液壓挖掘機(jī)工作裝置聯(lián)合仿真研究*

劉 暢，孫 健，楊鵬程

（徐州工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州 221018）

0 引言

液壓挖掘機(jī)作為一種土方石挖掘、搬運的多功能土方機(jī)械，常用于各種土方石建設(shè)施工中。為進(jìn)一步提高液壓挖掘機(jī)工作裝置性能，從而達(dá)到提高液壓挖掘機(jī)工作效率的目的，對液壓挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行動力學(xué)仿真，同時對關(guān)鍵桿件進(jìn)行有限元分析，找到其設(shè)計缺陷，優(yōu)化各桿件結(jié)構(gòu)，對提高工作裝置的工作性能顯得至關(guān)重要[1]。

影響液壓挖掘機(jī)工作效率的因素是復(fù)雜且不可預(yù)測的，其中最為直接的因素在于各結(jié)構(gòu)設(shè)計是否滿足工況要求。對于液壓挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計而言，是一項相對反復(fù)且復(fù)雜的過程，常規(guī)的設(shè)計流程為產(chǎn)品設(shè)計、分析、樣機(jī)加工等過程，制作樣機(jī)后對其進(jìn)行反復(fù)試驗、修改，直至產(chǎn)品符合實際工況要求，采用此種設(shè)計方式，在一定程度上不僅大大增加了產(chǎn)品的開發(fā)周期，而且提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。與傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)相比，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)能夠提高設(shè)計計算精確度，縮短產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化周期[2]?；诖?，本文使用ADAMS軟件對液壓挖掘機(jī)工作裝置在復(fù)合工況下進(jìn)行動力學(xué)仿真分析，獲取液壓挖掘機(jī)工作裝置3個液壓油缸位移動態(tài)曲線圖以及各桿件主要鉸接點的受力曲線圖，得到在真實工況下液壓挖掘機(jī)工作裝置各鉸接點最大受力姿態(tài)及受力大小，借此對工作裝置進(jìn)行有限元分析，得出液壓挖掘機(jī)工作裝置在實際工況下的受力情況，為今后對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

1 工作裝置模型的建立

1.1 Pro/E三維實體模型建立

為減少模型在ADAMS軟件內(nèi)添加約束過多，造成過約束問題發(fā)生，在進(jìn)行三維建模時需對模型進(jìn)行簡化處理，建立液壓挖掘機(jī)工作裝置三維模型圖[3]，如圖1所示。為保證Pro/E與ADAMS兩者生成的文件有著較好的兼容性，需將建立好的液壓挖掘機(jī)工作裝置三維模型保存成ADAMS軟件兼容的Parasolid（*.x_t）格式，方可將模型導(dǎo)入ADAMS軟件內(nèi)。

由于ADAMS軟件對導(dǎo)入其內(nèi)的三維模型裝配關(guān)系、約束條件、文件格式名有嚴(yán)格要求，因此將在三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件后，需對提示錯誤的部分在Pro/E軟件內(nèi)重新修改，再次導(dǎo)入，最終實現(xiàn)三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件內(nèi)，液壓挖掘機(jī)工作裝置三維模型如圖1所示。圖中，L1為鏟斗液壓缸長度、L2為斗桿液壓缸長度、L3為動臂液壓缸長度、A1為動臂與底座鉸接點、A2為動臂與斗桿鉸接點、A3為動臂與動臂液壓缸鉸接點、A4為動臂與斗桿液壓缸鉸接點。

1.2 虛擬樣機(jī)模型建立

在液壓挖掘機(jī)工作裝置各桿件之間產(chǎn)生相對運動的地方，建立Marker點，其次進(jìn)行約束副及驅(qū)動類型的添加，使得液壓挖掘機(jī)工作裝置能夠在復(fù)合運動工況下實現(xiàn)完整挖掘工作周期的仿真運動[4-5]，其工作裝置各個約束副及驅(qū)動如表1所示。

圖1 工作裝置三維模型圖

表1 約束副及驅(qū)動

2 工作裝置動力學(xué)仿真分析

在對液壓挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行動力學(xué)仿真之前，需設(shè)置3個液壓缸的STEP驅(qū)動函數(shù)以此帶動各桿件相互配合運動[6]。在確定液壓挖掘機(jī)工作裝置在實際工況下所受到的對挖掘阻力及物料重力后，對工作裝置虛擬樣機(jī)上進(jìn)行各種阻力的施加，并完成對挖掘過程進(jìn)行兩個周期的模擬[7]。便可以得到液壓挖掘機(jī)工作裝置3個油缸的位移動態(tài)曲線，如圖2所示。由圖可知，在兩個仿真周期內(nèi)，3個液壓缸位移動態(tài)變化曲線呈周期性變化，曲線平滑無突變情況，其中鏟斗油缸L1最大位移為300 mm，動臂油缸L2最大位移大致為230 mm，斗桿油缸L3最大位移為500 mm，運用虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)不僅簡化了解析計算，對對象模型的分析計算結(jié)果進(jìn)行了精確，同時也使得求得的解更加具有使用性和代表性，對挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計具有普遍的適用意義，為下文對各桿件主要鉸接點進(jìn)行受力分析提供依據(jù)。

在保證仿真參數(shù)不變的情況下，為了進(jìn)一步詳細(xì)獲取液壓挖掘機(jī)工作裝置在實際工況下的受力載荷動態(tài)變化情況，再次對液壓挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行動力學(xué)仿真，選取極具代表性的動臂受力曲線圖進(jìn)行分析研究，其中動臂上各鉸接點的受力曲線如圖3所示。從圖中能夠得出，動臂與底座連接處以及動臂與動臂液壓缸連接處的鉸接點受力值較大。

圖2 工作裝置3個液壓缸位移曲線圖

圖3 動臂上各鉸接點的受力曲線圖

3 動臂有限元分析

在對動臂進(jìn)行強(qiáng)度校核時，為使分析結(jié)果更具代表性，應(yīng)該以在周期挖掘工作過程中動臂出現(xiàn)最大載荷的工況來計算。經(jīng)Adams動力學(xué)仿真后，得到動臂上各鉸接點受最大載荷時的受力值和受力姿態(tài)，為便于進(jìn)一步對動臂進(jìn)行有限元分析，將動臂各鉸接點所受力進(jìn)行X-Y坐標(biāo)方向的分解，繪制其受力情況如圖4所示，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步的有限元分析計算[8]。

圖4 動臂受力情況圖

由于ANSYS軟件在對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分及受力形變運算時，對模型自身結(jié)構(gòu)提出較高要求，因此在動臂三維實體模型導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件前，需在Pro/E軟件內(nèi)對動臂三維模型進(jìn)行簡化，除去模型多余的外圓角、倒角及其他多余結(jié)構(gòu)[9]。根據(jù)ADAMS動力學(xué)仿真得到的動臂上各鉸接點的受力值以及動臂最大受力姿態(tài)，確定動臂載荷。通過對動臂進(jìn)行有限元仿真，獲取的動臂的形變云圖如圖5所示。

圖5 動臂的形變云圖

經(jīng)過分析研究，得出動臂的最大應(yīng)力出現(xiàn)在動臂與斗桿相連的鉸接孔處，根據(jù)計算數(shù)據(jù)，此時動臂受到的最大應(yīng)力為185 MPa，小于動臂選用材料Q235的屈服極限235 MPa，滿足設(shè)計需求。但是存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在與斗桿相連接的動臂頂端，因此在設(shè)計時可采取適當(dāng)加大該位置倒角及鉸接孔的尺寸等措施，達(dá)到應(yīng)力分散的效果，提高動臂的工作效率及使用壽命。同時在受力較大的鉸點處可以考慮有針對性地設(shè)計，如適當(dāng)增加此處連接銷的直徑、增厚連接處的鋼板等。

4 結(jié)束語

為改善液壓挖掘機(jī)工作裝置性能，進(jìn)一步提高液壓挖掘機(jī)挖掘工作效率，本文進(jìn)行了液壓挖掘機(jī)工作裝置的聯(lián)合仿真研究。首先使用ADAMS軟件對動臂進(jìn)行動力學(xué)仿真，得到動臂上各鉸接點的受力載荷情況，其次將動臂三維實體模型導(dǎo)入ANSYS軟件內(nèi)，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)在ANSYS軟件內(nèi)對其進(jìn)行有限元分析，得到動臂的形變云圖，通過詳細(xì)分析研究找到動臂的設(shè)計缺陷，為對動臂進(jìn)行下一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)，極大地提高了設(shè)計效率。