戈壁地貌机械接触式地形探测器的研制

【摘要】新疆地区矿产资源的开采大多处于戈壁地貌区,伴随着铀矿、石油等矿产资源多年的开发,这些地区的土壤污染问题也日益突出。目前,对于此类污染土壤的治理措施中,表层污染土壤的清除收集是必不可少的第一步。为控制后续处理费用,在污染物清除收集治理工作中要求采用地形探测器实时测量地形高程变化,并以此信号控制机器切深实现等厚度的污染表土清除收集。戈壁地貌松散砂土地表的特殊性和大面积地表地形测量的高精度性要求对地形探测器提出了更高的技术要求,这就需要地形探测器能够适应戈壁地貌松散砂土地表且具有更高的地形测量精度。论文在分析现有接触式和非接触地形探测器应用于戈壁地貌存在的问题基础上,提出了一种机械接触式地形探测器设计方案,围绕该方案,论文进行了结构设计、运动学分析、接地压力调节控制系统等方面的研究设计,进而研制出适用于戈壁松散砂土地貌的机械接触式地形探测器。论文首先分析了铣刨机滑靴式地形探测器的测量原理,对其铣刨切深控制精度进行实验测试,并通过实验测定了戈壁地貌松散砂土地表土层的本构关系,在此基础上提出了通过控制限深轮接地压力保持恒定以防止下陷的机械接触式探测器总体方案。采用拉格朗日方程法建立了限深轮系统的运动学模型,并根据戈壁地貌地表起伏特性采用ADAMS动力学软件进行了仿真分析,得到系统中丝杠螺母的运动速度、加速度等运动特性,在此基础上对探测器的滚珠丝杠、驱动电机等关键部件进行了设计选型。通过推导探测器接地压力调节系统的传递函数,建立其数学模型,在此基础上,设计了BP神经网络PID控制器,并对其控制效果进行了仿真分析和验证,进而对控制系统的硬件和软件进行了设计选型。最后,研制了戈壁地貌机械接触式地形探测器,利用探测器行走实验台及戈壁地貌污染土壤铣刨清除收集样机开展相关测试实验,并依据测试数据利用ANFIS对探测器各接地压力下的铣刨切深精度进行了预测分析。测试结果表明,研制的戈壁地貌机械接触式地形探测器性能符合设计的预期要求,可满足戈壁地貌的地形探测需求。
【作者】冯晓；
【导师】孔凡让；
【作者基本信息】中国科学技术大学，机械电子工程，2014，硕士
【关键词】戈壁；地形探测器；运动特性；接地压力；BP神经网络PID；实验；

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