Analysis and Optimization of Compound Excavation Force in Hydraulic Excavators Based on Dual-cylinder Linkage

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.10.029

Abstract

Abstract:

To address the inherent flaw in traditional hydraulic excavator digging force analysis—where theoretical values derived from single-cylinder static models are significantly lower than actual conditions， leading to “digging difficulty”—a dynamic analysis method for whole-machine theoretical compound digging force based on dual-cylinder linkage was proposed in this study. A compound mechanical model under multi-cylinder collaborative interaction was established， kinematic constraints and mechanism singularity configurations during digging were systematically analyzed， and an innovative posture-space singularity threshold criterion was introduced. A compound digging force analytical model encompassing the entire workspace was subsequently constructed. A comparative experimental method was utilized with cross-validation on three typical models via theoretical calculations and field tests. The results indicated that compound digging force analysis values are closer to actual maximum digging force than traditional values， matching operator evaluations and effectively resolving theoretical deviations from practical engineering. A multi-objective optimization design framework for backhoe working mechanisms was established based on the compound digging force model. Novel working mechanisms were developed through collaborative optimization of mechanism parameters. Prototypes were tested， and the optimized models demonstrated average compound digging force increases of 3.28%， 3.30%， and 5.96% under surface layer， 1 m， and 2 m depth conditions， respectively， with operational efficiency markedly enhanced.

Key words: hydraulic excavator, theoretical digging force of the entire excavator, digging performance analysis, compound digging

摘要：

针对液压挖掘机中传统基于单油缸驱动的静态力学模型导致理论值显著低于实际工况值引发“挖不动”的技术瓶颈问题，提出了基于双缸联动机制的整机理论复合挖掘力动态分析方法。通过建立多油缸协同作用下的复合力学模型，系统分析了挖掘过程中的运动学约束、机构奇异位形等关键限制因素，创新性地引入姿态空间奇异阈值判别准则，构建了覆盖全工作空间的复合挖掘力解析模型。通过对三款典型机型的理论计算与实机测试来进行交叉验证。研究结果表明：复合挖掘力分析值较传统理论值更接近实际的最大挖掘力，与操作人员实际作业评价吻合，有效解决了理论分析偏离工程实际的问题。在此基础上，建立基于复合挖掘力模型的反铲工作装置多目标优化设计体系，通过机构参数协同优化获得新型工作装置。样机测试结果表明，优化后机型在表层、1 m、2 m深度工况下的平均复合挖掘力分别提高3.28%、3.30%和5.96%，作业效率显著提高。

关键词: 液压挖掘机, 整机理论挖掘力, 挖掘性能分析, 复合挖掘

CLC Number:

TU621

PANG Xiaoping, XIANG Juntao, FENG Yuanlin, YANG Zhongxiang, KABAGEMA Benjamin, ZHAO Weidong. Analysis and Optimization of Compound Excavation Force in Hydraulic Excavators Based on Dual-cylinder Linkage[J]. China Mechanical Engineering, 2026, 37(10): 2667-2675.

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Figures/Tables 20

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机型	质量/t	动臂长度L_AB /m	斗杆长度L_BG /m	铲斗长度L_GJ /m
1	21	5.71	2.915	1.48
2	21	5.71	2.930	1.51
3	21	5.68	2.910	1.57

机型	质量/t	动臂长度L_AB /m	斗杆长度L_BG /m	铲斗长度L_GJ /m
1	21	5.71	2.915	1.48
2	21	5.71	2.930	1.51
3	21	5.68	2.910	1.57

综合评估		力度	速度	灵敏性	柔和性	协调性	得分	平均总分
机型1	操作手1	2	3	3	2	2	12	12.33
	操作手2	2	3	2	2	3	12
	操作手3	2	3	3	3	2	13
机型2	操作手1	2	2	2	3	2	11	11.33
	操作手2	2	2	3	2	3	12
	操作手3	2	3	2	2	2	11
机型3	操作手1	4	3	4	4	4	19	19.33
	操作手2	5	4	4	4	4	21
	操作手3	4	3	4	3	4	18

综合评估		力度	速度	灵敏性	柔和性	协调性	得分	平均总分
机型1	操作手1	2	3	3	2	2	12	12.33
	操作手2	2	3	2	2	3	12
	操作手3	2	3	3	3	2	13
机型2	操作手1	2	2	2	3	2	11	11.33
	操作手2	2	2	3	2	3	12
	操作手3	2	3	2	2	2	11
机型3	操作手1	4	3	4	4	4	19	19.33
	操作手2	5	4	4	4	4	21
	操作手3	4	3	4	3	4	18

设计变量	优化前	优化后	设计变量	优化前	优化后	设计变量	优化前	优化后
L_AO /mm	146.00	143.19	L_BG /mm	2915.00	2863.88	L_GJ /mm	1480	1473
H/mm	1806.00	1806.45	L_BH /mm	850.00	859.92	L_GL /mm	475.0	484.5
X_F /mm	486.00	495.52	∠GBH	163.59°	164.05°	∠LGJ	107.74°	117.00°
Y_F /mm	630.00	622.86	L_BE /mm	664.80	663.37	L_1，max/mm	3185	3185
L_AB /mm	5710.00	5692.08	∠GBE	60.81°	61.54°	L_1，min/mm	2075	2070
L_AC /mm	2528.00	2544.15	L_BN /mm	2506	2575	L_2，max/mm	3565	3560
∠BAC	22.77°	22.45°	∠GBN	0.61°	0.60°	L_2，min/mm	1680	1680
L_AD /mm	3410.00	3430.34	L_KN /mm	640.0	654.5	L_3，max/mm	2800	2805
∠BAD	21.24°	22.45°	L_KL /mm	600.0	611.5	L_3，min/mm	1680	1680