唐晶磊 呂勛國

摘要： 利用Adams軟件對挖掘裝置虛擬樣機進行運動及動力學(xué)仿真，分析挖掘裝置關(guān)鍵工作參數(shù)，獲得挖掘裝置工況變化規(guī)律及曲線、工作載荷和各極值節(jié)點受力參數(shù)，用以挖掘裝置的分析和改進。

Abstract： Adams software was used to simulate the motion and dynamics of the virtual prototype of the mining device， analyze the key working parameters of the mining device， and obtain the changing rule and curve of the working condition of the mining device， the working load and the stress parameters of each extremum node， for the analysis and improvement of the mining device.

關(guān)鍵詞： Adams;運動及動力學(xué)仿真;技術(shù)改進

Key words： Adams;motion and dynamics simulation;technical improvement

中圖分類號：TH137 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）03-0038-03

0 ?引言

本文針對某型液壓挖掘機在本地惡劣環(huán)境下工作，經(jīng)常出現(xiàn)動臂和斗桿破損現(xiàn)象，在Adams對挖掘裝置虛擬樣機進行運動及動力學(xué)仿真，分析液壓挖掘機挖掘裝置工作中的關(guān)鍵參數(shù)，獲得液壓挖掘機挖掘裝置工況變化規(guī)律及曲線、工作載荷和各極值節(jié)點受力等參數(shù)，用以挖掘裝置的改進和分析。

1 ?虛擬樣機技術(shù)簡介

Adams是美國開發(fā)的一種虛擬樣機分析軟件，主要用于科學(xué)研究、產(chǎn)品設(shè)計[1]。由于該軟件將優(yōu)化處理、計算求解、模型創(chuàng)建等多種功能集中于一體，功能強大，目前得到了眾多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。在實際操作中，可以根據(jù)自身需求設(shè)置輸出方式，該軟件支持的輸出形式有W-Y曲線、測試圖、仿真動畫、軌跡圖等[2]。通過仿真分析，能夠得到機構(gòu)運動范圍，在其基礎(chǔ)上，對裝置的動力學(xué)性質(zhì)及運動情況進行分析，展開碰撞試驗，通過參數(shù)計算，對輸出載荷進行有限元分析，并交換控件軟件信息、有限元分析軟件信息、三維設(shè)計軟件信息，從而使其能夠達到要求，不斷拓展應(yīng)用領(lǐng)域。

2 ?液壓挖掘裝置運動學(xué)仿真的原理

采用D-H法來建立工作裝置的運動學(xué)數(shù)學(xué)模型，然后對挖掘裝置的機構(gòu)特點進行分析[3]。首先我們選取動臂與機架的鉸點中心O為坐標(biāo)系原點如圖1，并建立坐標(biāo)系xOy，然后分別在鉸點O、A、B處沿著連桿鉸點連線方向再建立各個連桿坐標(biāo)系，分別用{Oa}、{Ob}、{Oc}進行表示。

根據(jù)D-H法可以得到：

上式中，各參數(shù)代表的含義分別為：ai-1為從Z-1到Zi沿X軸方向的距離;ai-1為從Zi-1軸到Zi軸繞X軸的旋轉(zhuǎn)角度;di為從Xi-1到Xi沿Z軸的距離;θ為Xi-1到Xi繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度。

3 ?挖掘裝置的運動仿真

3.1 運動仿真建模的前期準(zhǔn)備工作

①CAD模型的導(dǎo)入。

在CATIA軟件中將文件存成stp格式文件，CATIA和Adams有很好的數(shù)據(jù)接口，它們之間可以通過stp格式文件傳遞模型數(shù)據(jù)和裝配信息，無需在Adams中對模擬再次分解，可直接導(dǎo)入到Adams的模型如圖2所示。

②工作環(huán)境的設(shè)置。

在Adams軟件中對工作環(huán)境設(shè)置部分內(nèi)容，分別是工作格柵的設(shè)置、計量單位的設(shè)置、重力加速度的設(shè)置。統(tǒng)一Adams軟件中的單位，重力加速度G=9.8N/kg。

3.2 液壓挖掘裝置約束條件

該液壓挖掘機挖掘裝置的運動部件數(shù)量為19個，需要為各個部件之間選擇正確的連接方式，如表1所示，依據(jù)為液壓挖掘機的運動原理。

3.3 液壓挖掘機挖掘裝置驅(qū)動設(shè)置

在對反鏟液壓挖掘機進行研究時發(fā)現(xiàn)，多種液壓缸組合到一起形成一個完整挖掘控制裝置，完成各項運動動作，涉及到的主要工作參數(shù)有3個，如表2所示。

①挖掘高度最大值（LHmax）。

沿著垂直方向從上至下，挖掘機的挖掘尺寸達到最大高度度時，并且動臂液壓缸轉(zhuǎn)換為全伸狀態(tài)時，將此數(shù)值作為（LHmax）。

②挖掘深度最大值（LDmax）。

該參數(shù)指的是沿著垂直方向從上至下，挖掘機的挖掘尺寸達到最大深度時，并且動臂液壓缸轉(zhuǎn)換為全縮狀態(tài)時，將此數(shù)值作為LDmax。

③挖掘半徑最大值（LRmax）。

該參數(shù)指的是在水平范圍內(nèi)，挖掘機作業(yè)可以達到的最大尺寸，其半徑的最大值出現(xiàn)在斗桿液壓缸轉(zhuǎn)換為全縮狀態(tài)時刻，將此數(shù)值作為LRmax。

為了更好地控制液壓挖掘機挖掘裝置，對上述3個參數(shù)進行仿真研究。如表3所示為裝置液壓缸運動參數(shù)設(shè)置統(tǒng)計表。

依據(jù)液壓挖掘機挖掘裝置模型自由度數(shù)，并在其基礎(chǔ)上設(shè)置3個移動驅(qū)動。利用Adams軟件輸入不同類型驅(qū)動函數(shù)，以此控制模型運動過程。

將整個運動過程的時間設(shè)置為80s，編寫STEP函數(shù)，并將該函數(shù)添加至液壓缸移動副上[4]。

①動臂液壓缸驅(qū)動函數(shù)設(shè)置：

Step（time，2，0.8203，3，-0.4397）+Step（time，5，0，6，1.25）

②鏟斗液壓缸驅(qū)動函數(shù)設(shè)置：

Step（time，1，0，1.6，-0.34）+Step（time，1.51，0，2，0.35）+Step（time，4，0，5.2，0.73）

③斗桿液壓缸驅(qū)動函數(shù)設(shè)置：

Step（time，0，0.2038，1，-226）+Step（time，3.1，0，4.1，1.44）- Step（time，6，0，7.1，1.42）

3.4 仿真結(jié)果

按照上述兩個步驟執(zhí)行仿真實驗研究，生成動畫仿真結(jié)果，通過觀察結(jié)果，可以獲取裝置的工作范圍以及相關(guān)工作性能參數(shù)。

創(chuàng)建基本測量點，設(shè)置STEP驅(qū)動函數(shù)，利用Adams模塊完成仿真計算，在該模塊中輸出仿真計算結(jié)果，得到工作參數(shù)LHmax、LDmax、LRmax3個數(shù)值。

4 ?液壓挖掘裝置動力學(xué)仿真分析

4.1 剛體動力學(xué)建模

將反鏟液壓挖掘機挖掘裝置的三維模型細節(jié)特征進行簡化，挖掘裝置共有19個構(gòu)件，它們具體的質(zhì)量屬性如表5所示。

4.2 液壓挖掘機挖掘裝置動力學(xué)分析

接著對裝置的動力學(xué)進行仿真分析，得到完整的裝置仿真結(jié)果。在動力學(xué)分析的過程中首先計算外載荷數(shù)值，其次根據(jù)裝置運動情況，模擬工況，設(shè)置參數(shù)。再次添加驅(qū)動和載荷。

4.3 外載荷的計算

在對鏟斗切削土壤過程進行計算時，沿著切向的阻力設(shè)置為W1，沿著法向方向的阻力設(shè)置為W2，位于鏟斗內(nèi)土壤的重力設(shè)置為G[5]。

在整個挖掘過程中，將鏟斗斗齒尖位置看作力施加點，沿著切線方向和法向方向的運動軌跡用以下公式來

描述：

W1=K0bh（2）

W2=ΨW1（3）

在公式（2）中，K0代表挖掘比阻力，對應(yīng)的單位為N/cm2。土壤環(huán)境為III級，K0取值19.5N/cm2。

4.4 確定挖掘循環(huán)工作時間

測定完成一個工作循環(huán)的平均時間為80s，工作循環(huán)中的各個工況節(jié)拍的時間分配如下：0s至20s：該時間段為準(zhǔn)備挖掘階段;20s至45s：該時間段為挖掘階段;45s至80s：該時間段為卸載階段。

經(jīng)過上述載荷類型分析，只需在Adams軟件中依據(jù)實際操作需求，選取操作命令完成載荷添加操作即可。以下為各個液壓缸載荷函數(shù)與驅(qū)動函數(shù)的設(shè)置：

①關(guān)于動臂液壓缸的復(fù)合挖掘工況：

Step（time，2，0.821，3，0.309）+Step（time，3，0，5，0）+Step（time，5，0，6，0.412）

②關(guān)于斗桿液壓缸的復(fù)合挖掘工況：

Step（time，0，0.204，3，-1.227）+Step（time，3，0，5，1.5）+Step（time，5，0.1，6，0.1）

③關(guān)于鏟斗液壓缸的復(fù)合挖掘工況：

Step（time，0，0，3，-0.12）+Step（time，3.5，0，5，0.773）-Step（time，5，0.1，6，0.1）

④沿著切線方向的阻力W1的復(fù)合挖掘工況：

Step（time，3，0，3.35，59.48）-Step（time，3.35，0，5，59.48）

⑤沿著法線方向的阻力W2的復(fù)合挖掘工況：

Step（time，3，0，3.35，25.2）-Step（time，3.35，0，5，25.2）

⑥土壤重力G的復(fù)合挖掘工況：

Step（time，3，0，5，17.65）+Step（time，5，0，6，0）-Step（time，6，0，8，17.65）

4.5 挖掘機動臂動力學(xué)分析與典型工況確定

①動力學(xué)結(jié)果分析。

通過對數(shù)據(jù)進行計算，得到復(fù)合工況下的鉸點力變化曲線，根據(jù)曲線中的較高曲線變化，確定4個承受載荷較大的點來做工況分析。

通過觀察圖可知，30s至50s時間段之間，各個鉸接點處于挖掘階段的受力變化達到峰值。

②液壓挖掘裝置動臂工作工況確定。

1）挖掘機挖掘動作工況劃分。

根據(jù)實際工作情況，把挖掘機挖掘階段分為四個。工況1：鏟斗齒與地面垂直，接觸物料。工況2：鏟斗齒成角度切入物料，斗桿液壓缸伸出。工況3：鏟斗齒成角度切出物料，斗桿液壓缸伸出到最大值，工況4：動臂液壓缸全縮，鏟斗液壓缸伸出到最大值。

2）動力學(xué)壓力曲線分析。

在仿真的過程中，采用階躍函數(shù)來模擬各個液壓缸的動作和受力情況。由于階躍函數(shù)只能粗略的替代液壓缸的動作和受力，無法反應(yīng)其在實際工作過程中的位移和阻力的變化，甚至?xí)狗治鼋Y(jié)果與實際存在較大出入。因此，為了避免因模擬的載荷和驅(qū)動不準(zhǔn)確而導(dǎo)致誤差過大的情況出現(xiàn)，現(xiàn)對實際工作中的液壓缸進行實測，如圖3。

3）挖掘機工作壓力試驗測量。

挖掘裝置中共包括三個液壓缸，如圖4所示。在測試的過程中把壓力檢測儀分別接入三個液壓缸的回路中，獲取各個液壓缸在不同工況時的壓力數(shù)值。

根據(jù)獲取的檢測結(jié)果，繪制動臂液壓缸在各個工況時的壓力線，如圖4所示。

通過對仿真分析結(jié)果與實測結(jié)果的比對可以看出，二者的壓力變化趨勢和變化節(jié)點基本一致，在Adams軟件中的仿真分析結(jié)果是有效的。

5 ?結(jié)束語

本文對液壓挖掘機挖掘裝置的工作運動進行分析，確定了挖掘機在工作過程中各個關(guān)節(jié)鉸鏈的運動角度，液壓缸驅(qū)動力以及各個零件質(zhì)量等參數(shù);使用ADAMS運動仿真軟件對液壓挖掘裝置進行動力學(xué)仿真分析和計算。在進行一系列前期準(zhǔn)備工作、設(shè)置仿真方案、設(shè)置工作參數(shù)、添加驅(qū)動等工作后，生成該裝置的動力學(xué)仿真結(jié)果，輸出了運動及動力學(xué)特性曲線。采用現(xiàn)場實測的方法，獲取液壓缸在實際載荷下的壓力變化情況。通過對現(xiàn)場實測結(jié)果與仿真結(jié)果的比對，確認仿真結(jié)果的可行性。該結(jié)果可為后續(xù)有限元分析提供重要依據(jù)。

參考文獻：

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[3]滿達，任家駿，譚彬，王昕瑜，祝浩權(quán).基于UG的WK-75礦用挖掘機斗桿參數(shù)化設(shè)計及研究[J].煤礦機械，2014，35（08）：8-10.

[4]丁華鋒，陳誼超，張一越.一種新型正鏟挖掘機構(gòu)位置分析[J].燕山大學(xué)學(xué)報，2013（4）：305-310.