中型液压挖掘机装载及复位动作协同性研究

论文摘要

装车工况是中型液压挖掘机最重要的工况之一,其装车工况由挖掘、装载、卸料和复位四个动作循环组成,装载与复位动作主要由动臂油缸和回转马达驱动实现,其工作时间占整个装车循环时间的60%以上,而装载、复位动作是大惯性、大扭矩、多变负载的运动,其动作可控性和协同性差、工作效率低等缺点。为了提高液压挖掘机装载动作的协同性和工作效率,本研究从协同动作的评价方法、耦合的关系与控制策略和液压执行器的负载特性等方面进行了研究分析。在参考相关文献的基础上提出了液压挖掘机双液压执行器（简称执行器）工作协同性评价方法的数学表达式,引入了耦合矩阵和方差分析的评价方法用于评价两者之间的交互影响程度,实验表明液压挖掘机工作装置姿态和铲斗内载荷对协同性影响显著。通过挖掘机装载动作的原理和负载显著影响协同性的结论,对回转马达的负载来源通过建模的形式进行了分析。在简化上车结构模型的基础上,从摩擦阻力矩、空间结构的惯性力以及转动惯量随工作姿态变化的特性等方面建立了数学模型,并提出了降低和优化负载压力的方法。在进行物理等效模型的基础上,利用力学分析方法,得到了静态下动臂油缸位移与油缸负载的关系曲线,动态下动臂油缸关于角度、角速度的函数关系方程。针对装载动作的双执行器耦合关系,利用控制理论的方法,通过把流量方程进行线性化处理和拉氏变换,求解其耦合矩阵,结果表明耦合度的大小与两个执行器负载压力、马达排量、油缸大腔面积、阀芯位移-流量关系等有关。在此基础上提出了协同控制的压差互控液压子回路,通过理论推导得出流量的配比与负载压力及流量的关系曲线,利用AMESim和ADAMS联合仿真研究论证了协同控制策略的效果,仿真表明协同性和工作效率有了提高。可知在带载情况下协同性提高了4.04%,工作效率提高了6.82%；在空载情况下,协同性提高了0.40%,工作效率提高了5.26%。最后通过实验研究验证了转动惯量数学模型的准确性,把挖掘机装载动作的协同性评价方法应用到了装载实验评价当中,实验表明其评价方法具有一定的应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题提出的背景和意义
• 1.2 协同性评价方法
• 1.3 多执行器协同控制的应用和研究现状
• 1.4 装载和复位控制的技术现状和研究方法
• 1.5 本文研究内容
• 第二章 协同性评价方法
• 2.1 装载-复位动作的工作原理
• 2.2 协同性数学评价
• 2.2.1 多执行器的协同性和工作效率
• 2.2.2 装载-复位动作协同性
• 2.3 交互影响评价
• 2.3.1 稳态耦合矩阵
• 2.3.2 方差分析
• 2.4 装载实验分析
• 2.4.1 协同性分析
• 2.4.2 实验方差分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 执行器负载规律的数学建模与分析
• 3.1 回转马达负载分析
• 3.2 上车回转摩擦阻力矩
• 3.2.1 回转摩擦阻力矩的计算
• 3.2.2 回转惯性力模型和倾覆力矩分析
• 3.3 上车回转惯性阻力矩
• 3.3.1 模型的简化和空间坐标系的建立
• 3.3.2 工作装置各部件质心坐标
• 3.3.3 上车转动惯量的计算
• 3.3.4 数学模型验证
• 3.3.5 装载动作实验分析
• 3.4 动臂油缸负载静力学分析
• 3.4.1 动臂油缸静负载压力
• 3.4.2 静负载压力变化特性
• 3.5 动臂油缸负载动力学分析
• 3.5.1 构件等效和力系简化
• 3.5.2 机械运动方程式求解
• 3.5.3 动臂举升单动作动力学分析
• 3.5.4 装载动作动力学分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 协同动作的耦合与控制策略的研究
• 4.1 双变量泵源双执行器液压子回路
• 4.2 执行器的基本方程
• 4.2.1 阀控马达流量、压力方程
• 4.2.2 马达动力平衡方程
• 4.2.3 阀控液压缸方程
• 4.2.4 液压缸动力平衡方程
• 4.2.5 优先阀流量方程
• 4.3 线性化和拉氏变换
• 4.3.1 流量方程的线性化处理
• 4.3.2 拉氏变换
• 4.4 耦合方程的求解
• 1（s）和p₂（s）、p_s（s）的解'>4.4.1 p₁（s）和p₂（s）、p_s（s）的解
• 1（s）和x₂（s）的表达式'>4.4.2 x₁（s）和x₂（s）的表达式
• 4.4.3 耦合方程的解
• 4.5 协同性控制策略
• 4.5.1 压差互控液压回路
• 4.5.2 装载动作压差控制策略
• 4.6 协同性控制的特性
• 4.6.1 通流截面的计算
• 4.6.2 阀芯-通流截面积特性
• 4.6.3 流量分配比特性
• 4.7 协同控制策略的仿真
• 4.7.1 液压挖掘机仿真模型的建立
• 4.7.2 仿真曲线
• 4.8 本章小结
• 第五章 实验研究
• 5.1 实验准备
• 5.1.1 实验目的和内容
• 5.1.2 实验设备
• 5.2 装载实验
• 5.2.1 实验原理
• 5.2.2 实验方案、姿态标定和步骤
• 5.3 上车转动惯量实验
• 5.3.1 实验原理
• 5.3.2 位置标定和步骤
• 5.4 实验数据曲线和计算
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 后续研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果