馬峰，張華，胡曉莉

(武漢科技大學機械自動化學院，湖北武漢 430081)

基于ADAMS的液壓挖掘機建模與仿真分析

馬峰，張華，胡曉莉

(武漢科技大學機械自動化學院，湖北武漢 430081)

以某型挖掘機為研究對象，利用Solidworks建立三維模型并完成裝配，導入ADAMS中，通過添加約束條件建立虛擬樣機系統(tǒng)?；贏DAMS進行仿真分析，獲得主要鉸接點處的受力曲線、加速度曲線及挖掘范圍，提出將加速度曲線與對應點受力曲線進行對照，探討兩者的相關(guān)性，分析加速度的變化對挖掘機鉸鏈處受力曲線的影響，為挖掘機鏟斗、動臂、斗桿的強度校核提供數(shù)據(jù)支持，有利于進一步對挖掘機進行優(yōu)化和設(shè)計。

挖掘機;仿真分析;絞點受力曲線;加速度曲線;ADAMS

隨著經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展，工程機械被廣泛應用。挖掘機作為工程機械的主要機種在建筑、交通建設(shè)、水利工程以及采礦等行業(yè)中起著非常關(guān)鍵的作用［1］，極大地提高了勞動效率。因此，對液壓挖掘機的仿真分析顯得尤為重要，仿真出的主要數(shù)據(jù)可為進一步優(yōu)化和設(shè)計挖掘機提供幫助。

若采用傳統(tǒng)方法很難準確地獲得挖掘機各絞點受力曲線，以及挖掘范圍的各項參數(shù);目前，對于挖掘機等復雜機構(gòu)的仿真分析，大多采用Pro/E或Solidworks等三維軟件建立實體模型，然后導入分析軟件如 ADAMS中進行分析;通過閱讀文獻［6－9］，對比發(fā)現(xiàn)大多數(shù)文獻對仿真出來的結(jié)果，更注重各鉸鏈處的最大承載力，而對影響力的因素，特別是加速度的變化對受力的影響有所忽略;通過整理仿真出來的數(shù)據(jù)，將加速度曲線與受力曲線進行對比，探討兩者的相關(guān)性，分析影響曲線出現(xiàn)波動與峰值的因素，為挖掘機的進一步輕量化設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。

1 基于Solidworks建立三維模型

將挖掘機模型進行簡化，按照是否存在相對運動將其劃分為:底座回轉(zhuǎn)裝置、動臂、斗桿、鏟斗、鏟斗擺桿、鏟斗連桿、動臂液壓缸、動臂液壓活塞桿、斗桿液壓缸、斗桿液壓活塞桿、鏟斗液壓缸、鏟斗液壓活塞桿12個運動部件，在Solidworks中進行運動部件建模和裝配，三維模型簡圖如圖1。

圖1 挖掘機三維模型簡圖

2 基于ADAMS建立仿真模型

由于ADAMS自身三維建模的缺陷，因此采用Solidworks建模，然后將其導入ADAMS中，進一步簡化模型，將可合并的部件進行布爾加運算，在ADAMS/View中對樣機三維模型添加約束、載荷等，并進行仿真分析。由于ADAMS/View中有十幾種運動副，文中主要采用旋轉(zhuǎn)副、移動副、球面副、圓柱副、虎克鉸鏈以及點線副，通過對模型施加力，并指明力的大小和方向，這樣就建立了挖掘機的仿真模型。

3 挖掘機工作裝置的仿真分析

3.1 挖掘阻力計算

一般情況下作用在挖掘機的齒尖上的阻力分為:法向挖掘力Wn和切向挖掘力Wt。查閱文獻［3］可知:Wn=φWt，Wt=k0bh

式中:k0、h、φ、b分別為挖掘比阻力、挖掘深度、斗寬、挖掘阻力系數(shù)。根據(jù)參考文獻 ［1］可得上式中各參數(shù)的值，詳見表1。

表1 挖掘參數(shù)

物料的重力G，可根據(jù)鏟斗容量得到，該模型鏟斗容量V=0.38 m3，常見土壤密度ρ=1.8×103kg/m3，則根據(jù)公式G=ρgV，得物料的重力為6.7 kN。

3.2 動力學仿真分析

通過設(shè)定驅(qū)動表達式來模擬挖掘機工作過程，挖掘機一個工作循環(huán)動作流程如表2。

表2 挖掘機動作流程表

設(shè)定工作過程中鏟斗每次鏟起6.7 kN的土石，根據(jù)工作過程，在2～6 s力由零增大到最大值，在6～8 s保持，在8～10 s減小到零，選擇在鏟斗質(zhì)心添加物料重力，力的大小通過STEP函數(shù)設(shè)定:

重力:STEP(time，2，0，6，6 700)+STEP (time，8，0，10，－6 700)

法向挖掘阻力:STEP(time，2，0，3.8，64 865) +STEP(time，3.8，0，4，－64 865)

切向挖掘阻力:STEP(time，2，0，3.8，92 664) +STEP(time，3.8，0，4，－92 664)

設(shè)置完成仿真運行后進入后處理模塊ADAMS/ PostProcessor，圖2—4依次為動臂鉸鏈受力圖、斗桿鉸鏈受力圖以及鏟斗鉸鏈受力圖，通過Plot tracking，得到各測量內(nèi)容的最大值。

從圖中可以看出隨著挖掘機挖掘工作的開始，挖掘機從靜止狀態(tài)突然啟動，鏟斗和斗桿速度和加速度的突變，導致了動臂、斗桿、鏟斗處受力激增，達到一個峰值;而后隨著鏟斗內(nèi)重物的增加和齒尖挖掘阻力的增大，各鉸鏈處受力也隨著挖掘過程的進行而產(chǎn)生上下波動，但在挖掘機回轉(zhuǎn)過程中，由于只受到自身重力和鏟斗內(nèi)重物的影響，所以曲線比較平緩;然而后一個峰值主要是由于挖掘機在突然卸料時受力驟然間減小所造成的;最后受力恢復到初始階段。

圖2中動臂鉸鏈處受力在3.8 s左右時達到峰值，最大值達到了545.37 kN，此時動臂尚未運動，加速度為零;當加速度發(fā)生突變時，對應此時的挖掘狀態(tài)卻沒有改變，但受力曲線有明顯波動和出現(xiàn)峰值，說明動臂與底座之間的鉸鏈受力與其加速度的突變有關(guān)，但最大值卻不是出現(xiàn)在加速度突變時，說明受挖掘機挖掘狀態(tài)的影響較大。

圖2 動臂與底座鉸鏈處的力與加速度曲線

而從圖3中可以看出斗桿鉸鏈受力的最大值發(fā)生在10 s左右，達到了544.39 kN，2～4 s受力與加速度變化都較劇烈，這主要是受到挖掘物料時挖掘阻力的影響，當加速度發(fā)生突變時，斗桿鉸鏈處受力出現(xiàn)峰值和波動;但斗桿的危險時刻與動臂不同，發(fā)生在鏟斗卸料的一瞬間。

圖3 斗桿與動臂鉸鏈處的力與加速度曲線

圖4 鏟斗與斗桿鉸鏈處的力與加速度曲線

圖4為鏟斗的受力與加速度曲線，在2 s時受力達到最大值970.31 kN，主要是由于挖掘機在0～2 s內(nèi)啟動，鏟斗在2 s時進行物料挖掘，導致了鏟斗連接處的受力激增，從圖中還可以看出鏟斗的加速度變化對其受力無太大影響，當加速度曲線變化很明顯時，鏟斗鉸鏈處受力曲線卻較平緩;但當鏟斗挖掘狀態(tài)發(fā)生改變時，鏟斗的受力曲線卻發(fā)生劇烈突變。比較3個鉸鏈處的受力曲線圖可知:各絞點的受力曲線會隨著挖掘狀態(tài)的變化而變化，當挖掘狀態(tài)突然變化時，各鉸鏈處的受力也會相應變化出現(xiàn)波動和峰值，其中動臂與斗桿鉸鏈處受力情況變化最為劇烈;因此，在設(shè)計時應考慮此方面因素，對連接處采取適當加固，以防止發(fā)生斷裂。鏟斗鉸鏈處受力變化的主要影響因素是挖掘狀態(tài)的變化;但斗桿連接處和動臂相連接處的受力變化除受挖掘狀態(tài)的影響外，還受到自身加速度變化的影響，因此，在進行進一步輕量化設(shè)計時應充分考慮此因素。

3.3 運動學仿真分析

運動學仿真主要是為了獲得最大挖掘半徑、最大挖掘深度和最大挖掘高度，將挖掘機底座旋轉(zhuǎn)驅(qū)動表達式設(shè)置為0，調(diào)整動臂液壓缸、斗桿液壓缸以及鏟斗液壓缸驅(qū)動表達式，使其收縮到最小位置。在仿真過程中，便可得到鏟斗齒尖的軌跡 (如圖5)。

圖5 挖掘軌跡

通過Y方向坐標值的測量就可以獲得鏟斗的最大挖掘深度為4 793.7 mm和最大挖掘高度為7 145.1 mm，而X方向的坐標值則可獲得最大挖掘半徑為9 361.2 mm(如圖6)。以上數(shù)據(jù)可以作為優(yōu)化挖掘參數(shù)的依據(jù)，為進一步輕量化挖掘機構(gòu)件提供參考。

圖6 鏟斗齒尖測量點X和Y方向位移曲線

4 結(jié)論

基于Solidworks建造的三維模型彌補了ADAMS三維建模的不足，選定挖掘機進行復合挖掘時的工況，對其進行運動學和動力學仿真分析，得到動臂、斗桿、鏟斗鉸鏈處的受力曲線與加速度曲線、最大挖掘半徑、最大挖掘深度以及最大挖掘高度等參數(shù)，通過分析后發(fā)現(xiàn)鏟斗鉸鏈處受力主要受挖掘狀態(tài)的影響，自身加速度變化的影響因素很小;但斗桿連接處和動臂連接處除了受挖掘狀態(tài)的影響外，自身加速度的變化對其也有較大影響?；贏DAMS的仿真分析方法，獲得的各鉸鏈處或者各點處的受力曲線，省去了傳統(tǒng)計算方法的繁瑣步驟，可更直觀地反應構(gòu)件的瞬時受力情況;將受力曲線與加速度曲線相結(jié)合，分析加速度的變化對曲線波形和峰值的影響，為進一步優(yōu)化挖掘機結(jié)構(gòu)尺寸和強度校核提供有效的參考和依據(jù)。

［1］孔德文，趙克利，徐寧生.液壓挖掘機［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2007.

［2］李增剛.ADAMS入門詳解與實例［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2006.

［3］同濟大學.單斗液壓挖掘機［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.

［4］李琴.液壓挖掘機的三維實體造型以及運動學仿真［J］.機械工程與自動化，2010，12(6):72－73.

［5］李新，周志鴻，厲峰.基于ADAMS的挖掘機工作裝置優(yōu)化設(shè)計［J］.建筑機械，2012，(3):88－91.

［6］馬肖麗，周志鴻.基于ADAMS的液壓挖掘機工作裝置的運動學仿真［J］.建筑機械，2011，(3):102－105.

［7］朱志輝，周志革，王金剛，等.液壓挖掘機工作裝置的建模及動力學仿真［J］.機械設(shè)計與制造，2006，8(8):158－159.

［8］程洪濤，聶陶蓀，潘玉安，等.基于虛擬樣機技術(shù)及ADAMS的挖掘機動力學仿真［J］.機械工程與自動化，2008，2(1):79－81.

［9］鐘相強，梁利東.液壓挖掘機工作裝置耦合仿真［J］.機械設(shè)計與制造，2012，6(6):229－230.

［10］徐兵，朱曉軍，劉偉，等.挖掘機工作裝置運動學建模與仿真［J］.機床與液壓，2011，39(9):22－24.

Simulation Analysis and Modeling of Hydraulic Excavator Based on ADAMS

MA Feng，ZHANG Hua，HU Xiaoli
(School of Machinery and Automation，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan Hubei 430081，China)

By taking a certain type of excavator as the research object，the three-dimensional(3D)model was set up and assembled based on the solidworks.Then put it into the ADAMS，the virtual prototype system was established by adding a constraint condition.Based on the ADAMS simulation analysis，the main force curve，acceleration curve and scope of mining of articulated point were obtained.Compared the acceleration curve and corresponding point stress curves and investigated the relationship between them.The changing of the acceleration effects on the articulated force curve of excavator was analyzed.It provides the data support for the checking of the excavator bucket，movable arm，and bucket rod intensity to facilitate further optimizing and designing of the excavator.

Excavator;Simulation analysis;Articulated point force curve;Acceleration curve;ADAMS

TH24

A

1001－3881(2014)9－130－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.09.036

2013－04－25

國家科技支撐計劃 (2011BAF11B01)

馬峰 (1989—)，男，碩士研究生，主要研究方向為綠色制造。E－mail:415958299@qq.com。