肖才遠，張桂菊,2，鄧瑞麟

(1.邵陽學院 機械與能源工程系，湖南 邵陽，422000；2.中南大學 機電工程學院，湖南 長沙，410083)

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基于ADAMS液壓挖掘機工作裝置動力學仿真分析

肖才遠1，張桂菊1,2，鄧瑞麟1

(1.邵陽學院 機械與能源工程系，湖南 邵陽，422000；2.中南大學 機電工程學院，湖南 長沙，410083)

以某型挖掘機為研究對象，利用UG NX三維造型設計軟件建立其工作裝置的三維模型，然后倒入到ADAMS中，再利用ADAMS自動柔性化功能將工作裝置三維模型轉(zhuǎn)化成柔性體，建立剛?cè)狁詈咸摂M樣機模型.通過對工作裝置進行動力學分析，獲得裝置主要鉸接點處的載荷曲線，動臂與斗桿鉸接處最大載荷受力為230kN，此值出現(xiàn)在挖掘阻力最大時刻，驗證了仿真的正確性.

液壓挖掘機；工作裝置；ADAMS；動力學仿真

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國城鎮(zhèn)化建設的進程快速推進，工程機械在工程領域的使用變得越來越頻繁，對工程機械產(chǎn)品性能的要求也越來越高[1，2].液壓挖掘機是我國工程領域主要的施工機械，在施工過程中運動和受力較復雜，其穩(wěn)定性和可靠性直接影響挖掘機的工作質(zhì)量和工作效率.

目前國內(nèi)外研究人員針對液壓挖掘機工作裝置已經(jīng)在虛擬樣機技術方面開展了相關的研究與應用。我國學者主要在挖掘機工作裝置有限元分析、機構(gòu)優(yōu)化設計等方面做了相關的研究工作，例如祖英利等人使用ADAMS對液壓挖掘裝載機的工作裝置進行了仿真優(yōu)化,并對其進行了有限元分析，張芒國等人以液壓挖掘機為重點對機液一體化虛擬樣機技術進行了研究,并利用ANSYS軟件對其工作裝置的結(jié)構(gòu)部件進行了有限元分析[3，5]。而國外研究人員則在挖掘機工作裝置疲勞損傷、斷裂、疲勞試驗、疲勞強度等方面進行了較為深入研究[6，7]。但是，在國內(nèi)外還較少有對液壓挖掘機工作裝置進行動力學仿真方面系統(tǒng)性研究。

本文主要以挖掘力性能為目標函數(shù)，以工作裝置鉸接點位置為設計變量，利用ADAMS進行仿真計算，得出工作裝置關鍵鉸點約束反作用力曲線，仿真結(jié)果可為各種類型的液壓挖掘機工作裝置的設計和改進提供可靠的數(shù)據(jù)支持，這項研究對提高挖掘機技術水平具有重要的理論指導意義和工程應用價值。本文研究對象選為市面上常見的國產(chǎn)型液壓挖掘機。

1 液壓挖掘機工作裝置建模

液壓挖掘機工作裝置是挖掘機工作的執(zhí)行機構(gòu)，在整個工作過程中，由于工作裝置組件重心位置的變化和瞬時沖擊會對工作裝置產(chǎn)生較大的附著力.因此采用工作裝置剛?cè)狁詈隙囿w模型進行動力學分析.本文采用三維軟件UG NX對工作裝置進行三維幾何建模，如圖1所示，然后將其導入到多體動力學仿真軟件ADAMS中，用 ADAMS 的自動柔性化功能將工作裝置三維模型轉(zhuǎn)化成柔性體，并施加材料屬性和約束后建立動力學模型.模型主要包括鏟斗1、斗桿2、動臂3、回轉(zhuǎn)平臺4、動臂液壓缸5、鏟斗液壓缸6和斗桿液壓缸7等部件組成.工作裝置三維模型建立過程中，為便于ADAMS軟件的仿真計算，在不改變工作裝置的力學性能的情況下，對工作裝置進行以下簡化處理：

(1)由于工作裝置各組件的倒角對仿真和應力分析影響較小，為降低ADAMS軟件計算時間，對所有組件的倒角簡化處理.

(2)為了簡化仿真模型，將工作裝置組件間的各鉸接孔處的連接銷等非傳動件忽略，將其質(zhì)量添加到相連的傳動件上.

(3)為便于簡化工作裝置組件間的約束與自由度，將斗齒與鏟斗作為一個整體建模.

工作裝置的主要工作尺寸由液壓油缸的行程確定，液壓油缸參數(shù)如表1所示.

表1 工作裝置液壓油缸主要參數(shù)Table 1 Hydraulic cylinder parameters for working device

圖1 工作裝置模型Fig.1 Simulation model of working device

2 挖掘機的理論挖掘載荷計算

挖掘機在進行挖掘作業(yè)時載荷類型和分布情況十分復雜，主要由挖掘阻力、物料的重量和工作裝置自身的重量組成，其中挖掘阻力是鏟斗在挖掘過程中所受的最大阻力.挖掘阻力通常由鏟斗切削土壤產(chǎn)生的摩擦力、土壤的切削阻力和推移阻力構(gòu)成，在方向上可分解為法向挖掘阻力和切向挖掘阻力，為便于仿真分析可近似地認為作用在鏟斗的斗齒尖上.其經(jīng)驗計算公式如下[8]：

切向挖掘阻力：Wtmax=K0bhtmax

(1)

法向挖掘阻力：Wnmax=τWtmax

(2)

式中：K0為挖掘比阻力系數(shù)，單位：N/mm2，取值19.5N/cm2.b為挖掘?qū)挾?，單位：mm，實測值為129.5cm.htmax為挖掘深度，一般取0.2b，單位：mm，0.2b =25.9 cm.τ為挖掘阻力系數(shù)，取值0.42.

在實際施工挖掘作業(yè)中挖掘阻力不僅與鏟斗形狀、鏟斗和土壤間的摩擦阻力、土壤的切削阻力、裝土壤阻力有關，還與液壓挖掘機位置、系統(tǒng)工作壓力和挖掘液壓缸活塞工作面積有關.根據(jù)相關研究，采用1.5倍的挖掘阻力進行校核[9,10].即

Wtmax=1.5×K0bhtmax=98.1KN

Wnmax=1.5×τWtmax=41.2KN

挖掘物料產(chǎn)生的重力計算公式為：

G=ρgv

式中：ρ為土壤密度，取值1.8×10-6kg/m3；v為鏟斗的容積，取值1.05m3；g為重力加速度，取值9.8m/s2，通過計算G=18.5kN.

3 函數(shù)控制

挖掘機作業(yè)動作分為挖掘、提升、回轉(zhuǎn)、卸料、反回轉(zhuǎn)、降臂等環(huán)節(jié).在挖掘作業(yè)過程中,鏟斗上產(chǎn)生的挖掘阻力比較復雜,進行動力學仿真時，完全真實的描述鏟斗上的挖掘阻力比較困難，通常在鏟斗斗齒上以集中力代替.

3.1 驅(qū)動函數(shù)控制

液壓油缸產(chǎn)生的液壓力是工作裝置工作的源動力，在ADAMS中，需要通過施加階躍函數(shù)STEP驅(qū)動液壓油缸旋轉(zhuǎn)運動和驅(qū)動液壓油缸函數(shù)設置如下：

a.定義動臂油缸上的驅(qū)動方程為

STEP(time,0,0,0.9,150)+STEP(time,0.9,0,4.6,0)+STEP(time,4.6,0,8.1,-390) +STEP(time,8.1,0,9.1,0)+STEP(time,9.1,0,12.2,0)+STEP(time,12.2,0,13.6,-40)+STEP(time,13.6,0,15,430)

b.定義斗桿油缸上的驅(qū)動方程為

STEP(time,0,0,0.9,-100)+STEP(time,1,0,4.6,-400)+STEP(time,4.6,0,8.1,0)+STEP(time,8.1,0,9.1,0)+STEP(time,9.1,0,12.2,250)+STEP(time,12.2,0,15,150)

c.定義鏟斗油缸上的驅(qū)動方程為

STEP(time,0,0,0.9,100)+STEP(time,0.9,0,2,0)+STEP(time,2,0,4.6,-340)+STEP(time,4.6,0,8.1,-150)+STEP(time,8.1,0,9.1,0)+STEP(time,9.1,0,10.3,0)+STEP(time,10.3,0,12.2,490)+STEP(time,12.2,0,15,0)

d.定義回轉(zhuǎn)運動副上的驅(qū)動方程為

STEP(time,0,0,0.9,0)+STEP(time,1.0,0,4.6,0)+STEP(time,4.6,0,6.4,0)+STEP(time,6.4,0,9.1,90d)+STEP(time,9.1,0,12.2,0)+STEP(time,12.2,0,15,-90d)

圖2 各油缸及回轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動函數(shù)曲線Fig.2 Drive function curves of The oil cylinder and slewing mechanism

3.2 載荷函數(shù)控制

根據(jù)挖掘載荷計算結(jié)果，在ADAMS中，挖掘阻力由STEP函數(shù)表示如下:

切向阻力Wtmax的STEP函數(shù)表示為:

STEP(time,1.0,0,3.6,98100)+STEP(time,3.6,0,4.5,-98100)

法向阻力Wnmax的STEP函數(shù)表示為:

STEP(time,1.0,0,3.6,41200)+STEP(time,3.6,0,4.5,-41200)

物料重力的STEP函數(shù)表示如下:

STEP(time,1.0,0,4.5,18500)+STEP(time,4.5,0,9.7,0)+STEP(time,9.7,0,12,-18500)

切向阻力Wtmax、法向挖掘阻力Wnmax、物料重力G的STEP函數(shù)曲線如圖3

4 仿真分析

在仿真過程中仿真時間為15s，仿真步數(shù)為200，從停機位置進入到挖掘地點時間為1s，作業(yè)過程所用的時間為14s.通過ADAMS計算各鉸點間的作用力，得出工作裝置各鉸點位移和載荷仿真曲線.

圖3 挖掘機工作裝置外載荷曲線圖Fig.3 Load curves of excavator working device

4.1 鏟斗斗齒尖位移仿真

圖4為鏟斗斗齒尖的位移曲線.從圖上可以看出，0～6s液壓挖掘機處于挖掘階段，鏟斗斗齒尖z方向上位移不變，豎直平面內(nèi)運動; 6s～10液壓挖掘機處于回轉(zhuǎn)階段，鏟斗斗齒尖x、y、z方向的位移均發(fā)生變化; 10s～12s液壓挖掘機的工作裝置回轉(zhuǎn)結(jié)束，卸載開始，直至卸載完成，鏟斗斗齒尖在x方向位移變化曲線為一直線，位移不變；12s～15s液壓挖掘機卸載完成返回工作點,鏟斗斗齒尖在x方向、y方向和z方向的位移不斷變化.仿真結(jié)果顯示鏟斗斗齒尖位移在各液壓油缸運動驅(qū)動下發(fā)生變化，鏟斗斗齒尖的仿真數(shù)據(jù)與實際值比較接近，說明仿真正確.

表2 實際值與仿真值對比表Table 2 Comparison of actual value and simulation value

圖4 鏟斗斗齒齒尖位移仿真曲線Fig.4 Displacement simulation curves of bucket teeth tip

4.2 液壓缸受力仿真

圖5為工作裝置各油缸的受力仿真曲線.從圖5可以看出，在0～1.2s挖掘機工作裝置處于挖掘準備階段，各油缸開始動作，壓力波動明顯，由于降臂動作主要發(fā)生在動臂上，壓力變化較大.作業(yè)開始前，各液壓缸所受壓力回落5kN左右，1.2s鏟斗開始挖掘，斗桿油缸和鏟斗油缸壓力隨挖掘阻力增大而增大，當挖掘阻力最大時，斗桿油缸和鏟斗油缸壓力達到最大值，隨后開始迅速減小.4.5s之后工作裝置的工作狀態(tài)進入提升回轉(zhuǎn)階段，在此過程中，動缸臂只受物料重力作用，所以動臂缸受力在120kN附近上下波動；12s開始進入卸載階段,三個油缸受力迅速減小，因物料重力減小，動臂油缸減小幅度較大.卸料結(jié)束后，斗桿油缸、鏟斗油缸開始收縮，斗桿和鏟斗重心提升，動臂油缸受力增大，進入回轉(zhuǎn)狀態(tài)為避免鏟斗與附近設備不碰撞，動臂油缸需提升一段距離，動臂油缸達到工作最高點，受力繼續(xù)增大，隨后收縮回轉(zhuǎn)到挖掘地點，進入下一次挖掘作業(yè)循環(huán)，仿真曲線變化趨勢符合實際.

圖5 動臂油缸、斗桿油缸及鏟斗油缸受力仿真曲線Fig.5 Force variation simulation curves of hydraulic cylinder for boom，bucket rod and bucket

4.3 液壓挖掘機工作裝置各鉸點受力仿真分析

圖6、7所示分別為動臂各鉸點受力仿真曲線和斗桿各鉸點受力仿真曲線.從圖中可以看出挖掘過程中當挖掘合阻力處于最大時，動臂和斗桿鉸點處的約束反力均處于最大值.3.6s時斗桿和鏟斗液壓缸共同作用，斗桿油缸壓力最大值達200kN左右，動臂與斗桿鉸接處出現(xiàn)最大值約束反力230kN.因此，動臂與斗桿鉸接處G點是挖掘作業(yè)過程中的容易損壞部位，動臂與斗桿結(jié)構(gòu)設計時應考慮強度和剛度的影響，選擇材料時應選用高強度合金鋼，產(chǎn)品加工完成后應對表面進行特殊處理，提高疲勞強度，延長使用壽命.另外，動臂與平臺鉸點A處易損壞，在最大卸載半徑下，不僅承擔了工作裝置的重量，而且由于工作裝置的離心力和慣性力的作用，彎曲應力較大.

圖6 動臂上鉸點受力仿真曲線Fig.6 Force variation curves of each joint of boom

圖7 斗桿上鉸點受力仿真曲線Fig.7 Force variation curves of each joint of bucket rod

5 結(jié)論

通過液壓挖掘機工作裝置的各項結(jié)構(gòu)參數(shù)和各部件的空間關系，利用UG NX三維造型設計軟件建立三維模型，對工作裝置組件的倒角、連接銷及斗齒等部位做了簡化處理，導入ADAMS動力學分析軟件中，施加材料屬性和約束后建立虛擬樣機動力學模型.對工作裝置在挖掘、提升、回轉(zhuǎn)、卸料、降臂等環(huán)節(jié)進行了仿真，對鏟斗斗齒尖的仿真數(shù)據(jù)與實際值進行比較，驗證了仿真正確.挖掘機的作業(yè)過程中最大載荷出現(xiàn)在挖掘阻力最大時，挖掘阻力與載荷成正比，動臂受力最大值為230kN.通過對工作裝置進行動力學分析，對挖掘機工作裝置設計和改進提供了理論參考依據(jù).

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Dynamic simulation analysis of working device for hydraulic excavator based on ADAMS

XIAO Caiyuan1，ZHANG Guiju1，2，DENG Ruilin1

(1.Department of Mechanical and Energy Engineering，Shaoyang University,Shaoyang 422000，China;2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha 410083，China)

Taking a certain type of excavator as the research object，the 3D models of its working device were established and assembled by 3D design software UG NX then pour it into the ADAMS，the 3D models of the working device is transformed into a flexible body by using the automatic flexible function of ADAMS，establish rigid flexible coupling virtual prototype model.Through the dynamic analysis of the working device，get load curve at the main hinge points of the device.The maximum load stress of hinged point is 230 kN between movable arm and bucket rod，which appeared at the digging resistance’s maximum value.Verify the correctness of the simulation.

hydraulic excavator;working device; ADAMS;dynamic simulation

1672-7010(2016)02-0089-06

2015-12-17

湖南省教育廳科學研究項目(15C1240)；2016年湖南省大學生研究性學習和創(chuàng)新性實驗計劃項目作者簡介：肖才遠(1979-)，男，貴州威寧人，講師，從事機械設計方法與理論、機電一體化技術的研究

張桂菊(1979-)，女，博士研究生，副教授，從事機電一體化技術及掘進裝備破巖機理的研究；Email：zhangguiju1999@sina.cn

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