多功能園林作業(yè)機推土作業(yè)仿真分析

， 任毛飛， 陳娟娟

(信陽農(nóng)林學院，河南 信陽 464001)

多功能園林作業(yè)機是指可以完成一般園林綠化作業(yè)(如開溝、挖坑、修剪草坪、整地等)的一種新型作業(yè)機具，該機主要由滑移裝載機衍生而來[1]。

1 多功能園林作業(yè)機三維模型建立

在園林綠化建設中，平整地面、裝卸土壤沙石是最主要的作業(yè)內容，在此重點分析多功能園林作業(yè)機推土作業(yè)(包含鏟、裝、卸等基本作業(yè)環(huán)節(jié))的作業(yè)特點[2-3]。多功能園林作業(yè)機安裝推土鏟后便可組成具有推土功能的作業(yè)機，用Pro/E 4.0對其建模得到如圖1所示的三維模型。

推土鏟的動作由鏟斗液壓缸和舉升液壓缸聯(lián)動控制[4]。作業(yè)機推土作業(yè)時前端質量相對較大，為了保持穩(wěn)定性，在作業(yè)機的后端安裝柴油機及質量較大的部件。同時把舉升液壓缸的支撐點也安裝在后輪的位置上，這樣的布置更有利于車體工作時保持前后的平衡，同時也能起到穩(wěn)定力矩的作用[5]。

圖1 多功能園林作業(yè)機推土作業(yè)三維模型1.鏟斗液壓缸；2.工作動臂；3.推土鏟；4.附件安裝系統(tǒng)；5.舉升液壓缸；6.車體；7.四輪轉向系統(tǒng)

2 多功能園林作業(yè)機推土作業(yè)仿真分析

多功能園林作業(yè)機工作裝置的連桿機構是在裝載機正轉五桿機構的基礎上加以改進設計，如圖2所示。其主要是為了適應各種不同附件的作業(yè)特點，同時也兼顧了裝載機鏟、裝、卸等基本要求。其附件快速安裝裝置相當于五桿機構中最短的連桿，這樣連桿機構的主要特點如下：①掘起力比六桿機構?。虎谶B桿的倍率系數(shù)難以設計成較大的值，因而轉斗的油缸行程較大，尺寸較小[6]；③卸載時，活塞桿容易與斗底碰撞，因而推土鏟的結構形式需要相應設計。這種正轉五桿機構結構簡單，能滿足多功能園林作業(yè)的基本需求，因而大多數(shù)多功能園林作業(yè)機均采取這種結構[7]。

圖2 正轉五桿機構1.連桿；2.鏟斗；3.動臂；4.鏟斗油缸

為了進一步驗證園林作業(yè)機多功能作業(yè)的特性，在此利用運動學分析軟件ADMAS分析作業(yè)機安裝推土鏟后，其鏟土、裝土、卸土一系列作業(yè)動作的基本性能，從而為多功能園林作業(yè)機在桿件設計及力學分析等方面提供參考。

建模前先啟動ADAMS/View設置操作環(huán)境，設置好標準單位、重力加速度及存盤路徑等，然后建立鏟斗的截面圖并拉伸，最后進行抽殼處理，完成鏟斗作業(yè)模型的建立，如圖3所示。通過結構點圖標及幾何工具箱里的創(chuàng)建板工具，創(chuàng)建動臂各部件，完成動臂前板、動臂后板以及動臂橫軸、鏟斗油缸、油缸活塞的建模并用布爾運算工具將動臂連為一體[8-9]。

圖3 鏟斗三維模型

多功能園林作業(yè)機推土作業(yè)模型建立后在模型中添加約束，選擇相應的設計點首先創(chuàng)建鏟斗與動臂、動臂與車身等一共12個旋轉副，創(chuàng)建鏟斗油缸和鏟斗活塞的圓柱副并在圓柱副上添加運動副。建模后整體效果如圖4所示。

圖4 建模后整體效果

相關部件的運動關系建立后利用step函數(shù)設置運動狀況，step函數(shù)是在ADAMS中較為常用的函數(shù)之一，格式為step(x，x0，x1，h1)?，F(xiàn)對其進行參數(shù)說明：

x—自變量，可以是時間或者時間函數(shù)；

x0—自變量的step函數(shù)開始值，可以是常數(shù)、函數(shù)表達式或者設計變量；

x1—自變量的step函數(shù)結束值，可以是常數(shù)、函數(shù)表達式或者設計變量；

h0—step函數(shù)初始值，可以是常數(shù)、函數(shù)表達式或者其他函數(shù)表達式；

h1—step函數(shù)最終值，可以是常數(shù)、函數(shù)表達式或者其他函數(shù)表達式。

確定運動函數(shù)后結合多功能園林作業(yè)機推土作業(yè)狀況設定推土作業(yè)過程仿真時間，將推土作業(yè)分為以下幾個步驟；① 鏟斗翻斗——0～3 s；②工作間歇——3～4 s；③鏟斗反轉——4～5 s；④動臂舉升——5～9 s；⑤卸料翻斗——9～10 s；⑥工作間歇——10～12 s；⑦動臂下降——12～20 s。

接下來將動臂油缸的運動function欄設置為：step(time，5，0，9，550)+step(time，12，0，20，-550)；將鏟斗油缸的運動function欄設置為：step(time，0，0，3，-80)+step(time，4，0，5，80)+step(time，9，0，10，-200)。然后點擊仿真工具，設置end time為25 s，STEPs為1 000，點擊啟動圖標進行仿真。

為了分析鏟斗的運動狀況，在鏟斗的前端中間位置建立一個標記點，在仿真過程中該標記點的軌跡如圖5所示。為便于分析，在此將軌跡圖片加以處理，根據(jù)軌跡的變化形式及結合多功能園林作業(yè)機鏟斗的作業(yè)情況將整個曲線分為4段。從軌跡曲線可以看出，作業(yè)機從0～1點開始向下鏟土，這段時間是3 s，主要方式為鏟斗的運動，其軌跡為0～1這段曲線；然后作業(yè)機開始鏟土上升，從1位置到0位置，作業(yè)機將土鏟持平，這個過程為多功能園林作業(yè)機的調姿階段，軌跡與向下鏟土軌跡重合；圖中0～2這段曲線表示作業(yè)機穩(wěn)步上升階段，其大概軌跡為圓弧形，速度動蕩不大，加速度動蕩也不大，時間一直延續(xù)到9 s這一時刻。圖中2～3段曲線為鏟斗卸土動作階段，此時動臂油缸基本不動，主要為鏟斗油缸動作，其軌跡也大致為圓弧形，3～4段曲線為返回過程階段，至此完成一個作業(yè)工作周期。整個曲線是在多功能園林作業(yè)機動臂油缸一端固定情況下(即作業(yè)機在原地作業(yè)無轉彎和前進動作)的模擬仿真。

圖5 標記點軌跡

標記點的位移、速度、平移加速度分析分別如圖6、圖7、圖8所示，這三個圖是將X方向和Y方向的總位移、速度、平移加速度結合起來(無Z方向，因為在Z方向各個值均為0)，從這些分析圖中可以看出各個階段標記點的運動狀況，從而反映整個鏟斗的工作過程，為以后鏟斗的工作性能分析，如工作是否平穩(wěn)、工作行程是否合理，以及有無干涉等方面提供重要的參考依據(jù)。

圖6 標記點位移分析

圖7 標記點速度分析

圖8 標記點平移加速度分析

從標記點位移、速度、平移加速度的分析圖可知：標記點的位移，X方向的位移變換較小，說明鏟斗的作業(yè)幅度不大，基本在圓弧范圍內動作。Y方向的位移變換為2 100 mm左右，符合常用多功能作業(yè)機的基本俯仰范圍，但相比較大的裝載機其俯仰范圍要小。同時由于該仿真是動臂油缸固定在地面上，step函數(shù)也沒有按照最大范圍設計，所以仿真結果比實際(實際的范圍大約是2 600 mm)要小。而總的位移為X方向位移平方加上Y方向位移平方的平方根，所以一直為正值。

標記點的速度經(jīng)歷了幾個變換區(qū)域，其區(qū)域的劃分與圖中標記點的軌跡相對應。速度在鏟土和卸載時達到最大，在該時刻加速度也達到最大，其他時刻加速度基本為0，說明這些時刻工作較為平穩(wěn)。在鏟土和下載時因為推土鏟的受力方式急劇變化，同時推土鏟內物料的重量也急劇變化，所以這段時間推土鏟不僅對鏟斗油缸和動臂油缸有沖擊，而且對整個車體也有沖擊。

3 結束語

通過建立三維模型，分析了多功能園林作業(yè)機推土作業(yè)的工作過程。重點分析了工作臂的運動形式，利用了ADAMS軟件的仿真功能，建立了作業(yè)機工作裝置的仿真模型。結合推土作業(yè)鏟、裝、卸的作業(yè)特點，通過建立標記點記錄了該點位移、速度、平移加速度的變化，利用step函數(shù)得到作業(yè)鏟的總體作業(yè)情況。對多功能園林作業(yè)機的關鍵部件工作動臂進行了應力應變分析，得出其最大應力區(qū)域，為工作動臂的設計提供了參考。