基于ADAMS與ANSYS的裝載機工作裝置動力學仿真

范曉峰，宋緒丁，萬一品

（長安大學道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安710064）

裝載機工作裝置的好壞直接體現(xiàn)裝載機的性能的優(yōu)略，對其進行動力學模擬仿真能減少設(shè)計成本以及設(shè)計時間并能從一定程度上檢測產(chǎn)品質(zhì)量。文獻[1]對裝載機工作裝置進行了純剛體動力學分析，得到在掘起時刻時受力最大；文獻[2]建立了裝載機工作裝置的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，分析了其動力學與運動學特性；文獻[3]通過比較了裝載機工作裝置的純剛形體模型與剛?cè)狁詈夏Ｐ蛣恿W分析結(jié)果，得出剛?cè)狁詈夏Ｐ团c實際情況更相符。本文以某廠5 t裝載機為研究對象，通過對建立的剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M行動力學分析，得到應力云圖以及應力時間曲線，為后續(xù)裝載機工作裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/h2>

裝載機工作裝置二維平面結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 裝載機工作裝置平面圖

裝載機工作裝置在工作時其動臂受載荷較大，極易發(fā)生變形；如果把它當成剛性體考慮就默認了其受力時不會產(chǎn)生變形，這與實際情況相脫離，這時引入柔性體來解決這一難題。ADAMS中主要根據(jù)模態(tài)疊加合成原理來描述柔性體，其實質(zhì)是計算物體每一時刻由模態(tài)向量和模態(tài)坐標表示的彈性位移來說明物體的變形[4]。

利用文獻[4]理論基礎(chǔ)，用柔性體來代替純剛體的動臂來進行剛?cè)狁詈蟿恿W仿真；采用在ANSYS中生成柔性體，并將其導入到ADAMS中構(gòu)建剛?cè)狁詈夏Ｐ蛠磉M行剛?cè)狁詈蟿恿W分析，同時主節(jié)點與鉸孔間采用梁單元來連接以此來傳遞載荷到動臂上。如圖2為裝載機工作裝置的剛?cè)狁詈夏Ｐ汀?/p>

圖2 裝載機工作裝置的剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

2 裝載機工作裝置外載荷計算

裝載機工作裝置在工作過程中主要受到的外載荷有插入阻力、掘起阻力以及物料和本機自重。以下以散裝物料為例計算其工作載荷，計算公式如下：

（1）插入阻力

式中a表示鏟斗插入料堆的深度，大小為85 cm；b表示鏟斗的寬度大小，其值為300 cm；ξ1表示物料間的緊密系數(shù)，這里取0.7；ξ2表示物料類型影響系數(shù)，這里取值0.17.ξ3表示所鏟裝物料堆高度的影響系數(shù)，取1.15；ξ4表示鏟斗本身形狀的影響系數(shù)，其大小一般在1.1到1.8之間，對于沒有齒尖的鏟斗取值一般較大，這里取1.4.

（2）掘起阻力

式中M表示鏟斗自重加上額定載重的質(zhì)量，為6 150 kg；a和上式表述一樣即插入料堆深度為0.85 m；L1表示鏟斗斗尖到鏟斗下鉸孔的水平距離，其大小等于1.27 m，L2代表鏟斗下鉸孔與地面的垂直距離，其值為0.31m；L3描述鏟斗質(zhì)心到鏟斗下鉸孔的水平距離，為0.53 m；具體表述如圖3所示。通過計算得到插入阻力為145.4 kN，掘起阻力大小為120.6 kN.

圖3 節(jié)點的應力時間圖

3 動力學仿真

借助ADAMS模型完成裝載機插入物料，掘起物料，舉升物料以及卸載物料這四種工況的仿真，其中驅(qū)動以及載荷的添加由step函數(shù)實現(xiàn)，如下所示：

動臂油缸行程函數(shù)：STEP（time，6，0，12，0.680）+STEP（ time，13.5，0，17，-0.680）

轉(zhuǎn)斗油缸行程函數(shù)：STEP（time，0，0，1，0.2）+STEP（ time，3，0，6，0.3）+STEP（time，12，0，13.5，-0.5）

插入阻力函數(shù)：STEP（time，1，0，2.95，145376）+STEP（ time，2.95，0，3，-145376）

掘起阻力函數(shù)：STEP（ time，2.95，0，3，-120568）+STEP（ time，3，0，6，120568）

物料重力函數(shù)：STEP（time，2，0，3，-49000）

+STEP （time，3，0，12，0） +STEP （time，12，0，13.5，49000）

如圖3為最大應力節(jié)點的應力時間歷程圖，從圖中可知，應力最大出現(xiàn)在第3 s時刻，大小為211 MPa.

4 結(jié)論

通過ANSYS生成拉桿、搖臂以及動臂的模態(tài)中性文件導入到ADAMS中建立了裝載機工作裝置的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，通過公式計算得到裝載機工作裝置的插入阻力與掘起阻力，并對其進行了動力學分析，得到其應力最大時刻發(fā)生在掘起物料結(jié)束到收斗的瞬間；其應力變化總體趨勢為在鏟掘物料時逐漸變大，在收斗瞬間達到峰值，然后隨著卸料應力開始減小，隨著卸料的結(jié)束最后趨于平穩(wěn)。