用于水域作业挖掘机的挖掘阻力计算方法、系统和存储介质与流程

本发明涉及挖掘机，尤其是一种用于水域作业挖掘机的挖掘阻力计算方法、系统和存储介质。

背景技术：

1、水域挖掘工程（如航道疏浚、内河航道管线铺设等）面临复杂的流体-岩土耦合环境。传统陆地挖掘阻力模型在水域应用中存在显著局限：水流动力效应会改变设备受力状态，船体晃动导致几何参数动态变化，而挖掘阻力受流体扰动影响呈非线性特征。目前对于水域挖掘阻力的计算测量主要有以下几种方法：

2、（1）经验公式法：基于陆地挖掘模型，通过引入水密度修正系数估算阻力。这种方法忽略了水流动力效应和挖掘机姿态的动态变化。

3、（2）实验室模拟法：通过水槽试验测量缩尺模型阻力，但该方法难以还原真实工况的流固耦合效应，且无法实时反馈施工数据。

4、（3）静态力学分析法：该法仅建立静态力矩平衡方程，未考虑船体晃动、流体非定常作用力及几何参数实时变化。

5、以上这些问题都导致挖掘机在水域中作业计算测量出的挖掘阻力与实际情况存在偏差，难以准确反映真实工况下的多物理场耦合机制，导致施工效率低下且存在安全隐患。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种能准确反映水动力效应、水扰动以及几何参数动态变化，进而实现水域挖掘阻力准确测量的用于水域作业挖掘机的挖掘阻力计算方法、系统和存储介质。

2、技术方案：本发明所述的用于水域作业挖掘机的挖掘阻力计算方法，包括以下过程：

3、将挖掘机各机构调整至设定位置后固定并测定此时挖掘机各机构的初始几何参数，动臂在作业过程中保持此时的固定状态；

4、通过拖曳测试法测定作业水域的基础水力阻力系数，并进行修正得到最终水力阻力系数，在挖掘机作业过程中通过设置在各机构上的传感器获取铲斗油缸、斗杆油缸和动臂油缸的油压，铲斗油缸、斗杆、斗杆油缸和挖掘机所在船体的转动角度，以及作业水域水流速度；

5、基于获取的各机构的初始几何参数和转动角度实时计算各油缸和挖掘阻力的动态力臂长度；基于水流速度和水力阻力系数实时计算水作用力及其力臂；

6、以铲斗与斗杆的铰接点为矩心，构建包含所有油缸作用力、水作用力及水流扰动补偿作用力的动态力矩平衡方程，实时求解挖掘阻力。

7、通过在实际作业水域用拖曳测试法测定基础水力阻力系数并进行修正得到最终水力阻力系数，相较于实验室模拟法能更真实的还原作业场景下的流固耦合效应，而且由此可以计算出水作用力，相较于传统方法忽略水流动力效应，本方法将水作用力纳入最终的动态力矩平衡方程能提升最终岩土阻力计算的准确度，而且由最终水力阻力系数计算得到的水作用力相较于基础水力阻力系数结果更加准确，这也能进一步提高最终计算的准确度；通过多传感器实时获取油压、转动角度及水流速数据实现了对作业状态的全方位动态感知，再根据初始采集的数据以及作业过程中实时采集的数据，实时计算动态力臂、水作用力及其力臂，能实时反映水流动力效应和挖掘机的几何参数变化，以此构建动态力矩平衡方程相较于静态力矩方程能更真实准确的反应实际挖掘作业中的动态场景，以此所求得的挖掘阻力更加准确，而且本方法在动态力矩平衡方程中还引入水流扰动补偿作用力，进一步真实还原了作业场景下的水流动力效应，综上所述，本方法不仅能考虑了挖掘机实时变化的几何参数，还考虑了动态的水流动力效应，使得本方法在水域挖掘中能更准确的计算出挖掘机的挖掘阻力。

8、作为优选，将模型船按至少一种设定方向拖曳使其按照设定速度匀速行进并记录对模型船的拖曳力，根据以下公式计算基础水力阻力系数

9、，

10、其中，为基础水力阻力系数，为对模型船的拖曳力，为作业水域的水体密度，为模型船的速度，为模型船在垂直水流方向上的投影面积；

11、根据下式对基础水力阻力系数进行修正

12、，

13、其中，为最终水力阻力系数，fr为弗劳德数，和n为流速影响系数；

14、fr的计算公式为

15、，

16、其中，为作业区域水流速度，g为重力加速度，为斗杆浸入水体部分的长度。

17、作为优选，所述水作用力的计算公式为

18、

19、其中，为水作用力；为水流速度，为挖掘机浸入水体部分在水作用力方向上的投影面积；

20、根据下式计算

21、

22、其中，为挖掘机斗杆浸入水体部分在其长度方向上的表面积；

23、根据下式计算

24、

25、其中，和分别为水流速度在竖直和水平方向的分量；为挖掘机所在船体的转动角度。

26、作为优选，所述水流扰动补偿作用力根据下式计算

27、 ，

28、其中，k为水流扰动经验系数，为作业水域的水体密度，为作业水域水流速度，h为挖掘机工作时的入水深度；

29、k的计算公式为

30、，

31、其中，c为铲斗类型相关的系数，g为重力加速度。

32、作为优选，所述动态力矩平衡方程为

33、

34、其中，为挖掘阻力，、和分别为铲斗油缸作用力、斗杆油缸作用力和动臂油缸作用力；、、、和分别为水作用力、铲斗油缸作用力、斗杆油缸作用力、动臂油缸作用力和挖掘阻力对应的力臂。

35、作为优选，所述拖曳测试将模型船逆水流方向拖曳。

36、作为优选，所述模型船在垂直水流方向上的投影面积与挖掘机工作时浸入水体部分在该方向上的投影面积相同。

37、作为优选，所述模型船形状和材质与承载挖掘机的运载船相匹配。

38、本发明所述的用于水域作业挖掘机的挖掘阻力计算系统，包括：

39、初始化模块：用于将挖掘机各机构调整至设定位置后固定并测定此时挖掘机各机构的初始几何参数，动臂在作业过程中保持此时的固定状态；

40、参数测定模块：用于通过拖曳测试法测定作业水域的水力阻力系数，在挖掘机作业过程中通过设置在各机构上的传感器获取铲斗油缸、斗杆油缸和动臂油缸的油压，铲斗油缸、斗杆、斗杆油缸和挖掘机所在船体的转动角度，以及作业水域水流速度；

41、参数计算模块：用于基于获取的各机构的初始几何参数和转动角度实时计算各油缸和挖掘阻力的动态力臂长度；基于水流速度和水力阻力系数实时计算水作用力及其力臂；

42、挖掘阻力求解模块：用于以铲斗与斗杆的铰接点为矩心，构建包含所有油缸作用力、水作用力及水流扰动补偿作用力的动态力矩平衡方程，实时求解挖掘阻力。

43、本发明所述的存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行上述方法中的任一方法。

44、有益效果：通过倾角仪与初始几何参数实现了力臂实时动态解算，克服了传统静态几何模型的失真问题，引入基于拖曳测试基础水力阻力系数并进行修正得到最终水力阻力系数以此计算水作用力，并添加水流扰动补偿作用力，实现了对水流动力效应的精准量化，因此本发明能准确反映水动力效应、水扰动以及挖掘机几何参数动态变化，通过上述动态参数求解以铲斗和斗杆铰点为矩心构建的力矩平衡方程，能显著提升了复杂水域环境下挖掘阻力计算的准确性、时效性与工程实用性。