蔡應強，丁旭光

(1.集美大學輪機工程學院，福建 廈門 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門 361021；

3.華僑大學機電及自動化學院，福建 廈門 361021)

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基于虛擬樣機的輪式裝載機前車架動態(tài)載荷分析

蔡應強1,2,3，丁旭光1,2

(1.集美大學輪機工程學院，福建 廈門 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門 361021；

3.華僑大學機電及自動化學院，福建 廈門 361021)

[摘要]為了研究輪式裝機前車架在典型工況下的受力情況，首先對輪式裝載機的工作阻力進行理論計算，利用Pro/E軟件建立三維實體模型，再通過MECH/Pro接口將三維實體模型導入ADAMS軟件中，建立輪式裝載機整車機構(gòu)的虛擬樣機模型，以此為基礎(chǔ)對裝載機前車架進行動力學仿真分析，獲得前車架各鉸接點的載荷時間歷程，分析前車架在作業(yè)工況中的動態(tài)特性，為后續(xù)有限元分析和疲勞壽命分析奠定研究基礎(chǔ).

[關(guān)鍵詞]裝載機；虛擬樣機；載荷時間歷程；動力學仿真

0引言

前車架是鉸接式輪式裝載機的關(guān)鍵部件之一，是連接后車架、前車橋和工作裝置的機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形狀復雜，在作業(yè)過程中承受著工作裝置傳遞的工作阻力、動力裝置傳遞的驅(qū)動力矩以及前橋的支撐載荷等動態(tài)隨機載荷[1-3].在實際使用過程中，由于工況惡劣，設(shè)計結(jié)構(gòu)強度不合理、焊接質(zhì)量差等原因，前車架經(jīng)常會發(fā)生疲勞破壞.而前車架結(jié)構(gòu)強度的傳統(tǒng)設(shè)計方法費時費力，且成本較高.通過虛擬樣機技術(shù)，可減少產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本，降低開發(fā)風險，有助于提高企業(yè)的生產(chǎn)效率[3].因此，本文利用虛擬樣機技術(shù)，對裝載機作業(yè)過程進行動力學仿真分析，以期得到前車架的載荷時間歷程，為前車架的疲勞壽命分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù).

1輪式裝載機作業(yè)阻力

輪式裝載機循環(huán)作業(yè)過程一般包括插入、鏟裝、舉升和卸載四種工況.作業(yè)過程中，工作裝置需要依次克服插入阻力、轉(zhuǎn)斗阻力矩、掘起阻力和卸載阻力等， 以某ZL50型裝載機為例，根據(jù)其結(jié)構(gòu)參數(shù)計算作業(yè)阻力如下：

1)插入阻力

插入阻力是鏟斗在插入料堆的過程中，料堆對鏟斗的反作用力，與物料的種類、料堆高度、鏟斗插入料堆的深度、鏟斗的結(jié)構(gòu)形狀等有關(guān).總插入阻力Fx按照經(jīng)驗Fx=9.8K1K2K3K4B0L1.25計算[4].其中：K1為物料塊度與松散程度系數(shù)，對礫石等細粒料取0.5；K2為物料性質(zhì)系數(shù)，對花崗巖取0.14；K3為料堆高度系數(shù)，料堆高度為1.4 m時取0.5；K4為鏟斗形狀系數(shù)，取1.5；B0為鏟斗寬度，取287 cm；L為鏟斗一次插入料堆深度，取70 cm.經(jīng)計算可得Fx=68 765N.

2)掘起阻力

掘起阻力是鏟斗在插入料堆一定深度后，舉升動臂時所鏟掘物料對鏟斗的反作用力，與物料的種類、塊度、密度、松散程度、物料之間及物料與鏟斗之間的摩擦阻力有關(guān).最大掘起阻力通常發(fā)生在鏟斗開始舉升的時刻，隨著動臂的舉升，掘起阻力逐漸減小.最大掘起阻力Fz=2.2KB0Lc[4]，其中：K為鏟斗在開始舉升時刻物料的剪切應力，取104Pa；B0為鏟斗寬度，取2.87m；Lc為鏟斗插入料堆深度，取0.7m.經(jīng)計算可得Fz=44 198N.

3)轉(zhuǎn)斗阻力矩

鏟斗插入料堆一定的深度后開始翻轉(zhuǎn)時，料堆對鏟斗產(chǎn)生的反作用力矩稱為轉(zhuǎn)斗阻力矩.在鏟斗開始轉(zhuǎn)斗時轉(zhuǎn)斗靜阻力矩具有最大值，最大轉(zhuǎn)斗靜阻力矩Mα0=1.1Fx[0.4(x-Lc/4)+y][4].其中：Fx為插入阻力，取68 765N；x為鏟斗回轉(zhuǎn)中心與斗刃水平距離，取1.257m；y為鏟斗回轉(zhuǎn)中心與地面垂直距離，取0.178m；Lc為鏟斗插入料堆深度，取0.7m.經(jīng)計算可得Mα0=46 202 (N·m)

轉(zhuǎn)斗阻力矩Mα隨著鏟斗的回轉(zhuǎn)角度α的增大而減小，其關(guān)系可用式Mα=Mα0(1-cαn)表示，其中：n=lg(2(Mα0-Mα′)/Mα0)/lg(α′/3);c=1/(α′)n×(Mα0-Mα′)/Mα0;Mα′為鏟斗離開料堆時由物料自重產(chǎn)生的阻力矩，Mα′=GLB；α′為鏟斗離開料堆時的翻轉(zhuǎn)角度；G為鏟斗鏟掘物料的自重；LB為鏟斗翻轉(zhuǎn)至α′角度時鏟斗中心距回轉(zhuǎn)中心的距離.

轉(zhuǎn)斗阻力矩計算參數(shù)與計算結(jié)果如表1所示.

表1　轉(zhuǎn)斗阻力矩計算參數(shù)

則轉(zhuǎn)斗阻力矩Mα可表示為：Mα=46 202·(1-0.42α0.16).

2裝載機虛擬樣機建模

目前虛擬樣機建模大多采用ADAMS軟件，而在ADAMS軟件中構(gòu)建三維實體建模相對比較復雜，所以裝載機虛擬樣機建?？煞譃閮刹?，先利用Pro/E軟件建立三維實體模型，再通過MECH/Pro接口將三維實體模型直接導入ADAMS軟件中[1].

2.1　三維實體建模

根據(jù)該ZL50型裝載機樣機的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，對部分非承載結(jié)構(gòu)作簡化處理后，采用Pro/E軟件建立其鏟斗、動臂、前車架、后車架等結(jié)構(gòu)件的三維實體模型如圖1所示.

按照裝載機各結(jié)構(gòu)件的運動副關(guān)系，對其進行虛擬裝配得到整車機構(gòu)三維實體模型如圖2所示.

2.2　虛擬樣機模型

1)幾何模型的導入

將上述裝載機整車機構(gòu)三維模型導出為“.x_t”文件格式，導入ADAMS軟件，在ADAMS的Assembly環(huán)境下重新建立構(gòu)件間的連接關(guān)系，定義各個零件名稱、材料屬性，生成質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動慣量、質(zhì)量信息和質(zhì)量關(guān)系，其中前車架的屬性設(shè)置如圖3所示.

2)約束關(guān)系的創(chuàng)建

在ADAMS中對導入模型添加約束關(guān)系.以前車架為例，考慮到在作業(yè)過程中，裝載機所受到的工作阻力和地面摩擦阻力，將通過工作機構(gòu)、前橋、后車架與前車架之間的8個連接，副作用于前車架，于是建立約束條件，各連接副模型(Joint_xx)如圖4所示.

考慮到裝載機的作業(yè)環(huán)境，采用ADAMS中的二維不平隨機路面和輪胎模型庫，創(chuàng)建輪式裝載機輪胎和地面模型，并根據(jù)樣機輪胎的實際參數(shù)，對輪胎模型的“腳本”文件進行編輯.虛擬樣機中的路面譜與輪胎模型如圖5所示.與前車架類似，對其他結(jié)構(gòu)件添加相應約束條件后，建立整車機構(gòu)虛擬樣機模型，如圖6所示.該模型由26個Part(包含地面)構(gòu)成，共創(chuàng)建固定副8個、旋轉(zhuǎn)副19個、球鉸副2個、移動副3個.

3工作阻力及驅(qū)動加載

以裝載機實際作業(yè)工況為基礎(chǔ)，在前述4種主要工況的基礎(chǔ)上，分別加入了空載前進與空載復位兩個作業(yè)調(diào)整環(huán)節(jié)，以模擬裝載機實際循環(huán)作業(yè)工況.各模擬分段工況的工作阻力和驅(qū)動加載次序及用時如表2所示.

表2　輪式裝載機工作阻力與驅(qū)動加載次序

假定每次鏟裝質(zhì)量的滿鏟設(shè)計量為5 t，以表2所示的加載次序為依據(jù)，用ADAMS軟件提供的STEP函數(shù)來設(shè)定驅(qū)動加載.按照惡劣工況來考慮，鏟斗處于滿負荷極限偏載情況(此時一側(cè)輪胎已懸空，整車處于橫傾臨界點)，載荷重心位于鏟斗前切削刃左側(cè)1/3處，插入阻力與掘起阻力均作用在該處，轉(zhuǎn)斗阻力矩與卸載阻力則采取對稱載荷方式加載，如圖7所示.車輪、動臂液壓缸與轉(zhuǎn)斗液壓缸的驅(qū)動則按圖8所示方式加載.

4前車架動力學仿真分析

在輪式裝載機中，直接與前車架相連的構(gòu)件包括工作機構(gòu)、后車架、前驅(qū)動橋.因此，輪式裝載機在作業(yè)過程中的工作阻力與地面摩擦阻力將通過上述結(jié)構(gòu)與前車架之間的連接副(如圖4所示)傳遞到前車架，使其承載工作載荷.進一步分析表明，前橋與后車架只有在空載工況與插入工況下對前車架傳遞驅(qū)動力，其余工況只起到支撐作用；而工作機構(gòu)則在整個作業(yè)循環(huán)中依靠前車架的支撐來克服工作阻力，包括2個動臂液壓缸的支反力、轉(zhuǎn)斗液壓缸的支反力以及動臂與前車架之間2個銷軸連接的支反力.以前車架為研究對象，這些作用力和支反力將構(gòu)成空間平衡力系.在虛擬樣機仿真模型中，以此建立上述力的測量坐標Marker_10—Marker_14，與圖4中的Joint_10—Joint_14的作用點坐標相對應.通過上述測量坐標，即可獲取裝載機虛擬樣機仿真中前車架各連接副的載荷時間歷程.

該樣機額定鏟裝質(zhì)量為5 t，建立虛擬樣機中工作阻力和STEP驅(qū)動函數(shù)，按照表2所示的加載次序進行虛擬仿真.循環(huán)作業(yè)中的插入工況、鏟裝工況、舉升工況及卸載工況示意圖如圖9所示，各連接副載荷時間歷程如圖10所示.

在插入工況中，前車架左側(cè)載荷顯著大于右側(cè)，兩側(cè)載荷相對平穩(wěn)；鏟裝工況中，動臂液壓缸閉鎖，轉(zhuǎn)斗液壓缸伸出收斗，各鉸點載荷顯著下降回到初始水平；舉升工況中，在舉升開始和終了時刻，由于慣性作用，前車架各鉸點都出現(xiàn)沖擊載荷，震蕩幅值分別達到了3.75×104N、4.25×104N及1.25×104N，最大作業(yè)載荷為3.45×105N，其余過程基本平穩(wěn)；卸載工況中，動臂液壓缸閉鎖，轉(zhuǎn)斗液壓缸縮回；翻斗卸料過程中，與轉(zhuǎn)斗鉸接的鉸點載荷迅速增加到最大值1.08×105N后迅速回落，同時與動臂鉸接的鉸點載荷也快速下降.由此可見，在整個作業(yè)循環(huán)中，平均載荷(平均應力)、載荷比(應力比)和載荷幅度(應力幅)均較大，這也是裝載機結(jié)構(gòu)件易發(fā)生疲勞斷裂的原因所在.

在Pro/E軟件中建立前車架的三維實體模型，導出為“.Parasolid”文件格式，將其以部件“Part”的形式導入ABAQUS軟件中，得到有限元實體模型，進而劃分網(wǎng)格，添加邊界條件后得到有限元分析模型，將圖10所示的5個載荷時間歷程以數(shù)據(jù)表格的形式導出，在有限元分析模型中以幅值曲線的形式對應加載于連接副Joint_10—Joint_14處(如圖4a所示)，通過有限元仿真計算，即可獲取前車架在前述工況下的應力分布云圖，可進一步做強度和疲勞壽命分析.

5結(jié)束語

基于Pro/E和ADAMS軟件建立了某ZL50裝載機的虛擬樣機模型，根據(jù)裝載機工況，將插入阻力、掘起阻力、舉卸阻力和轉(zhuǎn)斗阻力矩，以及車輪驅(qū)動、動臂和轉(zhuǎn)斗液壓缸驅(qū)動加載于虛擬模型，通過動力學仿真獲得了前車架各鉸接點處的載荷時間歷程.結(jié)果表明，前車架在作業(yè)時載荷波動劇烈，承受較大的沖擊載荷，且平均載荷、載荷比和載荷幅度均較大，易產(chǎn)生疲勞破壞，該結(jié)果可為前車架的有限元分析和疲勞壽命分析提供依據(jù).

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(責任編輯陳敏英文審校鄭青榕)

Dynamic Load Analysis on the Front Frame of Wheel LoaderBased on Virtual PrototypeCAI Ying-qiang1,2,3,Ding Xu-guang1,2

(1.Marine Engineering Institute，Jimei University，Xiamen 361021，China；

2.Fujian Provincial Key Laboratory of Naval Architecture and Ocean Engineering，Xiamen 361021，China；

3.College of Mechanical Engineering and Automation，Huaqiao University，Xiamen 361021，China)

Abstract:For studying the stress state of the front frame of wheel loader in typical working condition,the working resistance of wheel loader was calculated firsty in theory.the three-dimensional solid model of wheel loader mechanism was established in Pro/E software,which was imported into ADAMS software by the MECH/Pro interface.And then the virtual prototype model was established.On this basis,the front frame of the loader for the dynamic simulation analysis was discussed,obtains the each joint’s loading-time course of the front frame,analyses the dynamic characteristics of the front frame in working condition,provides the basis for the following analysis of the finite element and fatigue life.

Key words:loader;virtual prototype;loading-time course;dynamic simulation

[中圖分類號]TH 391.9；TH 243+.1

[文獻標志碼]A

[文章編號]1007-7405(2015)06-0450-07

[作者簡介]蔡應強(1980—)，男，博士研究生，講師，主要從事工程機械、船舶設(shè)備的機電液一體化及虛擬仿真研究.

[基金項目]交通部應用基礎(chǔ)研究項目(2014329815100)；福建省科技廳高校產(chǎn)學研項目(2014H6020)

[收稿日期]2015-04-14[修回日期]2015-10-13