基于阻力特性的液压挖掘机复合挖掘力建模

基于挖掘过程中三缸联动的实际作业状态,提出复合挖掘力概念.根据动臂、斗杆和铲斗的各自分工确定复合挖掘力限制条件;利用阻力角和差值角的主值区间确定复合挖掘力方向角的取值范围;假设给定挖掘姿态下复合挖掘力大小随方向角渐变,建立复合挖掘力计算模型.以某36 t反铲液压挖掘机为例,验证了该假设的正确性.以真实挖掘轨迹和测试挖掘阻力为基准,对比现有理论挖掘力模型和复合挖掘力模型的计算结果,结果表明后者能够更准确地估算挖掘机的复合挖掘能力.该研究为挖掘机工作装置的优化设计和强度分析提供了评价标准和计算依据.     

智能挖掘机直线挖掘作业的运动规划与控制研究

针对挖掘机在开挖沟槽与坡面平整作业时通常需要用到直线挖掘,并且具有高精度作业需求, 提出一种多关节协同的运动规划与控制策略. 建立挖掘机工作装置的运动学模型,根据铲斗齿尖直线运动轨迹进行逆运动学求解得到各关节的运动轨迹,并根据斗杆和铲斗的预测角度值,随动规划动臂目标角度. 利用递推最小二乘法对挖掘机各关节动力学模型参数在线辨识,实时预测延迟时间内关节角度的变化来补偿系统延迟特性所导致的跟踪控制误差.对现有挖掘机进行智能化改造,搭建AMESim的工作装置模型,基于实验数据修正液压系统模型参数及挖掘机模型,并在Simulink中建立控制模型与AMESim的挖掘机模型进行联合仿真测试,验证控制算法的可靠性. 仿真结果表明,与传统PID控制策略相比,基于关节协同控制的策略在直线挖掘铲斗轨迹控制中具有更好的性能.     

正铲液压挖掘机挖掘性能图谱叠加分析法

大型正铲液压式挖掘机的主要工作装置是由动臂、斗杆、回转机构、铲斗等几个部分组成的串联开链机构,这种构造的主要优点是:运动灵活、构造简单、操作方便等,在实际工作中得到越来越广泛的应用。本文是以提高挖掘机的性能为出发点,对正铲液压型挖掘机的工作装置机构进行分析研究,以正铲液压挖掘机的各铰点、豆齿尖以及重心为坐标,建立推广了正铲液压挖掘机性能方面分析的力学模型。在此基础上,第一次提出正铲液压挖掘机的性能的图谱叠加的分析方法。这种方法是把各种工况下的11张图叠加在同一张图谱上再进行研究分析,这样比原来能更加全面并且直观的反应出正铲液压挖掘机的挖掘性能。从而实现对正铲液压挖掘机的工作装置的整体优化。     

四自由度挖掘装置的力学特性分析

为了分析四自由度挖掘作业装置的力学特性,利用Denavit-Hatenberg齐次变换矩阵建立了作业装置的运动学模型,确定了各个关节相对于基础坐标系的函数关系式。根据作业装置各个关节之间的连接关系和不同的驱动方式,分别建立了斗杆、铲斗挖掘时的最大挖掘力优化求解模型,得到了作业装置在工作空间内的挖掘力、倾翻力矩和水平作用力的分布特性,为作业装置的设计、挖掘机作业稳定性分析和安全控制提供了依据。提出的优化分析方法,具有简单、可靠的特点,有理论和工程应用价值。     

基于遗传算法的挖掘机工作装置铰点位置优化

将挖掘机工作装置视为一个整体,建立了工作装置整体优化设计数学模型.以挖掘机的挖掘力为优化目标函数,以工作装置各铰点位置的几何参数为优化设计变量,基于遗传算法进行编程,并以某挖掘机工作装置为例进行优化求解.计算表明:在保证挖掘机工作区间在一个合理范围内的前提下,只需将工作装置铰点位置做少许调整,就可以使挖掘机的挖掘性能得到明显改善,铲斗和斗杆的最大挖掘力分别提高1%和5%.采用遗传算法可以快捷而有效地对挖掘机工作装置铰点位置进行优化设计,是对挖掘机性能进行优化设计的一种有效方法.     

基于ANFIS的挖掘机器人挖掘轨迹仿真

为提高液压挖掘机器人工作装置挖掘作业轨迹规划控制精度,将挖掘机器人工作装置简化为斗杆、铲斗两关节二维机械臂进行分析.在建立逆运动学模型时,要将铲斗末端位姿空间与工作装置关节空间和油缸空间联系起来进行轨迹规划,以便在各个空间实现对挖掘机器人的控制.为提高跟踪期望轨迹精度,采用两个自适应神经模糊推理系统(ANFIS)分别学...     

挖掘机器人阀控缸系统RBF神经网络参数辨识

为提高液压挖掘机器人工作装置轨迹规划控制精度,减小按照理想模型进行控制的阀控缸系统存在的控制误差,获得更接近实际状况的阀控缸系统控制模型,采用RBF神经网络方法,建立含阀控缸系统待辨识参数及Jacobian信息的线性方程组.以挖掘机斗杆油缸为研究对象,经实验获得油缸进回油压力、斗杆倾角参数,辨识出阀控缸模型中阀的增益系数kq、体积模量Eoil和内泄漏系数Cli.最后通过对阀控缸系统进行力控制实验对比研究,验证了采用辨识参数的系统模型控制精度较好,有很强的鲁棒性.     

挖掘机器人轨迹控制系统

基于常规正铲液压挖掘机，针对特殊环境下机器人挖掘作业的需求，建立了工作装置的运动学模型，研究了基于直线插补的方式进行轨迹规划与PID控制算法以实现机器人运动轨迹规划与控制。     

液压挖掘机挖掘力计算新方法

以工作区域和挖掘点为对象,提出了一种研究理论挖掘力大小及其分布规律的新方法.首先求得挖掘点的空间位置,再利用逆运动学原理求解每个挖掘点对应的挖掘姿态,根据对应的限制不等式组求解每个挖掘姿态的理论挖掘力,最后得到每个挖掘点的理论挖掘力和整个挖掘区域的挖掘力分布规律.以某36t反铲液压挖掘机为例,验证了相邻挖掘点或相似挖掘姿态的理论挖掘力相近的假设.结果表明:在大多数挖掘点上新方法得到的理论挖掘力比传统方法有较大程度(20.2%)的提高,且更能准确地反映挖掘机在给定挖掘点上所能发挥的最大挖掘力.     

基于广义既约梯度算法的反铲工作装置优化设计

为了提高挖掘机反铲工作装置的作业性能,对反铲工作装置进行分析,确定影响工作装置性能的关键参数.利用ADAMS软件,通过参数化点坐标的方法建立工作装置虚拟样机模型.将反铲工作装置分解为2组:铲斗机构和动臂、斗杆机构.先优化铲斗机构,然后在铲斗机构最大传动比位置上对动臂、斗杆机构进行优化.将反铲工作装置的力学性能优化目标通过线性加权和法构造为单目标函数,工作范围优化目标转化为约束函数,并以铰点的位置坐标作为优化变量,利用广义既约梯度(GRG)算法,完成了工作装置的多目标优化设计.优化后的模型,其挖掘力、提升力及工作范围等性能均优于原设计方案.     

液压挖掘机的动应力测试与瞬态分析

采用动态测试和瞬态分析方法研究液压挖掘机工作装置在常态挖掘过程中的动应力特性,首先针对某反铲液压挖掘机的常态挖掘过程,搭建动应变、油压和角位移的同步采集测试平台;然后基于达朗贝尔动静法原理,分别建立动臂、斗杆和铲斗的动平衡方程,并代入测试数据计算出构件各铰点的动载荷谱,将其转换到随体坐标系中再进行瞬态分析.动态测试和瞬态分析对比结果表明,仿真应力与测试应力的变化规律一致,瞬态分析能够得到挖掘机工作装置整体的动应力特性,可以作为判断工作装置动应力分布规律和危险截面的依据.     

挖掘机工作机构应力应变可视化研究

考虑挖掘机工作过程载荷变化与工作机构位置的关联性,用有限元方法,对挖掘机工作装置进行结构设计和受力分析。首先在6t小型挖掘机上,分别针对斗杆挖掘和铲斗挖掘过程,用位移传感器和压力传感器测试出各个液压缸的位移、速度和对应工作腔的压力,计算出液压缸满载工作时,挖掘机大臂和斗杆的位置;再采用力矩平衡关系,计算出大臂和斗杆各个铰销点处的受力大小。以此数值作为有限元计算的载荷,计算出大臂和斗杆的应力分布云图,找出对应机构的应力集中部位和最大受力点。为进一步优化挖掘机工作机构、疲劳寿命预测提供理论依据。     

挖掘机激光高程定位方法

为实现挖掘机的三维空间定位,在安装工作装置各关节角度传感器的基础上,又安装平台回转角度检测装置和平台倾角传感器,并在斗杆上安装激光接收仪用于检测地面激光发射器发射的水平激光相对于接收仪零位的高度。建立挖掘机的运动学模型,推导车体相对于大地的坐标变换矩阵,即完成三维空间的车体定位,并得到常用而简单的车体高程定位公式。然后,推导该定位车体位姿下铲斗坐标系相对于大地的坐标变换矩阵,导出挖掘深度定位公式,实现了挖掘机挖掘轨迹的三维空间定位,为实现挖掘机的三维空间轨迹精确控制与挖掘深度控制打下了基础。     

面向智能挖掘机的最优挖掘轨迹规划

以实现挖掘机的智能化、工作装置的自动轨迹控制为目的,提出了一种基于能耗最小的挖掘轨迹规划方法.通过研究挖掘机铲斗与物料相互作用过程中的阻力特性,并综合考虑物料的重力、铲斗与物料间的摩擦力、挖掘速度以及铲斗两侧物料对挖掘阻力的影响,构建了一种适用于大型矿用挖掘机的动态挖掘阻力预测模型.运用提出的挖掘阻力预测模型,从多种不同堆角的料堆出发,以挖掘单位质量物料的能耗最小为目标函数,在综合考虑结构和性能约束的基础上建立了优化模型,并应用于WK-55挖掘机的控制参数优化,得到了挖掘不同堆角的料堆时的最优挖掘参数.结果表明:对于任意堆角的料堆都有最优挖掘参数可以在保证挖掘效率的前提下使挖掘机以最小能耗进行挖掘作业,为智能挖掘机的研发提供了理论参考.     

基于刚‒柔耦合的反铲液压挖掘机工作装置多体动力学分析与仿真

以某型挖掘机为研究对象，建立其工作装置及挖掘阻力数学模型。针对土方、石方挖掘工况，采用压力传感器、位移传感器测得挖掘过程中各油缸的压力及位移，采用电阻应变片测出动臂与斗杆上各测点的应力。基于所获得的各油缸位移及压力，通过动力学分析计算载荷。使用有限元分析软件和动力学仿真软件建立挖掘机刚?柔耦合模型，并以各油缸位移曲线为驱动，得到动臂及斗杆上各点应力。仿真计算与应力测试的对比结果表明，对应测点的应力变化趋势基本一致，误差在15%以内。     

挖掘机最大理论挖掘力的确定

运用矢量方法推导了任意工况和姿态下的理论挖掘力计算公式，提出了借助于优化方法确定挖掘机最大理论挖掘力及其姿态的新思想和新方法。通过实例分析计算，验证了这种方法的可行性，为分析计算挖掘机的挖掘力及其相应姿态提供了理论依据和新的计算方法。     

混合动力液压挖掘机能量回收系统仿真研究

混合动力在工程机械的应用是当前的研究热点,为了研究混合动力挖掘机执行机构能量回收的动态过程,用多体动力学软件Recurdyn建立逼真的液压挖掘机工作装置模型,用Simulink建立了液压回路能量回收系统中马达、发电机、动力电池模型,对动臂和斗杆势能的回收过程进行了研究.分析了动臂油缸、斗杆油缸在能量回收过程马达转速变化规律及负载电磁转矩变化规律,并对能量回收效率进行了分析.为混合动力在挖掘机的技术提升方面提供可靠依据.     

液压挖掘机工作装置运动轨迹的微机控制

对液压挖掘机任意给定的斗齿目标轨迹,变换为工装动臂、斗杆和铲斗三个杆件相对转角序列,由微机控制电液伺服驱动系统,使三杆件各自跟踪其目标转角,实现轨迹控制。本文推导变换方程、工装动态方程及控制系统数学模型,编制轨迹规划程序及数控程序,并在0.05 m~3正铲工装试验台上验证。     

液压挖掘机挖掘力的仿真分析与研究

以XCG60-8A液压挖掘机为研究对象,开展虚拟样机平台下挖掘力的仿真分析与研究.采用Pro/E 5.0和ADAMS 2015仿真软件建立XCG60-8A液压挖掘机的虚拟样机,并在虚拟环境中进行挖掘机挖掘力的仿真分析与测试研究;采用XCG60-8A的物理样机进行选定工况试验,通过将试验现场实测数据和仿真结果做比较,进一...     

液压挖掘机自主挖掘系统规划级技术研究

以完善挖掘机器人自主挖掘控制系统规划级对各关节运动规划的能力为目标,提出了一种基于规则的规划级设计方案,通过智能启发式搜索方法搜索挖掘关键点以完成设定挖掘任务的分解,使得整体搜索时间小于20 s,搜索速度快且精度较高;采用基于多目标的角度最优方法解决挖掘路径点的最优插值问题,分析结果表明该算法对于动臂及斗杆的运动优化较为明显,其对应驱动液压缸的运动行程平均减少了73 mm和131 mm;采用基于动态时间最优算法完成整个过程中各关节的轨迹规划问题,并生成整个过程中各关节对应的最优运动序列。仿真分析结果表明,该方案可以有效完成设定任务的整体规划,并大幅减少挖掘过程中液压系统的冲击和振动以及驱动液压缸的运动幅度,使得挖掘机器人工作装置运动更为平稳并具有节能性。