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挖掘机臂液压系统的模型化参量估计

摘要

首先介绍了液压挖掘机的一个改装的电动液压的比例系统。根据负载独立流量分配（LUDV ）系统的原则和特点，以动臂液压系统为例并忽略液压缸中的油大量泄漏，建立一个力平衡方程和一个液压缸的连续性方程。基于电动液压的比例阀门的流体运动方程，测试的分析穿过阀门的压力的不同。结果显示压力的差异并不会改变负载，此时负载接近2.0MPa。然后假设穿过阀门的液压油与阀芯的位移成正比并且不受负载影响，提出了一个电液控制系统的简化模型。同时通过分析结构和承重的动臂装置，并将机械臂的力矩等效方程与旋转法、参数估计估计法结合起来建立了液压缸以等质量等为参数的受力平衡参数方程。最后用阶跃电流控制电液比例阀来测试动臂液压缸中液压油的阶跃响应。根据实验曲线，阀门的流量增益系数被确定为2.825×10-4m3/(s·A)，并验证了该模型。

关键词：挖掘机，电液比例系统，负载独立流量分配（LUDV ）系统，建模，参数估计

1 引言

由于液压挖掘机具有高效率、多功能的优点，所以被广泛应用于矿山，道路建设，民事和军事建设，危险废物清理领域。液压挖掘机在施工机械领域中也发挥了重要作用。目前，机电一体化和自动化已成为施工机械发展的最新趋势。因此，自动挖掘机在许多国家逐渐变得普遍并被认为重点。挖掘机可以用许多控制方法自动地控制操作器。每种使用方法，研究员必须知道操作器结构和液压机构的动态和静态特征。即确切的数学模型有利于控制器的设计。然而，来自外部的干扰使得机械结构模型和各种非线性液压制动器的时变参数很难确定。关于挖掘机时滞控制的研究已经有人在研究了。NGUYEN利用模糊的滑动方式和阻抗来控制挖掘机动臂的运动，SHAHRAM等采取了阻抗对挖掘机远距传物的控制。液压机构非线性模型已经由研究员开发出来了。然而，复杂和昂贵的设计控制器限制了它的应用。在本文，根据提出的模型，根据工程学和受力平衡，挖掘机臂液压机构模型简化为连续均衡的液压缸和流动均衡的电液比例阀；同时，确定了模型的参量的估计方法和等式。

2 挖掘机机械臂概述

液压挖掘机的挖掘研究结果如图1。在图中，F c表示液压缸，动臂的重力，斗杆，铲斗的重力等在B点合力，其方向是沿着液压缸AB方向；F c可分解成F c1和F c2，他们的方向分别为垂直于和平行于O1B ，加速度a c的方向与F c是相同的，并且a c也可以分解成a c1和a c2；G1，G2和G3分别是动臂，斗杆和铲斗的重心；m1，m2，m3是它们各自的质量且能通过实验给定（m1=868.136kg，m2=357.115kg and m3=210.736kg）；O l，O2和O3是铰接点；G1´，G2´和G3´分别是G1，G2和G3在X轴上的投影。

挖掘机的臂被认为是一个三个自由度的的机械手（三个测斜仪分别装在动臂，斗杆和铲斗上）。在跟踪控制实验中，其目标轨迹是根据挖掘机机械手运动学方程确定的。然后，动臂，斗杆和铲斗的动作有操作员控制。为了适应自动控制，普通液压控制挖掘机应改造电动液压控制挖掘机。

基于SW E-85型原有的液压系统，把先导液压控制系统更换为先导电液控制系统。新改进的液压系统如图2所示。在这系统中，因为动臂，斗杆和铲斗具有相同的特点，将动臂的液压系统作为一个例子。在先导电液控制系统中，先导电液比例阀是在原始的SX-l4主要阀门基础上增加比例泄压阀衍生出的并且用电子手柄替代液压手

柄。

挖掘机的改装系统仍是具有良好的可控性的LUDV系统（图3 ）。在图3中，y 是可移动的活塞的位移；Q1和Q2分别代表流进和流出液压缸的流量；p l，p2，p s 和p r分别表示汽缸的有杆腔和无杆腔，系统和回油路的压力；A1和A2分别表示汽缸的有杆腔和无杆腔的面积；x v代表阀芯的位移；m代表加载的负载；

图1 挖掘机工作装示意图

图2 挖掘机液压系统示意图

图3 改造后LUDV液压系统示意图

3 模型的电液比例系统

3.1 电动液压的比例阀门动力学特性

在本文中，电液比例阀包括比例减压阀和SX-14主要阀.传递功能从输入液流的阀芯位移可如下：

X v(s)／I v(s)=K I／(1+b s) (1)

其中X v是x v的拉普拉斯变换值，单位为m；K I是电液比例阀获得的液流，单位为m/A；

b是一阶系统的时间常数，单位为s；I v=I(t)-I d，I(t)和I d 分别表示比例阀门的控制潮流和克服静带的各自潮流，单位为A。

3.2 电动液压的比例阀门的流体运动方程

在本文中，实验性机器人挖掘机采取了LUDV系统。根据LUDV系统的理论，可

以得到流体运动方程：

=∆=112p wx c Q v d ρ

222p wx c Q v

d ∆=ρ= 其中p ∆是负荷传感阀门的压力差，单位为 MPa ；c d 是径流系数，单位为m 5／(N·s)；w 是管口的面积梯度，单位为 m 2／m ；ρ是油密度，单位为 kg/m3；1p ∆和2p ∆分别为二个管口压力，单位为 MPa ；当挖掘机流程没有饱和时，p ∆是一几乎恒定。在本文中，其值由实验测试得到。

在图4中，p s ，p 1s,和p ∆分别表示系统压力、负荷传感阀门压力和它们的压力差；压力系统的实验曲线显示三种不同的压力值。虽然p s 和p 1s 随着荷载而改变，但是他们的区别不会随着荷载而改变，其值接近对2.0MPa 。因此，对横跨阀门的流量的作用p ∆可以被忽略。假设，流过阀门的流量与管口阀门的大小成比例，并且荷载不影响流量。那么方程(2)能被简化为：

Q 1=K q x v (t),I(t)≥0 (4) 其中K q 是阀门流量系数，单位为m 2/s ；并且ρ/2p w c K d q ∆=

图4 动臂移动压力曲线图

()0)(/21<--t I p p wx c r v d ，ρ 压

力

0)(2≥∆t I p wx c v d ，ρ ()0)(/22≥--t I p p wx c r v d ，ρ 0)(2<∆t I p wx c v d ，ρ

(3) 时间