裝載機(jī)工作裝置的動力學(xué)仿真分析

李竹芳， 蔡普

（北京信息科技大學(xué)，北京 100192）

0 引 言

輪式裝載機(jī)在設(shè)計(jì)中可以建立虛擬樣機(jī)來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，但無法對其實(shí)際的應(yīng)用狀況給出正確的評估，本文在以某型號輪式裝載機(jī)為原型進(jìn)行多體系統(tǒng)動力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)建立與物理樣機(jī)相似的虛擬樣機(jī)模型，對工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動干涉性分析，并建立虛擬實(shí)驗(yàn)場來測試裝載機(jī)的實(shí)際性能。從而在設(shè)計(jì)階段就可以預(yù)測其性能是否達(dá)到要求。

1 裝載機(jī)多體動力學(xué)模型

裝載機(jī)的三維實(shí)體較為復(fù)雜，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及功能要求，采取自左向右和自底向上的設(shè)計(jì)方法。ADAMS軟件在進(jìn)行運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)計(jì)算時，當(dāng)虛擬樣機(jī)的質(zhì)量、質(zhì)心位置、慣性矩與實(shí)際裝備相同，其仿真結(jié)果就越接近真實(shí)情況。因此，構(gòu)件描述越準(zhǔn)確，ADAMS自動計(jì)算的構(gòu)件質(zhì)量和質(zhì)心位置就越精確，仿真結(jié)果也就越準(zhǔn)確。雖然ADAMS自身具備一定的建模功能，但像裝載機(jī)這類復(fù)雜構(gòu)件的建模不是ADAMS的專長，可通過Pro/E進(jìn)行建模并裝配，再利用 MECH/Pro接口導(dǎo)入 ADAMS進(jìn)行仿真分析［1-3］。首先，以某國產(chǎn)裝載機(jī)為原型，在滿足實(shí)際研究需求的情況下，適當(dāng)簡化模型，在Pro/E［4］中繪制包括鏟斗、連桿、動臂、搖臂、舉升液壓缸、轉(zhuǎn)斗液壓缸、轉(zhuǎn)向液壓缸、車軸、輪胎等三維模型，并進(jìn)行裝配。然后，將之前在Pro/E中建立的裝配模型以X_T格式導(dǎo)入ADAMS/View環(huán)境下，修改各部件名稱，重新定義材料屬性，使各構(gòu)件的質(zhì)量及整車質(zhì)量、質(zhì)心位置和慣性矩與實(shí)際車型一致，定義各個構(gòu)件之間的運(yùn)動副約束關(guān)系，添加構(gòu)件間的運(yùn)動副約束關(guān)系。最后得到的虛擬樣機(jī)模型如圖1所示。

2 裝載機(jī)仿真及試驗(yàn)

2.1 參數(shù)設(shè)置

圖1 裝載機(jī)虛擬樣機(jī)模型

裝載機(jī)的輪胎型號為7.50-20，每個輪胎的負(fù)重為800 kg，氣壓250 kPa，輪胎的寬度205 mm，直徑910 mm。裝載機(jī)前車體重1 043 kg，后車體重1 340 kg，功率15馬力，軸距為1 770 mm，輪距為1 515 mm。路面譜為寬6 m，長14 m的矩形虛擬試車場，在虛擬試驗(yàn)場中進(jìn)行空載，標(biāo)注載荷，超載性能測試，討論此條件下的性能分析。當(dāng)然，也可以根據(jù)要測試的項(xiàng)目確定不同的實(shí)驗(yàn)條件，對裝載機(jī)的虛擬模型進(jìn)行不同性能的測試與分析。

2.2 運(yùn)動仿真

仿真時工作機(jī)構(gòu)一次工作循環(huán)時間限制在20 s左右，其中動臂提升時間9 s，動臂下降時間4 s，鏟斗前傾時間3 s。進(jìn)行裝載和卸料過程中的空載情況下仿真。仿真時間為20 s，步長2 000步，本文以裝載松散型物料為對象，裝載機(jī)標(biāo)注載荷為600 kg進(jìn)行試驗(yàn)，加載點(diǎn)為鏟斗的中心點(diǎn),加載力函數(shù)，設(shè)定在16 s時鏟斗迅速卸載。圖2為仿真過程，本文采用配合鏟掘法，裝載機(jī)插入物料同時進(jìn)行鏟斗的翻轉(zhuǎn)和動臂的提升，這種方法阻力較小，比較常用。圖 2（a）、（b）、（c），表示裝載機(jī)的舉升過程，圖 2（d）表示卸料過程，圖 2（e）、（f）表示下降過程。從仿真實(shí)驗(yàn)可以得出模型基本符合實(shí)際。

圖2

2.3 超載試驗(yàn)

超載試驗(yàn)對裝載機(jī)具有破壞性，還有可能造成傾覆進(jìn)而對試驗(yàn)人員造成危害，因此傳統(tǒng)的方法是通過經(jīng)驗(yàn)公式來確定最大裝載量，虛擬樣機(jī)對超載的研究可以降低試驗(yàn)成本，確定最大裝載量。在試驗(yàn)過程中持續(xù)加載到1 200 kg時，裝載過程中發(fā)生后輪瞬間離地，前輪的印記面積增大，變形加大，與經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)規(guī)定的2.0～2.5倍額定載重量基本吻合。1 200 kg是裝載機(jī)的最大裝載極值，可以得出虛擬樣機(jī)基本滿足設(shè)計(jì)要求。

3 裝載機(jī)的運(yùn)動過程中液壓油缸受力分析

裝載機(jī)液壓系統(tǒng)使用過程中出現(xiàn)的故障中以油液過熱占很大比例，這主要是由于裝載機(jī)系統(tǒng)壓力太大，過載安全閥調(diào)定壓力高，造成泵閥缸或其他元件磨損等。通過檢測油缸等處的受力情況，計(jì)算出液壓系統(tǒng)的壓力，對合理的調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)中各個過載安全閥的初始壓力，提供虛擬實(shí)驗(yàn)測試值，以確定實(shí)際使用中各類液壓元件的調(diào)壓范圍，通過受力曲線也可以檢查設(shè)計(jì)合理性。從ADAMS/VIEW的后處理中得到標(biāo)注載荷下的液壓油缸受力曲線如圖3。

從圖中可以看到鏟斗舉升過程中轉(zhuǎn)動系統(tǒng)在16 s時受力達(dá)到最大，在卸載過程中力的變化先沿斜線后按平直線返回初始狀態(tài)。與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較基本符合。以轉(zhuǎn)動活塞中心點(diǎn)作為測量點(diǎn)得出圖4，轉(zhuǎn)動系統(tǒng)在舉升過程中基本維持一條緩慢的下降線，12～16 s時考慮到此時刻轉(zhuǎn)動系統(tǒng)變化影響到轉(zhuǎn)動系統(tǒng)受力出現(xiàn)突變，在17 s以后基本沿直線回到起點(diǎn)。根據(jù)假設(shè)在16 s時物料要在一瞬間卸載完畢，標(biāo)準(zhǔn)載荷下，從圖3得到最大壓力1 500 N（換算壓力7MPa）。與實(shí)際的測得數(shù)據(jù)7.3 MPa相差不大，誤差主要來自液壓系統(tǒng)的損失以及管道阻力。超載時最大首力為2 750 N換算成壓力12.8 MPa，實(shí)際測的數(shù)據(jù)為13.3 MPa。超載時與標(biāo)注載荷基本相似，轉(zhuǎn)動液壓油缸受力為標(biāo)注載荷的2倍，裝載機(jī)動力學(xué)仿真時工作機(jī)構(gòu)的速度及加速度及整車手慣性力的作用都會造成鉸接點(diǎn)的受力過大，從而造成“死點(diǎn)”現(xiàn)象。

圖3 標(biāo)注載荷下轉(zhuǎn)動液壓油缸受力

圖4 超載時轉(zhuǎn)動液壓油缸受力

4結(jié) 論

通過對裝載機(jī)虛擬樣機(jī)的運(yùn)動仿真和虛擬試驗(yàn)分析，對裝載機(jī)數(shù)字化模型工作機(jī)構(gòu)舉升過程中的受力分析與物理樣機(jī)進(jìn)行對比，裝載機(jī)的設(shè)計(jì)基本符合要求。本研究將實(shí)現(xiàn)裝載機(jī)產(chǎn)品在實(shí)際加工之前對其性能、可制造性進(jìn)行評價，以達(dá)到產(chǎn)品生產(chǎn)的最優(yōu)目標(biāo)的目的。

［1］ 陳志偉，董月亮.多體動力學(xué)仿真基礎(chǔ)與實(shí)例解析［M］.北京：中國水利水電出版社，2012.

［2］ 李江波，黃明輝，趙興.基于ADAMS與EASY5的大型模鍛液壓機(jī)聯(lián)合仿真［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（6）：235-237.

［3］ 湯滌軍，林程，舒進(jìn).基于ADAMS的機(jī)電液一體化仿真研究［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2004（l0）：119-121.

［4］ 黃小龍，高宏，周建國.Pro/ENGINEER野火版3.0零件設(shè)計(jì)實(shí)例精講［M］.北京：人民郵電出版社，2008.