基于ADAMS液壓挖掘機(jī)工作裝置動(dòng)力學(xué)仿真分析

肖才遠(yuǎn)，張桂菊,2，鄧瑞麟

(1.邵陽(yáng)學(xué)院 機(jī)械與能源工程系，湖南 邵陽(yáng)，422000；2.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

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基于ADAMS液壓挖掘機(jī)工作裝置動(dòng)力學(xué)仿真分析

肖才遠(yuǎn)1，張桂菊1,2，鄧瑞麟1

(1.邵陽(yáng)學(xué)院 機(jī)械與能源工程系，湖南 邵陽(yáng)，422000；2.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

以某型挖掘機(jī)為研究對(duì)象，利用UG NX三維造型設(shè)計(jì)軟件建立其工作裝置的三維模型，然后倒入到ADAMS中，再利用ADAMS自動(dòng)柔性化功能將工作裝置三維模型轉(zhuǎn)化成柔性體，建立剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型.通過(guò)對(duì)工作裝置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，獲得裝置主要鉸接點(diǎn)處的載荷曲線，動(dòng)臂與斗桿鉸接處最大載荷受力為230kN，此值出現(xiàn)在挖掘阻力最大時(shí)刻，驗(yàn)證了仿真的正確性.

液壓挖掘機(jī)；工作裝置；ADAMS；動(dòng)力學(xué)仿真

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的進(jìn)程快速推進(jìn)，工程機(jī)械在工程領(lǐng)域的使用變得越來(lái)越頻繁，對(duì)工程機(jī)械產(chǎn)品性能的要求也越來(lái)越高[1，2].液壓挖掘機(jī)是我國(guó)工程領(lǐng)域主要的施工機(jī)械，在施工過(guò)程中運(yùn)動(dòng)和受力較復(fù)雜，其穩(wěn)定性和可靠性直接影響挖掘機(jī)的工作質(zhì)量和工作效率.

目前國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)液壓挖掘機(jī)工作裝置已經(jīng)在虛擬樣機(jī)技術(shù)方面開(kāi)展了相關(guān)的研究與應(yīng)用。我國(guó)學(xué)者主要在挖掘機(jī)工作裝置有限元分析、機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面做了相關(guān)的研究工作，例如祖英利等人使用ADAMS對(duì)液壓挖掘裝載機(jī)的工作裝置進(jìn)行了仿真優(yōu)化,并對(duì)其進(jìn)行了有限元分析，張芒國(guó)等人以液壓挖掘機(jī)為重點(diǎn)對(duì)機(jī)液一體化虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行了研究,并利用ANSYS軟件對(duì)其工作裝置的結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行了有限元分析[3，5]。而國(guó)外研究人員則在挖掘機(jī)工作裝置疲勞損傷、斷裂、疲勞試驗(yàn)、疲勞強(qiáng)度等方面進(jìn)行了較為深入研究[6，7]。但是，在國(guó)內(nèi)外還較少有對(duì)液壓挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真方面系統(tǒng)性研究。

本文主要以挖掘力性能為目標(biāo)函數(shù)，以工作裝置鉸接點(diǎn)位置為設(shè)計(jì)變量，利用ADAMS進(jìn)行仿真計(jì)算，得出工作裝置關(guān)鍵鉸點(diǎn)約束反作用力曲線，仿真結(jié)果可為各種類型的液壓挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供可靠的數(shù)據(jù)支持，這項(xiàng)研究對(duì)提高挖掘機(jī)技術(shù)水平具有重要的理論指導(dǎo)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本文研究對(duì)象選為市面上常見(jiàn)的國(guó)產(chǎn)型液壓挖掘機(jī)。

1 液壓挖掘機(jī)工作裝置建模

液壓挖掘機(jī)工作裝置是挖掘機(jī)工作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在整個(gè)工作過(guò)程中，由于工作裝置組件重心位置的變化和瞬時(shí)沖擊會(huì)對(duì)工作裝置產(chǎn)生較大的附著力.因此采用工作裝置剛?cè)狁詈隙囿w模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析.本文采用三維軟件UG NX對(duì)工作裝置進(jìn)行三維幾何建模，如圖1所示，然后將其導(dǎo)入到多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS中，用 ADAMS 的自動(dòng)柔性化功能將工作裝置三維模型轉(zhuǎn)化成柔性體，并施加材料屬性和約束后建立動(dòng)力學(xué)模型.模型主要包括鏟斗1、斗桿2、動(dòng)臂3、回轉(zhuǎn)平臺(tái)4、動(dòng)臂液壓缸5、鏟斗液壓缸6和斗桿液壓缸7等部件組成.工作裝置三維模型建立過(guò)程中，為便于ADAMS軟件的仿真計(jì)算，在不改變工作裝置的力學(xué)性能的情況下，對(duì)工作裝置進(jìn)行以下簡(jiǎn)化處理：

(1)由于工作裝置各組件的倒角對(duì)仿真和應(yīng)力分析影響較小，為降低ADAMS軟件計(jì)算時(shí)間，對(duì)所有組件的倒角簡(jiǎn)化處理.

(2)為了簡(jiǎn)化仿真模型，將工作裝置組件間的各鉸接孔處的連接銷等非傳動(dòng)件忽略，將其質(zhì)量添加到相連的傳動(dòng)件上.

(3)為便于簡(jiǎn)化工作裝置組件間的約束與自由度，將斗齒與鏟斗作為一個(gè)整體建模.

工作裝置的主要工作尺寸由液壓油缸的行程確定，液壓油缸參數(shù)如表1所示.

表1 工作裝置液壓油缸主要參數(shù)Table 1 Hydraulic cylinder parameters for working device

圖1 工作裝置模型Fig.1 Simulation model of working device

2 挖掘機(jī)的理論挖掘載荷計(jì)算

挖掘機(jī)在進(jìn)行挖掘作業(yè)時(shí)載荷類型和分布情況十分復(fù)雜，主要由挖掘阻力、物料的重量和工作裝置自身的重量組成，其中挖掘阻力是鏟斗在挖掘過(guò)程中所受的最大阻力.挖掘阻力通常由鏟斗切削土壤產(chǎn)生的摩擦力、土壤的切削阻力和推移阻力構(gòu)成，在方向上可分解為法向挖掘阻力和切向挖掘阻力，為便于仿真分析可近似地認(rèn)為作用在鏟斗的斗齒尖上.其經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式如下[8]：

切向挖掘阻力：Wtmax=K0bhtmax

(1)

法向挖掘阻力：Wnmax=τWtmax

(2)

式中：K0為挖掘比阻力系數(shù)，單位：N/mm2，取值19.5N/cm2.b為挖掘?qū)挾?，單位：mm，實(shí)測(cè)值為129.5cm.htmax為挖掘深度，一般取0.2b，單位：mm，0.2b =25.9 cm.τ為挖掘阻力系數(shù)，取值0.42.

在實(shí)際施工挖掘作業(yè)中挖掘阻力不僅與鏟斗形狀、鏟斗和土壤間的摩擦阻力、土壤的切削阻力、裝土壤阻力有關(guān)，還與液壓挖掘機(jī)位置、系統(tǒng)工作壓力和挖掘液壓缸活塞工作面積有關(guān).根據(jù)相關(guān)研究，采用1.5倍的挖掘阻力進(jìn)行校核[9,10].即

Wtmax=1.5×K0bhtmax=98.1KN

Wnmax=1.5×τWtmax=41.2KN

挖掘物料產(chǎn)生的重力計(jì)算公式為：

G=ρgv

式中：ρ為土壤密度，取值1.8×10-6kg/m3；v為鏟斗的容積，取值1.05m3；g為重力加速度，取值9.8m/s2，通過(guò)計(jì)算G=18.5kN.

3 函數(shù)控制

挖掘機(jī)作業(yè)動(dòng)作分為挖掘、提升、回轉(zhuǎn)、卸料、反回轉(zhuǎn)、降臂等環(huán)節(jié).在挖掘作業(yè)過(guò)程中,鏟斗上產(chǎn)生的挖掘阻力比較復(fù)雜,進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)，完全真實(shí)的描述鏟斗上的挖掘阻力比較困難，通常在鏟斗斗齒上以集中力代替.

3.1 驅(qū)動(dòng)函數(shù)控制

液壓油缸產(chǎn)生的液壓力是工作裝置工作的源動(dòng)力，在ADAMS中，需要通過(guò)施加階躍函數(shù)STEP驅(qū)動(dòng)液壓油缸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)液壓油缸函數(shù)設(shè)置如下：

a.定義動(dòng)臂油缸上的驅(qū)動(dòng)方程為

STEP(time,0,0,0.9,150)+STEP(time,0.9,0,4.6,0)+STEP(time,4.6,0,8.1,-390) +STEP(time,8.1,0,9.1,0)+STEP(time,9.1,0,12.2,0)+STEP(time,12.2,0,13.6,-40)+STEP(time,13.6,0,15,430)

b.定義斗桿油缸上的驅(qū)動(dòng)方程為

STEP(time,0,0,0.9,-100)+STEP(time,1,0,4.6,-400)+STEP(time,4.6,0,8.1,0)+STEP(time,8.1,0,9.1,0)+STEP(time,9.1,0,12.2,250)+STEP(time,12.2,0,15,150)

c.定義鏟斗油缸上的驅(qū)動(dòng)方程為

STEP(time,0,0,0.9,100)+STEP(time,0.9,0,2,0)+STEP(time,2,0,4.6,-340)+STEP(time,4.6,0,8.1,-150)+STEP(time,8.1,0,9.1,0)+STEP(time,9.1,0,10.3,0)+STEP(time,10.3,0,12.2,490)+STEP(time,12.2,0,15,0)

d.定義回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副上的驅(qū)動(dòng)方程為

STEP(time,0,0,0.9,0)+STEP(time,1.0,0,4.6,0)+STEP(time,4.6,0,6.4,0)+STEP(time,6.4,0,9.1,90d)+STEP(time,9.1,0,12.2,0)+STEP(time,12.2,0,15,-90d)

圖2 各油缸及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)函數(shù)曲線Fig.2 Drive function curves of The oil cylinder and slewing mechanism

3.2 載荷函數(shù)控制

根據(jù)挖掘載荷計(jì)算結(jié)果，在ADAMS中，挖掘阻力由STEP函數(shù)表示如下:

切向阻力Wtmax的STEP函數(shù)表示為:

STEP(time,1.0,0,3.6,98100)+STEP(time,3.6,0,4.5,-98100)

法向阻力Wnmax的STEP函數(shù)表示為:

STEP(time,1.0,0,3.6,41200)+STEP(time,3.6,0,4.5,-41200)

物料重力的STEP函數(shù)表示如下:

STEP(time,1.0,0,4.5,18500)+STEP(time,4.5,0,9.7,0)+STEP(time,9.7,0,12,-18500)

切向阻力Wtmax、法向挖掘阻力Wnmax、物料重力G的STEP函數(shù)曲線如圖3

4 仿真分析

在仿真過(guò)程中仿真時(shí)間為15s，仿真步數(shù)為200，從停機(jī)位置進(jìn)入到挖掘地點(diǎn)時(shí)間為1s，作業(yè)過(guò)程所用的時(shí)間為14s.通過(guò)ADAMS計(jì)算各鉸點(diǎn)間的作用力，得出工作裝置各鉸點(diǎn)位移和載荷仿真曲線.

圖3 挖掘機(jī)工作裝置外載荷曲線圖Fig.3 Load curves of excavator working device

4.1 鏟斗斗齒尖位移仿真

圖4為鏟斗斗齒尖的位移曲線.從圖上可以看出，0～6s液壓挖掘機(jī)處于挖掘階段，鏟斗斗齒尖z方向上位移不變，豎直平面內(nèi)運(yùn)動(dòng); 6s～10液壓挖掘機(jī)處于回轉(zhuǎn)階段，鏟斗斗齒尖x、y、z方向的位移均發(fā)生變化; 10s～12s液壓挖掘機(jī)的工作裝置回轉(zhuǎn)結(jié)束，卸載開(kāi)始，直至卸載完成，鏟斗斗齒尖在x方向位移變化曲線為一直線，位移不變；12s～15s液壓挖掘機(jī)卸載完成返回工作點(diǎn),鏟斗斗齒尖在x方向、y方向和z方向的位移不斷變化.仿真結(jié)果顯示鏟斗斗齒尖位移在各液壓油缸運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)下發(fā)生變化，鏟斗斗齒尖的仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際值比較接近，說(shuō)明仿真正確.

表2 實(shí)際值與仿真值對(duì)比表Table 2 Comparison of actual value and simulation value

圖4 鏟斗斗齒齒尖位移仿真曲線Fig.4 Displacement simulation curves of bucket teeth tip

4.2 液壓缸受力仿真

圖5為工作裝置各油缸的受力仿真曲線.從圖5可以看出，在0～1.2s挖掘機(jī)工作裝置處于挖掘準(zhǔn)備階段，各油缸開(kāi)始動(dòng)作，壓力波動(dòng)明顯，由于降臂動(dòng)作主要發(fā)生在動(dòng)臂上，壓力變化較大.作業(yè)開(kāi)始前，各液壓缸所受壓力回落5kN左右，1.2s鏟斗開(kāi)始挖掘，斗桿油缸和鏟斗油缸壓力隨挖掘阻力增大而增大，當(dāng)挖掘阻力最大時(shí)，斗桿油缸和鏟斗油缸壓力達(dá)到最大值，隨后開(kāi)始迅速減小.4.5s之后工作裝置的工作狀態(tài)進(jìn)入提升回轉(zhuǎn)階段，在此過(guò)程中，動(dòng)缸臂只受物料重力作用，所以動(dòng)臂缸受力在120kN附近上下波動(dòng)；12s開(kāi)始進(jìn)入卸載階段,三個(gè)油缸受力迅速減小，因物料重力減小，動(dòng)臂油缸減小幅度較大.卸料結(jié)束后，斗桿油缸、鏟斗油缸開(kāi)始收縮，斗桿和鏟斗重心提升，動(dòng)臂油缸受力增大，進(jìn)入回轉(zhuǎn)狀態(tài)為避免鏟斗與附近設(shè)備不碰撞，動(dòng)臂油缸需提升一段距離，動(dòng)臂油缸達(dá)到工作最高點(diǎn)，受力繼續(xù)增大，隨后收縮回轉(zhuǎn)到挖掘地點(diǎn)，進(jìn)入下一次挖掘作業(yè)循環(huán)，仿真曲線變化趨勢(shì)符合實(shí)際.

圖5 動(dòng)臂油缸、斗桿油缸及鏟斗油缸受力仿真曲線Fig.5 Force variation simulation curves of hydraulic cylinder for boom，bucket rod and bucket

4.3 液壓挖掘機(jī)工作裝置各鉸點(diǎn)受力仿真分析

圖6、7所示分別為動(dòng)臂各鉸點(diǎn)受力仿真曲線和斗桿各鉸點(diǎn)受力仿真曲線.從圖中可以看出挖掘過(guò)程中當(dāng)挖掘合阻力處于最大時(shí)，動(dòng)臂和斗桿鉸點(diǎn)處的約束反力均處于最大值.3.6s時(shí)斗桿和鏟斗液壓缸共同作用，斗桿油缸壓力最大值達(dá)200kN左右，動(dòng)臂與斗桿鉸接處出現(xiàn)最大值約束反力230kN.因此，動(dòng)臂與斗桿鉸接處G點(diǎn)是挖掘作業(yè)過(guò)程中的容易損壞部位，動(dòng)臂與斗桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮強(qiáng)度和剛度的影響，選擇材料時(shí)應(yīng)選用高強(qiáng)度合金鋼，產(chǎn)品加工完成后應(yīng)對(duì)表面進(jìn)行特殊處理，提高疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)使用壽命.另外，動(dòng)臂與平臺(tái)鉸點(diǎn)A處易損壞，在最大卸載半徑下，不僅承擔(dān)了工作裝置的重量，而且由于工作裝置的離心力和慣性力的作用，彎曲應(yīng)力較大.

圖6 動(dòng)臂上鉸點(diǎn)受力仿真曲線Fig.6 Force variation curves of each joint of boom

圖7 斗桿上鉸點(diǎn)受力仿真曲線Fig.7 Force variation curves of each joint of bucket rod

5 結(jié)論

通過(guò)液壓挖掘機(jī)工作裝置的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和各部件的空間關(guān)系，利用UG NX三維造型設(shè)計(jì)軟件建立三維模型，對(duì)工作裝置組件的倒角、連接銷及斗齒等部位做了簡(jiǎn)化處理，導(dǎo)入ADAMS動(dòng)力學(xué)分析軟件中，施加材料屬性和約束后建立虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)模型.對(duì)工作裝置在挖掘、提升、回轉(zhuǎn)、卸料、降臂等環(huán)節(jié)進(jìn)行了仿真，對(duì)鏟斗斗齒尖的仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際值進(jìn)行比較，驗(yàn)證了仿真正確.挖掘機(jī)的作業(yè)過(guò)程中最大載荷出現(xiàn)在挖掘阻力最大時(shí)，挖掘阻力與載荷成正比，動(dòng)臂受力最大值為230kN.通過(guò)對(duì)工作裝置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了理論參考依據(jù).

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Dynamic simulation analysis of working device for hydraulic excavator based on ADAMS

XIAO Caiyuan1，ZHANG Guiju1，2，DENG Ruilin1

(1.Department of Mechanical and Energy Engineering，Shaoyang University,Shaoyang 422000，China;2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha 410083，China)

Taking a certain type of excavator as the research object，the 3D models of its working device were established and assembled by 3D design software UG NX then pour it into the ADAMS，the 3D models of the working device is transformed into a flexible body by using the automatic flexible function of ADAMS，establish rigid flexible coupling virtual prototype model.Through the dynamic analysis of the working device，get load curve at the main hinge points of the device.The maximum load stress of hinged point is 230 kN between movable arm and bucket rod，which appeared at the digging resistance’s maximum value.Verify the correctness of the simulation.

hydraulic excavator;working device; ADAMS;dynamic simulation

1672-7010(2016)02-0089-06

2015-12-17

湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(15C1240)；2016年湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目作者簡(jiǎn)介：肖才遠(yuǎn)(1979-)，男，貴州威寧人，講師，從事機(jī)械設(shè)計(jì)方法與理論、機(jī)電一體化技術(shù)的研究

張桂菊(1979-)，女，博士研究生，副教授，從事機(jī)電一體化技術(shù)及掘進(jìn)裝備破巖機(jī)理的研究；Email：zhangguiju1999@sina.cn

TH137

A