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毕业设计外文资料翻译
题目挖掘机工作装置液压系统建模与参数估计
学院机械工程学院
专业机械工程及自动化
班级机自0806班
学生贺斌
学号
指导教师李宏伟
二〇一二年四月九日
.(2008)1 5:382—386
DOI:—008--0072-1
挖掘机工作装置液压系统建模与参数估计
何清华,郝鹏,张大庆
( 湖南山河智能机械股份有限公司,长沙; 2中南大学机电工程学院,长沙)
摘要: 首先介绍了试验挖掘机机器人改造后的电液比例系统。而后结合所采用的LUDV 系统
( load independent flow distribution system)的特点,以动臂装置液压系统为例,从电液比例阀的动态特性,液压系统的流量方程、连续性方程及力平衡方程入手,给出了电液比例系统的数学模型;在此基础上,根据试验结果对电液比例模型进一步进行简化,并利用相关的试验对模型进行了验证。通过对挖掘机动臂装置的结构和受力分析,导出了模型中液压缸等效质量(M ) 、液压缸负载力( Fl )等参数的估算方法和公式;通过试验辨识的方法确定阀的流量增益系数( Kq ) 取值范围。
关键词: 挖掘机;电液比例系统; LUDV系统;建模;参数估计
液压挖掘机由于具有经济性及适应多种用途的优点,被广泛的应用于包括农业、建筑、及军事等领域,并起到举足轻重的作用,己成为工程机械的主流产品。机电一体化、自动化目前已成为工程机械的发展方向,因此液压挖掘机的自动化也逐渐成为各国的研究重点;其中工作装置的自动控制又成为国内外研究的热点课题。对挖掘机工作装置的轨迹跟踪控制,不同的研究者可能采取不同的控制策略. 但无论采用何种控制策略,都要求首先掌握挖掘机工作装置的结构及其液压驱动系统的动、静态特性等先验知识,其控制品质主要取决于专家对挖掘机工作装置及其液压系统各特性中先验知识所掌握的程度。若能获取系统精确的数学模型,则有助于控制系统设计。然而,在建模过程中发现该系统十分复杂,它具有非线性和快时变的特点,即使采用系统辨识的方法,也不能获得收敛的模型参数。国外有很多学者采用了非线性方法建模,虽有不错的效果,但其控制器设计普遍比较复杂,距离工程实际有一定的距离。本文从工程实际的角度对模型进行简化,得到的控制模型易于控制,控制器的实现相对简单,降低控制成本。为此,作者从电液比例阀的动态特性、系统的流量方程、连续性方程和力平衡方程入手,对挖掘机工作装置液压系统的简化模型、模型参数的估算方法和估算公式进行研究。
1 试验挖掘机简介
本文所研究对象为反铲液压挖掘机(见图1) 。在进行轨迹控制时,把图1所示的工作装置作为三
自由度的机械手来处理(动臂、斗杆及铲斗3 个自由度,并在其上分别装有倾角传感器) ,控制工作装置的末端(即铲斗尖)以跟踪规划好的期望轨迹,期望轨迹就被称为铲斗轨迹控制中的目标值。在实际控制过程中,通过计算机编程控制动臂、斗杆及铲斗液压缸的动作,使3个液压缸协调动作,最终实现工作装置跟踪目标轨迹。为了进行计算机控制,必须对所使用的挖掘机平台进行电液改造。
图1 挖掘机工作装置示意图
本文利用湖南山河智能机械股份有限公司生产的SWE85液压挖掘机为平台进行机器人技术改造。在原系统的基础上,通过加装电比例减压阀,实现电液先导回路取代原来的液压先导回路,并与原机器上的SX214 型多路阀一起构成先导式电液比例阀(改造后的电液比例系统如图2所示。由于篇幅限制,本文的分析以动臂装置液压系统为例加以说明,斗杆和铲斗的液压系统与之类似,特此说明) ;用电手柄取代原有机器的液压先导手柄,而且手柄上装有人工控制和自动控制的切换按钮。改造后的挖掘机的液压系统不变,试验平台采用力士乐公司的负载独立分配系统,该系统的可控性和节能性都非常出色。
2 电液比例系统模型
电液比例阀动态特性
由于系统的电液比例系统由比例减压阀与多路阀组成,因此将电液比例阀阀芯的位移与输入电流之间的传递函数简化为1阶环节。
(1)
式中: K为比例阀的电流增益; b为惯性环节的时间,常数; Iv = I ( t) - I , I ( t) 为比例阀的控制电流, I为消除搭接量而加入的初始工作电流。
电液比例阀的流量方程
本试验平台SWE85挖掘机液压系统部分采用
的是力士乐公司的LUDV系统,由LUDV系统工作
原理可得阀的流量方程,即
式中: Pr 为回油压力;ΔP为负载敏感阀的弹簧设定压力; Cd 为流量系数;W 为阀的开口梯度; Xv 为芯位移;ρ为油液密度; Q1 与Q2 和P1 与P2 分别为液压缸无杆腔、有杆腔流量和压力;ΔP1 与ΔP