基于Pro/E的挖掘機鏟斗挖掘力計算方法

彭 博 劉 健 鐘 穎 劉祥彪 李春雷

（恒天九五重工有限公司，長沙 410100）

在挖掘機的性能參數(shù)中，挖掘力是很重要的參數(shù)，代表著挖掘機作業(yè)時的挖掘能力[1]。關(guān)于挖掘機挖掘力的計算，目前缺少對其進行系統(tǒng)闡述的資料，而且在挖掘機教材書籍中也僅給出了計算公式[2]。對于鏟斗挖掘力來說，其計算方式很復(fù)雜，無法用代數(shù)解析的方法求解最大值。常用的計算方法有分段插值法和編程法。前者屬于數(shù)值計算方法，計算過程非常煩瑣，后者對編程能力及計算軟件的使用能力要求較高[3]。然而，用Pro/E三維軟件實現(xiàn)上述計算，可省去解三角形、編程等煩瑣的過程，僅利用三維軟件本身強大的計算功能就能實現(xiàn)。

1 鏟斗挖掘力計算方式

本文涉及的鏟斗挖掘力僅為挖掘機工作裝置六連桿機構(gòu)對鏟斗油缸推動力的傳導(dǎo)，不考慮效率、質(zhì)量、穩(wěn)定性等因素。挖掘機工作裝置反鏟斗六連桿機構(gòu)示意圖如圖1所示。其中，F(xiàn)為鏟斗挖掘力，計算公式為：

式中：h1、h2、h3、r為力臂值；F0為油缸推動力；p為鏟斗油缸額定壓力；D為鏟斗油缸缸徑。

在鏟斗油缸活塞桿向外伸出的運動過程中，h1、h2、h3隨著活塞行程的變化而變化，r、p、D是定值，在運動中保持不變。若h1、h2、h3用代數(shù)解析法求解，過程非常煩瑣，必須借助編程計算軟件（如MATLAB）才能計算出結(jié)果[4-5]。

2 基于Pro/E三維軟件計算鏟斗挖掘力

2.1 參數(shù)化建模

構(gòu)成挖掘機反鏟工作裝置六連桿機構(gòu)的部件有斗桿、鏟斗、連桿、搖臂、鏟斗油缸缸筒（以下簡稱缸筒）以及鏟斗油缸活塞桿（以下簡稱活塞桿）。本次建模過程中，選擇在Pro/E軟件中構(gòu)建這6個構(gòu)件的三維模型，如圖2所示。

2.2 構(gòu)件連接

首先，新建一組件（Assembly），并調(diào)入斗桿模型，選擇約束類型為“缺?。―efault）”；其次，依次調(diào)入缸筒、活塞桿、搖臂、連桿和鏟斗的模型，并在各構(gòu)件之間建立連接關(guān)系（Connection），即缸筒與斗桿、鏟斗與斗桿、搖臂與斗桿、連桿與鏟斗之間用銷釘連接，連桿與活塞桿用圓柱連接，活塞桿與缸筒用滑動桿連接；最后，設(shè)置油缸的最短長度與最長長度，并將原始位置設(shè)置為最短長度位置。連接后的六連桿機構(gòu)如圖2所示。

2.3 設(shè)置參數(shù)關(guān)系式

依次點擊菜單命令“工具（Tools）”“關(guān)系（Relations）”，然后在文本框中輸入關(guān)系式“D=80、P=24.5、F0=P/4”。此處以缸徑80 mm、額定壓強P=24.5 MPa為例，參數(shù)關(guān)系式設(shè)置如圖3所示。設(shè)好后點擊“確定”退出。

2.4 設(shè)置原動力定義

首先進入機構(gòu)模塊，并依次在菜單命令中選擇“應(yīng)用程序（Applications）”“機構(gòu)（Mechanism）”，然后開始原動力（Motor）設(shè)置。在這一過程中，要注意的是漢化版的軟件將Motor譯為伺服電動機，其實際意義應(yīng)為原動力或運動源。其次，依次在菜單命令中選擇“插入（Insert）”“伺服電動機（Servo Motors）”，再進入伺服電動機定義（Servo Motor Definition）對話框中，并在名稱（Name）文本框中將名稱改為“Slide_Cylinde”，“類型（Type）”選擇“幾何（Geometry）”，然后依次點選活塞桿與缸筒軸孔基準平面，如圖4所示。最后，點擊“輪廓（Profile）”，在“規(guī)范（Specification）”下拉選框中選取“速度（Velocity）”，在“模（Magnitude）”下拉選框中默認選取“常數(shù)（Constant）”，在“A”數(shù)值輸入框中輸入“73”（這一數(shù)值為鏟斗油缸行程的十分之一），如圖5所示。設(shè)好后點擊“確定”退出。

2.5 設(shè)置分析定義

依次在菜單命令中選擇“分析（Analysis）”“機構(gòu)分析（Mechanism Analysis）”命令，進入分析定義（Analysis Definition）對話框，然后在名稱（Name）文本框中將名稱改為“Digging_Force”，其他設(shè)置選擇默認即可，如圖6所示。設(shè)置完成后先點擊“運行”，再點擊“確定”退出。

2.6 設(shè)置測量定義

2.6.1 設(shè)置兩點之間距離測量定義

依次在菜單命令中選擇“分析（Analysis）”“測量（Measures）”命令，進入測量結(jié)果（Measures Results）對話框，然后選擇“創(chuàng)建新測量（Create New Measure）”命令，再在名稱（Name）文本框中將名稱改為“AB”，表示測量AB兩點間的距離，然后在“類型（Type）”下拉菜單中選擇“分離（Sepration）”，再分別選取A點與B點，如圖7所示，最后點擊“確定”退出。其他7個兩點距離測量定義（AC、BC、BD、BE、CD、DE、ER）的建立方式與此相同。

2.6.2 設(shè)置力臂測量定義

在測量結(jié)果（Measures Results）對話框中選擇“創(chuàng)建新測量（Create New Measure）”，然后在名稱（Name）文本框中將名稱改為“h1”，再在“類型（Type）”下拉菜單中選取“用戶定義的（User Defined）”，并在“量（Quantity）”下拉菜單中選取“長度（Length）”，然后在文本框中輸入h1的計算式，如圖8所示，最后點擊“確定”退出。其他2個力臂測量定義（h2、h3）的建立方式與此相同。

2.6.3 設(shè)置挖掘力測量定義

在“測量結(jié)果（Measures Results）”對話框中選擇“創(chuàng)建新測量（Create New Measure）”，然后在名稱（Name）文本框中將名稱改為“Result_F”，再在“類型（Type）”下拉菜單中選取“用戶定義的（User Defined）”，并在“量（Quantity）”下拉菜單中選取“力（Force）”，然后在文本框中輸入F的計算式，如圖9所示，最后點擊“確定”退出。建立挖掘力最大值測量定義時，可復(fù)制“Result_F”的測量定義，只需將名稱改為“Result_Fmax”，然后在“評估方法（Evaluation method）”下拉菜單中選取“最大值”，如圖10所示，最后點擊“確定”退出即可。

2.7 結(jié)果輸出

在“測量結(jié)果”對話框中設(shè)置完各項測量定義后，需要在“圖形類型（Graph Type）”下拉菜單中選取“測量對測量（Measure vs. Measure）”，并在“測量X軸（Measure for X Axis）”下拉菜單中選取選取“AB”，再同時選取“Result_F”與“Digging_Force”，此時左上角的圖形輸出圖標亮顯，如圖11所示。點擊圖形輸出圖標，結(jié)果如圖12所示。圖12中，橫坐標是油缸長度，縱坐標是挖掘力，將鼠標的光標停留在曲線上任一點，即可顯現(xiàn)出對應(yīng)的兩坐標值。

3 結(jié)語

上述計算方法建立在三維建?；A(chǔ)之上，在三維模型中修改六連桿機構(gòu)的鉸點位置、油缸缸徑、額定壓力等參數(shù)非常方便，且修改參數(shù)后重新運行即可得到新的結(jié)果。相關(guān)技術(shù)人員只需熟悉掌握三維設(shè)計軟件，就能實現(xiàn)挖掘力計算與三維模型設(shè)計的無縫銜接，從而方便快捷地得出結(jié)果。