转β角度的示意图；图5示出了图4的悬臂结构在旋转β角度后的力臂分析示意图；图6示出了图I所示工程机械的悬臂结构在垂直方向上旋转β角度的示意图；图7示出了根据本实用新型的实施例的转角传感器和力传感器的安装示意图；图8示出了在第一姿态和第二姿态下机械本体弯矩和悬臂结构弯矩的获取过程示意图；图9示出了具有悬臂结构的工程机械的悬臂结构动态弯矩获取过程示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型进行进一步的详细描述。如图I所示，在本实用新型实施例中，该工程机械包括机械本体10和悬臂结构20，悬臂结构20可转动地安装在该机械本体10上；该工程机械通过支撑机构支撑于地面，该支撑机构为设置在机械本体10上的四个支腿11、12、13、14。在悬臂结构20处于任意姿态下，工程机械中支撑机构的弯矩与机械本体、悬臂结构的弯矩构成弯矩动态平衡；考虑到悬臂结构处于任意姿态下，机械本体的重量以及其相对于预定转轴的力臂不会变化，故而机械本体相对于预定转轴的弯矩为定值，支撑机构的弯矩随着悬臂结构的动态弯矩的变化而变化。基于工程机械的弯矩动态平衡原理，构建悬臂结构在不同姿态下的弯矩平衡方程，计算得到悬臂结构的弯矩。为了便于理解和说明，通过建立适当的坐标系，并在该坐标系中建立弯矩平衡方程。在图I中，将悬臂结构20和机械本体10之间的旋转中心作为坐标系的原点O，将工程机械的长度方向作为坐标系的X轴，将工程机械的宽度方向作为坐标系的Y轴，X轴垂直于Y轴，将垂直于纸面向外的方向设为Z轴方向(图中未示出)。在实际应用中，坐标系并不局限于上述设置，还可以将上述坐标系绕原点O转动任意角度，并通过建立弯矩平衡方程计算进行悬臂结构的弯矩。本实用新型的实施例中，在上述坐标系中以Y轴作为预定转轴，建立支撑机构弯矩和机械本体、悬臂结构弯矩的弯矩平衡方程。如图2所示，本实用新型实施例提出了一种悬臂结构的弯矩获取装置，包括处理器31、力传感器32、位置传感器33、转角传感器34和显示器35，处理器31与力传感器32、位置传感器33、转角传感器34和显示器35连接。工程机械的四个支腿11、12、13、14上均设置力传感器32和位置传感器33，力传感器32用于检测每个支腿的支撑力，位置传感器33用于检测每个支腿的支撑位置，从而处理器31根据支腿的支撑位置获取支撑力至预定转轴的距离；具体的，在支腿为伸缩支腿时，该位置传感器33为检测支腿水平伸出长度的位移传感器；在支腿为摆动支腿时，位置传感器33为检测摆动支腿展开角度的角度传感器。转角传感器34用于检测悬臂结构的旋转角度。显示器35用于显示在任意姿态下支撑机构的支撑力Fi,以及悬臂结构的弯矩Mb。通过显示器35能够实时监测随着悬臂结构转动时支撑机构中各支撑力的大小以及悬臂结构的弯矩变化情况，便于监控工程机械的工作情况。如图3所示，将四个支腿展开对工程机械进行支撑，力传感器32能够采集工程机械的四个支腿所受地面的支撑力分别为Fi,方向为垂直于XY平面并指向纸面向外；位置传感器33采集四个支腿的支撑位置，处理器31根据支撑位置可以获得各支撑力到Y轴之间的距离为Xi，即支腿的支撑力Fi对应的力臂距离为Xi，并在该状态下四个支腿的支撑力到Y轴之间的距离为Xi保持不变。机械本体10的重力为Gd，悬臂结构20的重力为Gb，两者的方向垂直于XY平面并指向纸面向内；Gd相对于Y轴的力臂为xd，Gb相对于Y轴的力臂为xb。当悬臂结构处于第一姿态下，悬臂结构在XY平面的投影与X轴重合，处理器31根据各个支撑力F/以及各个支撑力F/到Y轴之间的距离Xi，获得支腿中各个支撑力的弯·矩，第i个支腿的支撑力弯矩为Fi' Xi, i为大于等于I小于等于4的整数，构建第一弯矩平衡方程ZF1X1- = Md+Mb'
i=l其中，Md=GdXd表示机械本体10的重力弯矩，M' b=Gbxb表示悬臂结构20在第一姿态下的重力弯矩；在悬臂结构相对于第一姿态逆时针旋转β角处于第二姿态下，处理器31根据各支撑力F" i以及各支撑力F" 1到￥轴之间的距离Xi，获得支腿中各个支撑力的弯矩，构建
第二弯矩平衡方程tF；x =Md+Mbv=Md+M ^os(P)
二i其中，Mb〃=Gbxbcos(e)=M' bcos ( β )，Mb〃表示悬臂结构20在第二姿态下的重力弯矩。处理器31联立第一弯矩平衡方程和第二弯矩平衡方程，得到如下方程组I 1=1
TF1nX=MAMh'^)
Ii=I令Ax = b,其中，
(I I IA=，
V1 Cos(^)J
一I ~\ TX= Md Mb ,
Γ 44 Β Γb= YjFji m，
_ i=l i=l _求解上述方程组得到机械本体10的重力弯矩Md。[0046]考虑到悬臂结构20处于任意姿态下，工程机械的机械本体10的重力弯矩为定值，而支撑机构的弯矩随着悬臂结构20的动态弯矩变化而变化，根据弯矩平衡方程可以获取悬臂结构20在任意姿态下的动态弯矩。基于方程组的解得到的机械本体10的重力弯矩Md，在悬臂结构20处于任意姿态下，根据四个支撑力IF2、F3、F4以及各个支撑力至Y轴的距离Xl、x2、x3> x4,获得悬臂结构 20 的弯矩
权利要求1.一种悬臂结构弯矩的获取装置，应用于工程机械，所述悬臂结构可转动地安装在所述工程机械的机械本体上，所述工程机械可通过η个支撑机构支撑于地面，其特征在于，所述悬臂结构弯矩的获取装置包括处理器、力传感器、位置传感器和转角传感器，其中， 所述转角传感器连接至所述处理器，用于检测悬臂结构的旋转角度并将旋转角度数据传送至所述处理器，所述力传感器连接至所述处理器，用于检测η个所述支撑机构的支撑力并将支撑力数据传送至所述处理器，所述位置传感器连接至所述处理器，用于检测η个所述支撑机构的支撑位置并将支撑位置数据传送至所述处理器；所述处理器可根据所述支撑位置数据计算支撑力至预定转轴的距离； 在所述悬臂结构处于第一姿态下，所述处理器根据η个所述支撑机构的支撑力、所述支撑力至预定转轴的距离、所述悬臂结构在第一姿态下的重力弯矩和所述机械本体的重力弯矩，构建第一弯矩平衡方程；在所述悬臂结构相对于所述第一姿态旋转β角处于第二姿 态下，所述处理器根据η个所述支撑机构的支撑力、所述支撑力至预定转轴的距离、所述β角、所述悬臂结构在第二姿态下的重力弯矩和所述机械本体的重力弯矩，构建第二弯矩平衡方程；所述处理器根据所述第一弯矩平衡方程和所述第二弯矩平衡方程，求解方程组得到所述机械本体的重力弯矩； 在所述悬臂结构处于任意姿态下，所述处理器根据η个所述支撑机构的支撑力、所述支撑力至所述预定转轴的距离、以及所述机械本体的重力弯矩，获得所述悬臂结构的弯矩。
2.根据权利要求I所述的悬臂结构弯矩的获取装置，其特征在于，所述支撑机构为安装在所述机械本体上的支腿，力传感器和位置传感器设置在所述支腿上。
3.根据权利要求2所述的悬臂结构弯矩的获取装置，其特征在于，所述支腿为伸缩支腿，所述位置传感器具体为检测支腿水平伸出长度的位移传感器；所述支腿为摆动支腿，所述位置传感器具体为检测摆动支腿展开角度的角度传感器。
4.根据权利要求I所述的悬臂结构弯矩的获取装置，其特征在于，所述转角传感器用于检测悬臂结构在水平面内的转动角度，或者，所述转角传感器用于检测悬臂结构在竖直平面内的转动角度。
5.根据权利要求I至4中任一项所述的悬臂结构弯矩的获取装置，其特征在于，还包括显示器，与所述处理器连接，用于显示在任意姿态下所述支撑机构的支撑力，以及所述悬臂结构的弯矩。
6.一种工程机械，包括机械本体和悬臂结构，所述悬臂结构可转动地安装在机械本体上，所述工程机械可通过支撑机构支撑于地面，其特征在于，包括权利要求I至5中任一项所述的悬臂结构弯矩的获取装置。
7.根据权利要求6所述的工程机械，其特征在于，所述工程机械具体为混凝土泵车、起重机或者高空消防车，所述悬臂结构为混凝土泵车、起重机或者高空消防车的臂架结构。
专利摘要本实用新型提供了一种悬臂结构弯矩的获取装置和工程机械，该获取装置应用于包括悬臂结构和机械本体的工程机械，其通过n个支撑机构支撑于地面，包括获得n个支撑机构的支撑力至预定转轴的距离；在悬臂结构处于第一姿态下，获得支撑机构的支撑力并构建弯矩平衡方程；在悬臂结构相对于第一姿态旋转一角度处于第二姿态下，获得支撑机构的支撑力并构建弯矩平衡方程；根据上述两个弯矩平衡方程求解得到机械本体的重力弯矩；在悬臂结构处于任意姿态下，根据支撑力以及支撑力至预定转轴的距离获得支撑机构的弯矩，再减去上述机械本体的重力弯矩得到悬臂结构的弯矩。这样，在无需拆卸悬臂结构的情况下能够准确地获取悬臂结构在任意姿态下的弯矩。
文档编号G01L3/00GK202770570SQ20122039391
公开日2013年3月6日 申请日期2012年8月9日 优先权日2012年8月9日
发明者易小刚, 罗超, 沈华龙, 李 东 申请人:三一重工股份有限公司
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