蔡應(yīng)強(qiáng)，丁旭光

(1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361021；

3.華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門 361021)

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基于虛擬樣機(jī)的輪式裝載機(jī)前車架動(dòng)態(tài)載荷分析

蔡應(yīng)強(qiáng)1,2,3，丁旭光1,2

(1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361021；

3.華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門 361021)

[摘要]為了研究輪式裝機(jī)前車架在典型工況下的受力情況，首先對(duì)輪式裝載機(jī)的工作阻力進(jìn)行理論計(jì)算，利用Pro/E軟件建立三維實(shí)體模型，再通過(guò)MECH/Pro接口將三維實(shí)體模型導(dǎo)入ADAMS軟件中，建立輪式裝載機(jī)整車機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，以此為基礎(chǔ)對(duì)裝載機(jī)前車架進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，獲得前車架各鉸接點(diǎn)的載荷時(shí)間歷程，分析前車架在作業(yè)工況中的動(dòng)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(jī)；虛擬樣機(jī)；載荷時(shí)間歷程；動(dòng)力學(xué)仿真

0引言

前車架是鉸接式輪式裝載機(jī)的關(guān)鍵部件之一，是連接后車架、前車橋和工作裝置的機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，在作業(yè)過(guò)程中承受著工作裝置傳遞的工作阻力、動(dòng)力裝置傳遞的驅(qū)動(dòng)力矩以及前橋的支撐載荷等動(dòng)態(tài)隨機(jī)載荷[1-3].在實(shí)際使用過(guò)程中，由于工況惡劣，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不合理、焊接質(zhì)量差等原因，前車架經(jīng)常會(huì)發(fā)生疲勞破壞.而前車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且成本較高.通過(guò)虛擬樣機(jī)技術(shù)，可減少產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本，降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，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(jī)技術(shù)，對(duì)裝載機(jī)作業(yè)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，以期得到前車架的載荷時(shí)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(jī)作業(yè)阻力

輪式裝載機(jī)循環(huán)作業(yè)過(guò)程一般包括插入、鏟裝、舉升和卸載四種工況.作業(yè)過(guò)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(jī)為例，根據(jù)其結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)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(guò)程中，料堆對(duì)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(yàn)Fx=9.8K1K2K3K4B0L1.25計(jì)算[4].其中：K1為物料塊度與松散程度系數(shù)，對(duì)礫石等細(xì)粒料取0.5；K2為物料性質(zhì)系數(shù)，對(duì)花崗巖取0.14；K3為料堆高度系數(shù)，料堆高度為1.4 m時(shí)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(jì)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(dòng)臂時(shí)所鏟掘物料對(duì)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(shí)刻，隨著動(dòng)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(shí)刻物料的剪切應(yīng)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(jì)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(shí)，料堆對(duì)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(shí)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(jì)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(shí)由物料自重產(chǎn)生的阻力矩，Mα′=GLB；α′為鏟斗離開料堆時(shí)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(shí)鏟斗中心距回轉(zhuǎn)中心的距離.

轉(zhuǎn)斗阻力矩計(jì)算參數(shù)與計(jì)算結(jié)果如表1所示.

表1　轉(zhuǎn)斗阻力矩計(jì)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(jī)虛擬樣機(jī)建模

目前虛擬樣機(jī)建模大多采用ADAMS軟件，而在ADAMS軟件中構(gòu)建三維實(shí)體建模相對(duì)比較復(fù)雜，所以裝載機(jī)虛擬樣機(jī)建模可分為兩步，先利用Pro/E軟件建立三維實(shí)體模型，再通過(guò)MECH/Pro接口將三維實(shí)體模型直接導(dǎo)入ADAMS軟件中[1].

2.1　三維實(shí)體建模

根據(jù)該ZL50型裝載機(jī)樣機(jī)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，對(duì)部分非承載結(jié)構(gòu)作簡(jiǎn)化處理后，采用Pro/E軟件建立其鏟斗、動(dòng)臂、前車架、后車架等結(jié)構(gòu)件的三維實(shí)體模型如圖1所示.

按照裝載機(jī)各結(jié)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)副關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行虛擬裝配得到整車機(jī)構(gòu)三維實(shí)體模型如圖2所示.

2.2　虛擬樣機(jī)模型

1)幾何模型的導(dǎo)入

將上述裝載機(jī)整車機(jī)構(gòu)三維模型導(dǎo)出為“.x_t”文件格式，導(dǎo)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(gè)零件名稱、材料屬性，生成質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)導(dǎo)入模型添加約束關(guān)系.以前車架為例，考慮到在作業(yè)過(guò)程中，裝載機(jī)所受到的工作阻力和地面摩擦阻力，將通過(guò)工作機(jī)構(gòu)、前橋、后車架與前車架之間的8個(gè)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(jī)的作業(yè)環(huán)境，采用ADAMS中的二維不平隨機(jī)路面和輪胎模型庫(kù)，創(chuàng)建輪式裝載機(jī)輪胎和地面模型，并根據(jù)樣機(jī)輪胎的實(shí)際參數(shù)，對(duì)輪胎模型的“腳本”文件進(jìn)行編輯.虛擬樣機(jī)中的路面譜與輪胎模型如圖5所示.與前車架類似，對(duì)其他結(jié)構(gòu)件添加相應(yīng)約束條件后，建立整車機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型，如圖6所示.該模型由26個(gè)Part(包含地面)構(gòu)成，共創(chuàng)建固定副8個(gè)、旋轉(zhuǎn)副19個(gè)、球鉸副2個(gè)、移動(dòng)副3個(gè).

3工作阻力及驅(qū)動(dòng)加載

以裝載機(jī)實(shí)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(jìn)與空載復(fù)位兩個(gè)作業(yè)調(diào)整環(huán)節(jié)，以模擬裝載機(jī)實(shí)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(dòng)加載次序及用時(shí)如表2所示.

表2　輪式裝載機(jī)工作阻力與驅(qū)動(dòng)加載次序

假定每次鏟裝質(zhì)量的滿鏟設(shè)計(jì)量為5 t，以表2所示的加載次序?yàn)橐罁?jù)，用ADAMS軟件提供的STEP函數(shù)來(lái)設(shè)定驅(qū)動(dòng)加載.按照惡劣工況來(lái)考慮，鏟斗處于滿負(fù)荷極限偏載情況(此時(shí)一側(cè)輪胎已懸空，整車處于橫傾臨界點(diǎn))，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(duì)稱載荷方式加載，如圖7所示.車輪、動(dòng)臂液壓缸與轉(zhuǎn)斗液壓缸的驅(qū)動(dòng)則按圖8所示方式加載.

4前車架動(dòng)力學(xué)仿真分析

在輪式裝載機(jī)中，直接與前車架相連的構(gòu)件包括工作機(jī)構(gòu)、后車架、前驅(qū)動(dòng)橋.因此，輪式裝載機(jī)在作業(yè)過(guò)程中的工作阻力與地面摩擦阻力將通過(guò)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(jìn)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(duì)前車架傳遞驅(qū)動(dòng)力，其余工況只起到支撐作用；而工作機(jī)構(gòu)則在整個(gè)作業(yè)循環(huán)中依靠前車架的支撐來(lái)克服工作阻力，包括2個(gè)動(dòng)臂液壓缸的支反力、轉(zhuǎn)斗液壓缸的支反力以及動(dòng)臂與前車架之間2個(gè)銷軸連接的支反力.以前車架為研究對(duì)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(jī)仿真模型中，以此建立上述力的測(cè)量坐標(biāo)Marker_10—Marker_14，與圖4中的Joint_10—Joint_14的作用點(diǎn)坐標(biāo)相對(duì)應(yīng).通過(guò)上述測(cè)量坐標(biāo)，即可獲取裝載機(jī)虛擬樣機(jī)仿真中前車架各連接副的載荷時(shí)間歷程.

該樣機(jī)額定鏟裝質(zhì)量為5 t，建立虛擬樣機(jī)中工作阻力和STEP驅(qū)動(dòng)函數(shù)，按照表2所示的加載次序進(jìn)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(shí)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(duì)平穩(wěn)；鏟裝工況中，動(dòng)臂液壓缸閉鎖，轉(zhuǎn)斗液壓缸伸出收斗，各鉸點(diǎn)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(shí)刻，由于慣性作用，前車架各鉸點(diǎn)都出現(xiàn)沖擊載荷，震蕩幅值分別達(dá)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(guò)程基本平穩(wěn)；卸載工況中，動(dòng)臂液壓缸閉鎖，轉(zhuǎn)斗液壓缸縮回；翻斗卸料過(guò)程中，與轉(zhuǎn)斗鉸接的鉸點(diǎn)載荷迅速增加到最大值1.08×105N后迅速回落，同時(shí)與動(dòng)臂鉸接的鉸點(diǎn)載荷也快速下降.由此可見，在整個(gè)作業(yè)循環(huán)中，平均載荷(平均應(yīng)力)、載荷比(應(yīng)力比)和載荷幅度(應(yīng)力幅)均較大，這也是裝載機(jī)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(shí)體模型，導(dǎo)出為“.Parasolid”文件格式，將其以部件“Part”的形式導(dǎo)入ABAQUS軟件中，得到有限元實(shí)體模型，進(jìn)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(gè)載荷時(shí)間歷程以數(shù)據(jù)表格的形式導(dǎo)出，在有限元分析模型中以幅值曲線的形式對(duì)應(yīng)加載于連接副Joint_10—Joint_14處(如圖4a所示)，通過(guò)有限元仿真計(jì)算，即可獲取前車架在前述工況下的應(yīng)力分布云圖，可進(jìn)一步做強(qiáng)度和疲勞壽命分析.

5結(jié)束語(yǔ)

基于Pro/E和ADAMS軟件建立了某ZL50裝載機(jī)的虛擬樣機(jī)模型，根據(jù)裝載機(jī)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(dòng)、動(dòng)臂和轉(zhuǎn)斗液壓缸驅(qū)動(dòng)加載于虛擬模型，通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真獲得了前車架各鉸接點(diǎn)處的載荷時(shí)間歷程.結(jié)果表明，前車架在作業(yè)時(shí)載荷波動(dòng)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(zé)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(hào)]TH 391.9；TH 243+.1

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1007-7405(2015)06-0450-07

[作者簡(jiǎn)介]蔡應(yīng)強(qiáng)(1980—)，男，博士研究生，講師，主要從事工程機(jī)械、船舶設(shè)備的機(jī)電液一體化及虛擬仿真研究.

[基金項(xiàng)目]交通部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2014329815100)；福建省科技廳高校產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(2014H6020)

[收稿日期]2015-04-14[修回日期]2015-10-13