王慶林 荀 杰 郭世璋

(1邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北邯鄲056005;2河北工程大學(xué)，河北邯鄲056038)

ADAMS技術(shù)在挖掘裝載機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化上的應(yīng)用

王慶林1荀 杰2郭世璋1

(1邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北邯鄲056005;2河北工程大學(xué)，河北邯鄲056038)

挖掘裝載機(jī)挖掘工作裝置的機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)是影響整機(jī)性能與工作效率的重要部件，其優(yōu)劣是衡量該機(jī)技術(shù)水平高低的重要標(biāo)志。結(jié)合工程實(shí)際，進(jìn)行挖掘工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)研究:針對(duì)挖掘裝載機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)要求和原則，對(duì)挖掘工作裝置進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，建立了該裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型;以鏟斗挖掘時(shí)鏟斗油缸受力最小為優(yōu)化目標(biāo)，選擇相關(guān)設(shè)計(jì)點(diǎn)，進(jìn)行參數(shù)化處理，采用ADAMS/View對(duì)挖掘鏟斗四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化;以優(yōu)化參數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)鏟斗機(jī)構(gòu)進(jìn)行了虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

挖掘裝載機(jī);工作裝置;ADAMS/View;運(yùn)動(dòng)仿真;優(yōu)化分析

1 工作裝置的設(shè)計(jì)要求

1.1 挖掘工作裝置的結(jié)構(gòu)組成

挖掘裝載機(jī)的挖掘作業(yè)斗裝滿后提升，回轉(zhuǎn)到卸土位置進(jìn)行卸土。卸完后鏟斗再轉(zhuǎn)回并下降到挖掘面進(jìn)行下次挖掘。當(dāng)挖完一段土后，機(jī)械移位，以便繼續(xù)工作。為實(shí)現(xiàn)上述作業(yè)動(dòng)作，挖掘裝載機(jī)由鏟斗裝置、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、動(dòng)力裝置、傳動(dòng)操作機(jī)構(gòu)、行走裝置和輔助設(shè)備組成其挖掘工作裝置，如圖1所示。構(gòu)造特點(diǎn)是各部件之間全部采用鉸接聯(lián)系，動(dòng)臂下鉸點(diǎn)鉸接在轉(zhuǎn)臺(tái)上，利用動(dòng)臂油缸的伸縮，使動(dòng)臂繞動(dòng)臂下鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，依靠斗桿油缸使斗桿繞動(dòng)臂的上鉸點(diǎn)擺動(dòng)。而鏟斗鉸接于斗桿前端，并通過(guò)鏟斗油缸和連桿使鏟斗繞斗桿前鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。為增大鏟斗轉(zhuǎn)角，通常以連桿機(jī)構(gòu)與鏟斗連接，從而通過(guò)油缸的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)挖掘過(guò)程中的各種工作動(dòng)作。

1.2 挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)要求

挖掘工作裝置幾何尺寸之間要求相互不能干擾，要滿足合理的挖掘力與分布特性。通常要求挖掘工作裝置在作業(yè)范圍內(nèi)主要挖掘區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大挖掘力。運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性要求工作機(jī)構(gòu)在做復(fù)合運(yùn)動(dòng)以及不同工況的時(shí)候，功率和速度能夠相應(yīng)發(fā)生變化。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上要求盡可能減少焊縫和變形。經(jīng)濟(jì)性上要求挖掘工作裝置的挖掘力大，工作裝置的重量輕，挖掘速度快，同時(shí)減少作業(yè)循環(huán)時(shí)間。

2 工作裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析

挖掘裝載機(jī)的挖掘工作裝置各部件均采用鉸銷連接，通過(guò)液壓缸的伸縮運(yùn)動(dòng)來(lái)完成各種作業(yè)動(dòng)作，實(shí)質(zhì)為一組平面連桿機(jī)構(gòu)，如圖2所示。其結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是動(dòng)臂CBF通過(guò)下鉸點(diǎn)C與車架鉸接，由動(dòng)臂液壓缸L1支撐并改變動(dòng)臂傾角，使動(dòng)臂沿下鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂的升降。斗桿鉸接在動(dòng)臂上端F點(diǎn)，斗桿與動(dòng)臂間的相對(duì)位置由斗桿缸L2控制。鏟斗鉸接在斗桿前端Q點(diǎn)，鏟斗缸L3控制活塞桿伸縮使鏟斗繞斗桿端部伸縮。

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

挖掘工作裝置工作作業(yè)過(guò)程通常為轉(zhuǎn)斗挖掘、斗桿挖掘、動(dòng)臂挖掘等相互配合完成，故其幾何位置取決于驅(qū)動(dòng)三者的油缸長(zhǎng)度，即動(dòng)臂油缸的長(zhǎng)度L1，斗桿油缸的長(zhǎng)度L2和鏟斗油缸的長(zhǎng)度L3。當(dāng)油缸長(zhǎng)度為一組定值時(shí)，便對(duì)應(yīng)有斗齒尖坐標(biāo)(XV，YV)一組值;而對(duì)于XV和YV的一組定值卻有許多組L1、L2、L3值與其對(duì)應(yīng)。

2.2 動(dòng)力學(xué)分析

挖掘裝載機(jī)的挖掘工作裝置主要用于挖掘停機(jī)面以下土壤。通常情況下，分為轉(zhuǎn)斗挖掘、斗桿挖掘、動(dòng)臂挖掘和復(fù)合動(dòng)作挖掘幾種情況。通常認(rèn)為，斗容量小于0.5m3或在土質(zhì)松軟時(shí)以鏟斗挖掘?yàn)橹鳎粗远窏U挖掘?yàn)橹鳌?/p>

鏟斗挖掘的平均阻力按平均厚度下的阻力計(jì)算，可以近似取W1=(70% ～80%)Wmax。

斗桿挖掘時(shí)切削行程較長(zhǎng)，切土厚度在挖掘過(guò)程中可視為常數(shù)。W1g=K0q/0.01745r6Ψg

根據(jù)鏟斗和斗桿受力圖3分析可知:二者均為斗桿油缸L2和鏟斗油缸L3的函數(shù)。

3 挖掘裝載機(jī)挖掘裝置的ADAMS的仿真分析及優(yōu)化

同其它CAD、CAE軟件相比，ADAMS具有十分強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析功能。本文將挖掘裝載機(jī)虛擬樣機(jī)模型傳送到ADAMS中，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析。

3.1 仿真輸出

ADAMS/Solver默認(rèn)的仿真輸出含兩大類:樣機(jī)各種對(duì)象(例如:構(gòu)件、力、約束等)基本信息的描述和各種對(duì)象的有關(guān)分量信息。對(duì)象測(cè)量可以測(cè)量模型中各種對(duì)象的幾乎所有特性。通過(guò)ADAMS/View顯示測(cè)量參數(shù)隨時(shí)間變化的輸出曲線圖。ADAMS/View自動(dòng)地調(diào)用ADAMS/Solver求解程序來(lái)完成仿真分析。

本文通過(guò)對(duì)以上運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析中的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，可以確定工作裝置模型圖，利用軟件進(jìn)行建模，最終得到鏟斗受力隨時(shí)間變化曲線。

由圖4數(shù)據(jù)可知，鏟斗油缸的最大受力出現(xiàn)在15s，值為16346.9N。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

優(yōu)化部分以鏟斗挖掘連桿機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，以鏟斗油缸在鏟斗挖掘時(shí)受力最小為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)鏟斗四桿機(jī)構(gòu)鉸接點(diǎn)參數(shù)化，利ADAMS/View進(jìn)行優(yōu)化。

選取鏟斗四連桿機(jī)構(gòu)鉸接點(diǎn)中N、M、K三點(diǎn)，利用其坐標(biāo)建立6個(gè)設(shè)計(jì)變量，分別為L(zhǎng)mx、Lmy、Lnx、Lny、Lkx、Lky，通過(guò)研究分析可得到6個(gè)設(shè)計(jì)變量中鏟斗油缸以及鏟斗轉(zhuǎn)角隨時(shí)間變化輸出曲線，和實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響分析。從分析中可以得知，設(shè)計(jì)變量Lmx、Lnx、Lny、Lkx的變化對(duì)于鏟斗油缸的受力變化比較顯著，同時(shí)它的變化很大程度上也影響鏟斗轉(zhuǎn)角大小。通過(guò)對(duì)以上四個(gè)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化可得到優(yōu)化后四連桿機(jī)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)。

3.3 對(duì)比分析

3.3.1 優(yōu)化前后鏟斗挖掘時(shí)鏟斗油缸受最大力對(duì)比

優(yōu)化前:16346.9N

優(yōu)化后:13766N

變化率:-15.8%

3.3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)變量前后值對(duì)比

表1 優(yōu)化設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化前后坐標(biāo)值

3.3.3 優(yōu)化前后四連桿機(jī)構(gòu)桿件長(zhǎng)對(duì)比:

表2 優(yōu)化前后四連桿機(jī)構(gòu)桿件長(zhǎng)

通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化，可以看到對(duì)于優(yōu)化目標(biāo)(鏟斗挖掘時(shí)鏟斗油缸受力最小)得以實(shí)現(xiàn)，優(yōu)化后使該力減小15.8%。

4 結(jié)論

4.1 對(duì)挖掘裝載機(jī)挖掘工作裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析及仿真作準(zhǔn)備可以為ADAMS建模和優(yōu)化奠定基礎(chǔ);

4.2 根據(jù)挖掘工作裝置實(shí)際工作情況，提出挖掘工作裝置的優(yōu)化目標(biāo)，選擇相關(guān)合適設(shè)計(jì)變量，并將其參數(shù)化，在一定的約束條件下，利用ADAMS/View對(duì)挖掘四連機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到仿真優(yōu)化結(jié)果。對(duì)其結(jié)果分析可以改善挖掘工作裝置四連桿機(jī)構(gòu)的工作性能，對(duì)挖掘工作裝置的設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)用意義。

［1］北京鋼鐵學(xué)院，機(jī)械零件［M］北京:人民教育出版社，1979

［2］西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械原理及機(jī)械零件教研組，機(jī)械設(shè)計(jì)［M］北京:人民教育出版社，拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2008，(1)

［3］張孝祖，黃烔，基于ADAMS虛擬樣機(jī)及道路友好性的景架參數(shù)優(yōu)化［J］1978

［責(zé)任編校:張彩紅］

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1009-5462(2012)02-0045-04

2012-05-25

邯鄲市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):0921140072)研究成果。

王慶林，男，石家莊人，邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授。