【正文】 挖掘機(jī)臂液壓系統(tǒng)的模型化參量估計(jì)摘 要首先介紹了液壓挖掘機(jī)的一個(gè)改裝的電動(dòng)液壓的比例系統(tǒng)。根據(jù)負(fù)載獨(dú)立流量分配（ LUDV ）系統(tǒng)的原則和特點(diǎn)，以動(dòng)臂液壓系統(tǒng)為例并忽略液壓缸中的油大量泄漏，建立一個(gè)力平衡方程和一個(gè)液壓缸的連續(xù)性方程?；陔妱?dòng)液壓的比例閥門的流體運(yùn)動(dòng)方程，測試的分析穿過閥門的壓力的不同。結(jié)果顯示壓力的差異并不會(huì)改變負(fù)載。然后假設(shè)穿過閥門的液壓油與閥芯的位移成正比并且不受負(fù)載影響，提出了一個(gè)電液控制系統(tǒng)的簡化模型。同時(shí)通過分析結(jié)構(gòu)和承重的動(dòng)臂裝置，并將機(jī)械臂的力矩等效方程與旋轉(zhuǎn)法、參數(shù)估計(jì)估計(jì)法結(jié)合起來建立了液壓缸以等質(zhì)量等為參數(shù)的受力平衡參數(shù)方程。最后用階躍電流控制電液比例閥來測試動(dòng)臂液壓缸中液壓油的階躍響應(yīng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)曲線，104m3/(sA)，并驗(yàn)證了該模型。關(guān)鍵詞：挖掘機(jī)，電液比例系統(tǒng)，負(fù)載獨(dú)立流量分配（ LUDV ）系統(tǒng)，建模，參數(shù)估計(jì)1 引言由于液壓挖掘機(jī)具有高效率、多功能的優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用于礦山，道路建設(shè)，民事和軍事建設(shè)，危險(xiǎn)廢物清理領(lǐng)域。液壓挖掘機(jī)在施工機(jī)械領(lǐng)域中也發(fā)揮了重要作用。目前，機(jī)電一體化和自動(dòng)化已成為施工機(jī)械發(fā)展的最新趨勢(shì)。因此，自動(dòng)挖掘機(jī)在許多國家逐漸變得普遍并被認(rèn)為重點(diǎn)。挖掘機(jī)可以用許多控制方法自動(dòng)地控制操作器。 每種使用方法，研究員必須知道操作器結(jié)構(gòu)和液壓機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特征。即確切的數(shù)學(xué)模型有利于控制器的設(shè)計(jì)。然而，來自外部的干擾使得機(jī)械結(jié)構(gòu)模型和各種非線性液壓制動(dòng)器的時(shí)變參數(shù)很難確定。關(guān)于挖掘機(jī)時(shí)滯控制的研究已經(jīng)有人在研究了。NGUYEN利用模糊的滑動(dòng)方式和阻抗來控制挖掘機(jī)動(dòng)臂的運(yùn)動(dòng)，SHAHRAM等采取了阻抗對(duì)挖掘機(jī)遠(yuǎn)距傳物的控制。液壓機(jī)構(gòu)非線性模型已經(jīng)由研究員開發(fā)出來了。 然而，復(fù)雜和昂貴的設(shè)計(jì)控制器限制了它的應(yīng)用。在本文，根據(jù)提出的模型，根據(jù)工程學(xué)和受力平衡，挖掘機(jī)臂液壓機(jī)構(gòu)模型簡化為連續(xù)均衡的液壓缸和流動(dòng)均衡的電液比例閥；同時(shí)，確定了模型的參量的估計(jì)方法和等式。2 挖掘機(jī)機(jī)械臂概述 液壓挖掘機(jī)的挖掘研究結(jié)果如圖1。在圖中，F(xiàn)c表示液壓缸，動(dòng)臂的重力，斗桿，鏟斗的重力等在B點(diǎn)合力，其方向是沿著液壓缸AB方向； Fc可分解成Fc1和Fc2 ，他們的方向分別為垂直于和平行于O1B ，加速度ac的方向與Fc是相同的，并且ac也可以分解成ac1和ac2；G1 ， G2和G3分別是動(dòng)臂，斗桿和鏟斗的重心；m1，m2，m3是它們各自的質(zhì)量且能通過實(shí)驗(yàn)給定（m1=，m2= and m3=）； Ol，O2 和O3是鉸接點(diǎn)；G1180。，G2180。和 G3180。分別是G1 ， G2和G3在X軸上的投影。挖掘機(jī)的臂被認(rèn)為是一個(gè)三個(gè)自由度的的機(jī)械手（三個(gè)測斜儀分別裝在動(dòng)臂，斗桿和鏟斗上）。在跟蹤控制實(shí)驗(yàn)中，其目標(biāo)軌跡是根據(jù)挖掘機(jī)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)方程確定的。然后，動(dòng)臂，斗桿和鏟斗的動(dòng)作有操作員控制。為了適應(yīng)自動(dòng)控制，普通液壓控制挖掘機(jī)應(yīng)改造電動(dòng)液壓控制挖掘機(jī)?；赟W E85型原有的液壓系統(tǒng)，把先導(dǎo)液壓控制系統(tǒng)更換為先導(dǎo)電液控制系統(tǒng)。新改進(jìn)的液壓系統(tǒng)如圖2所示。在這系統(tǒng)中，因?yàn)閯?dòng)臂，斗桿和鏟斗具有相同的特點(diǎn)，將動(dòng)臂的液壓系統(tǒng)作為一個(gè)例子。在先導(dǎo)電液控制系統(tǒng)中，先導(dǎo)電液比例閥是在原始的SXl4主要閥門基礎(chǔ)上增加比例泄壓閥衍生出的并且用電子手柄替代液壓手柄。挖掘機(jī)的改裝系統(tǒng)仍是具有良好的可控性的LUDV系統(tǒng)（圖3 ）。在圖3中 ， y是可移動(dòng)的活塞的位移；Q1 和 Q2分別代表流進(jìn)和流出液壓缸的流量；pl，p2，ps 和pr分別表示汽缸的有桿腔和無桿腔，系統(tǒng)和回油路的壓力；A1 和 A2分別表示汽缸的有桿腔和無桿腔的面積；xv代表閥芯的位移；m代表加載的負(fù)載；圖1 挖掘機(jī)工作裝示意圖圖2 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)示意圖圖3 改造后LUDV液壓系統(tǒng)示意圖3 模型的電液比例系統(tǒng) 電動(dòng)液壓的比例閥門動(dòng)力學(xué)特性 在本文中，： Xv(s)／Iv(s)=KI／(1+bs) (1)其中Xv是xv的拉普拉斯變換值，單位為m；KI是電液比例閥獲得的液流，單位為m/A；b是一階系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，單位為s；Iv=I(t)Id，I(t)和 Id 分別表示比例閥門的控制潮流和克服靜帶的各自潮流，單位為A 。 電動(dòng)液壓的比例閥門的流體運(yùn)動(dòng)方程在本文中，實(shí)驗(yàn)性機(jī)器人挖掘機(jī)采取了LUDV系統(tǒng)。根據(jù)LUDV系統(tǒng)的理論，可以得到流體運(yùn)動(dòng)方程： （2）(3)=其中是負(fù)荷傳感閥門的壓力差，單位為 MPa；cd是徑流系數(shù)，單位為m5／(Ns)；w是管口的面積梯度，單位為 m2／m；ρ是油密度，單位為 kg/m3；和分別為二個(gè)管口壓力，單位為 MPa；當(dāng)挖掘機(jī)流程沒有飽和時(shí)，是一幾乎恒定。在本文中，其值由實(shí)驗(yàn)測試得到。在圖4中，ps，p1s,和分別表示系統(tǒng)壓力、負(fù)荷傳感閥門壓力和它們的壓力差；壓力系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)曲線顯示三種不同的壓力值。雖然ps和p1s隨著荷載而改變，但是他們的區(qū)別不會(huì)隨著荷載而改變。因此，對(duì)橫跨閥門的流量的作用可以被忽略。假設(shè)，流過閥門的流量與管口閥門的大小成比例，并且荷載不影響流量。那么方程(2)能被簡化為： Q1=Kqxv(t),I(t)≥0 (4)其中Kq是閥門流量系數(shù)，單位為m2/s；并且壓力時(shí)間圖4 動(dòng)臂移動(dòng)壓力曲線圖 液壓缸的連續(xù)性方程一般來說，工程機(jī)械不允許外泄。當(dāng)前，外在泄漏可以通過密封技術(shù)控制。另一方面，由實(shí)驗(yàn)證明了挖掘機(jī)內(nèi)部泄漏是相當(dāng)小的。因此，液壓機(jī)構(gòu)內(nèi)部和外在泄漏的影響可以被忽略。當(dāng)油流進(jìn)汽缸無桿腔并且進(jìn)入到有桿腔內(nèi)時(shí)，連續(xù)性方程可以寫成：(5)其中 V1 和V2 分別表示流入及流出的液壓缸液體的體積，單位是m3；是有效體積模量（包括液體，油中的空氣等），單位是N/m2。 液壓缸力的平衡方程據(jù)推測，液壓缸中油的質(zhì)量可以忽略，而且負(fù)載是剛性的。那么可以根據(jù)牛頓的法律得到液壓缸的力量平衡等式： (6)其中Bc是黏阻止的系數(shù)，單位是 Ns/m。 電動(dòng)液壓的比例系統(tǒng)簡化的模型 方程(4)—(6)在拉伯拉斯變換以后，簡化的模型可以表達(dá)為： (7)其中Y是y拉伯拉斯變換得到的；；bf=V1V2；a0=V1V2m；a1=BcV1V2；。4 參量估計(jì) 從塑造的過程和方程(7)中可以得到在確切的簡化的模型中與結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)情況以及挖掘機(jī)動(dòng)臂的體位有關(guān)的所有參量。而且，這些參量是時(shí)變。因此要得到這些參量的準(zhǔn)確值和數(shù)學(xué)等式是相當(dāng)難的。要解決這個(gè)問題，本文提出了估計(jì)方程和方法來估算模型中的這些重要參數(shù)。 估算液壓缸負(fù)載液壓缸臂上的負(fù)載（假定沒有外部負(fù)載）由動(dòng)臂，斗桿和鏟斗上的負(fù)載組成。在圖1中，動(dòng)臂，斗桿和鏟斗分別繞著各自的鉸接點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。因此他們的運(yùn)動(dòng)不是沿著汽缸的直線運(yùn)動(dòng)，也就是說他們的運(yùn)動(dòng)方向與方程（5）中的y的方向是不同的。因此方程（6）中的m不能簡單的認(rèn)為是動(dòng)臂，斗桿和鏟斗質(zhì)量的總和?？紤]到機(jī)械手的坐標(biāo)軸心O1，機(jī)械手的轉(zhuǎn)矩和角加速度可考慮如下：(8)其中的M 和 分別是工作裝置對(duì)O1的轉(zhuǎn)矩和角加速度。是點(diǎn)O1到點(diǎn)B的長度；由轉(zhuǎn)動(dòng)定律M=J可得：，即： (9)其中的J是工作裝置指向O1的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位是kgm