一种基于模型观测器的挖掘机工作载荷谱监测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于模型观测器的挖掘机工作载荷谱监测方法，包括如下步骤：对工作装置进行受力分析；执行机构液压系统动力学与运动学建模分析；确定监测变量、中间变量、传感器类型以及其布设方式；构建载荷谱观测器模型，实现作业过程中动态载荷谱的实时监测。本发明专利技术通过实时监测挖掘机在作业过程中的液压缸活塞位移、压力以及连杆转角位移等信息对作业过程中执行机构关键工作变量进行分析计算，结合挖掘机液压系统以及工作装置的运动学和动力学模型，来建立斗齿载荷谱的观测器模型，得到挖掘机在作业过程中的动态载荷谱。得到挖掘机在作业过程中的动态载荷谱。得到挖掘机在作业过程中的动态载荷谱。

【技术实现步骤摘要】
一种基于模型观测器的挖掘机工作载荷谱监测方法


[0001]本专利技术涉及挖掘机载荷谱测量
，尤其涉及一种基于模型观测器的挖掘机工作载荷谱监测方法。

技术介绍

[0002]挖掘机由于其工作过程中不确定性因素多，挖掘时呈现非连续特征，其载荷谱能够很好地反映随机载荷的变化规律，成为国内外研究挖掘机作业规划、自动控制、疲劳寿命及可靠性的重要依据，在提高产品可靠性和作业性能，缩短研发周期等方面起着重要作用。
[0003]在实际作业过程中挖掘机载荷谱由于探测成本较高、作业场地的多样性与复杂性等问题因而很难直接安装传感器获取，通过现有技术，发现目前载荷谱通常采用间接测量的方法获得，主要有实验测量、理论分析和仿真测试三种手段。实验测量是通过传感器测量铰接点的销轴力应用力学方程来换算斗齿载荷谱，但是这种方法需要对动臂、斗杆、铲斗及其铰接销轴的结构进行改装；或者通过布置应变片测量工作装置截面特定点的应力来获取工作装置的截面内力，再建立力学方程计算斗齿齿尖载荷，但是该方法由于特定点的形变会导致所布置的应变片易损，使可靠性下降，且在特定点的位置发生微变时会对结果造成很大影响，不易推广。理论分析主要利用挖掘阻力的经验公式直接获取载荷谱，通过挖掘宽度、挖掘深度和挖掘比阻力系数来确定法向阻力和切向阻力，该方法简单快捷，但误差较大。仿真测试主要是建立工作装置仿真模型，采用离散元仿真法获取载荷谱，但该方法由于在仿真工况下矿石的种类、颗粒度、密度、硬度和堆积方式等条件无法完全模拟真实工况下环境的复杂程度，因此会存在误差，并且该方法为了提高求解精确度会对计算机性能要求较高，也会耗费大量的计算资源。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的是提供了一种基于模型观测器的挖掘机工作载荷谱监测方法，以解决上述问题。
[0005]本专利技术解决技术问题采用如下技术方案：
[0006]一种基于模型观测器的挖掘机工作载荷谱监测方法，包括如下步骤：
[0007]S1，对工作装置进行受力分析；
[0008]S2，执行机构液压系统动力学与运动学建模分析；
[0009]S3，确定监测变量、中间变量、传感器类型以及其布设方式；
[0010]S4，构建载荷谱观测器模型，实现作业过程中动态载荷谱的实时监测。
[0011]优选的，步骤S1中，工作装置受力分析的过程如下：
[0012]S11，挖掘机工作载荷分析：作业过程中外界环境对工作装置产生的挖掘阻力表示挖掘机工作载荷，将挖掘阻力设置为水平方向阻力和竖直方向阻力；
[0013]S12，工作装置符号标注：将挖掘机工作装置的结构简图进行受力分析，并进行符号标注；
[0014]S13，工作装置坐标求解：对动臂上各点坐标、斗杆上各点坐标以及铲斗上各点坐标进行求解；
[0015]S14，挖掘面积分析计算：整个挖掘过程挖掉了铲斗齿尖轨迹与物料坡线相交的部分，挖掘物料面积根据物料堆的倾角、挖掘深度和挖掘长度通过面积微元形式来求解；
[0016]S15，工作装置惯性力矩计算：在工作装置的工作过程中，各个机构的位置都在不断变化，导致转动惯量也在不断变化，通过转动惯量计算动臂、斗杆、铲斗产生的惯性力矩；
[0017]S16，工作装置受力分析：分别对铲斗、动臂、斗杆列力矩平衡方程，求解挖掘机工作装置受到的水平方向阻力和竖直方向阻力。
[0018]优选的，步骤S2中，执行机构液压系统动力学与运动学建模分析包括：对执行机构液压缸的液压系统进行建模分析，分析计算活塞压力以及外负载作用力。
[0019]优选的，步骤S3中，确定传感器类型及其布设方式与监测变量的方法包括：
[0020]a.压力传感器：采用压力传感器监测无杆腔活塞压力和有杆腔活塞压力，压力传感器布设在液压缸的泵出口位置；
[0021]b.位移传感器：采用位移传感器监测活塞位移，位移传感器包括固定端和活动端，固定端固定在液压缸的活塞筒上，活动端固定在铰接销轴上；
[0022]c.角位移传感器：采用基于电位计原理的角位移传感器监测三组连杆转角，将角位移传感器的外壳固定在工作装置上，将角位移传感器的旋转轴通过联轴器固定在工作装置的销轴上。
[0023]优选的，步骤S3中，确定中间变量的方法包括：
[0024]a.三组液压缸长度：通过监测到的三组液压缸活塞位移，结合三组液压缸的初始长度得到三组液压杆长度；
[0025]b.工作装置各点坐标、力臂长度、惯性力矩和挖掘面积：通过监测到的三组连杆转角位移，结合工作装置固定长度和固定角度得到工作装置各点坐标，计算得到各力臂长度、惯性力矩和挖掘面积；
[0026]c.液压缸受力：通过监测到的三组液压缸活塞位移以及活塞压力，计算得到三组液压缸受力。
[0027]优选的，步骤S4中，通过对监测变量与中间变量的分析，构建斗齿挖掘载荷谱观测器模型，通过载荷谱观测器模型获取动态斗齿载荷谱。
[0028]本专利技术公开的一种基于模型观测器的挖掘机工作载荷谱监测方法，具有以下有益效果：
[0029]本专利技术通过实时监测挖掘机在作业过程中的液压缸活塞位移、压力以及连杆转角位移等信息对作业过程中执行机构关键工作变量进行分析计算，结合挖掘机液压系统以及工作装置的运动学和动力学模型，来建立斗齿载荷谱的观测器模型，得到挖掘机在作业过程中的动态载荷谱，具有传感器布设方便、不易损坏、高效、成本低等优点，易于在实际工程中应用推广。
附图说明
[0030]图1为本专利技术方法的整体流程图。
[0031]图2为本专利技术挖掘机工作装置结构简图受力分析示图。
[0032]图3为本专利技术挖掘面积示意图。
[0033]图4为本专利技术挖掘阻力求解流程图。
[0034]图5为本专利技术液压挖掘机电控正流量液压系统图。
[0035]图6为本专利技术获取动态斗齿载荷谱流程图。
[0036]图7为本专利技术实际煤矿石的形状和抽象为离散元颗粒的形状。
[0037]图8为本专利技术煤矿石堆积效果图。
[0038]图9为本专利技术挖掘阻力示意图。
[0039]图10为本专利技术挖掘机系统建模仿真平台示意图。
[0040]图11为本专利技术在空载工况下三组液压缸活塞压力示意图。
[0041]图12为本专利技术在空载工况下三组液压缸活塞位移示意图。
[0042]图13为本专利技术在空载工况下三组连杆转角示意图。
[0043]图14为本专利技术在空载工况下三组液压缸长度示意图。
[0044]图15为本专利技术在空载工况下三组液压缸受力示意图。
[0045]图16为本专利技术挖掘机在工况下挖掘作业时三组液压缸活塞压力示意图。
[0046]图17为本专利技术挖掘机在工况下挖掘作业时三组液压缸活塞位移示意图。
[0047]图18为本专利技术挖掘机在工况下挖掘作业时三组连杆转角示意图。
[0048]图19为本专利技术挖掘机在工况下挖掘作业时三组液压缸长度示意图。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于模型观测器的挖掘机工作载荷谱监测方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，对工作装置进行受力分析；S2，执行机构液压系统动力学与运动学建模分析；S3，确定监测变量、中间变量、传感器类型以及其布设方式；S4，构建载荷谱观测器模型，实现作业过程中动态载荷谱的实时监测。2.根据权利要求1所述的一种基于模型观测器的挖掘机工作载荷谱监测方法，其特征在于，步骤S1中，工作装置受力分析的过程如下：S11，挖掘机工作载荷分析：作业过程中外界环境对工作装置产生的挖掘阻力表示挖掘机工作载荷，将挖掘阻力设置为水平方向阻力和竖直方向阻力；S12，工作装置符号标注：将挖掘机工作装置的结构简图进行受力分析，并进行符号标注；S13，工作装置坐标求解：对动臂上各点坐标、斗杆上各点坐标以及铲斗上各点坐标进行求解；S14，挖掘面积分析计算：整个挖掘过程挖掉了铲斗齿尖轨迹与物料坡线相交的部分，挖掘物料面积根据物料堆的倾角、挖掘深度和挖掘长度通过面积微元形式来求解；S15，工作装置惯性力矩计算：在工作装置的工作过程中，各个机构的位置都在不断变化，导致转动惯量也在不断变化，通过转动惯量计算动臂、斗杆、铲斗产生的惯性力矩；S16，工作装置受力分析：分别对铲斗、动臂、斗杆列力矩平衡方程，求解挖掘机工作装置受到的水平方向阻力和竖直方向阻力。3.根据权利要求2所述的一种基于模型观测器的挖掘机工作载荷谱监测方法，其特征在于，步骤S2中，执行机构液压系统动力学与运动学建模分析包括：对执行机构液压缸的液压系...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨丽曼，王晨阳，李运华，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：