祖英利，高 琪，于洪洋

（1.上海第二工業(yè)大學(xué)實驗實訓(xùn)中心，上海 201209；2.空軍航空大學(xué)，長春 130025）

0 引言

整機(jī)穩(wěn)定性是指挖掘裝載機(jī)構(gòu)在挖掘作業(yè)時，出現(xiàn)的前傾、后傾以及前、后滑移現(xiàn)象。對挖掘裝載機(jī)的設(shè)計而言，在滿足作業(yè)范圍的情況下，要求工作裝置的結(jié)構(gòu)布置應(yīng)合理、緊湊，挖掘力和掘起力的分布適當(dāng)。在滿足整機(jī)穩(wěn)定性的前提下，應(yīng)盡可能提高挖掘力和掘起力[1]。

WZ30-25型輪式液壓挖掘裝載機(jī)有三個特點(diǎn)。

(1) 注意配重時的分布。這是因為挖掘機(jī)構(gòu)和裝載裝置的重量對作業(yè)時整機(jī)的穩(wěn)定性有影響。

(2) 挖掘作業(yè)時，考慮整機(jī)穩(wěn)定性和附著能力時，向前傾翻點(diǎn)為裝載斗著地點(diǎn)，向后傾翻點(diǎn)為支腿著地點(diǎn)。

(3) 不僅要考慮挖掘力的充分發(fā)揮和作業(yè)速度的提高，還要考慮在反鏟裝置不工作時，整機(jī)運(yùn)輸狀態(tài)或裝載裝置作業(yè)工況時的穩(wěn)定性，即應(yīng)該使靜止?fàn)顟B(tài)位置反鏟裝置的質(zhì)心盡量靠近機(jī)座主體。

圖1 挖掘裝載機(jī)的虛擬樣機(jī)模型Fig.1 Virtual model of backhoe loader

1 建立WZ30-25虛擬樣機(jī)模型

本文以WZ30-25液壓挖掘裝載機(jī)為例進(jìn)行仿真優(yōu)化。已知條件：整機(jī)重量6.7 kN，鏟斗液壓缸的缸徑為90 mm，活塞桿直徑為45 mm，斗桿液壓缸和動臂液壓缸的缸徑100 mm，活塞桿直徑為50 mm，液壓系統(tǒng)的工作壓力為17.5 MPa，其余相關(guān)參數(shù)參見表1。反鏟機(jī)構(gòu)模型由鏟斗、動臂、斗桿、三組液壓缸四個主要部分組成（如圖1所示）。將動臂下鉸點(diǎn)鉸接在底座上，底座與大地鎖定，將機(jī)構(gòu)運(yùn)動平面設(shè)置在XY平面內(nèi)[2]。

計算各個構(gòu)件的物理參數(shù)（如質(zhì)量、質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動慣量等）和力學(xué)參數(shù)。對裝配好的模型進(jìn)行動力學(xué)仿真，利用ADAMS/Slover腳本在20 s使反鏟作業(yè)裝置三個液壓缸協(xié)調(diào)作業(yè)完成挖掘包絡(luò)圖。分析挖掘包絡(luò)圖，校核各種技術(shù)參數(shù)（如表1所示），調(diào)整模型直到滿足特殊工作尺寸（如最大挖掘深度、最大挖掘半徑）的要求。在仿真過程中，利用 ADAMS測量工具，控制運(yùn)動件轉(zhuǎn)角的約束以及結(jié)構(gòu)和幾何條件的約束，確定樣機(jī)的動力學(xué)模型。在斗齒尖加載荷，數(shù)值模擬挖掘最大阻力F，方向在挖掘作業(yè)過程中與斗齒尖的法向保持一致，載荷隨鏟斗運(yùn)動而運(yùn)動。在鏟斗機(jī)構(gòu)挖掘和斗桿機(jī)構(gòu)挖掘的兩種工況下，反復(fù)測量三組液壓缸工作力。調(diào)整模型直到滿足ADAMS創(chuàng)建的虛擬樣機(jī)與原機(jī)鏟斗最大挖掘力31.7 kN和斗桿最大挖掘力30 kN（忽略各個鉸接點(diǎn)摩擦）[3-4]。

表2 土的工程分類和主要性質(zhì)（本文以Ⅲ級土為準(zhǔn)）Tab.2 The primary quality and engineering classification of soil

2 校驗整機(jī)配重

根據(jù)工況的不同挖掘裝載機(jī)的整機(jī)穩(wěn)定性可分為作業(yè)穩(wěn)定、自身穩(wěn)定和行走穩(wěn)定三類。計算這幾種工況時都應(yīng)考慮可能發(fā)生的不利因素，如坡度、風(fēng)載荷和慣性力等的影響。因為工作裝置相對輪胎有縱向和橫向兩個位置，所以在挖掘裝載機(jī)的穩(wěn)定性計算中也分縱向穩(wěn)定性和橫向穩(wěn)定性兩種?？紤]到本文待優(yōu)化的是反鏟工作裝置的挖掘力,所以重點(diǎn)是校驗反鏟裝置作業(yè)時整機(jī)縱向穩(wěn)定性。

首先，我們做空載狀態(tài)的整機(jī)反鏟作業(yè)穩(wěn)定性的仿真校驗。根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊,設(shè)計了三種工況的配重調(diào)試[5-6]：

(1) 在空載狀態(tài)下以20 km/h的速度勻速行走；

(2) 停車，在20秒內(nèi)，反鏟作業(yè)裝置空載完成一次包絡(luò)圖的挖掘作業(yè)；

(3) 停車，在6秒內(nèi)，裝載機(jī)構(gòu)完成一次滿斗提升作業(yè)；

調(diào)整配重，重復(fù)仿真測量，直到測得的前橋負(fù)重變化范圍在50%～45%（與整機(jī)重量比）之間，后橋負(fù)重變化范圍在50%～55%之間（風(fēng)載荷取q＝0.25 kPa）。

3 校驗整機(jī)穩(wěn)定性

3.1 工況Ⅰ

在最大挖掘半徑處提起滿斗時，反鏟作業(yè)裝置的重心距離機(jī)體最遠(yuǎn)，有使整機(jī)后傾的趨勢，傾復(fù)邊緣在支腿著地點(diǎn)。以Ⅲ級土為標(biāo)準(zhǔn)，在1秒鐘內(nèi)動臂順時針帶動滿斗在最大挖掘半徑處轉(zhuǎn)過30度。由仿真測量可知，在此過程中，雙支腿對地面正壓力均值為47.8 kN，裝載斗對地面的正壓力均值為25 kN，整個過程無跳起現(xiàn)象。結(jié)論：該工況整機(jī)穩(wěn)定性良好。

3.2 工況Ⅱ

最大挖掘深度為H時斗桿及鏟斗處于垂直位置，用鏟斗液壓缸挖掘，此時挖掘阻力有使整機(jī)抬起的趨勢，傾復(fù)邊緣在裝載斗著地點(diǎn)。在1秒鐘內(nèi)鏟斗液壓油缸逆時針在最深挖掘點(diǎn)處轉(zhuǎn)過20度，鏟斗挖掘阻力設(shè)為31.7 kN。由仿真測量可知，在此過程中，雙支腿對地面正壓力均值為22 kN，裝載斗對地面的正壓力均值為37.2 kN，整個過程無跳起現(xiàn)象。結(jié)論：該工況整機(jī)穩(wěn)定性良好。

3.3 工況Ⅲ

在停機(jī)面上最大挖掘半徑處用鏟斗液壓缸挖掘，挖掘阻力F1和F2向上有使整機(jī)前傾的趨勢，傾復(fù)邊緣在轉(zhuǎn)載斗著地點(diǎn)。在1秒鐘內(nèi)鏟斗液壓油缸逆時針在最大挖掘半徑處轉(zhuǎn)過10度，鏟斗挖掘阻力W1設(shè)為31.7 kN。由仿真測量可知，在此過程中，雙支腿對地面正壓力均值為35.8 kN，裝載斗對地面的正壓力均值為29.9 kN，整個過程無跳起現(xiàn)象。結(jié)論：該工況整機(jī)穩(wěn)定性良好。不過此種工況在地面開挖時為常見，并不嚴(yán)重，當(dāng)鏟斗轉(zhuǎn)過一定角度后由于阻力臂的迅速減小，傾復(fù)力矩即減小，更趨穩(wěn)定。

3.4 工況Ⅳ

裝載作業(yè)時轉(zhuǎn)斗液壓油缸掘起力50 kN，此時掘起阻力有使整機(jī)前傾的趨勢，傾復(fù)邊緣在前輪著地點(diǎn)。在1秒鐘內(nèi)轉(zhuǎn)斗液壓油缸逆時針將裝載斗轉(zhuǎn)過15度，作用在裝載斗齒尖的掘起阻力設(shè)為50 kN，由仿真測量可知，兩前輪對地面正壓力均值為108 kN，兩后輪對地面的正壓力均值為8.558 kN，整個過程無跳起現(xiàn)象。結(jié)論：該工況整機(jī)穩(wěn)定性良好。

4 結(jié)論

本文把虛擬樣機(jī)技術(shù)與挖掘裝載機(jī)設(shè)計結(jié)合起來，應(yīng)用動態(tài)設(shè)計技術(shù)和仿真技術(shù)，完善挖掘裝載機(jī)的工作性能?？紤]到挖掘裝載機(jī)一機(jī)兩用的特殊性質(zhì)，在計算機(jī)上建造出產(chǎn)品的整體模型，針對幾種實際工況進(jìn)行仿真分析，預(yù)測產(chǎn)品的整體穩(wěn)定性。本文直接利用ADAMS/View進(jìn)行整機(jī)建模仿真，具有操作簡便，可視性強(qiáng)，效率高的特點(diǎn)，特別適合企業(yè)設(shè)計應(yīng)用。

[1]閻書文.機(jī)械式挖掘機(jī)設(shè)計[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1991.

[2]朱永強(qiáng), 高利.挖掘機(jī)動態(tài)力學(xué)仿真[J].煤礦機(jī)械, 2007(9):12-16.

[3]查蔓莉, 王保明.基于ADAMS的液壓支架參數(shù)化建模及優(yōu)化設(shè)計[J].煤礦機(jī)械, 2007(9):18-21.

[4]劉娟, 周志鴻.輪式挖掘機(jī)工作裝置虛擬樣機(jī)在ADAMS中的實現(xiàn)[J].建筑機(jī)械, 2008(10):26-29.

[5]曹善華.單斗挖掘機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 1989.

[6]同濟(jì)大學(xué).單斗液壓挖掘機(jī)[M].第二版.北京:中國建筑工業(yè)出版社, 1986.