反铲液压挖掘机阻力特性及动态挖掘力研究.pdf

摘要

反铲液压挖掘机作为复杂的工程机械设备，如何有效地揭示挖掘过程中的挖掘阻力

规律，并在此基础上建立数学模型以准确表征挖掘性能，正是本文的研究重点。本文从

阻力特性入手，详细总结了阻力特性相关系数的分布规律，提出了动态挖掘力的概念。

在此基础上建立了动态挖掘力模型，并结合深度学习相关理论知识对模型进行了数值验

证。同时，开展了挖掘姿态与阻力特性相关系数的预测研究，进一步完善了反铲液压挖

掘机的综合性能评价。本文具体工作主要包括以下内容：

（1）针对阻力特性相关系数分布的普遍一致性进行有效的论证说明。基于某20t反

铲挖掘机2种机型共8组实测挖掘工况实验数据，进行阻力系数、阻力矩系数、阻力角

和差值角的分布趋势和集中情况的初步统计分析；利用响应面优化理论得出不同机型、

不同挖掘工况下的系数较优区间分布并再次进行对比；应用不同条件下阻力特性相关系

数进行理论挖掘力计算验证。结果表明：不同机型、不同挖掘工况下相关系数本身区间

分布差异不大，存在较高一致性。理论挖掘力表征计算再次验证了阻力系数和阻力矩系

数存在较高一致性这一推论，但阻力角和差值角的一致性相对较差。

（2）建立考虑动态挖掘过程的理论挖掘力模型。基于达朗贝尔原理和复合挖掘方

式建立动态挖掘力求解限制不等式；针对挖掘机挖掘过程中姿态不连续造成铲斗齿尖运

行轨迹抖动的问题，基于某20t机型大量实测数据，利用深度学习构建具备挖掘特征且

连续的理论挖掘轨迹；进一步，在理论轨迹上进行数值验证，求解理论轨迹上动态挖掘

力并和现有不同理论挖掘力以及实测阻力进行对比。同时，不考虑姿态连续对该机型停

机面以下挖掘区域内动态挖掘力进行表征。结果表明动态挖掘力能合理表征挖掘机在轨

迹上的性能发挥，对区域内离散挖掘点的挖掘力表征效果也较为优异。

（3）建立挖掘姿态-阻力特性相关系数的预测模型。在阻力特性的研究基础上进行

预测模型数据集的预处理，选取大于平均挖掘阻力且位于主值区间内的数据作为初始数

据集。考虑到原始数据的采集密集性，经过相邻采集点处阻力特性相关系数误差分析确

定在初始数据集的基础上每10个样本中抽取1个作为最终样本数据集，基于深度学习

相关理论建立挖掘姿态-阻力特性相关系数的预测模型，并将其应用于挖掘性能评价。结

果表明阻力系数与阻力矩系数的预测精度较高，能合理应用于挖掘性能评价。

关键词：反铲液压挖掘机；阻力特性；动态挖掘力；挖掘性能；深度学习

Abstract

Asasophisticatedpieceofengineeringmachinery,understandingtheexcavation

resistancepatternsofbackhoehydraulicexcavatorsanddevelopinganaccuratemathematical

modeltocharacterizetheirdiggingperformanceconstitutesthecentralfocusofthispaper.

Commencingwithananalysisofresistancecharacteristics,thisstudymeticulouslydelineates

thedistributionpatternsofpertinentcoefficientsandintroducestheconceptofdynamicdigging

force.Buildinguponthisgroundwork,adynamicdiggingforcemodelisformulatedand

subsequentlyvalidatedthroughnumericaltechniques,leveraginginsightsfromdeeplearning

theory.Additionally,thepaperdelvesintopredictingthecorrelationcoefficient