基于虛擬樣機技術(shù)的挖掘機穩(wěn)定性能仿真

【摘 要】挖掘機的穩(wěn)定性能是決定挖掘機挖掘能力的重要指標(biāo)之一。為避免挖掘機工作過程中因挖掘力過大導(dǎo)致挖掘機傾覆事故，確定挖掘機極限工況的最大挖掘力成為了挖掘機行業(yè)亟待解決的難題。本文針對傳統(tǒng)經(jīng)典力學(xué)方法建立動力學(xué)模型及現(xiàn)場試驗復(fù)雜耗時的問題，提出基于虛擬樣機技術(shù)的挖掘機穩(wěn)定性能仿真分析方案，進(jìn)行了液壓挖掘機整機穩(wěn)定性能的理論分析，并利用虛擬樣機軟件進(jìn)行了挖掘機虛擬樣機整機建模與縱向前傾、后傾的穩(wěn)定性能仿真，仿真得到該工況液壓挖掘機的最大挖掘力，為該液壓挖掘機的設(shè)計改進(jìn)提供了依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】液壓挖掘機；虛擬樣機；挖掘力；穩(wěn)定性能

ABSTRACT： Stablity of excavator is one of indicators determining the excavation performance. In order to avoid capsize accident cause by excessive excavating force， determining the maximum excavating force of extreme conditions has become a pressing problem of excavator industry. For the difficulties of establishing dynamic model by traditional methods and the time-consuming of field test， the excavator stability simulation scheme is put forward based on virtual prototyping technology. In this paper， the theory of hydraulic excavator stable performance has been analyzed， and the virtual prototyping vehicle model was established. After that， the stability of longitudinal forward and backward conditions has been simulated based on virtual prototyping software， and the maximum excavating force were get， which provides a basis for the hydraulic excavator design and improvement.

Keywords： hydraulic excavator； virtual prototype； digging force；stable performance

一、引言

挖掘機是利用鏟斗挖掘物料的自行式工程機械，其中液壓式挖掘機因其效率高、功率大、作業(yè)靈活等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于城建、水力、礦山等工程施工中，成為我國城鎮(zhèn)建設(shè)、能源開發(fā)、交通運輸以及國防施工等各項工程建設(shè)的必備施工設(shè)備。液壓挖掘機的穩(wěn)定性能決定了整機性能的好壞，良好的穩(wěn)定性不僅能夠保證挖掘機的工作安全性，而且能使其在作業(yè)過程中充分發(fā)揮挖掘性能。液壓挖掘機零部件眾多，運動方式與運動過程復(fù)雜，必須從系統(tǒng)整體評價其性能。目前，針對液壓挖掘機的穩(wěn)定性能試驗研究主要是以理論設(shè)計、經(jīng)驗設(shè)計和模型試驗為主的傳統(tǒng)試驗方法，但傳統(tǒng)試驗方法的缺點是周期長、成本高、可靠性低，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計制造的要求。

所以，在液壓挖掘機穩(wěn)定性能的研究過程中，采用現(xiàn)代化的設(shè)計理論、方法及手段，借助計算機與計算機輔助設(shè)計軟件，對挖掘機的穩(wěn)定性能仿真評價，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計以使其滿足工作需要，是非常必要的。

二、 挖掘機虛擬樣機實現(xiàn)

液壓挖掘機系統(tǒng)由動力系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，由動力系統(tǒng)提供動力，通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動機械系統(tǒng)來完成物料的挖掘動作，是典型的多自由度問題，采取多個單自由度運動過程的組合，能夠模擬挖掘機整機運動。為了獲得高逼真度的運動模擬結(jié)果，須將挖掘機各子系統(tǒng)分塊建模，利用Pro/e中的拉伸（Extrude）、旋轉(zhuǎn)（Revolve）、掃描（Sweep）、混成（Blend）、孔（Hole）、倒角（Chamfer）、圓角（Round）、切除（Cut）等功能建立起某型液壓挖掘機的回轉(zhuǎn)裝置、動臂、斗桿等13個運動零件的模型，然后逐步完善其幾何形體、細(xì)節(jié)特征及視覺效果，再按照實際裝配關(guān)系完成實體模型的建立。模型結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖1所示。

根據(jù)ADAMS內(nèi)核程序求解原理，CAD建模過程中確保各構(gòu)件質(zhì)量、質(zhì)心位置和慣性矩與實際產(chǎn)品的構(gòu)件相同，并且三維模型轉(zhuǎn)化到虛擬樣機軟件環(huán)境過程中保留部件之間完整的裝配運動關(guān)系。通過數(shù)據(jù)文件格式轉(zhuǎn)化方法，將CAD的PARASOLID文件轉(zhuǎn)化為.XMT_TXT文件，并在ADAMS軟件環(huán)境中調(diào)用，保留模型各組件之間的位置關(guān)系、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動慣量和質(zhì)量信息，施加約束。在底盤與Ground之間添加固定副（Fixed），底盤和駕駛室之間簡化回轉(zhuǎn)裝置上添加轉(zhuǎn)動副（Revolute），各連接鉸點處添加轉(zhuǎn)動副，各油缸和其活塞桿之間添加移動副（Translational），并采用增量式階躍驅(qū)動函數(shù)確定挖掘機的模擬運轉(zhuǎn)及載荷，完成整機虛擬樣機模型的構(gòu)建，通過逐步的動力學(xué)模擬反饋，達(dá)到合理的仿真效果。

三、 挖掘機穩(wěn)定性研究

液壓挖掘機的穩(wěn)定性設(shè)計是總體設(shè)計的一部分，關(guān)系到挖掘機整機的作業(yè)性能，是挖掘機停放、行走、工作安全性的重要保證。良好的整機穩(wěn)定性能不僅能使挖掘力得到充分的發(fā)揮，同時也可使回轉(zhuǎn)支承磨損均勻，延長挖掘機使用壽命。在液壓挖掘機工作過程中，失穩(wěn)狀態(tài)的臨界條件為地面對挖掘機的作用力為0，此時的挖掘力為最大挖掘力。本文選取挖掘機水平放置在停機面的工況，通過計算加以驗證作業(yè)過程中的縱向的前傾和后傾工況中液壓挖掘機的穩(wěn)定性能，即穩(wěn)定作業(yè)工況下斗桿垂直地面挖掘工況和最大挖掘深度工況[6]進(jìn)行仿真。

（一） 液壓挖掘機穩(wěn)定性

忽略風(fēng)載荷與慣性力等因素，液壓挖掘機穩(wěn)定性能仿真動力學(xué)原理為：

在未發(fā)生傾覆的任意時刻，挖掘機都處于穩(wěn)定狀態(tài)，其力矩關(guān)系為，即：

其中，（i=1，2，3，4）為各部件重力；（i=1，2，3，4）為各部件重心到旋轉(zhuǎn)中心的力臂；為切向阻力；為法向阻力；、為各挖掘阻力到轉(zhuǎn)動中心的力臂；為地面支反力的到轉(zhuǎn)動中心的力臂。

通過虛擬樣機動力學(xué)仿真，測量地面支反力F、切向挖掘阻力W1和法向挖掘阻力W2的變化曲線，找到F=0的臨界時刻，即可在曲線上測得最大切向挖掘阻力W1max和最大法向挖掘阻力W2max。由文獻(xiàn)[7]可知，最大切向挖掘阻力約為最大法向挖掘阻力的0.2倍，本文假設(shè)在液壓挖掘機挖掘過程中，切向挖掘阻力為法相挖掘阻力的0.2倍，即W1=0.2W2。

（二）斗桿垂直地面挖掘工況仿真

斗桿垂地面工況是指斗桿與地面垂直，斗齒尖距在地面以下并距地面0.5m，用鏟斗挖掘物料的工況。此時切向阻力方向垂直地面，法向阻力方向背離機體，傾覆邊緣在履帶的前接地線。當(dāng)液壓挖掘機處于平衡工況狀態(tài)時，利用虛擬樣機軟件分別測得底盤、駕駛室、動臂、斗桿、鏟斗、各個液壓缸的重力及重心位置，進(jìn)而求解得到整機重力及重心位置。根據(jù)廠家要求確定挖掘阻力的STEP階躍驅(qū)動函數(shù)如下所示：

切向挖掘阻力W1：STEP （TIME， 0.0， 0.0， 100， 188204.1496）

法向挖掘阻力W2：0.2*STEP （TIME， 0.0， 0.0， 100， 188204.1496）

1. 運行仿真

采用構(gòu)建的挖掘機虛擬樣機進(jìn)行仿真，在液壓缸活塞桿、液壓缸與動臂、斗桿和鏟斗之間添加固定副約束，各鉸鏈連接添加固定副約束，將工作裝置與機體固定。考慮到鏟斗在挖掘過程中受到的挖掘阻力遠(yuǎn)大于鏟斗裝載的物料重力，所以在研究過程中忽略物料重力影響。設(shè)定仿真分析類型為動力學(xué)分析，仿真終止時間為300秒，仿真步數(shù)為300步，添加載荷及挖掘阻力，開始仿真分析。仿真結(jié)束，挖掘機虛擬樣機前傾狀態(tài)如圖2所示。

2. 結(jié)果后處理

啟動ADAMS求解后處理器（ADAMS/PostProcessor），輸出仿真過程受力變化曲線如圖3所示。其中實線表示地面支反力F，點線切向挖掘阻力W1，虛線表示法向挖掘阻力W2。

由圖中曲線可以看出，隨著挖掘阻力不斷增加，地面支反力F不斷地減小，在t=50s時地面支反力F變?yōu)?，此時挖掘阻力為最大挖掘阻力，其中最大切向挖掘阻力W1MAX=94102.0741N，法向最大挖掘阻力W2MAX=18820.4148N，則最大挖掘力WMAX=95965.6624N。

對比實際作業(yè)過程可知，作業(yè)開始前，挖掘機處于靜止?fàn)顟B(tài)；作業(yè)開始，鏟斗逐漸受到挖掘阻力逐漸增大，地面對挖掘機機體的支反力F逐漸減小，此時挖掘機處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)挖掘阻力繼續(xù)增加，直至地面對挖掘機機體支反力F=0時，此時挖掘機處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)；此時挖掘阻力繼續(xù)增加，挖掘機機體與地面脫離接觸，挖掘機發(fā)生傾覆。這就說明虛擬樣機的模擬符合實際情況，也說明了模擬方法是正確的。

（三）最大挖掘深度工況仿真

最大挖掘深度工況是指動臂下放至最低位置，斗桿及鏟斗處于垂直位置，用鏟斗液壓缸挖掘。此時傾覆邊緣在履帶的后端。確定挖掘阻力STEP階躍驅(qū)動函數(shù)如下：

切向挖掘阻力W1：STEP （TIME， 0.0， 0.0， 100， 113593.2457）

法向挖掘阻力W2：0.2*STEP （TIME， 0.0， 0.0， 100， 113593.2457）

1.運行仿真

調(diào)整虛擬樣機模型為最大挖掘深度工況模型，與斗桿垂直地面挖掘工況仿真過程相同，仿真結(jié)束，得到挖掘機虛擬樣機后傾如圖4所示。

2.結(jié)果后處理

啟動ADAMS求解后處理器（ADAMS/PostProcessor），輸出仿真過程受力變化曲線如圖5所示，其中實線表示地面支反力F，點線切向挖掘阻力W1，虛線表示法向挖掘阻力W2。

由圖中曲線可以看出，隨著挖掘阻力不斷增加，地面支反力F不斷地減小，在t=50s時地面支反力F變?yōu)?，此時挖掘阻力為最大挖掘阻力。最大切向挖掘阻力W1MAX=56796.6229N，

法向最大挖掘阻力W2MAX=11359.3246N，最大挖掘力WMAX=57921.4177N。

四、 結(jié)論

本文基于虛擬樣機技術(shù)，建立了液壓挖掘機整機虛擬樣機模型，并利用虛擬樣機軟件進(jìn)行了該液壓挖掘機虛擬樣機的穩(wěn)定性能仿真分析。通過虛擬樣機仿真分析，得到斗桿垂直地面挖掘工況下挖掘機虛擬樣機模型的最大挖掘力與最大挖掘深度工況下的最大挖掘力。為該液壓挖掘機的設(shè)計改進(jìn)提供了依據(jù)。應(yīng)用虛擬樣機技術(shù)，有助于實現(xiàn)挖掘機產(chǎn)品快速創(chuàng)新設(shè)計，提高液壓挖掘機的設(shè)計水平，進(jìn)而實現(xiàn)高效率、低成本的挖掘機現(xiàn)代制造模式，對我國現(xiàn)代化建設(shè)有著深遠(yuǎn)的意義。

參考文獻(xiàn)：

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