（机械电子工程专业论文）液压挖掘机振动掘削的岩土强度特性及控制系统研究.pdf

f ：1 “+ _l】1 ，ii11 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致i 身 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名： e t 期：年一月一日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：送拉师签作者签名：乏鲨笙岢师签 ， 日期：堕年白鲨日 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 本文在总结分析国内外振动掘削研究历程及其研究现状的基础 上，对岩土的振动掘削进行了理论和实验研究，并对液压挖掘机振动 掘削系统实施方案进行了技术论证和可行性研究。 1 ) 论文首先从研究岩土的抗剪强度出发，结合岩土直剪实验， 运用库仑定律及莫尔库仑破坏理论，分析了振动加载对岩土强度特 性的影响，揭示了振动载荷作用下岩土内摩擦角及内聚力减小使岩土 抗剪强度下降、最大主应力降低是导致掘削阻力减少的主要原因。 2 ) 以共振理论为出发点，结合实验研究掘削频率对掘削效果的 影响。研究结果表明，当铲斗激振频率与岩土一阶固有频率接近时， 挖掘阻力最小。据此，创新性地提出了一种最佳掘削频率的估测方法， 即利用共振原理，采集多个频率下的最大挖掘阻力，利用最小二乘法 得出最佳掘削频率。 3 ) 提出并研究了液压挖掘机振动掘削的系统实施方案。本文选 用u l t r o n i c s 电子式液压系统，针对其双阀芯的结构特点，提出了两 种简单的双阀芯控制策略，完成了对执行机构的精确控制。并在此基 础上通过控制铲斗油缸往复运动的位移及换向频率达到了对铲斗实 施激振的目的，实现了液压挖掘机的振动掘削控制。同时，为了减少 铲斗振动给系统带来的影响，采用设预值的方法实现了振动掘削的自 动控制。 4 ) 实验研究了本文提出的双阀芯控制下的铲斗激振方案其及振 动参数的调节方法，得到了振动指令与铲斗振动参数的关系曲线，为 实验过程中振动参数的调节提供了便利。研究结果证明，双阀芯控制 策略及振动掘削方案稳定可靠，能够实现振动参数的无级调节，节能 高效，符合工程要求。 论文进行了具有重要理论意义和工程实践价值的创新性研究探 索，为振动掘削的进一步深入研究打下了良好的基础，为实际应用提 供了技术原型。 关键词液压挖掘机，振动掘削，控制系统，岩土固有频率，振动参数 摘要 中南人学硕十学何论文 a b s t r a c t a bs t r a c t t h i sa r t i c l ep r e s e n t st h a ta p p l y i n gv i b r a t o r yt h e o r yi n t ot h ew o r k i n g p r o c e s so fh y d r a u l i ce x c a v a t o r sc a ng r e a t l yr e d u c et h ed i g g i n gf o r c e t h e d i s s e r t a t i o nw a sm a k i n gt h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fs o i l v i b r a t i o nc u t t i n ga n dt a k i n gt e c h n o l o g i c a ld e m o n s t r a t i o na n df e a s i b i l i t y a n a l y s i so f t h i sm e t h o d f i r s t l y , f r o mt h ep o i n to fv i e wo fc u t t i n gi n t e n s i o no fs o i lc o m b i n e d w i t ht h er e s u l to fs o i ld i r e c ts h e a rt e s ta n dt h em o h r - c o u l o m by i e l d c r i t e r i o n ，t h e a u t h o r a n a l y z e d t h em e c h a n i s mo fc u t t i n gr e s i s t e n c e d e d u c i n g ，f o u n dt h a ti ti sm a i n l yd u et ot h ec u t t i n gi n t e n s i o n sr e d u c i n g a n dt h eg r e a t e s tm a i ns t r e s s d r o pw h i c ha r er e s u l t e df r o mt h ee f f e c to f v i b r a t o r yl o a d b a s e do nt h a t ，i nr e v i e wo fr e s o n a n c e ，t h ea u t h o ra n a l y z e dt h ee f f e c t o fr e s o n a n c eo nv i b r a t o r ye x c a v a t i o n a c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t s ，t h e c u t t i n gr e s i s t e n c er e a c h e dt h em i n i m u mw h e nf r e q u e n c yo fb u c k e t v i b r a t i n gi sc l o s et ot h en a t u r a lf r e q u e n c yo fs o i l s o ，i no r d e rt og e t t i n g t h eo p t i m a le f f e c t ，an e wm e t h o do fm e a s u r i n gn a t u r a lf r e q u e n c yo fs o i l w a sg a v e d t h ec a p a b i l i t yo fh y d r a u l i cs y s t e mb e c o m e st h ep i v o t a lt e c h n i q u et o p o p u l a r i z et h ep r o d u c t i o na f t e rt h ep r i n c i p l eo fv i b r a t i o nh a v em a d ea t h e o r e t i cb r e a k t h r o u g h t h ea u t h o rd e s i g n e dt h ev i b r a t o r ye x c a v a t i o n c o n t r o ls y s t e mw i t ht h eu l t r o n i c se l e c t r o n i c h y d r a u l i cc a n b u sc o n t r o l s y s t e m sa n da c h i e v e dt h ed a t ac o m m u n i c a t i o no fs y s t e m t oc o n t r o lt h e e x c a v a t o r s m a n i p u l a t o ra c c u r a t e l y , t w os i m p l e c o n t r o l s t r a t e g i e s o f t w i n s p o o la r ea d a n c e d b a s e do nt h a t ，b yc o n t r o l l i n gt h ed i s p l a c e m e n t a n df r e q u e n c yo f p i s t o n sr e c i p r o c a t e ，t h ev i b r a t i o no fb u c k e ti sa c h i e v e d i nt h eo t h e rs i d e ，t or e d u c et h eb a de f f e c to ns y s t e m ，t h ea u t h o ra c h i e v e d a u t o - c o n t r o lo fv i b r a t o r ye x c a v a t i o nb ys e t t i n gb e f o r e h a n dc o n t r o l l i n g i n d e x a l lo ft h ec o n t e n t si nt h ed i s s e r t a t i o nr e p r e s e n ts t r o n gi n n o v a t i o n ， t h e o r e t i cv a l u ea n dr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c e t h er e s e a r c hi nt h i sd i s s e r t a t i o n f o u n d st h eb a s ef o rt h ev i b r a t i o nc u t t i n gt e c h n i q u ea n dp r o v i d e sa t e c h n i c a la n t i t y p ef o rt h ea p p l i c a t i o no fv i b r a t i o nc u t t i n gi nt h ef u t u r e k e yw o r d sh y d r a u l i ce x c a v a t o r , v i b r a t o r ye x c a v a t i o n ，c o n t r o ls y s t e m ， n a t u r a lf r e q u e n c yo fs o i l ，v i b r a t o r yp a r a m e t e r 2 2 3 3 实验结果分析1 9 2 4 振动加载下土壤内部结构变化1 9 2 5 本章小结2 0 第三章最佳振动掘削频率研究2 1 中南大学硕士论文 目录 3 1 振动掘削共振理论2 1 3 1 1 共振定义2 l 3 1 2 共振掘削分析2 1 3 2 岩土固有频率估测方法2 2 3 2 1 估测方法2 2 3 2 2 共振法基本原理2 3 3 3 拟合实验法的提出2 5 3 3 1 基本原理2 5 3 3 2 激振频率对比实验2 5 3 3 3 拟合估测过程2 6 3 4 共振柱实验2 9 3 5 本章小结3 0 第四章振动掘削执行机构控制策略3 2 4 1 传统单阀芯换向阀的缺点3 2 4 2u l t r o n i c s 双阀芯结构3 3 4 3 节流阀流量控制3 4 4 3 1 带压差反馈的流量控制3 4 4 3 2 计算流量的精确性3 6 4 4 执行机构双阀芯控制策略3 7 4 4 1 控制策略1 ( 负载方向在工作过程中保持不变) 3 9 4 4 2 控制策略2 ( 负载方向在工作过程中发生改变) 4 0 4 5 双阀芯模式下压力、流量控制4 1 4 5 1 流量控制模式4 2 4 5 2 压力控制模式4 4 4 6 本章小结4 5 第五章基于u l t r o n i c s 的振动掘削控制系统研究4 6 5 1 振动掘削控制系统组成4 6 5 1 1 控制系统组成4 6 5 1 2 液压系统原理图设计4 7 5 2 控制系统数据通讯4 8 5 2 1 控制系统总线结构设计4 8 5 2 2c a n 通讯实现4 9 5 3 激振系统实现原理5 0 中南人学顾i ：论义 日录 5 3 1 激振器件选择4 9 5 3 2 激振原理4 9 5 3 3 振动参数调节5 2 5 4 振动掘削控制模式5 3 5 4 1 控制模式设定5 3 5 4 2 自动控制预值选择5 5 5 4 3 自动控制实现5 6 5 5 本章小结5 6 第六章实验研究5 8 6 1 实验目的和内容5 8 6 2 实验总体方案设计5 9 6 2 1 实验条件5 9 6 2 2 倾角传感器的使用6 0 6 2 3 显示屏开发6 1 6 3 实验过程6 3 6 3 1 液压系统特性实验6 3 6 3 2 振动参数调节j 6 7 6 3 3 振动掘削对比实验7 0 6 4 结论7 3 第七章总结与展望? 7 4 7 1 论文主要工作和创新点7 4 7 2 不足与展望7 4 参考文献7 6 附录：7 9 致谢8 0 中南人学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 液压挖掘机是一种应用广泛的工程机械，但其作业过程中的工况十分复杂， 如何应对各种复杂工况，实现挖掘机工作时的高效节能已经越来越引起人们的高 度关注。本章以该问题为出发点，在总结进一步提高挖掘机性能及应用所面f 艋的 问题基础上，将振动理论应用到挖掘机的挖掘作业中，并重点介绍了该技术在国 内外的应用现状与水平，最后确定了本文的研究方向及主要研究内容。 1 1 国内外振动掘削的应用与研究现状 振动切削岩土是一种新型的岩土切削方法，但振动切削技术在很多领域都已 经开始使用。所谓振动切削是在传统的切削过程中给刀具( 切削刀) 施以某种参 数控制的有规律的振动而进行切削的一种技术和方法。振动切削技术是一种高效 节能的先进技术，长期以来，国内外的许多学者对振动掘削进行了大量的理论研 究和实验探索【m 】，在机械加工、土壤耕作、岩石破碎【7 】等方面均已有成功的应 用或正在研究当中。 1 1 1 振动掘削在岩石破碎方面的研究与应用 m o t o ra 图1 - 1 振动切削实验系统 中南人学硕i ? 论义 第一章绪论 同本的t m u r o 等人对振动切削岩石进行了实验研究，探讨了振动的频率、振 幅、切削速度以及振动的波形对最大切削阻力的影响。所用的实验系统如图卜1 所表示。 oi o2 0麓 4 05 07 0 ，f h 正 图卜2 最大切削l n 2 ( f 。) 与振动频率( 厂) 之间的关系 墨 在实验系统上，以1 0 种不同的振动频率( 0 ，4 ，8 ，1 0 ，2 0 ，3 0 ，4 0 ，5 0 ， 6 0 和7 0 h z ) ，9 种不同的振动幅值( 0 0 7 ，0 0 9 ，0 1 0 ，0 1 5 ，0 2 0 ，0 3 0 ，0 6 0 ， 0 8 0 和1 0 6 c m ) 以及5 种切削速度( 0 3 5 ，0 5 0 ，0 6 5 ，0 8 0 $ n o 9 5 c m s ) 相互 组合，分别施加正弦波和三角波两种不同波形的振动，在切削深度为0 8 a m 时， 最大切削阻力在不同切削速度下随振动频率变化的关系如图卜2 所示。 芒 图1 - 3 振动条件下的最大切削阻力与无振动时的比较 该实验结果得出了如下结论： 1 ) 当振动频率为8 h z ，振幅为0 8 a m 或者振动频率为1 0 h z ，振幅为0 6 a m 时， 切削阻力在水平方向和垂直方向以及综合切削阻力都最小： 2 ) 在取得最小切削阻力后，最大切削阻力随着振动频率的提高而上升： 3 ) 切削阻力有随着切削速度提高而缓慢上升的趋势； 4 ) j 下弦振动状念下的切削阻力及其分力要比在没有振动状态条件下的小。 2 6 5 4 3 2 o 一丕v e k 中南大学硕士论文 第一章绪论 当振动频率为8 h z ，振幅为0 8 c m ，且切削速度为o 9 5 c m s 时，振动时的最大 切削阻力比没有振动时减少了6 6 1 ，如图卜3 所示。 1 1 2 振动掘削在农机耕作方面的研究与应用 ， ， ，- - 。 1 湃试报麴2 弹性获墨3 控匿式俺培麓仿形掩 s 。连按繁s ，穗位移i 聱路墨7 暧片武伶薅谮1 斑刀抟 图1 - 4 深松机工作部件示意图 沈阳农业大学的邱立春等人用i s 卜1 2 7 型全方位深松机作为实验样机，研制 了一弹性振动元件，安装在深松机的上联结点与拖拉机三点悬挂装置的上联结点 之间，组成一自激振动式深松机机组。深松机耕作时，通过土壤阻力变化使弹性元 件受力后产生弹性恢复力的作用带动整个深松机机架振动，实现减少土壤耕作阻 力和降低拖拉机牵引阻力的目的，如图卜4 所示。 逞 麓 掰 篓 气 宅 h d 毫 憎 静 籀s 2 7 。s 2 l 。s 2 s 3 9 5 3 1 s 3 2 5 33 23 3 s3 。i i 1 0 t l 娉喊“ 辨巨 3 23 4 3 63 s4 1 1 - 恫， i 馕饺执牵弓i m 力 卜5 原深松机耕深和牵引阻力 2 5 s 2 7 5 g2 s s 墓2 鲁。5 菇3 口5 3 1 s 3 2 s 2 。2 蚕- i i 9 心3 是- 3 9 z 2 2 2 2 83 l t i l l t - 赣豫 实验结果表明，通过安装弹性振动元件后，深松机减阻效果显著，土壤阻力 l ，o ll，3 吨吨吨吨噍也 图 中南人学硕l ：论文 第一章绪论 平均减少1 3 7 ，牵引阻力平均减少1 0 8 1 ，且工作稳定，碎土效果好。图卜5 和图1 - 6 分别是在耕深为2 7 c m ，深松机分别在未安装弹性元件和安装弹性元件 两种不同工况下，耕深和牵引阻力变化的动念响应曲线。 1 1 3 振动掘削在金属切削加工中的研究与应用 上海交通大学的朝保等人在c a 6 1 4 0 普通机床上增加一个自制的纵向超声波 振动发生装置，振幅是1 5 u m ，频率是2 0 k h z 。实验系统如图1 7 所示。 图1 7 实验系统简图 1 一驱动装置2 一振动装置3 一切削刀具4 一：l ：作台5 底座 经对比实验，得出有无振动时各种参数( 切削速度、进给速度和切削深度) 对切削阻力影响情况，如图l 一8 、图1 - 9 5 u 图1 一1 0 所示。 幽o | 2 如d + 西4i 6 w n ， 图1 8 切削速度的影响图1 9 进给速度的影响图1 10 切削深度的影响 从图1 8 、图1 9 和图1 1 0 可以清楚地看出，增加振动装置后使切削阻 力大大降低。 1 1 4 振动掘削在铲装机械方面的研究与应用 吉林工业大学的王国强等人以z l 一1 5 装载机铲斗为原型【8 】，按照1 ：3 的比例 制成模型铲斗，在模型铲斗f j ，安装了可以上下振动的框架式铲刃，由液压马达 驱动偏心轴使铲刃产生振动，振动铲的模型装置如图卜l l 所示。 4 中南大学硕士论文 第一章绪论 图1 - 1 1 振动铲模型装置 l 一铲斗模型2 一液压马达3 一偏心轴套4 一框架式铲刃5 铰链 振动的参数包括振幅、频率和插入速度。振幅的调节靠改变偏心轴的偏心距 来实现：振动频率靠改变液压马达的转速实现；插入速度由改变土槽台车的速度 实现。实验方案如表1 - 1 。 表1 1 实验方案 痄号 ol2 34s 掀镊a ( m m )oi si s1 5 1 55 5 5 5 1 0 1 0 1 0 顿奉，( h i ) 01 2 1 2881 21 2881 01 0l o 插入建度, m m m s ) 4 2 1 2 61 21 2 61 2 1 2 6 记1 2 6t 28 48 4粕 为了研究振动参数对插入阻力及功率消耗的影响，依实验方案所做的实验结 果如图1 - 1 2 所示： 董 表 墨 薯 2 器 量 c 誓人嘏度熬冲，v 图1 - 1 2 水平插入阻力曲线 ( a ) 各号实验的水平插入阻力曲线；( b ) 0 号实验水平插入阻力的时间历程与插入深度脉冲； ( c ) 2 号实验水平插入阻力的时间历程与插入深度脉冲； 图中序号0 表示不振动的工况，由图1 1 2 可见，序号2 的插入阻力最小，由 此说明二维振动方式切削土壤可以降低插入阻力与功率消耗。 另外，日本秋田大学高桥研究所在9 0 年代中期，利用比例电磁阀控制铲斗液 压油缸实现挖掘机振动掘削进行过一些实验研究，但其研究成果未见详细报道。 中南人学硕j ：论文第一章绪论 1 2 激振器研究现状 激振装置是一种能够产生振动的设备，在矿山机械和工程机械中有着非常广 泛的用途。怎样有效地利用振动能量，保证振动参数的稳定性，充分发挥振动切 削的优越性，全面取得振动切削的效果，这一切与使用的振动装置有着密切的 关系。 1 2 1 振动切削设备的分类 按驱动装置( 激振器) 的型式分类1 9 】 ( 1 ) 惯性式振动机 惯性激振器通常是由偏心块、主轴、轴承和轴承座等所组成。工作机体的 振动是由偏心块回转运动时产生的周期性变化的离心力引起的。目i j 惯性式振动 机在工业部门中得到了广泛的应用。例如，惯性振动筛、振动压路机等。 ( 2 ) 弹性连杆式振动机 它是由弹性连杆式激振器驱动的，弹性连杆式激振器是由偏心轴、连杆及 连杆端部的弹簧组成。工作机体借弹性连杆激起振动。目前用于工业中的该类振 动机有弹性连杆式输送机、振动冷却机和重介质振动溜槽等。 ( 3 ) 电磁式振动机 电磁激振器是由铁芯、线圈及衔铁所组成。交变电流或脉动电流通过线圈， 使电磁铁产生周期变化的电磁吸力，从而使工作机体产生振动。目前用于工业中 的该类振动机有电磁振动给料机、电磁振动输送机、电磁振动筛和电磁振动试验 台等。 ( 4 ) 液压式振动机 由于工程中一般要求激振力较大，而振动频率则不高( 4 0 h z 以下) 。因此， 液压激振技术便愈来愈多的为工程技术人员所青睐。与惯性激振、弹性连杆激振 和电磁激振相比，液压激振不但可以实现无级调频和调幅，而且使传动系统大大 简化，操作简便、省力。 1 2 2 液压激振装置研究现状 在工程实践中，采用阀控液压缸系统来对负载激振、调整频率和振幅是一种 较为方便有效的方法。 1 ) 旋转换向阀激振系统 6 中南火学硕士论文 第一章绪论 如图1 一1 3 所示为激振装置【l o 】结构原理图。泵用工作电机m l 带动变量泵7 从工作油箱2 向系统提供工作用高压油液；油液从油路a 经油路b 进入激振器 4 中。如果激振器转动阀芯处于图示实线位置，油液从激振器中流出经油路c ， d 到振动油缸5 的活塞杆腔和无杆腔，此时，c ，d 油路油压相同，而杆腔作用面 积小于无杆腔作用面积，使活塞杆在压差作用下，向有杆侧移动。随着阀芯工作 电机m 2 的转动，阀芯6 随之变换所处位置，假定转至图示虚线位置，油路d 与回油管e 接通，高压进油b ，c 接通，此刻，油缸无杆腔压力很小，杆腔压力 很高，故此，活塞杆向无杆侧移动。当m 2 带动阀芯6 旋转不停时，上述油缸活 塞杆的移动方向转换不止，从而形成了油缸的振动。油缸的振动频率受m 2 的 控制。系统的最高工作压力由溢流阀决定，系统溢流时，油液从a 经f 流回油 箱1 中，当系统油液流量需要改变时，可以调节泵7 的排量。 l 嘞箱内过滤网；2 作油箱；3 一渡压系统滋漉阀j 4 訇鹱振器j 5 掇动油缸i 6 喇攘器旋转阔芯； 7 - 变量桂塞泵；8 蝴质体j m l - 泵用工作电机j m 2 调芯用工作电机 图1 1 3 高速旋转阀激振系统原理图 2 ) 高速开关阀控缸激振系统 高速开关阀就工作原理而言，与普通电磁阀并无本质区别，也是利用电磁力 和弹簧驱动阀芯以改变油液流向，通过关闭或者接通油路来来达到控制执行机构 的目的，如图1 1 4 所示。 高速开关阀具有较高的开关速度，结构简单，抗污染抗干扰能力强，并且易 于和计算机相联，其控制系统可以利用软件伺服来取代昂贵的机械构件，实现数 字式电液控制。开关阀可以直接接受数字信号，振动器工作时由控制器输出脉冲 信号，通过控制高速开关阀的“o n ”、“o f f 使液压系统实现往复运动。改变输 入脉冲的频率及脉宽占空比印。t 。可无级地调节系统的振动幅值和振动频率。因 此，我们只要给出合适的控制信号，就可以使铲斗油缸以一定的频率往复运动， 从而实现振动掘削。 7 图1 15 阀控缸激振系统原理图 图1 1 5 中转阀用以向激振缸提供f 弦变化的工作压力，从而使滑阀作周期 往复运动。通过调整转阀的f 弦压力输出信号，可以实现对油缸振动频率和振幅 的控制。 hrji -i 中南大学硕士论文第一章绪论 1 3 总结与分析 尽管将振动应用到金属材料的加工、农机耕作以及岩石破碎等方面在国内外 都有过研究，但将振动应用到液压铲装机械上的研究在国内还很少，象吉林工业 大学所进行的振动铲装研究也还只是停留在实验研究上，没有对振动掘削的原理 进行深入的理论分析，也没有对系统的实现方法进行全面的探讨。并且在已有的 研究中，均需要对现有的机构进行改造以产生冲击或者振动，这些研究都有着一 定的局限性，严重阻碍了振动掘削在铲装机械上的广泛应用。 利用转阀和高速开关阀来实现液压挖掘机振动掘削的最大优点在于其高频 响应特性，缺点是需要在液压挖掘机上添加转阀和高速开关阀，为了不影响挖掘 机的正常动作，还需为其单独设计油路，不仅增加了挖掘机的成本，其液压系统 也将更加复杂。 随着电子技术以及传感器技术的发展，高性能的电液比例阀不断出现，其在 挖掘机上的应用也越来越普遍。利用电液比例阀实现液压缸的激振也更加方便容 易，周期性振动信号的产生不再需要使用转阀，可利用软件通过控制器直接发送 给电液比例阀，以控制液压缸往复运动。利用电液比例阀实现激振的最大好处是 不需对现有的液压挖掘机机构进行改造，也不需要添加额外的液压激振设备。本 文将采用u l t r o n i c s 公司的高性能电液比例阀来实现液压挖掘机的振动掘削， 其优良的控制性能以及高频响应特性( 最高可达4 0 h z ) 将会使振动掘削功能得 到更好的发挥。具体的实现方法将在后面的章节中重点介绍。 1 4 课题来源及研究意义 1 4 1 课题来源 本课题来源于国家8 6 3 项目“挖掘机的机电一体化及制造信息化”，课题编 号：2 0 0 3 a a 4 3 0 2 0 0 。 1 4 2 课题研究的意义 挖掘机以其应用广泛、创造价值高而在工程机械中占据着首要地位，是土石 方开挖的主要施工机械，在能源、交通、农田水利、城镇建设，以及现代化军事 工程等领域发挥着重要的作用。近几年来，其国内拥有量越来越大，年均以超过 5 0 的速度快速增长，2 0 0 3 年我国产量突破3 3 0 0 0 台，预计今后5 到1 0 年，中 国将成为世界上最大的挖掘机市场和产地【1 2 】【1 3 1 。然而我国挖掘机行业整体水平 9 中南大学硕士论文 第一章绪论 相对落后、制造工艺水平和技术条件较差，加上挖掘机作业条件比较恶劣，载荷 变化大，并且其作业过程中的受力情况和工况十分复杂，在整个挖掘作业过程中 要浪费大量的挖掘功率，能量的利用率相当低，为了提高挖掘机的作业能力，目 前一般都只能通过增大整机功率来实现。因此，如何探索一种更为有效和合理的 方法，使挖掘机在作业过程中达到低能耗、高效率和更大的作业能力，这对于提 高挖掘机的综合性能，促进挖掘机技术的发展都有重要的理论意义和现实意义。 随着科技的进步和现代施工对于高效、低耗、可靠、安全、舒适、环保等要 求的不断提高，人们正致力于挖掘机的高效节能与自动作业等技术的研究，本文 以前述国家8 6 3 “挖掘机的机电一体化及制造信息化项目为背景，以节能和提 高挖掘作业能力为目的，将振动理论引入液压挖掘机挖掘作业过程中进行研究， 这必将为液压挖掘机的节能研究提供一条崭新的思路，具有重要的理论价值和实 际应用价值。 1 5 所做工作及论文主要内容 本文试图在现有研究成果的基础上，将振动理论应用到液压挖掘机中，首次 提出对其振动掘削岩土的机理及其计算机控制方法进行研究，通过实验寻找合理 的振动挖掘参数，使之与挖掘功率相匹配，以求获得最佳的作业能力与装机功率 之比：同时，根据挖掘阻力等参数的变化，通过计算机控制振动输入波形、频率 以及振幅，使系统具有一定的自适应功能，以达到最佳的减阻节能效果。 具体，本文结构及主要研究内容包括： 1 研究分析国内外振动掘削研究及激振器研究的现状： 2 采用理论与实验相结合的方法，以土壤抗剪强度理论为基础，系统研究振 动掘削岩土的机理； 3 研究掘削频率对掘削效果的影响，提出并研究一种简单适用的岩土一阶固 有频率估测方法，以实现液压挖掘机振动掘削的最佳掘削效果； 4 针对u l t r o n i c s 液压系统特殊的双阀芯结构，提出液压挖掘机振动掘削系 统控制策略，完成对挖掘机执行机构的精确控制。 5 以系统控制的方式实现铲斗的振动掘削，并在此基础上完成振动掘削的自 动控制； 6 完成液压挖掘机振动实验平台的搭建，包括液压系统调试、控制系统的数 据通讯、传感器的选型与调试、显示屏开发； 7 对本文的研究成果进行实验验证； 8 总结已有的研究内容，并对后续研究工作提出自己的想法和思路。 1 0 中南大学硕士论文 第二章振动加载下岩十强度特性研究 第二章振动加载下岩土强度特性研究 土的切削是一个很复杂的过程【l4 1 。土在铲斗楔形刀具的压力作用下受到挤 压和剪切而开始变形，当压力继续增大，土体的原始结构被破坏，土块或土层便 被切离。此时，产生了土体松散与挤压两个现象，土粒与土粒、土块与土块、土 与铲斗之间产生了摩擦而形成阻力。故土的切削时，铲斗插入阻力由铲斗前切削 刃阻力、斗底内外表面的摩擦力与粘附力组成。本文认为前切削刃阻力是切削刃 插入土体，使土体剪切破坏而流动产生的反力。 2 1 岩土的强度特性 大量的工程实践和室内试验1 5 1 都表明：土的破坏大多数是剪切破坏。当土 中某点由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时，土体就会发生一部分相对于 另一部分的移动，该点便发生了剪切破坏。这是因为土颗粒自身的强度远大于颗 粒间的连接强度，在外力作用下，土中的颗粒沿接触处互相错动而发生剪切破坏。 研究土的强度特性，就是研究土的抗剪强度特性。 2 1 1 土的抗剪强度 1 ) 土的抗剪强度( tf ) ：是指土体抵抗抗剪切破坏的极限能力，其数值等 于剪切破坏时滑动的剪应力。 2 ) 剪切面( 剪切带) ：土体剪切破坏是沿某一面发生与剪切方向一致的相对 位移，这个面通常称为剪切面。 其物理意义：可以认为是由颗粒间的内摩阻力以及由胶结物和束缚水膜的分 子引力所造成的粘聚力所组成。 无粘性土一般无连结，抗剪强度主要是由颗粒间的摩擦力组成，这与粒度、 密实度和含水情况有关。粘性土颗粒间的连结比较复杂，连结强度起主要作用， 粘性土的抗剪强度主要与连结有关。 决定土的抗剪强度因素很多，主要为：土体本身的性质，土的组成、状态和 结构。而这些性质又与它形成环境和应力历史等因素有关。此外，还决定于它当 前所受的应力状态。 中南大学硕十论文 第_ 二章振动加载下岩七强度特性研究 2 1 2 库仑定律 在法向应力变化范围不大时，抗剪强度与法向应力的关系近似为一条直线， 这就是抗剪强度的库仑定律。如图2 一l ： ( i ) 无粘性土 p 图2 - 1 抗剪强度曲线 无粘性土： f ，= 仃喀妒 粘性土： f ，= c t t g 矽+ e 式中：f ，：土的抗剪强度，k p a ； 盯：剪切面的法向压力，k p a ； 增矽：土的内摩擦系数： 矽：土的内摩擦角，度； c ：土的内聚力，k p a 。 a t g ：内摩擦力。 库仑定律说明： ( 2 - 1 ) 誊 ( 2 2 ) ：罩 1 ) 土的抗剪强度由土的内摩擦力a t g 和内聚力c 两部分组成。 2 ) 内摩擦力与剪切面上的法向应力成正比，其比值为土的内摩擦系数 t g 矽。 表征抗剪强度指标：土的内摩擦角中和内聚力c 。 无粘性土的c = 0 ，内摩擦角( 巾) 主要取决于土粒表面的粗糙程度和土粒 交错排列的情况；土粒表面越粗糙，棱角越多，密实度越大，则土的内摩擦系数 大。粘性土的内聚力c 取决于土粒f b j 的连结程度。 2 2 岩土破坏准则 莫尔库仑破坏理论是以库仑公式，= 仃辔矽+ c 作为抗剪强度公式，根据剪 应力是否达到抗剪强度( f = 0 ) 作为破坏标准的理论【1 6 】。为了直观的分析振动 1 2 l卜l- 掘削的减阻机理，本节将以单元体为研究对象，研究莫尔库仑破坏理论如何直 接用主应力表示。 2 2 1 单元体上的应力和应力圆 任取某一单元土体u n i t ，其面积为d x d z ，在单元体上任取某一截面m ，则 得公式： 仃= 三( 仃。+ 仃，) + j 1 ( 仃，一仃，) c 。s 2 口 lf = 去( 仃l 一盯3 ) s i n 2 c e l二 式中：o ：任一截面i i l r l 上的法向应力( k p a ) ： c ：任一截面m n 上的剪应力( k p a ) ； oi ：最大主应力： o3 ：最小主应力； q ：截面m n 与最小主应力作用方向的夹角。 上述应力间的关系也可用应力圆( 莫尔圆) 表示，如图2 - - 2 所示。 ( 2 - 3 ) q t “) 应力圆 岛) 一赢的应力：捩惑 图2 2 一点的应力及应力圆示意图 将上两式变为： 取两式平方和， r 善篡1 口 ( 2 - 4 ) ( 俨半) 2 + ( 半) 2 ( 2 - 5 ) 表示为纵、横坐标分另j j 为f 及盯的圆屈d 为( 半，0 ) ，圆半径等于孚。 中南大学硕士论文 第二章振动加载下岩十强度特性研究 应力圆公式( 2 - - 5 ) 可以看成是盯与f 的关系曲线，即f = 石( 盯) 。而库仑定 律式( 2 - - 1 ) ，则可以看成是仃与f r 的关系曲线，即f ，= 石p ) 。将f = 石( 仃) 和 _ r ，= 五( 仃) 进行比较，也就是将应力圆和直线l 进行比较，就可以全面地了解土 中一点的强度条件。 可以采用如下两种方法进行比较判断。 1 ) 将各斜面上的抗剪强度f ，与剪应力f 进行对比，取其比值为k ，有 k ! - - - 等 ( 2 - 6 ) k 表示该斜面剪切破坏的安全程度。k i 越大，说明相应的平面上，r f 与r 的 差值越大，强度条件越好；k 越小，说明相应的平面强度条件越差；k = l 时， 该平面上f ，= r ，处于极限平衡。 2 ) 采用t a n q ，与圆上各点的t a n 0 进行比较r ，即 k ，- t a n q ( 2 7 ) t a n 0 式中口为应力圆上某点与坐标原点的连线和水平线之间的夹角( 见图2 - 2 ) ， 称为倾斜角。 以上两种方法得到的结果，当c = 0 时，实际上是一样的。因 k ，_ 业：业：2 ：k i ( 2 8 ) t a n 0 r 1 0 f 、。 从应力圆上看，使用墨方便一些。对于某种土来说，伊是一定的，t 觚缈为 一个定值，t a n 0 与所选取点的位置有关。显然，在切点处，口角达到最大值氏默， 相应的墨也越小，那么k 也达到最小值。说明与切点位置相对应的平面上强度 条件最差，是最危险和最易于破坏的面。 2 2 2 一点的极限平衡条件 土中一点的应力状态发生变化后，该点的强度条件也随之改变。当应力状态 的变化使应力圆的直径( q 一吒) 增大，相应于切点位置的伊角就会增大，该点的 强度条件就会降低，向不安全方面转化。当( 吼一0 3 ) 增大到与抗剪强度相切时， 此时的0 一= 妒。在切点处 k ：r _ l ：t a n q ：1 ( 2 9 ) 1 4 li【llr，l 中南大学硕十论文 第二章振动加载下岩土强度特性研究 或 0 2 f ( 2 l o ) 表示该点达到了极限平衡状态，此时的应力圆称为极限应力圆，如图2 - 3 。 t 一_ u 上v 。胤 - - - _ 一 o 2 州0 ，芦 吧 n z 。彳 c - ) c b ) 图2 3 极限平衡位置示意图 从图2 - 3 上看，应力圆与抗剪强度线相切的点有两个，它表明在受力微分体 中存在着两组剪切极限平衡面( 剪切破坏面) 。在这两组平面上，f ，：f 。且每 一组破坏面都包括无限多个互相平行的平面。这就从理论上解释了为什么在剪切 破坏时土样上会出现多个滑动面的现象。 从应力圆上三角形o d o 可以看出2 = 9 0 。+ ，由此得到一组破坏面与主 平面的夹角： 破坏面与最大主应力作用方向的交角为： 口2 = ( 4 5 。+ 罢) 破坏面与最小主应力作用方向的交角为： = ( 4 5 。一罢) 另一组剪切破坏面与主平面的央角也分别为4 5 。+ 罟，4 5 。一罢，只是取角的 方向相反，如图2 - 3 ( b ) 。 由图2 - 3 ( a ) 所示的极限应力圆上，可以推导出土中一点应力状态达到极限平 交换后，得 或 s i n 孽o ：业：二2 ：o - - 0 3 0 0 当亟o l + 吧 2 q = 吧筹：q t a n 2 ( 4 5 t a n ( 4 5 。+ 嬖r e _ ) 1 q 2 吧- 一= q 。+ 一) 一s l n 口 2 吗= qt a n 2 ( 4 5 。+ 罢) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 式( 2 1 2 ) ，( 2 1 3 ) 是无粘性土中一点达到极限平衡得表达式，也就是说， 当土中一点得应力状态满足上述关系式时，该点在与大主应力q 作用面夹角为 l，j1， 中南大学硕士论文 第二章振动加载下岩士强度特性研究 4 5 。+ 竺2 的一组斜面上，。= f ，达到了极限平衡。 对于粘性土，可将应力圆相切的抗剪强度线延长，交盯轴于0 ”点，即可得 到极限平衡条件式： 脚=蹁2再0再t-0而3ctg妒+03 ( 2 1 4 ) c ( q +)q + + 2 c c 增缈 、 将式( 2 - - 1 4 ) 经变换后，得到 q = o - 3 t 9 2 ( 4 5 。+ 詈) + 2 c t g ( 4 5 。+ 詈) 吒= q 喀2 ( 4 5 。一詈) 一2 c t g ( 4 5 。一詈) ( 2 - 1 5 ) 上面推导的极限平衡表达式，是用来判断土体是否达到破坏的强度条件的主 应力表达式。由式( 2 1 5 ) 可知： 1 ) 由实测最小主应力及公式q ：o 3 t 9 2 ( 4 5 。+ 詈) + 2 c t g ( 4 5 。+ 詈) 可推求土 二二 体处于极限状态时，所能承受的最大主应力q ，( 若实际最大主应力为q ) 。 2 ) 同理，由实测q 及公式吒：0 1 t 9 2 ( 4 5 。一罢) 一2 c t g ( 4 5 。一等) 可推求土体处 二二 于极限平衡状态时所能承受的最小主应力巴，( 若实测最小主应力为0 3 ) ； 判断： 当q ， q 或q ， 吒时，土体处于稳定平衡； 当q ，= q 或巳，= 巳时，土体处于极限平衡： 当q r q 或吧， 时，土体处于失稳状态。 2 3 抗剪强度实验研究 2 3 1 实验过程 普通加载时外部作用力的变化很小，属于慢速加载的过程；而振动加载时外 部作用力在极短的时间内有着很大的变化幅度