六履带机械机电耦合动力学及导航控制研究

发布时间：2020-11-20 21:03

　　 六履带行走装置担负着斗轮挖掘机、排土机和移动式破碎站等大型机械的承重、移动与转向行走,其行驶特性直接影响斗轮挖掘机的工作安全性和工作效率,对多履带机械行驶理论、机电耦合动力学及卫星导航技术进行研究,以完善多履带机械设计方法,提高其轨迹可控性并实现其自适应行驶是采矿装备大型化发展急需解决的关键课题。本文结合国家自然科学基金项目“多履带车辆机电耦合动力学及自适应控制”(No.51775225)和校企合作项目对六履带机械机电耦合动力学及卫星导航控制技术进行了研究,通过对六履带机械行驶力学分析,建立了六履带行走装置机电耦合动力学模型,进行了六履带机械行驶性能仿真,并通过试验对机电耦合模型及数值求解方法进行了验证;介绍了基于RTK的卫星导航原理,搭建了六履带机械路径跟踪控制系统试验平台,通过多种行驶工况以及不同初始偏差的实际追踪数据,验证了基于RTK卫星导航路径跟踪控制系统的控制效果。首先介绍了多履带行走装置的结构特点和驱动方式,综述了国内外有关多履带机械行驶动力学分析、机电耦合动力学、卫星导航控制以及履带车辆模糊PID控制方法的研究现状;结合六履带机械行走装置的结构特点和运动特性,建立了其直线行驶、稳态转向和非稳态转向的力学方程,并给出了数值求解方法。建立了三相异步电机的动态方程,分别建立了六履带机械直行工况与转向工况下的机电耦合动态方程,并通过数值计算分析了不同工况下履带机电参数的变化规律,分析了履带结构参数、驱动参数对行驶性能的影响。对六履带斗轮挖掘机的电机参数进行试验测试,验证了理论分析结果的正确。为实现对六履带机械典型行驶工况机电性能参数的计算和评价,开发了六履带机械行驶性能分析平台,该平台可分析不同履带布置方式、履带驱动形式对六履带机械稳态、非稳态转向特性的影响,计算相应的机电参数,并根据设计要求提供合理的六履带行走装置合理的结构参数。介绍了基于RTK的卫星定位导航原理,设计了六履带机械卫星导航径控制系统,以六履带机械实际行路径与预设路径之间的距离偏差和航向角偏差作为模糊PID控制器的输入,并根据机械的控制需要制定模糊规则,控制六履带机械转向履带组偏转角度和各条履带行驶速度,实现路径跟踪控制。建立了六履带机械虚拟样机模型,通过联合仿真分析了六履带机械直线行驶和曲线行驶工况下控制器对六履带机械的路径跟踪控制效果。结果表明,模糊PID控制器对六履带机械的路径跟踪控制具有良好的控制效果,六履带机械的实际行驶路径能够快速的收敛至预设路径,且进入稳定行驶时距离偏差和航向角偏差均保持在较小的范围内,满足自主导航的行驶的要求。为了进一步验证六履带机械卫星导航控制系统的控制效果,基于RTK导航技术,设计了六履带车辆卫星导航控制试验系统,主要由六履带试验样机、数据采集及处理系统、基于RTK导航的路径跟踪系统以及计算机控制系统组成,利用卫星定位信息获得预设路径导航线的轨迹。基于模糊PID控制方法,分别分析了试验样机实际行驶路径与预设路径之间的距离偏差和航向角偏差,试验结果验证了卫星导航控制系统具有较好的控制效果。综上所述,本文建立了六履带机械行驶力学模型及电耦合动力学模型,并通过试验进行了验证。开发了六履带机械行驶性能分析平台及基于卫星导航的六履带机械路径跟踪控制系统。论文的研究工作为完善六履带行走装置设计理论及提高六履带机械行驶的智能化水平提供了参考。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TD422.24;TP273
【部分图文】：

本论文是在国家自然科学基金项目“多履带车辆机电耦合动力学及自适应控制”（No. 51775225）的资助下开展研究。随着全球经济的高速发展，能源与矿产资源的需求量迅猛增加。露天开采作为固体资源开采的主要模式，其采矿设备的生产能力也越来越高，相应的，设备外形尺寸和质量也在逐步增加，以斗轮挖掘机为例[1]，其产能从早期日产万立方米以下的小型产品，到日产 4~8 万立方米的中型产品逐渐发展到日产 11~24 万立方米的大型乃至巨型斗轮挖掘机。随着产能的提升，装备总质量也随之增大，从数千吨的中型斗轮挖掘机发展到万吨以上的巨型斗轮挖掘装备。要满足斗轮挖掘装备在挖掘作业、行走、爬坡以及转向等复杂工况下的接地比压始终不超过 150kPa[2]的条件，履带的条数以及各条履带的履带板宽度和长度必须相应地增加，斗轮挖掘机的履带从 3 条、4 条增至 12 条、16 条；履带板的宽度超过 4.5m，单条履带的接地长度超过了 15m。图 1.1 多履带机械图片。

吉林大学博士学位论文设备巨大，周边环境复杂，多履带机械驾驶人员对机械及环境全局信息掌控较困难，因多履带机械的行驶轨迹和理想轨迹偏离较大而影响设备的工作效率和安全性。统计表明，由于人员操作失误造成的矿山设备事故占总事故次数的 80%以上，其中与行走装置相关的占 30%左右，图 1.2 所示为多履带斗轮挖掘机事故现场。

图 1.3 典型多履带机械布置形式带行走装置中，为提高单条履带承载能力，其履带架通常设计为静定平衡梁和支重轮将载荷机器重量均衡传至地面。图 1.4 为大型履带的梁。图 1.4 履带单元及平衡梁带行走装置将上部结构的载荷通过不同级数的平衡梁传递到各支重荷集中作用在每个支重轮的中心点。从结构上，保证每个支重轮都
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本文编号：2891992