挖掘機(jī)載機(jī)整機(jī)挖掘力剛體動力學(xué)分析

祖英利，黃 瑞，于洪洋

(1. 上海第二工業(yè)大學(xué)實(shí)訓(xùn)中心，上海 201209；2. 空軍航空大學(xué)航空機(jī)械工程系，長春 130025)

挖掘機(jī)載機(jī)整機(jī)挖掘力剛體動力學(xué)分析

祖英利1，黃 瑞1，于洪洋2

(1. 上海第二工業(yè)大學(xué)實(shí)訓(xùn)中心，上海 201209；2. 空軍航空大學(xué)航空機(jī)械工程系，長春 130025)

以輪式WZ30-25型液壓挖掘裝載機(jī)為實(shí)例，基于多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論，在三組反鏟機(jī)構(gòu)液壓缸的運(yùn)動作用下，研究了挖掘裝載機(jī)整機(jī)系統(tǒng)在鏟斗斗齒切向產(chǎn)生的挖掘力響應(yīng)。在斗桿液壓缸挖掘和鏟斗液壓缸挖掘兩種工況下，進(jìn)行了挖掘力響應(yīng)分析。在各工況下，影響挖掘力的重要參數(shù)有很多，包括液壓系統(tǒng)的壓力、液壓缸的尺寸、各液壓缸間的相互作用力、整機(jī)穩(wěn)定性和地面附著性能。將推導(dǎo)這些因素和最大挖掘力之間的函數(shù)關(guān)系。

動力學(xué)；剛體動力學(xué)；挖掘裝載機(jī)；挖掘力

0 引言

挖掘裝載機(jī)以正鏟和反鏟兩種形式做挖掘運(yùn)動，可實(shí)現(xiàn)地平面上和地平面下的挖掘運(yùn)動。挖掘機(jī)構(gòu)的挖掘力主要取決于液壓系統(tǒng)的壓力和液壓缸的尺寸，以及各液壓缸間作用力的影響，還受整機(jī)穩(wěn)定性和附著性的影響。整機(jī)挖掘力是指當(dāng)反鏟機(jī)構(gòu)作業(yè)時在鏟斗齒尖上發(fā)揮的最大挖掘力響應(yīng)，是衡量反鏟機(jī)構(gòu)挖掘性能的重要指標(biāo)之一[1-2]。關(guān)于挖掘力的標(biāo)準(zhǔn)定義可參照ISO 6015∶1989(E)和ISO 7135∶1993。對怎樣正確計(jì)算與理解整機(jī)挖掘力對挖掘裝載機(jī)的影響進(jìn)行研究是非常重要的[3-4]。本文以輪式WZ30-25型挖掘裝載機(jī)為實(shí)例，基于多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論，在三組反鏟機(jī)構(gòu)液壓缸的運(yùn)動作用下，研究挖掘裝載機(jī)整機(jī)系統(tǒng)在鏟斗斗齒接觸點(diǎn)上產(chǎn)生的挖掘力響應(yīng)。

1 機(jī)械系統(tǒng)整機(jī)建模

反鏟機(jī)構(gòu)工作時，既可用鏟斗液壓缸挖掘，也可用斗桿液壓缸挖掘，或作復(fù)合動作挖掘。一般認(rèn)為，在斗容量小于3

0.5 m或在土質(zhì)松軟時以鏟斗液壓缸挖掘?yàn)橹?，反之，以斗桿液壓缸挖掘?yàn)橹?，參見圖1。

圖1 WZ30-25整機(jī)機(jī)械系統(tǒng)簡圖Fig.1 The mechanical system diagram of WZ30-2

和XO2

。

表1 挖掘機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析中的參數(shù)Tab. 1 backhol parameters of dynamic analysis

2 工況Ⅰ：斗桿液壓缸挖掘作業(yè)

在給定工況(L1, L2, L3)的情況下，計(jì)算斗桿液壓缸的實(shí)際挖掘力時，應(yīng)當(dāng)考慮到下列因素的影響：1) 動臂液壓缸閉鎖能力對斗桿液壓缸挖掘力的限制；2) 斗桿液壓缸主動挖掘力的限制；3) 鏟斗液壓缸閉鎖能力對斗桿挖掘力的限制；4) 整機(jī)向前傾翻對斗桿液壓缸挖掘力的限制；5) 整機(jī)向后傾翻對斗桿液壓缸挖掘力的限制；6) 整機(jī)對地面的前后滑移對斗桿液壓缸挖掘力的限制。

2.1 動臂液壓缸閉鎖力限制的最大斗桿挖掘力PG1

液壓缸閉鎖力是指挖掘工況下某些液壓缸被動狀態(tài)所能承受的作用力，是挖掘力發(fā)揮的重要影響因素之一，如圖1和圖2所示。

圖2 斗桿液壓缸挖掘力的動力學(xué)分析簡圖Fig.2 The dynamics analysis diagram of arm cylinder digging force

根據(jù)F和V點(diǎn)的坐標(biāo)(XF，YF)和(XV，YV)，可知

當(dāng)CVF∠≤90°時，動臂液壓缸小腔受壓，此時小腔閉鎖力對C點(diǎn)產(chǎn)生的力矩為

有關(guān)重量對C點(diǎn)產(chǎn)生的力矩為

所以

當(dāng)CVF∠＞90°時，動臂液壓缸大腔受壓，此時大腔閉鎖力對C點(diǎn)產(chǎn)生的力為

所以

2.2 斗桿液壓缸主動挖掘力PG2

斗桿液壓缸主動力對F點(diǎn)產(chǎn)生的力矩為

有關(guān)重量對F點(diǎn)產(chǎn)生的力矩為

2.3 鏟斗液壓缸閉鎖力限制的最大斗桿挖掘力PG3

如圖1和圖2所示，對于

當(dāng)FVQ∠≤90°時，鏟斗液壓缸大腔受壓，此時大腔閉鎖力對Q點(diǎn)產(chǎn)生的力矩為

i3為鏟斗連桿機(jī)構(gòu)的總傳動比，

有關(guān)重量對Q點(diǎn)產(chǎn)生的力矩為

所以

當(dāng)FVQ∠＞90°時，鏟斗液壓缸小腔受壓，此時小腔閉鎖力對Q點(diǎn)產(chǎn)生的力矩為

所以

2.4 整機(jī)向前傾翻限制的最大斗桿挖掘力PG4

對于△FVO1，有

所以

2.5 整機(jī)向后傾翻限制的最大斗桿挖掘力PG5

如圖1和圖2所示，對于△FVO2，有

顯然，當(dāng)∠FVO2≥90°時，斗桿挖掘時整機(jī)不可能產(chǎn)生后傾翻，只有當(dāng)∠FVO2＜90°時，才有可能出現(xiàn)后傾現(xiàn)象。各部件重量對O2點(diǎn)產(chǎn)生的力矩為

所以

2.6 整機(jī)滑移限制的最大斗桿挖掘力PG6

參見圖2，設(shè)FV聯(lián)機(jī)對水平線的夾角為2β，則

在該工況下斗桿液壓缸挖掘時，

3 工況Ⅱ：鏟斗液壓缸挖掘作業(yè)

參見圖3，已知條件與計(jì)算斗桿液壓缸實(shí)際挖掘力的已知條件相同。在給定工況(L1, L2, L3)的情況下，計(jì)算鏟斗液壓缸的實(shí)際挖掘力與計(jì)算斗桿的實(shí)際挖掘力一樣，應(yīng)當(dāng)考慮下列因素對鏟斗挖掘力的影響：1) 動臂液壓缸閉鎖能力對鏟斗挖掘力的限制；2) 斗桿液壓缸閉鎖能力對鏟斗挖掘力的限制；3) 鏟斗液壓缸主動挖掘力的限制；4) 整機(jī)向前傾翻對鏟斗挖掘力的限制；5) 整機(jī)向后傾翻對鏟斗挖掘力的限制；6) 整機(jī)對地面的前后滑移對鏟斗挖掘力的限制。

圖3 鏟斗液壓缸挖掘力的整機(jī)動力學(xué)響應(yīng)分析簡圖Fig.3 The dynamics analysis response diagram of bucket cylinder digging force

3.1 動臂液壓缸閉鎖力限制的最大鏟斗挖掘力PD1

如圖1和圖2所示，根據(jù)前面提到的幾何尺寸計(jì)算，可以求出工作裝置上每一個鉸點(diǎn)的坐標(biāo)值。對于△CQV，有

當(dāng)CVQ∠≤90°時，動臂液壓缸小腔受壓，此時小腔閉鎖力對C點(diǎn)產(chǎn)生的力矩為

有關(guān)重量對C點(diǎn)產(chǎn)生的力矩為

所以

當(dāng)∠CVQ＞90°時，動臂液壓缸大腔受壓，此時大腔閉鎖力對C點(diǎn)產(chǎn)生的力矩為

3.2 斗桿液壓缸閉鎖力限制的最大鏟斗挖掘力PD2

如圖1和圖2所示，對于△FVQ，有

當(dāng)∠FVQ≤90°時，斗桿液壓缸大腔受壓，此時大腔閉鎖力對F點(diǎn)產(chǎn)生的力矩為

有關(guān)重量對F點(diǎn)產(chǎn)生的力矩為

當(dāng)∠FVQ＞90°時，斗桿液壓缸小腔受壓，此時小腔閉鎖力對F點(diǎn)產(chǎn)生的力矩為

所以

3.3 鏟斗液壓缸主動挖掘力3DP

如圖1和圖2所示，鏟斗液壓缸主動力對Q點(diǎn)產(chǎn)生的力矩為

有關(guān)重量對Q點(diǎn)產(chǎn)生的力矩為

所以

3.4 整機(jī)向前傾翻限制的最大鏟斗挖掘力4DP

參見圖1，對于△QVO1，有

顯然，當(dāng)∠QVO1≤90°時，鏟斗挖掘時整機(jī)不可能產(chǎn)生前傾翻，只有當(dāng)∠QVO1＞90°時，才有可能出現(xiàn)前傾現(xiàn)象。各部件重量對O1點(diǎn)產(chǎn)生的力矩為

所以

3.5 整機(jī)向后傾翻限制的最大鏟斗挖掘力5DP參見圖1，對于△QVO2，有

顯然，當(dāng)∠QVO2≥90°時，鏟斗挖掘時整機(jī)不可能產(chǎn)生后傾翻，只有當(dāng)∠QVO2＜90°時，才有可能出現(xiàn)后傾翻現(xiàn)象。各部件重量對O2點(diǎn)產(chǎn)生的力矩為

所以

3.6 整機(jī)對地面的前后滑移限制的最大鏟斗挖掘力6DP

如圖1和圖2所示，設(shè)QV對水平線的夾角為

鏟斗液壓缸的實(shí)際挖掘力

4 結(jié)論

本文討論了整機(jī)挖掘力與多剛體動力學(xué)的關(guān)系。其實(shí)，整機(jī)挖掘力還與機(jī)構(gòu)材料的強(qiáng)度、大氣的流向和速度、被挖掘的土層或其他物質(zhì)的內(nèi)部狀態(tài)及液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性等實(shí)際作業(yè)影響因素有關(guān)。對挖掘裝載機(jī)反鏟機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)而言，在滿足作業(yè)范圍的情況下，要求工作裝置的結(jié)構(gòu)布置應(yīng)合理、緊湊，在保證生產(chǎn)率的前提下，應(yīng)盡可能提高挖掘力。本文建立挖掘裝載機(jī)動力學(xué)模型，表示出了整機(jī)各部件的力與運(yùn)動之間的關(guān)系。在給定工況下，計(jì)算得到挖掘力是機(jī)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)的函數(shù)可以通過建立整機(jī)數(shù)學(xué)模型，結(jié)合挖掘機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)的限制條件，通過調(diào)整機(jī)構(gòu)鉸接點(diǎn)位置，優(yōu)化設(shè)計(jì)整機(jī)挖掘力，是建立多目標(biāo)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要條件[5-6]。

[1] 曹善華主編. 單斗挖掘機(jī)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1989.

[2] 同濟(jì)大學(xué)主編. 單斗液壓挖掘機(jī)[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 1986.

[3] CAMSELL D. Earth-moving machinery-Hydraulic excavators-methods of measuring tool forces[S]. ISO 6015, 英國: 國際行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會, 1989(E).

[4] CAMSELL D. Hydraulic excavators-terminology[S]. ISO 7135, 英國: 國際行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會, 1993.

[5] 劉惟信. 機(jī)械最優(yōu)化設(shè)計(jì) [M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 1990.

[6] 祖英利, 孔令愷, 黃瑞. 基于ADAMS的反鏟工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J]. 上海第二工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2007, 24(3): 183-188.

Rigid-Body Dynamics Analysis on the Digging Force of Backhoe Loader

ZU Ying-li1，HUANG Rui1，YU Hong-yang2
(1. Practicing and Training Center, Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209, P. R. China; 2. Aviation of mechanical engineering, Aviation University of Air force, Changchun 130025, P. R. China)

WZ30-25 backhoe loader was instanced by means of multi rigid-body dynamics theory. The whole system response to tangential digging force on bucket teeth was discussed in action of three sets hydraulic cylinder of backhoe mechanism. At two working conditions of digging with arm cylinder and with bucket cylinder, the digging force was analyzed. At each working condition, many important factors affect digging force. These factors are included the system hydraulic pressure, the dimension of hydraulic cylinder, the interacting force of hydraulic cylinders, the whole system stability and ground adhesive property. The function among these factors and the maximum digging force were inferred in this paper.

dynamics; rigid-body dynamics; backhoe loader; digging force

TH243

A

1001-4543(2011)04-0307-06

2011-05-22;

2011-09-20

祖英利（1976－），女，山東煙臺人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)橹匦蜋C(jī)械工程車輛，電子郵箱ylzu@pc.sspu.cn。