液壓挖掘機(jī)振動掘削機(jī)理及其過程優(yōu)化建模與智能控制策略研究.pdf

1、至今為止，廣泛應(yīng)用的液壓挖掘機(jī)由于掘削方式所限，仍然存在著能量利用率較低以及作業(yè)能力相對不足等嚴(yán)重問題，如何對工程機(jī)械中的能耗大戶--液壓挖掘機(jī)實(shí)施節(jié)能減排和智能控制，已成為工程技術(shù)研究的焦點(diǎn)之一。為了直接減小液壓挖掘機(jī)掘削阻力，使在掘削作業(yè)過程中達(dá)到低能耗、高效率，并具有一定的自適應(yīng)能力，本文以國家863課題[2003AA430200]“挖掘機(jī)的機(jī)電一體化及制造信息化”為依托，結(jié)合教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃”[NCET-05-06

2、97]，將振動理論應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)掘削過程，采用理論分析與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，以期探索一種合理有效的新型液壓挖掘機(jī)土壤掘削方法，并對其掘削過程進(jìn)行優(yōu)化建模與智能控制策略研究，論文的主要工作如下： (1)研究了土壤靜強(qiáng)度特性、動強(qiáng)度特性，探討了土壤掘削原理及失效機(jī)理，進(jìn)行了巖土破碎過程靜態(tài)加載和動態(tài)載荷作用下的仿真實(shí)驗(yàn)研究，得到了動態(tài)載荷振動沖擊作用不但可以大幅降低掘削阻力，也可以改善刀具的受力方式，從而使得巖體在低于破壞強(qiáng)度時

3、就產(chǎn)生破壞的結(jié)論。 (2)針對液壓挖掘機(jī)振動掘削過程鏟斗激振力檢測信號不可避免地受到噪聲干擾的實(shí)際情況以及該檢測信號含噪聲特征，應(yīng)用軟門限方法對以寬帶隨機(jī)噪聲為背景的信號IMF分量作門限處理，提出了一種基于EMD的含噪信號噪聲處理的算法，并進(jìn)行了仿真應(yīng)用研究，所獲得的去噪處理算法為分析提取鏟斗激振力信號的特征線譜提供了有力的工具。 (3)建立了基于LS-SVM的液壓挖掘機(jī)振動掘削過程土壤參數(shù)在線辨識算法，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行

4、了土壤固有頻率等參數(shù)的在線辨識仿真研究，在線辨識仿真及共振柱實(shí)驗(yàn)法實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該土壤參數(shù)在線辨識算法具有更小的誤差、更好的辨識能力和較高的辨識精度，更能適合于動態(tài)系統(tǒng)的辨識。 (4)分析了激振頻率、振幅和插入速度等對振動掘削阻力的影響，并對其進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)選匹配，基于振動參數(shù)的優(yōu)選匹配試驗(yàn)的極差分析結(jié)果，利用正交擴(kuò)展型函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了土壤振動掘削阻力軟測量模型，并采用函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了相應(yīng)的在線自校正。通過與實(shí)測值對比驗(yàn)證

5、了該軟測量模型的建模精度和泛化能力。 (5)建立了靜態(tài)掘削、正弦波激振掘削、三角波激振掘削三種掘削方式的液壓挖掘機(jī)掘削功率消耗模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，找到了一種節(jié)能效果較好的振動掘削方式。 (6)開發(fā)了一種將專家控制、非線性PI控制器以及單神經(jīng)元相結(jié)合，采用自適應(yīng)粒子群優(yōu)化方法對其參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)整定的液壓挖掘機(jī)振動掘削智能控制系統(tǒng)，提出了基于Ultronics雙閥芯結(jié)構(gòu)控制閥的振動掘削執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制策略，并對其數(shù)據(jù)通訊和控

6、制模式實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究。 (7)搭建了SWE85型液壓挖掘機(jī)振動掘削實(shí)驗(yàn)平臺，并對振動掘削控制系統(tǒng)的平穩(wěn)性、高頻響應(yīng)特性、控制策略的適用性以及振動掘削阻力和功率消耗情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了所開發(fā)的液壓挖掘機(jī)振動掘削控制系統(tǒng)具有較好穩(wěn)定性、快速性等性能，符合振動掘削的功能要求。采用正弦波振動掘削可使掘削阻力降低到70％左右，功率消耗降低到80％左右。 總之，論文對液壓挖掘機(jī)振動掘削新方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，取得了較高