挖掘机铲斗强度分析

以WY100C 液压挖掘机(斗容量为1 m³)为样机, 对挖掘机反铲工作装置--- 铲斗应用Pro/ E 建立实体模型, 并应用Pro/M ECH ANICA 模块对挖掘机铲斗的设计模型在受最大应力的危险工况下进行有限元强度分析。分析结果表明, 挖掘机铲斗的前部斗齿、斗后壁耳板的根部、铰接处和补强区域是最危险的部分, 设计时应重点考虑其强度要求, 其它部分相对较安全。挖掘机反铲工作装置-铲斗的强度分析为铲斗的设计及改善铲斗的性能提供了理论依据。     

液压挖掘机铲斗轨迹跟踪的鲁棒控制

首先给出了挖掘机工作装置的两自由度动力学方程模型;然后基于滑模控制原理设计了状态观测器,并在此基础上根据反演法设计了挖掘机工作装置的带滑模观测器的变结构控制器;最后在改造后的挖掘机上进行了试验,并给出了所设计的控制器和常规PID控制器跟踪设定直线的效果。试验结果表明,使用常规PID控制器所得到的跟踪误差大于40 mm;而使用作者设计的控制器其跟踪误差可以控制在30 mm之内。对比结果表明,所设计的控制器对设定直线的跟踪具有良好的动态特性,对系统的不确定性具有较强的鲁棒性。     

基于低通滤波器的液压挖掘机工作装置轨迹跟踪滑模控制

为了提高液压挖掘机工作装置轨迹跟踪的精确度,用Lagrange法建立了液压挖掘机工作装置的动力学方程。针对液压挖掘机工作装置的高度非线性、时滞性及参数不确定性,运用带低通滤波器的滑模算法对其进行控制,并对设计的控制器进行了稳定性分析,对工作装置进行了仿真实验。结果表明,基于低通滤波器的滑模控制算法,既可有效地消除抖振现象,又可提高系统的快速跟踪性能和动态响应性能,同时对参数不确定性有较好的鲁棒性。     

液压挖掘机工作装置的动力学仿真

在Catia软件中建立挖掘机工作装置的三维模型,基于机械系统动力学自动分析(ADAMS)软件,建立虚拟样机模型,并进行动力学仿真分析.对油缸添加Step函数,实现挖掘机虚拟样机在典型姿态下的挖掘过程仿真,考察挖掘机在某些工况下的挖掘性能,进一步得出动臂、斗杆、铲斗等构件各铰接点处的受力情况及响应曲线.同时,对挖掘机油缸在额定液压下的最大铲斗挖掘力进行校核.研究表明,所测挖掘机工作装置各铰接点的受力情况符合挖掘实际工况.     

基于AMESim的小型挖掘机执行机构液压系统建模与仿真

为提高国内挖掘机液压技术水平,以某型号小型挖掘机为例,基于AMESim对包括动臂、斗杆、铲斗在内的小型挖掘机执行机构的液压系统进行了建模,修正了以往研究者在建造此类模型时主换向阀的阀芯反向移动时,弹簧反馈力加倍的错误。仿真并分析了无负载情况下执行机构的单独动作与复合动作的特性。仿真结果与理论分析吻合,为挖掘机液压系统的研究提供了重要参考。     

基于高增益观测器的挖掘机工作装置滑模控制

为了提升挖掘机自动化水平,减少传感器使用数量,节约控制成本,本文设计了基于高增益观测器的滑模控制器,控制挖掘机铲斗轨迹。建立了挖掘机关节空间与驱动空间位移、速度与力之间的关系,对挖掘工况中常见的以定切削角直线整平作业进行了轨迹规划,并得到相应驱动空间中液压缸杆位移规划曲线。以伺服阀输入电压为控制输入,建立了挖掘机驱动空间,即伺服液压系统数学模型。其次在匹配不确定性与非匹配不确定性存在条件下,采用基于高增益观测器的滑模控制使液压缸杆位移跟踪规划值,并基于奇异摄动理论证明了闭环控制系统的稳定性。相较于以挖掘机关节转矩为控制输入,本文采用伺服阀电压作为控制输入更为直接且易于实践。采用高增益观测器对状态观测,可减少传感器的使用数量,节约整机控制成本。控制器的设计对一类问题具有广泛意义且从理论上证明了复合控制系统稳定性。     

液压挖掘机工作装置运动轨迹的智能控制及示教再现

运用模糊智能控制方法对单斗液压挖掘机的动臂和铲土工作装置的运动过程进行跟踪,通过微机的智能化分析学习,实现轨迹控制和示教再现。它对提高单斗液压挖掘机的自控水平和工作效率具有较大意义。文中主要讨论了示教再现原理,系统组成和系统编程。     

单斗反铲液压挖掘机铲斗方位域研究之一——《挖掘范圍的标记描述和区域的划分》

本文将单斗液压挖掘机的工作装置,简化为以铲斗尖为活动支承的四连杆机构方法得铲斗的方位域是结构参数、初始位置、运动范围和支承点(铲斗尖)位置的函数。且根据求铲斗方位域的方法不同,将整个挖掘范围划分为四个区,十九个子域,从而为方位域研究打下了基础。     

液压挖掘机斗杆、铲斗回路仿真及再生控制研究

为了研究挖掘机挖掘工况下斗杆、铲斗的再生回油量与挖掘力的动态平衡,以提高挖掘机工作效率,在深入分析负流量液压系统的基础上,利用AMESim仿真软件建立了斗杆、铲斗的液压回路模型,并以实际挖掘中油缸输出压力作为模拟负载验证了模型的正确性.利用仿真模型详细分析了流量再生阀弹簧刚度对回油再生量和挖掘力的影响,该方法对实际液压系统设计与参数优化有一定的实用价值.     

小型液压挖掘机工作装置虚拟样机的仿真与分析

利用PRO/E软件建立液压挖掘机工作装置的三维实体模型,并导入到ADAMS中,添加约束建立虚拟样机。计算各个油缸位移的step函数、铲斗齿尖受力的step函数和物料重力的step函数,并进行动力学仿真,得到几个主要铰接点处的受力曲线,为液压挖掘机工作装置的强度分析和结构优化提供了依据。运用模拟测力计的原理,对虚拟样机斗杆油缸的最大挖掘力进行仿真测试。计算出斗杆油缸的最大挖掘力,将计算结果与仿真结果进行了对比分析,为挖掘机挖掘力的测试提供了一条新途径。     

Improved control of intelligent excavator using proportional-integral-plus gain scheduling

Consider the design and implementation of an electro-hydraulic control system for a robotic excavator, namely the Lancaster University computerized and intelligent excavator (LUCIE). The excavator was developed to autonomously dig trenches without human intervention. One stumbling block is the achievement of adequate, accurate, quick and smooth movement under automatic control, which is difficult for traditional control algorithm, e.g. PI/PID. A gain scheduling design, based on the true digital proportional-integral-plus (PIP) control methodology, was utilized to regulate the nonlinear joint dynamics. Simulation and initial field tests both demonstrated the feasibility and robustness of proposed technique to the uncertainties of parameters, time delay and load disturbances, with the excavator arm directed along specified trajectories in a smooth, fast and accurate manner. The tracking error magnitudes for oblique straight line and horizontal straight line are less than 20 mm and 50 mm, respectively, while the velocity reaches 9 m/min.     

并联式混合动力液压挖掘机动力源特性研究

针对液压挖掘机在15s的一个典型工作周期下的工况,分析液压挖掘机的工况特点,建立并联式混合动力液压挖掘机动力源部分的数学模型,提出一种并联式混合动力液压挖掘机动力参数的优化组合配置,研究空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制的永磁同步电机（PMSM）以及NiMH电池组在典型工作周期下的发电/电动、充电/发电能量转化效率、电机转速、转矩等动态响应特性以及SOC变化特性.仿真结果表明,该优化组合的动力总成能满足液压挖掘机动力需求和能量转化效率要求,能提升整机系统的油耗特性,并且电池系统只充当能量交互的媒介,实现液压挖掘机的高效节能的控制.     

Adaptive Sliding Mode Control for the Excavator Manipulator

挖掘机滑模自适应轨迹控制研究

徐国胜,吕广明,陆念力

（哈尔滨工业大学 机电学院,哈尔滨 150001）

创新点说明：

1） 挖掘机的动力学模型考虑了各机械臂的重量及形状,并给出了动力学各元素的显示表达,

(1)

式中, 为斜对称矩阵,这也是考虑挖掘机形状与重量的表达式所具有的。

2） 滑模控制算法的符号函数采用sigmoid 函数代替,通过李雅普诺夫理论得到自适应控制率,调节切换项比例因子,使之跟踪参数误差导致的输入误差,且消除抖振。

3） 轨迹规划,考虑以定切削角进行整平作业生成铲斗轨迹。

研究目的：

挖掘机技术文档参数与装配实机存在误差,该误差不能得到合理估计,但显然是有界的。由于滑模变结构对于模型误差,负载扰动等具有鲁棒性,对于控制处于复杂工作环境的挖掘机轨迹而言非常适用,但滑模切换项容易引起抖振现象,而切换项又是滑模变结构鲁棒适应性所必要的,一般切换项的比例因子要大于模型误差,才能使整体控制系统稳定。但较大的比例因子引起的抖振也愈剧烈,导致对挖掘轨迹自动控制的效果不够理想,为此,探究自适应算法补偿有界误差项进行解决。

研究方法：

首先建立更加符合挖掘机实际情况的动力学模型,其次将滑模控制引入对挖掘机的轨迹控制中。为了低乃至消除抖振,采用sigmoid函数替代切换项符号函数,并通过李雅普诺夫理论得到自适应控制率,自适应调节切换项比例因子,使之补偿挖掘机技术文档参数与实机参数误差导致的控制输入误差,最后与传统滑模控制进行仿真对比。

研究结果：

自适应滑模控制效果达到或优于传统滑模控制,且消除抖振,切换项能很好地补偿参数误差导致的输入误差。

结论：

采用本文自适应滑模控制算法对挖掘机轨迹控制效果相比传统滑模控制消除了抖振现象,取得良好控制效果。该方法摒弃了传统滑模控制需要建模误差界大小的先验知识,对于有界建模误差的系统均能适用。不需估计挖掘机建模误差,符合挖掘机控制实际。

关键词：动力学;自适应滑模控制;挖掘机

     

基于Pro/ E 的液压挖掘机反铲工作装置运动仿真

采用传统的运动分析方法绘制挖掘机铲斗包络图存在工作量大、不精确和不直观等缺点。利用Pro/E 对液压挖掘机反铲工作装置进行了建模和装配, 首先分析了挖掘机的运动过程和各工况位置, 然后用Pro/ E 中的Mechanism 模块进行了机构运动学仿真, 通过对挖掘机各连接轴的设置, 找到挖掘机动臂、斗杆和铲斗的各极限位置, 得到了挖掘机铲斗斗尖运动包络图。运动仿真的结果不仅可以以动画的形式表现, 也可以以参数的形式输出,得到挖掘机的工作参数。这样可知零件之间是否干涉, 还可获知挖掘机的设计是否满足性能要求, 为改善整机性能提供设计依据。     

基于销轴传感器的挖掘阻力测量方法

针对反铲挖掘机挖掘阻力难以直接测量的问题,提出了一种利用销轴传感器测量铲斗与斗杆之间的相互作用力,反推挖掘阻力的间接测量方法.首先,分析挖掘阻力的特性,基于牛顿-欧拉方程建立铲斗动力学模型.然后,针对某反铲挖掘机的常态挖掘过程,设计一种基于弯矩测量的销轴传感器,搭建油压、位移、力同步采集测试平台;再通过弹簧测力计在斗齿尖施加模拟载荷,采集数据并计算挖掘阻力.最后,对比计算挖掘阻力与模拟挖掘阻力,验证测量方法的有效性.对比结果表明:计算挖掘阻力与模拟挖掘阻力之间的误差为8.6%,本测量方法能有效地测量斗齿尖挖掘阻力.