履带车辆因其较好的通过性与机动性能常应用于丘壑、碎石、野地等非道路环境,其安全高效的作业对驾驶人员的要求较高;此外,在危险的施工环境需要无人操纵。论文结合国家自然基金项目“多履带行走装置机电耦合动力学及自适应控制”（No.51775225）,对履带车辆的路径规划与轨迹跟踪展开研究,提高车辆智能行驶水平,从而减少对操作人员的依赖。本文综述了智能履带车辆的研究意义与发展现状,包括讨论路径规划常用算法及优缺点,分析轨迹跟踪技术的探索历程与研究成果,论述模型预测方法的应用与控制优势,介绍导航定位常用方法与应用领域。对履带车辆的路径规划开展研究,基于栅格法建立履带车辆工作环境的栅格地图,这是实现路径规划与轨迹跟踪的模型基础;以路径最短为搜索原则,引入A*算法进行迷宫工况、随机地图与不规则障碍物等六个全局地图下的最优路径规划;使用三次B样条曲线,对已获得路径的转折尖峰点进行平滑处理。实验结果证实了路径规划算法的合理性与样条曲线平滑尖点的有效性。根据履带车辆平面运动时速度与转向原理建立车辆的运动学状态空间方程,建立基于模型预测控制方法的履带车辆轨迹跟踪控制器。介绍控制系统整体方案后,基于车辆模型将两侧履带速度作为控制输入求得系统的预测输出,对控制量加以约束后使用S函数建立模型预测控制器。开展不同预设车速的直线工况仿真,不同预测时域与控制时域的连续弯道数值模拟,以验证控制器的有效性并分析速度与时域参数对偏差的影响。基于卫星定位技术,进行履带车辆样机的轨迹跟踪试验。分析导航定位原理与常见误差后,基于载波相位差分技术提高车辆样机的定位精度。试验平台硬件上包括数据采集系统、控制执行系统与行走执行系统,软件上包括数据处理与优化控制部分。开展不同行驶工况的轨迹跟踪试验,结果表明导航跟踪系统能够实现较好的跟踪效果。

作为露天矿山重要的挖掘装备,机械式挖掘机广泛应用于矿山剥离与采装作业。由于目前机械式挖掘机完全依赖人工操作,复杂的挖掘条件和恶劣的工作环境容易导致操作员疲劳,导致机械式挖掘机存在作业效率低、能耗大、故障频繁等问题。因此,为提高机械式挖掘机在矿区的挖掘作业效率同时降低挖掘能耗,自主作业技术已成为国内外的研究热点。不同的挖掘过程对应着不同的挖掘轨迹,以高效、节能为目标的最优挖掘轨迹规划是实现机械式挖掘机自主作业的一项基础性技术。本文结合国家自然基金课题“多履带行走装置机电耦合动力学及自适应控制”（No.51775225）、山西省煤基重点科技攻关项目（MJ2014-02）和国家自然基金课题“非结构环境下工程车辆自主作业关键技术研究”（No.51875232）,对机械式挖掘机的最优挖掘轨迹规划方法进行了系统的研究。以国产WK-55型号机械式挖掘机为研究对象,建立并验证了工作装置的动力学模型,在此基础上,提出了斗内累计挖掘质量的预测方法;通过在平朔矿区对WK-55型机械式挖掘机的实际挖掘性能进行测试,对其作业模式和挖掘性能参数进行了测试与分析;基于动力学模型和挖掘理论,参考机械式挖掘机的实际作业模式,提出了分两阶段进行最优挖掘轨迹规划的方案,并通过离散元-多体动力学联合仿真的方法对理论优化挖掘轨迹的性能进行了验证。在综述国内外机械式挖掘机最优挖掘轨迹规划方法研究成果的基础上,结合其他铲掘装备如液压挖掘机、装载机等机型的作业特点,分析并讨论了与挖掘轨迹规划相关的动力学建模方法、在线称量技术以及基于虚拟样机的联合仿真技术的优势与不足,提出了适用于机械式挖掘机的最优挖掘轨迹规划方法的研究方案。基于D-H变换和达朗贝尔原理,建立了机械式挖掘机工作装置的刚体动力学模型,结合驱动电机的机电耦合特性,构建了工作装置的机电耦合动力学模型。为验证所建立的动力学模型的可靠性,设计并制造了机械式挖掘机缩比模型,建立了对应的控制和数据采集系统,进行了高速、中高速、中低速和低速四种工况下的挖掘试验,通过对比测试数据和数值计算结果,发现挖掘轨迹之间的相关系数大于0.99,功率之间的相关系数大于0.85,从而验证了所建立动力学模型的正确性。在验证动力学模型的过程中,发现通过动力学模型预测挖掘过程中斗内物料累计质量的效果不理想。基于静力平衡条件,提出以提升力和挖掘姿态参数为输入量对挖掘结束时斗内物料质量进行预测的方法,通过缩比模型试验验证了该方法的有效性,对提高机械式挖掘机物料在线称量技术的精度具有较高的实用价值。根据挖掘轨迹规划的需要,基于激光雷达测距技术,提出了物料堆积坡度识别方法以及装备与料堆相对距离感知方法。为了使得挖掘轨迹规划更具实际意义,对在平朔安家岭矿区服役的WK-55型机械式挖掘机的实际挖掘性能进行了现场测试,通过对实测数据进行分析,对挖掘机作业模型和性能边界进行了归纳于整理。以机械式挖掘机实际作业模式为参考,结合挖掘条件,基于动力学模型和挖掘理论,以最高单位挖掘效率和最低单位挖掘功耗为目标,提出了通过两阶段优化实现挖掘轨迹规划的方法。为了对理论优化的效果进行验证,采用离散元-多体动力学联合仿真的方法,使用WK-55型机械式挖掘机的整机虚拟样机模型,对变加速条件下的最优挖掘轨迹进行了仿真试验。通过对五种不同挖掘工况下的仿真挖掘性能和理论计算值进行比较分析,验证了理论计算结果,说明了优化方法的有效性。本文建立了全面分析机械式挖掘机挖掘性能的工作装置机电耦合动力学模型,提出了具有较高精度的斗内物料累计质量在线称量方法,基于激光雷达测距技术对挖掘条件进行建模,结合矿区实测数据对机械式挖掘机作业模式和性能边界进行了总结分析;结合动力学模型、挖掘条件和装备作业模式,提出了一种两阶段最优挖掘轨迹规划方法,并通过离散元-多体动力学联合仿真的方法验证了该方法的有效性。本文对机械式挖掘机最优挖掘轨迹规划方法进行了较为深入的研究,为机械式挖掘机自主挖掘技术的开发提供了参考,对于提高机械式挖掘机智能化水平具有重要意义。

本文针对移动式破碎站中双齿辊破碎机设计流程繁杂、设计周期长、设计成本高等问题,结合山西省煤基重点科研项目“大型移动式破碎站关键技术研究（MJ2014-02）”和国家自然基金“多履带行走装置机电耦合动力学及自适应控制（51775225）”对移动式破碎站中的双齿辊破碎机及其传动系统进行数字化平台研究分析。首先在查阅国内外相关文献的基础上,综述了破碎理论、破碎技术以及齿轮传动系统可靠性优化设计的研究现状。根据双齿辊破碎机的工作原理和结构特点,利用Visual Basic 6.0作为SolidWoks二次开发工具搭建了双齿辊破碎机参数化建模平台,并根据生成的几何模型尺寸参数对生产能力进行初步计算,结果表明满足设计要求。然后利用生成的几何模型作为研究对象,建立了适用于双齿辊破碎机的物料破碎的数学模型。最后将满足设计要求的入料粒度分布带入到模型中进行计算得到物料破碎后的产品粒度分布,结果显示与设计要求非常符合。运用单轴压缩试验和巴西圆盘试验对物料模型的凝结参数进行了标定,并用标定的参数在EDEM中建立了双齿辊破碎机的DEM模型。提取了仿真模型的生产率,结果表明满足设计要求。提取并分析了齿辊受力情况,并通过转换公式计算出来破碎功率,和理论计算结果非常吻合。提取并分析了同一齿环不同辊齿的受力情况,分析发现每个辊齿的峰值载荷非常接近,峰值载荷时的辊齿位置几乎完全相同（齿辊位置角度差别在-1°~1°之间）,基本全部在两齿辊中轴线所在平面的中间位置。建立了齿环的EDEM-ANSYS Workbench的耦合仿真模型,提取并分析了同一齿环不同辊齿的变形云图、应力云图、应变云图以及载荷云图,结果表明辊齿满足强度刚度的设计要求。编写了一套针对不同齿线形状的锥齿轮都通用的齿面接触强度和齿根弯曲强度的可靠性计算程序,采用遗传算法对锥齿轮传动系统进行可靠性优化设计并利用MATLAB软件将整个可靠性优化计算过程编写成程序代码,并最终包装生成程序文件。然后以第2章设计的双齿辊破碎机的锥齿轮为几何模型,以第3章DEM仿真结果作为载荷条件进行了锥齿轮可靠性优化设计。最后介绍了蒙塔卡罗求解齿轮可靠度的方法,并对上述优化结果得到的可靠度进行了验证分析。本文开发了双齿辊破碎机参数化建模的设计平台,建立了双齿辊破碎机的破碎物料的数学模型,基于DEM建立了双齿辊破碎机的离散元仿真模型,利用EDEM-Workbench耦合仿真对辊齿的强度和刚度进行校核分析,为提高双齿辊破碎机的设计工作提供了参考。本文采用MATLAB的GUIDE模块搭建了锥齿轮可靠性优化设计的分析平台,为双齿辊破碎机齿轮传动系统的设计和可靠性优化分析提供新的设计思路。

无齿轮磨机是当今矿山设备大型化、节能化发展趋势下的产物,具有大功率、效率高、耗能少、可靠性强的优点。本文在国家自然科学基金项目“多履带行走装置机电耦合动力学及自适应控制”（No.51775225）的支持下,对无齿轮磨机驱动的关键技术进行了研究,对驱动用电机进行结构和电磁设计;搭建了无齿轮磨机驱动的矢量控制系统,对其调速性能与抗负载扰动能力进行分析;建立了无齿轮磨机的机电耦合模型,并对仿真结果进行了理论验证。首先综述了无齿轮传动技术、交流电机矢量控制和机电耦合问题的国内外研究现状。对比不同驱动电机的特点,选择永磁同步电机作为无齿轮磨机驱动用电机,并结合无齿轮磨机驱动的结构组成,对其转子结构、定子结构与定子绕组进行了初步设计。系统地分析了磨机工作状态下介质的运动状态,对磨机工作参数的理论计算方法进行了推导,为本文的仿真分析提供理论基础。结合二维电磁场及有限元法的基本原理,建立了无齿轮磨机驱动用永磁同步电机的二维电磁场有限元模型。通过对电机齿槽转矩的产生机理进行分析,选取极弧系数与磁钢偏心距为参数进行优化。研究表明,优化后的永磁磁极结构对电机的齿槽转矩有明显的削弱作用,可以有效改善其引起的振动、噪声等问题。以此为基础在Maxwell2D中分析了电机空载性能参数及负载运行特性,证明无齿轮磨机驱动用永磁同步电机设计的合理性。推导并建立了无齿轮磨机驱动用永磁同步电机的状态方程与数学模型,系统地介绍了永磁同步电机的矢量控制原理与SVPWM算法,并在MATLAB/Simulink中搭建了无齿轮磨机驱动矢量控制系统,完成了转速和负载突变工况的仿真分析。结果表明,基于id=0的矢量控制策略的无齿轮磨机驱动系统的调速性能和抗负载扰动能力较好,可以应对磨机不同工况下的转速需求与动态给、排料对驱动系统的影响。为了获得无齿轮磨机驱动在更接近实际运行条件下的性能,利用多体动力学软件RecurDyn建立了无齿轮磨机筒体的离散元-动力学虚拟样机模型,通过软件间的接口,完成了无齿轮磨机驱动机电耦合的RecurDyn-Simulink仿真模型的搭建。由磨机启动过程的仿真结果,对介质运动状态与驱动系统性能进行了分析。将仿真结果与理论计算值进行对比,验证了机电耦合仿真模型的正确性。本文建立了无齿轮磨机驱动用永磁同步电机的二维电磁有限元模型,优化永磁体参数有效削弱了电机齿槽转矩。设计了无齿轮磨机驱动矢量控制系统,并搭建了机电耦合仿真模型。论文的研究方法可以为无齿轮磨机驱动关键技术的研究提供参考。