小挖斗车300挖掘机西双版纳挖掘机液压破碎锤液压迷你挖土机

小挖斗车300挖掘机西双版纳挖掘机液压破碎锤液压迷你挖土机果园小型挖掘机基于LS．SVM的振动掘削土壤固有频率参数在线辨识的实验验*正
采用基于LS—SVM的振动掘削土壤固有频率参数在线辨识方法对红砂土振动掘削
过程的参数辨识为：ala一2．7323525 x lO～，z12---4．37221356×10’9，bl=2．7075903x 10-7，则
肛3．693320x 106N：／m，m=255kg，可得该红砂土固有频率产19．15Hz。
下面分别采用共振拟合实验法以及共振柱实验法验*正基于LS—SVM的振动掘削土
壤固有频率参数在线辨识结果的精度。
联系方式:
杨先生：

4．4．1土壤固有频率参数测定的共振拟合实验
(1)土壤固有频率参数的共振实验原理
由于土壤的多样性以及内部结构的复杂性，要的测量岩土的固有频率是很难
的。目前用于岩土固有频率估测的方法主要有共振法和系统辨识法。
共振法目前已成功应用在共振压桩方面。建立桩的运动方程，将振动锤、桩和
土组成一振动体系，简化为一个单自由度系统。
设振动体的质量为小；支持振动体的岩土的总的弹簧常数为k；激振力为P；粘滞
阻力为R。则有运动微分方程式：
，，戊+C冀+h=Psin(wt)(4-29)

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杨先生：

实验过程中，固有频率从幅频曲线进行估计，振幅用惯性式拾振器测得。改变振动
马达稳态正弦激振的频率得到幅频曲线。幅值更大处的频率为位移共振频率鳞，已知
缉=吃√F虿，在小阻尼时(地基土的阻尼比非常小，更大在0．1左右)可以直接用 第四章振动掘削土壤参数在线辨识研究
共振峰对应频率q来近似估计固有频率绒。振幅的测量是在某一频率下测到的位移量
求更大值，更大值就是振动锤在某～振动频率下的振幅。
为此，本文吸取共振法基本思想，在每次挖掘前任意选取6个马达频率值作为激振
频率值，分别进行相同工况(为保*正每次挖掘的可比性，其铲斗的入土角及初始挖掘深
度通过倾角传感器及显示屏来保*正，其挖掘速度通过PC机上的CANtools监控软*件发同
样大小的流量指令来保*正)的振动挖掘。采集不同激振频率下挖掘过程中的挖掘阻力，
比较后得到不同激振频率下的更大挖掘阻力。分别记录挖掘阻力的更大值为瓦州、
F眦：、‰，、F眦。、F眦，和‰。，对这6个数*据运用更小二乘法得出相应的拟合曲线，
并据此求出挖掘阻力更小时对应的激振频率Z(即为估测的岩土固有频率)，其估测过
程的逻辑框图如图4．13所示。
改变马达频率
I
确定采样频率．设定马达初始频率
J
l罘集数*据．比较大小．记录数*据更大值．马达频率
i
比较更大值．记录更大值殁对应马达频率
l
得到岩土固有频率

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杨先生：

为了节约实验时间，参数估计可以分两个阶段进行估计。在第*一个阶段进行粗略估
计，也就是这个阶段采样间距大一些，先估计出频率的大致范围。在第二阶段，在粗略
范围内进行估计，也就是这个阶段采样间距小一些，此时可估计出土壤的固有频率。
(2)激振频率对比实验
以6个不同的振动频率，(5，10，15，20，25和30)，相同的振动幅值A(8ram)
以及相同的切削速度(10rad／s)相互组合，施加矩形波的振动，在切削深度为0．2m时
分别对前面所述的红砂土的进行振动掘削，其对应的挖掘阻力P如表4．1所示。
表4_1激振频率对比实验结果
以激振频率为横坐标，挖掘阻力为纵坐标，得到挖掘阻力随激振频率变化的曲线，
如图4一14所示。用更小二乘法对表4一l中的数*据进行拟合，分别得到多次拟合曲线，如
图4-15、图4-16、图4-17、图4-18所示。
∞ 第四章振动掘削土壤参数在线辨识研究
得到的二次曲线方程为：
P=22．84--0．77729f+0．01929f2
得到的三次曲线方程为：
P=21．76667-0．50725f+O．0014f2+3．40741 x 10。4f3
得到的四次曲线方程为：
P=13．06667+2．48942f-0．32106f2+0．01387f3-1．93333x 10。4f4
得到的五次曲线方程为：
P=12．7+2．64467f-o．344f2+O．0154f3-2．4x 104，4+5．33333x10。7f5
f l Hz
图4-14挖掘阻力随激振频率变化规律
f／Hz
1一测*试数*据曲线；2一拟合曲线
图4-15挖掘阻力随激振频率变化的二次拟合曲线
61 第四章振动掘削土壤参数在线辨识研究
fl Hz
卜测*试数*据曲线：2一拟合曲线
图4-16挖掘阻力随激振频率变化的三次拟合曲线
fl Hz
卜测*试数*据曲线：2一拟合曲线
图4-17挖掘阻力随激振频率变化的四次拟舍曲线
fl Hz
卜测*试数*据曲线；2一拟合曲线
图4-t8掘削阻力随激振频率变化的五次拟合曲线!亘查兰竖主兰堡丝兰 里坚兰堑垫塑型圭堡垒墼垄些篓堡竺墨
利用得到的4个方程分别求出4条曲线的掘削阻力更小值，以及对应的激振频率，
得到表4_2。
表4-2拟合计算的虽小挖掘阻力结果
由表4-2分析可以得到，随着拟合多项式阶次的增大，其晟小挖掘阻力对应的激振
频率逐渐向19 03收敛。这说明阶次越高，估测精度也越高，四次拟合与五次拟合的频
率值已经相同。但阶次的增加将会加大控制器ECU的运算负担，综合考虑精度要求以
及运算速度的要求，四次拟合曲线是更佳的选择。
由图4-17所示的拟合曲线及表4-2中数*据可知，当铲斗激振频率正=1903Hz时，
挖掘阻力更小，更小值为‰=14 43181 MPa。
4．4．2土壤圃有频率参数测定的共振柱实验
根据四次拟合曲线，由拟合实验法估测的岩土固有频率大概为19 03Hz。为了验*正
拟合实验法正确性以及振动掘削共振理论的适用性，通过共振柱实验来验*正。
共振柱实验是1938年日*本人坂田所创，当时并末引起同行们的重视，直到20世纪
50年代才被人们关注。在坂田所创设各的基础上，对其端部条件、激振方式等做了改进。
迄今，共振柱实验已成为美、日、德、加等国家土动力实验的主要设备之一。
实验仪器选用湖南大学土木实验室的DI"C．158共振柱仪，如图4-19所示。
围4—19 DTC一158共振柱实验仪
IYI'C 158托振柱仪主要由激振、量测系统和工作主机3部分组成：
①工作主机。由压力室和静荷载施加装置、各种类型传感器及压力控制装置等组成
②激振系统。由檄振器、低频信号发生器、功率放大器等组成； 第四章振动掘削土壤参数在线辨识研究
③量测系统。由位移、速度或加速度传感器及记录频率、振幅变化的测量装置。
主要技术参数：
试样尺寸：F50×100ram
围压： O～1MPa；
更大激振力：20kN；
更大振幅： 3ram：
频率范围：0．1--,-500Hz；
应变范围：2．5×106"--3×103。
测*试方法：把套有橡皮薄膜的圆柱形土试样(或环柱形土试样)直立固定在压力室
底座上，室中充气压作为侧限压力。土试样底座下装置电磁式激振器。实验开始时施加
较低的激振频率(低于土试样的固有频率)，使土样产生振动，然后逐级改变激振器频
率使土样产生共振，此时土试样振幅达到更大值。整个振动过程通过安装在土试样
的传感器和记录仪测记下来。

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杨先生：

图4-20两级载荷情况下土壤的振幅随激振频率变化曲线
为了减少仪器的人为和环境误差的影响，在不同时间进行了两次实验，两次的载荷
分别为8kN和16kN。如图}20所示为两级载荷情况下土样的振幅随激振频率变化的情
况，由下到上分别为载荷8kN和16kN的振幅随频率变化曲线。
所用岩土为前面所述的红砂土，由共振柱两次测得的固有频率为A=19．1Hz，
j皇=18．9Hz。对比两次共振柱实验的数*据结果可发现：通过共振柱仪测得的岩土的固有频
率误差很小，取两次结果的平均值得到岩土的固有频率为产19．0Hz。
将由基于LS—SVM的振动掘削土壤固有频率参数在线辨识方法得到红砂土固有频
率产19．15Hz与由共振柱实验法测得的固有频率为产19．0Hz以及由拟合实验法测得的固
有频率值工=19．03Hz对比可以发现，基于LS—SVM的振动掘削土壤固有频率参数在线 第四章振动掘削土壤参数在线辨识研究
辨识方法的估测值已经很接近土壤实验所测得的固有频率，充分验*正了基于LS．SVM的
振动掘削土壤参数在线辨识具有较高的精度。
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