基于ADAMS的液壓挖掘裝置動(dòng)力學(xué)仿真分析

唐晶磊 呂勛國(guó)

摘要： 利用Adams軟件對(duì)挖掘裝置虛擬樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)仿真，分析挖掘裝置關(guān)鍵工作參數(shù)，獲得挖掘裝置工況變化規(guī)律及曲線、工作載荷和各極值節(jié)點(diǎn)受力參數(shù)，用以挖掘裝置的分析和改進(jìn)。

Abstract： Adams software was used to simulate the motion and dynamics of the virtual prototype of the mining device， analyze the key working parameters of the mining device， and obtain the changing rule and curve of the working condition of the mining device， the working load and the stress parameters of each extremum node， for the analysis and improvement of the mining device.

關(guān)鍵詞： Adams;運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)仿真;技術(shù)改進(jìn)

Key words： Adams;motion and dynamics simulation;technical improvement

中圖分類號(hào)：TH137 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）03-0038-03

0 ?引言

本文針對(duì)某型液壓挖掘機(jī)在本地惡劣環(huán)境下工作，經(jīng)常出現(xiàn)動(dòng)臂和斗桿破損現(xiàn)象，在Adams對(duì)挖掘裝置虛擬樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)仿真，分析液壓挖掘機(jī)挖掘裝置工作中的關(guān)鍵參數(shù)，獲得液壓挖掘機(jī)挖掘裝置工況變化規(guī)律及曲線、工作載荷和各極值節(jié)點(diǎn)受力等參數(shù)，用以挖掘裝置的改進(jìn)和分析。

1 ?虛擬樣機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)介

Adams是美國(guó)開(kāi)發(fā)的一種虛擬樣機(jī)分析軟件，主要用于科學(xué)研究、產(chǎn)品設(shè)計(jì)[1]。由于該軟件將優(yōu)化處理、計(jì)算求解、模型創(chuàng)建等多種功能集中于一體，功能強(qiáng)大，目前得到了眾多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。在實(shí)際操作中，可以根據(jù)自身需求設(shè)置輸出方式，該軟件支持的輸出形式有W-Y曲線、測(cè)試圖、仿真動(dòng)畫(huà)、軌跡圖等[2]。通過(guò)仿真分析，能夠得到機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)范圍，在其基礎(chǔ)上，對(duì)裝置的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)及運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析，展開(kāi)碰撞試驗(yàn)，通過(guò)參數(shù)計(jì)算，對(duì)輸出載荷進(jìn)行有限元分析，并交換控件軟件信息、有限元分析軟件信息、三維設(shè)計(jì)軟件信息，從而使其能夠達(dá)到要求，不斷拓展應(yīng)用領(lǐng)域。

2 ?液壓挖掘裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的原理

采用D-H法來(lái)建立工作裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型，然后對(duì)挖掘裝置的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析[3]。首先我們選取動(dòng)臂與機(jī)架的鉸點(diǎn)中心O為坐標(biāo)系原點(diǎn)如圖1，并建立坐標(biāo)系xOy，然后分別在鉸點(diǎn)O、A、B處沿著連桿鉸點(diǎn)連線方向再建立各個(gè)連桿坐標(biāo)系，分別用{Oa}、{Ob}、{Oc}進(jìn)行表示。

根據(jù)D-H法可以得到：

上式中，各參數(shù)代表的含義分別為：ai-1為從Z-1到Zi沿X軸方向的距離;ai-1為從Zi-1軸到Zi軸繞X軸的旋轉(zhuǎn)角度;di為從Xi-1到Xi沿Z軸的距離;θ為Xi-1到Xi繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度。

3 ?挖掘裝置的運(yùn)動(dòng)仿真

3.1 運(yùn)動(dòng)仿真建模的前期準(zhǔn)備工作

①CAD模型的導(dǎo)入。

在CATIA軟件中將文件存成stp格式文件，CATIA和Adams有很好的數(shù)據(jù)接口，它們之間可以通過(guò)stp格式文件傳遞模型數(shù)據(jù)和裝配信息，無(wú)需在Adams中對(duì)模擬再次分解，可直接導(dǎo)入到Adams的模型如圖2所示。

②工作環(huán)境的設(shè)置。

在Adams軟件中對(duì)工作環(huán)境設(shè)置部分內(nèi)容，分別是工作格柵的設(shè)置、計(jì)量單位的設(shè)置、重力加速度的設(shè)置。統(tǒng)一Adams軟件中的單位，重力加速度G=9.8N/kg。

3.2 液壓挖掘裝置約束條件

該液壓挖掘機(jī)挖掘裝置的運(yùn)動(dòng)部件數(shù)量為19個(gè)，需要為各個(gè)部件之間選擇正確的連接方式，如表1所示，依據(jù)為液壓挖掘機(jī)的運(yùn)動(dòng)原理。

3.3 液壓挖掘機(jī)挖掘裝置驅(qū)動(dòng)設(shè)置

在對(duì)反鏟液壓挖掘機(jī)進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，多種液壓缸組合到一起形成一個(gè)完整挖掘控制裝置，完成各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，涉及到的主要工作參數(shù)有3個(gè)，如表2所示。

①挖掘高度最大值（LHmax）。

沿著垂直方向從上至下，挖掘機(jī)的挖掘尺寸達(dá)到最大高度度時(shí)，并且動(dòng)臂液壓缸轉(zhuǎn)換為全伸狀態(tài)時(shí)，將此數(shù)值作為（LHmax）。

②挖掘深度最大值（LDmax）。

該參數(shù)指的是沿著垂直方向從上至下，挖掘機(jī)的挖掘尺寸達(dá)到最大深度時(shí)，并且動(dòng)臂液壓缸轉(zhuǎn)換為全縮狀態(tài)時(shí)，將此數(shù)值作為L(zhǎng)Dmax。

③挖掘半徑最大值（LRmax）。

該參數(shù)指的是在水平范圍內(nèi)，挖掘機(jī)作業(yè)可以達(dá)到的最大尺寸，其半徑的最大值出現(xiàn)在斗桿液壓缸轉(zhuǎn)換為全縮狀態(tài)時(shí)刻，將此數(shù)值作為L(zhǎng)Rmax。

為了更好地控制液壓挖掘機(jī)挖掘裝置，對(duì)上述3個(gè)參數(shù)進(jìn)行仿真研究。如表3所示為裝置液壓缸運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置統(tǒng)計(jì)表。

依據(jù)液壓挖掘機(jī)挖掘裝置模型自由度數(shù)，并在其基礎(chǔ)上設(shè)置3個(gè)移動(dòng)驅(qū)動(dòng)。利用Adams軟件輸入不同類型驅(qū)動(dòng)函數(shù)，以此控制模型運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

將整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的時(shí)間設(shè)置為80s，編寫STEP函數(shù)，并將該函數(shù)添加至液壓缸移動(dòng)副上[4]。

①動(dòng)臂液壓缸驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)置：

Step（time，2，0.8203，3，-0.4397）+Step（time，5，0，6，1.25）

②鏟斗液壓缸驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)置：

Step（time，1，0，1.6，-0.34）+Step（time，1.51，0，2，0.35）+Step（time，4，0，5.2，0.73）

③斗桿液壓缸驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)置：

Step（time，0，0.2038，1，-226）+Step（time，3.1，0，4.1，1.44）- Step（time，6，0，7.1，1.42）

3.4 仿真結(jié)果

按照上述兩個(gè)步驟執(zhí)行仿真實(shí)驗(yàn)研究，生成動(dòng)畫(huà)仿真結(jié)果，通過(guò)觀察結(jié)果，可以獲取裝置的工作范圍以及相關(guān)工作性能參數(shù)。

創(chuàng)建基本測(cè)量點(diǎn)，設(shè)置STEP驅(qū)動(dòng)函數(shù)，利用Adams模塊完成仿真計(jì)算，在該模塊中輸出仿真計(jì)算結(jié)果，得到工作參數(shù)LHmax、LDmax、LRmax3個(gè)數(shù)值。

4 ?液壓挖掘裝置動(dòng)力學(xué)仿真分析

4.1 剛體動(dòng)力學(xué)建模

將反鏟液壓挖掘機(jī)挖掘裝置的三維模型細(xì)節(jié)特征進(jìn)行簡(jiǎn)化，挖掘裝置共有19個(gè)構(gòu)件，它們具體的質(zhì)量屬性如表5所示。

4.2 液壓挖掘機(jī)挖掘裝置動(dòng)力學(xué)分析

接著對(duì)裝置的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行仿真分析，得到完整的裝置仿真結(jié)果。在動(dòng)力學(xué)分析的過(guò)程中首先計(jì)算外載荷數(shù)值，其次根據(jù)裝置運(yùn)動(dòng)情況，模擬工況，設(shè)置參數(shù)。再次添加驅(qū)動(dòng)和載荷。

4.3 外載荷的計(jì)算

在對(duì)鏟斗切削土壤過(guò)程進(jìn)行計(jì)算時(shí)，沿著切向的阻力設(shè)置為W1，沿著法向方向的阻力設(shè)置為W2，位于鏟斗內(nèi)土壤的重力設(shè)置為G[5]。

在整個(gè)挖掘過(guò)程中，將鏟斗斗齒尖位置看作力施加點(diǎn)，沿著切線方向和法向方向的運(yùn)動(dòng)軌跡用以下公式來(lái)

描述：

W1=K0bh（2）

W2=ΨW1（3）

在公式（2）中，K0代表挖掘比阻力，對(duì)應(yīng)的單位為N/cm2。土壤環(huán)境為III級(jí)，K0取值19.5N/cm2。

4.4 確定挖掘循環(huán)工作時(shí)間

測(cè)定完成一個(gè)工作循環(huán)的平均時(shí)間為80s，工作循環(huán)中的各個(gè)工況節(jié)拍的時(shí)間分配如下：0s至20s：該時(shí)間段為準(zhǔn)備挖掘階段;20s至45s：該時(shí)間段為挖掘階段;45s至80s：該時(shí)間段為卸載階段。

經(jīng)過(guò)上述載荷類型分析，只需在Adams軟件中依據(jù)實(shí)際操作需求，選取操作命令完成載荷添加操作即可。以下為各個(gè)液壓缸載荷函數(shù)與驅(qū)動(dòng)函數(shù)的設(shè)置：

①關(guān)于動(dòng)臂液壓缸的復(fù)合挖掘工況：

Step（time，2，0.821，3，0.309）+Step（time，3，0，5，0）+Step（time，5，0，6，0.412）

②關(guān)于斗桿液壓缸的復(fù)合挖掘工況：

Step（time，0，0.204，3，-1.227）+Step（time，3，0，5，1.5）+Step（time，5，0.1，6，0.1）

③關(guān)于鏟斗液壓缸的復(fù)合挖掘工況：

Step（time，0，0，3，-0.12）+Step（time，3.5，0，5，0.773）-Step（time，5，0.1，6，0.1）

④沿著切線方向的阻力W1的復(fù)合挖掘工況：

Step（time，3，0，3.35，59.48）-Step（time，3.35，0，5，59.48）

⑤沿著法線方向的阻力W2的復(fù)合挖掘工況：

Step（time，3，0，3.35，25.2）-Step（time，3.35，0，5，25.2）

⑥土壤重力G的復(fù)合挖掘工況：

Step（time，3，0，5，17.65）+Step（time，5，0，6，0）-Step（time，6，0，8，17.65）

4.5 挖掘機(jī)動(dòng)臂動(dòng)力學(xué)分析與典型工況確定

①動(dòng)力學(xué)結(jié)果分析。

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到復(fù)合工況下的鉸點(diǎn)力變化曲線，根據(jù)曲線中的較高曲線變化，確定4個(gè)承受載荷較大的點(diǎn)來(lái)做工況分析。

通過(guò)觀察圖可知，30s至50s時(shí)間段之間，各個(gè)鉸接點(diǎn)處于挖掘階段的受力變化達(dá)到峰值。

②液壓挖掘裝置動(dòng)臂工作工況確定。

1）挖掘機(jī)挖掘動(dòng)作工況劃分。

根據(jù)實(shí)際工作情況，把挖掘機(jī)挖掘階段分為四個(gè)。工況1：鏟斗齒與地面垂直，接觸物料。工況2：鏟斗齒成角度切入物料，斗桿液壓缸伸出。工況3：鏟斗齒成角度切出物料，斗桿液壓缸伸出到最大值，工況4：動(dòng)臂液壓缸全縮，鏟斗液壓缸伸出到最大值。

2）動(dòng)力學(xué)壓力曲線分析。

在仿真的過(guò)程中，采用階躍函數(shù)來(lái)模擬各個(gè)液壓缸的動(dòng)作和受力情況。由于階躍函數(shù)只能粗略的替代液壓缸的動(dòng)作和受力，無(wú)法反應(yīng)其在實(shí)際工作過(guò)程中的位移和阻力的變化，甚至?xí)狗治鼋Y(jié)果與實(shí)際存在較大出入。因此，為了避免因模擬的載荷和驅(qū)動(dòng)不準(zhǔn)確而導(dǎo)致誤差過(guò)大的情況出現(xiàn)，現(xiàn)對(duì)實(shí)際工作中的液壓缸進(jìn)行實(shí)測(cè)，如圖3。

3）挖掘機(jī)工作壓力試驗(yàn)測(cè)量。

挖掘裝置中共包括三個(gè)液壓缸，如圖4所示。在測(cè)試的過(guò)程中把壓力檢測(cè)儀分別接入三個(gè)液壓缸的回路中，獲取各個(gè)液壓缸在不同工況時(shí)的壓力數(shù)值。

根據(jù)獲取的檢測(cè)結(jié)果，繪制動(dòng)臂液壓缸在各個(gè)工況時(shí)的壓力線，如圖4所示。

通過(guò)對(duì)仿真分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的比對(duì)可以看出，二者的壓力變化趨勢(shì)和變化節(jié)點(diǎn)基本一致，在Adams軟件中的仿真分析結(jié)果是有效的。

5 ?結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)液壓挖掘機(jī)挖掘裝置的工作運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，確定了挖掘機(jī)在工作過(guò)程中各個(gè)關(guān)節(jié)鉸鏈的運(yùn)動(dòng)角度，液壓缸驅(qū)動(dòng)力以及各個(gè)零件質(zhì)量等參數(shù);使用ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真軟件對(duì)液壓挖掘裝置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析和計(jì)算。在進(jìn)行一系列前期準(zhǔn)備工作、設(shè)置仿真方案、設(shè)置工作參數(shù)、添加驅(qū)動(dòng)等工作后，生成該裝置的動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果，輸出了運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)特性曲線。采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，獲取液壓缸在實(shí)際載荷下的壓力變化情況。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果的比對(duì)，確認(rèn)仿真結(jié)果的可行性。該結(jié)果可為后續(xù)有限元分析提供重要依據(jù)。

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