挖掘機(jī)工作裝置運(yùn)動學(xué)仿真

顏景潤 宋明星 朱春華 馬軼群 馬立勇

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

挖掘機(jī)工作裝置運(yùn)動學(xué)仿真

顏景潤 宋明星 朱春華 馬軼群 馬立勇

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

以日立EX200LC-5型反鏟液壓挖掘機(jī)為對象，采用proe建立液壓挖掘機(jī)的工作裝置虛擬模型，采用Adams軟件進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，模擬挖掘機(jī)正常工作狀態(tài).運(yùn)用運(yùn)動學(xué)仿真結(jié)果計(jì)算最大挖掘半徑、最大挖掘深度、最大挖掘高度與已有的20 t日立挖掘機(jī)參數(shù)進(jìn)行比對，兩者結(jié)果吻合較好.對挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行優(yōu)化，使工作裝置最大挖掘半徑變大，其工作更有效率.

Adams;運(yùn)動學(xué)仿真;優(yōu)化

1 引 言

1.1 挖掘機(jī)工作裝置工作原理

反鏟液壓挖掘機(jī)的工作裝置由動臂、斗桿、鏟斗、連桿機(jī)構(gòu)組成，各部件之間全部鉸接，通過動臂缸的上升下降，斗桿缸的伸出和回收，鏟斗缸的挖土和卸土來實(shí)現(xiàn)挖掘過程中的各種動作，如圖1.通過日立EX200LC-5型反鏟液壓挖掘機(jī)為對象研究反鏟挖掘機(jī)的工作裝置.

圖1 挖掘機(jī)最常用的反鏟工作裝置 圖2 挖掘機(jī)工作裝置虛擬模型

1.2 主要參數(shù)

整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1.

表1 主要參數(shù)

2 挖掘機(jī)工作裝置運(yùn)動學(xué)仿真

2.1 挖掘機(jī)工作裝置虛擬建模及裝配

本論文采用三維CAD/CAM系統(tǒng)軟件proe對挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行三維虛擬建模，分別建立動臂模型、斗桿模型、鏟斗模型以及動臂油缸、鏟斗油缸、斗桿油缸和鏟斗與斗桿的搖桿連桿機(jī)構(gòu)三維模型，再根據(jù)虛擬裝配原理，最終裝配成反鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置的三維模型.并對挖掘機(jī)工作做裝置進(jìn)行干涉檢查并檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼_性.如圖2

2.2 ADAMS運(yùn)動學(xué)仿真

2.2.1 在ADAMS中將proe建好的模型導(dǎo)入.

在ADAMS中將Proe建立的好模型導(dǎo)入，導(dǎo)入ADAMS后，只提供各構(gòu)件的初始位置，在ADAMS中，還要進(jìn)行布爾運(yùn)算，添加約束，施加載荷等.Adams導(dǎo)入后的模型圖如圖3所示.

圖3 導(dǎo)入Adams工作裝置模型圖

2.2.2 布爾操作

剛導(dǎo)入的模型，對輸入的模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，舍去與運(yùn)動無關(guān)的構(gòu)件，將運(yùn)動相同構(gòu)件合并.從而得到挖掘機(jī)工作裝置由固定座、連桿、搖桿、鏟斗、斗桿、動臂、鏟斗液壓缸、斗桿液壓缸、動臂液壓缸12個(gè)活動構(gòu)件.然后給構(gòu)件添加質(zhì)量，慣性矩，以及質(zhì)心，maker標(biāo)記點(diǎn)為運(yùn)動仿真提供基礎(chǔ).

2.2.3 創(chuàng)建約束

為了定義物體之間的相對運(yùn)動關(guān)系，需要給各構(gòu)件添加約束關(guān)系，即用約束副將工作裝置連接為一個(gè)整體.見表2.

表2 各部件約束關(guān)系

通過各個(gè)約束關(guān)系，計(jì)算模型的自由度為：

F=11×6-1×4-7×5-1×3-3×5-3×2=3,

對動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸上的移動副施加3個(gè)驅(qū)動，通過液壓缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)挖掘過程中的各種動作.

2.2.4 工作裝置的運(yùn)動學(xué)分析

挖掘機(jī)在正常挖掘時(shí)為節(jié)省工作時(shí)間，提高工作效率，采用復(fù)合動作挖掘.在Adams虛擬樣機(jī)運(yùn)動學(xué)仿真中，采用復(fù)合動作挖掘要求參數(shù)較多，不便于分析各個(gè)參數(shù).因此使用讓油缸按一定順序依次動作的方式更加方便，從而檢驗(yàn)挖掘機(jī)的挖掘范圍，測定挖掘機(jī)的主要作業(yè)尺寸如最大挖掘深度、最大垂直挖掘深度、最小回轉(zhuǎn)半徑、最大挖掘高度、最大挖掘半徑、最大卸載高度等參數(shù).

例如:最大挖掘半徑r1

由于本文設(shè)置的初始位置不在原點(diǎn)處，所以必須得到相對位置才可以得到的鏟斗斗尖位移曲線然后通過間接計(jì)算從而得到最大挖掘半徑，如圖4所示.

圖4 齒尖位移曲線圖

從上圖可以看出斗齒尖位移為2.3，齒尖距離動臂下絞點(diǎn)位移為8，所以最大挖掘半徑r1=10.3,上文已標(biāo)出最大挖掘半徑為9.875，兩者近似相等所以驗(yàn)證正確.

參數(shù)出廠值仿真值兩者誤差%最大挖掘半徑9.87510.30.96最大挖掘深度6.620m6.50.98最大挖掘高度109.7670.98

仿真值與日立EX200LC-5型反鏟液壓挖掘機(jī)出廠值的結(jié)果比較

3 挖掘機(jī)工作裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

對挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，本論文采用調(diào)整絞點(diǎn)位置，使挖掘機(jī)最大挖掘半徑變大，來改善挖掘機(jī)的工作性能.

本文對挖掘機(jī)工作裝置的斗桿與動臂下絞點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)整，運(yùn)用Adams仿真測量動臂下絞點(diǎn)到鏟斗斗尖距離，得出距離為7.6；斗齒齒尖的位移曲線圖如圖5，得出其位移是3，所以最大挖掘半徑為10.6，與之前計(jì)算的最大挖掘半徑是10.3<10.6.可得出絞點(diǎn)優(yōu)化后，挖掘機(jī)工作裝置最大挖掘半徑變大，其工作更有效率.

圖5 鏟斗斗尖位移曲線

4 結(jié) 論

1)利用proe對挖掘機(jī)工作裝置建立三維虛擬建模，Adams對其運(yùn)動學(xué)仿真，并且將仿真結(jié)果與出廠值比較，兩者參數(shù)相近，從而得到運(yùn)動學(xué)仿真能很好的驗(yàn)證產(chǎn)品的性能，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間；

2)通過優(yōu)化設(shè)計(jì)絞點(diǎn)位置，提高了挖掘最大半徑，所建立的挖掘機(jī)工作裝置可作為設(shè)計(jì)研發(fā)的有力參照.

The Simulation of Kinematics of excavator Working device

YANJing-run，SONGMing-xing，ZHUChun-hua，MAYi-qun，MALi-yong

(Hebei university of architecture,Zhangjiakou 075000,China)

With Hitachi EX200LC-5 backhoe hydraulic excavator as an object,using proe to set up the virtual model of hydraulic excavator working device,adopting the software of Adams to procceed the kinematics simulation and simulate the excavator working state.The biggest mining radius s,the maximum mining depth,mining height get by calculating according to the simulation result and compare with the existing 20 t Hitachi excavator parameters,the results are consistent greatly.Optimized the excavator working device,enlarge the biggest mining radius.The device will be more efficient.

Adams;kinematics simulation;optimization

2015-05-24

開發(fā)挖掘機(jī)工作裝置和液壓系統(tǒng)的數(shù)字化平臺，河北建筑工程學(xué)院青年基金項(xiàng)目(QN201401)

顏景潤(1981-)，女，碩士研究生,講師.

TH 12

A