CN113865899A - 一种基于模型观测器的挖掘机工作载荷谱监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种基于模型观测器的挖掘机工作载荷谱监测方法

技术领域

本发明涉及挖掘机载荷谱测量技术领域，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。

背景技术

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。

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。

发明内容

本发明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。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

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：

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。

优选的，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。

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。

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：

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；

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；

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。

优选的，步骤S3中，确定中间变量的方法包括：

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；

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；

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。

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。

本发明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：

本发明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

图1为本发明方法的整体流程图。

图2为本发明挖掘机工作装置结构简图受力分析示图。

图3为本发明挖掘面积示意图。

图4为本发明挖掘阻力求解流程图。

图5为本发明液压挖掘机电控正流量液压系统图。

图6为本发明获取动态斗齿载荷谱流程图。

图7为本发明实际煤矿石的形状和抽象为离散元颗粒的形状。

图8为本发明煤矿石堆积效果图。

图9为本发明挖掘阻力示意图。

图10为本发明挖掘机系统建模仿真平台示意图。

图11为本发明在空载工况下三组液压缸活塞压力示意图。

图12为本发明在空载工况下三组液压缸活塞位移示意图。

图13为本发明在空载工况下三组连杆转角示意图。

图14为本发明在空载工况下三组液压缸长度示意图。

图15为本发明在空载工况下三组液压缸受力示意图。

图16为本发明挖掘机在工况下挖掘作业时三组液压缸活塞压力示意图。

图17为本发明挖掘机在工况下挖掘作业时三组液压缸活塞位移示意图。

图18为本发明挖掘机在工况下挖掘作业时三组连杆转角示意图。

图19为本发明挖掘机在工况下挖掘作业时三组液压缸长度示意图。

图20为本发明挖掘机在工况下挖掘作业时三组液压缸受力示意图。

图21为本发明挖掘过程中仿真载荷与计算载荷对比图。

其中，图中：

1为液压缸，2为三位六通换向阀，3为变量泵排量控制机构，4为变量泵，5为安全阀，6为油箱。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例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，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。

一、工作装置受力分析

(1)挖掘机工作载荷分析

挖掘机工作载荷是指作业过程中外界环境对工作装置产生的阻力，包括铲斗所受到的物料的重力以及斗齿受到的挖掘阻力。挖掘机由于其工作过程中不确定性因素多，载荷规律性差，作业对象以爆破后的碎石为主，挖掘时呈现非连续特征，挖掘阻力主要以非线性、非平稳随机过程为主，分为切向阻力和法向阻力，切向阻力是指斗杆液压缸工作时体现在斗齿尖上的、沿着斗齿运动切线方向的作用力；法向阻力指的是铲斗液压缸工作时体现在斗齿上的、沿着斗齿运动法线方向的作用力。

不同类型的载荷会导致挖掘阻力的改变，挖掘阻力是反映挖掘机整机性能主要参数之一。为了便于求解，这里将挖掘阻力设置为沿水平方向和竖直方向。

(2)工作装置符号标注

如图2所示为挖掘机工作装置结构简图的受力分析示意图。符号说明如下：坐标系{XO₁Y}以O₁点为原点，水平方向为X轴，竖直方向为Y轴。动臂与挖掘机底座铰接于O₁点；动臂与斗杆铰接于O₂点；斗杆与铲斗铰接于O₃点；动臂液压缸AB分别与底座铰接于A点，与动臂铰接于B点；铲斗液压缸CD分别与底座铰接于C点，与铲斗铰接于D点；铲斗液压缸EF分别与动臂铰接于E点，与铲斗铰接于F点；K点为三角机构转动中心；J点为铲斗斗齿；I₁、I₂和I₃分别为动臂、斗杆和铲斗的重心。

θ₁为线段O₁O₂和X轴所成的夹角；θ₂为线段O₁O₂延长线与线段O₂O₃所成的夹角；θ₃为线段O₂O₃延长线与O₃J所成的夹角；F₁、F₂和F₃分别为动臂液压缸、斗杆液压缸和铲斗液压缸的主动力；G₁、G₂和G₃为动臂、斗杆和铲斗的重力；F_JX、F_JY和M_J分别为斗齿水平方向阻力、竖直方向阻力和阻力矩。

(3)工作装置坐标求解

动臂上各点坐标如下：

其中

为O₁点和O₂点之间的距离，∠O₂OB表示线段OO₂和线段OB所成的夹角。

斗杆上各点的坐标如下：

铲斗上各点的坐标如下：

(4)挖掘面积分析计算

在挖掘过程中，重力G₃除了铲斗自身的重力外还包括铲斗挖掘到的物料重力，如图3所示，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S可根据物料堆的倾角

挖掘深度h和挖掘长度b通过面积微元形式来求解。设铲斗斗齿与物料坡线接触点为J₀点，铲斗斗齿为J，图3中红色阴影部分为挖掘面积S。

挖掘深度h和挖掘长度b为：

所以，挖掘面积为

S＝∫h·db (8)

(5)工作装置惯性力矩计算

设动臂、斗杆、铲斗产生的惯性力矩分别为M₁，M₂，M₃，在工作过程中，由于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，转动惯量的计算公式如下：

J＝mr² (9)

各个机构的惯性力矩可以表示为：

其中J_zi表示机构外加负载相对于转动中心的转动惯量，J_i表示机构相对于自身中心的转动惯量，

为转动中心的角加速度，i＝1,2,3。

(6)工作装置受力分析

分别对铲斗、动臂、斗杆列力矩平衡方程。

以铲斗为研究对象，对O₃点列力矩平衡方程：

其中

表示点O₃到直线EF的直线距离，下同。

以铲斗和斗杆为研究对象，对O₂点列力矩平衡方程：

以三角机构为研究对象，对I点列力矩平衡方程：

F₀L_K→GH+F₁L_K→AB+F₃L_K→EF＝0

以动臂，铲斗和斗杆为研究对象，对O点列力矩平衡方程：

通过式(1)，(2)，(3)，求解得到F_JX和F_JY为

其中

挖掘机斗齿受到的水平方向阻力F_JX和竖直方向阻力F_JY求解流程图如图4所示。

二、执行机构液压系统动力学与运动学建模分析

为了得到液压缸外负载力F_L，对执行机构液压缸的液压系统进行建模分析。

图5为液压挖掘机电控正流量液压系统的结构，包括液压缸1、三位六通换向阀2、变量泵排量控制机构3、变量泵4，安全阀5和油箱6，A和B是连接执行机构的工作油口，P是进油口，T是回油口，正流量控制方式是变量泵和多路阀的流量控制方式，操纵的控制信号经过控制器同时发送给变量泵和多路阀，分别控制变量泵排量和多路阀的阀芯位移。

(1)活塞压力分析计算

利用液压缸无杆腔流量连续性方程，得到无杆腔活塞压力p_A为

其中，V_A为液压缸无杆腔体积，A_A为无杆腔活塞面积，E_P为油液弹性模量，q_PA为P到A的流量，x_p为活塞位移。

利用液压缸有杆腔流量连续性方程，得到有杆腔活塞压力p_B为

其中，V_B为液压缸有杆腔体积，A_B为有杆腔活塞面积，q_BT为B到T的流量，q_BT为B到T的流量。

(2)外负载作用力分析计算

通过液压缸的力平衡方程，得到外负载作用力F_L为

其中，m_t为负载及活塞折算后的总质量，B_p为粘性阻尼系数，F_f为液压缸的摩擦力，根据经验公式以及液压缸参数规定为常值。

动臂、斗杆、铲斗的液压缸外负载作用力即动臂、斗杆、铲斗的液压缸受力F₁，F₂，F₃。

三、确定监测变量、中间变量、传感器类型以及其布设方式

(1)传感器类型及其布设方式与监测变量

a.压力传感器

采用压力传感器监测无杆腔活塞压力p_A和有杆腔活塞压力p_B，压力传感器布设在液压缸的泵出口位置。

b.位移传感器

采用位移传感器监测活塞位移x_p，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。

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θ₁，θ₂，θ₃，为了使挖掘机在挖掘过程中角位移传感器的旋转轴随工作装置销轴的转动而转动，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。

(2)中间变量

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可得到三组液压杆长度L_AB，L_CD，L_EF。

设动臂液压缸活塞位移为x_p1，斗杆液压缸活塞长度为x_p2，铲斗液压缸活塞长度为x_p3，动臂液压缸初始长度为L₁，斗杆液压缸初始长度为L₂，铲斗液压缸初始长度为L₃，则三组液压缸长度可表示为

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θ₁、θ₂和θ₃，结合工作装置固定长度和固定角度可得到工作装置各点坐标，结合数学几何公式与分析计算得到各力臂长度、转动惯量和挖掘面积。

1)各点坐标：通过挖掘机自身工作尺寸可得到长度

等和角度∠O₂OB等，结合式(1)，(2)，(3)，(4)，(5)和(6)，可求出各点坐标。

2)力臂长度：通过得到的点坐标以及式(16)中求得的液压缸长度，通过数学几何计算得到力臂长度，以力臂长度

为例：设线段EO₃长度为

线段FO₃长度为

线段EO₃和线段EF夹角为∠O₃EF。所以

为

3)惯性力矩：通过式(9)，(10)，计算得到动臂、铲斗、斗杆的转动惯量。

4)挖掘面积：通过得到的J点坐标及式(7)，(8)，计算得到挖掘面积。

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，结合式(16)计算得到三组液压缸受力F₁，F₂，F₃为

其中p_Ai为无杆腔活塞压力，p_Bi为有杆腔活塞压力，x_pi为活塞位移，i＝1,2,3。

四、构建斗齿载荷谱观测器模型

通过上述监测变量与中间变量的分析，结合式(14)，(15)，可得到挖掘载荷谱的模型观测器。

其中

获取斗齿载荷谱流程图如图6所示。

实施例1

由于实际载荷谱数据难以获得，所以本实施例首先采用EDEM离散元仿真方法获得的载荷谱来代替真实的载荷谱，将得到的载荷谱加载到搭建好的AMESim仿真平台得到液压缸活塞位移、压力、连杆转角等信息作为传感器的监测量，再将传感器的监测量输入到斗齿载荷谱观测器模型得到斗齿载荷谱，并与EDEM离散元仿真方法获得的载荷谱对比进行误差分析，来验证方法的可行性。

采用WYD260正铲挖掘机来进行模拟仿真，工作装置参数和液压缸参数如下表1和表2所示。

表1

表2

一、采用离散元仿真方法获取载荷谱

采用EDEM离散元仿真方法获取载荷谱，采用四种形状的矿石并抽象为离散元颗粒的形状，如图7所示。

将颗粒直径设置为200mm和400mm，煤矿石颗粒总数为28000个，四类颗粒直径与数量如下表3所示。

表3

离散元仿真平台模拟煤矿石堆的效果图如图8所示。

仿真工况设为15s，挖掘机从第5秒左右开始挖掘作业，仿真过程中获得的挖掘阻力如图9所示。

二、AMESim仿真平台搭建

(1)挖掘机空载状态仿真

采用AMESim搭建如图10所示的挖掘机空载状态仿真平台。

在空载工况下，仿真工况设置为15秒，在工况进行过程中监测到三组液压缸活塞压力、活塞位移以及连杆转角如图11，图12，图13所示。将数据做相应计算，得到三组液压缸受力以及长度如图14，图15所示。

从图14中可以看出动臂液压缸在0～15秒内接近匀速收缩；斗杆液压缸在0～15秒内匀速伸长；铲斗液压缸在0～1秒内有些许抖动在1～5秒内伸出长度几乎为0，在5到15秒内开始逐渐伸出。

(2)挖掘工况分析

当挖掘机在工况下挖掘作业时，通过EDEM仿真产生的载荷谱加载到斗齿端，得到三组液压缸活塞压力、活塞位移、连杆转角如图16，图17，图18所示。将数据做相应计算，得到三组液压缸受力以及长度如图19，图20所示。

与空载状态相比，三组液压缸受力有大幅度增加。通过载荷谱模型观测器计算公式得到挖掘过程中所承受载荷，与EDEM仿真得到的斗齿载荷谱曲线如图21所示。

经误差分析对比，水平方向载荷的平均相对误差为10.92％；竖直方向载荷的平均相对误差为11.15％。可见斗齿载荷谱观测器计算载荷与EDEM仿真载荷误差在允许范围内，可以得到挖掘机工作载荷谱的模型观测器，验证载荷谱观测器模型的正确性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

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统进行建模分析，分析计算活塞压力以及外负载作用力。

4.根据权利要求3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：

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；

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；

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。

5.根据权利要求4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S3中，确定中间变量的方法包括：

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；

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；

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。

6.根据权利要求5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。

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