楊思源 萬一品 宋緒丁

長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院 西安 710064

0 引言

裝載機(jī)是工程建設(shè)中土石方施工的重要機(jī)種之一，可以對物料進(jìn)行反復(fù)的鏟裝與運(yùn)輸。對裝載機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真不僅可以縮短開發(fā)周期，還能夠降低開發(fā)成本。近年來，國內(nèi)相關(guān)研究學(xué)者及企業(yè)設(shè)計(jì)人員對裝載機(jī)等工程機(jī)械裝備開展了許多動(dòng)力學(xué)仿真與實(shí)驗(yàn)研究工作。戴躍文等[1]對反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)工作裝置進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，并采用正交試驗(yàn)的理論和方法對裝載機(jī)工作裝置進(jìn)行了綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)。劉曉峰[2]利用ADAMS和Ansys建立了55 t汽車起重機(jī)柔性臂架系統(tǒng)，對其在多種工況進(jìn)行仿真分析，得到臂架系統(tǒng)應(yīng)力及振動(dòng)情況，為臂架系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。萬一品等[3]提出了三向力銷軸傳感器法和動(dòng)臂截面彎矩法2種工作裝置載荷提取方法，并進(jìn)行典型作業(yè)姿態(tài)下的載荷驗(yàn)證，為載荷譜編制和疲勞特性分析提供依據(jù)。

以國產(chǎn)9 t裝載機(jī)工作裝置為研究對象，利用ADAMS的Step函數(shù)對其進(jìn)行鏟裝模擬，得到各鉸點(diǎn)的峰值載荷以及各構(gòu)件的最大應(yīng)力的仿真方法。通過對其工作裝置的剛體動(dòng)力學(xué)分析與基于實(shí)測數(shù)據(jù)的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真分析，驗(yàn)證了利用Step函數(shù)進(jìn)行鏟裝仿真的合理性。為后續(xù)裝載機(jī)工作裝置的強(qiáng)度分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 工作裝置剛體動(dòng)力學(xué)仿真

1.1 幾何模型與工作原理

以國產(chǎn)9 t裝載機(jī)為研究對象，建立其工作裝置三維幾何模型如圖1所示。

圖1 裝載機(jī)工作裝置三維模型

在實(shí)際鏟裝作業(yè)過程中，一個(gè)工作循環(huán)過程可分為典型的6個(gè)作業(yè)階段：插入階段、崛起階段、運(yùn)輸階段、舉升階段、卸料階段以及復(fù)位階段[4]。在插入作業(yè)階段，鏟斗處于水平位置，動(dòng)臂液壓缸伸長量最短且處于鎖死狀態(tài)，鏟斗一直向前插入物料最深處。在崛起作業(yè)階段，搖臂液壓缸伸長，將物料送入斗內(nèi)，完成鏟裝作業(yè)。在舉升作業(yè)階段，搖臂液壓缸鎖死，動(dòng)臂液壓缸伸長，將物料舉升直至卸料位置。在卸料作業(yè)階段，動(dòng)臂液壓缸鎖死的同時(shí)搖臂液壓缸回縮，鏟斗翻轉(zhuǎn)，完成卸料作業(yè)。

由于物料的多樣性與分散性使得鏟裝作業(yè)過程中工作裝置受力特性復(fù)雜多變，測試每種物料的應(yīng)力需要花費(fèi)大量的時(shí)間、人力、物力，而通過虛擬樣機(jī)技術(shù)可快速獲得工作裝置各鉸接處的載荷。

1.2 載荷條件的確定

仿真分析時(shí)需要獲得裝載機(jī)工作裝置所受外力變化情況，給多剛體仿真模型中添加運(yùn)動(dòng)副及驅(qū)動(dòng)函數(shù)來模擬鏟裝作業(yè)。裝載機(jī)作業(yè)期間，鏟裝作業(yè)段受力最為復(fù)雜，受到插入阻力、掘起阻力和物料重力的作用[5]。

插入阻力與物料種類、料堆高度等參數(shù)有關(guān)，其計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式為

式中：F1為插入物料時(shí)鏟斗所受阻力，a為插入物料深度，d為鏟斗寬度，β1為物料松散度系數(shù)，β2為物料容積比系數(shù)，β3為物料堆高度系數(shù)，β4為鏟斗形狀影響系數(shù)。

掘起阻力計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式為

式中：F2為掘起阻力，lx為鏟斗斗尖端部到鏟斗與動(dòng)臂鉸點(diǎn)的水平距離，ly為鏟斗斗尖底部到鏟斗與動(dòng)臂鉸點(diǎn)到豎直距離，G為鏟斗與其所鏟裝物料的重力，lG為鏟斗質(zhì)心到鏟斗與動(dòng)臂鉸點(diǎn)的水平距離。

對各系數(shù)的取值進(jìn)行選取，結(jié)合式(1)、式(2)以及工作裝置的參數(shù)可得到在鏟裝3.3 m左右高度的散狀物料時(shí)各工況下的插入阻力與崛起阻力，如表1所示。

表1 不同工況下的插入與崛起阻力 N

由表1可知隨著物料顆粒度的降低，插入阻力與崛起阻力均有所減小。

1.3 剛體動(dòng)力學(xué)仿真分析

將工作裝置的幾何模型導(dǎo)入ADAMS中，如圖2所示。對機(jī)架進(jìn)行固定約束，在各液壓缸體與液壓缸桿之間施加滑動(dòng)副，在各鉸孔處添加旋轉(zhuǎn)副。

圖2 工作裝置剛體動(dòng)力學(xué)模型

在模擬鏟裝作業(yè)時(shí)，在鏟斗中間位置施加插入阻力與崛起阻力，鏟斗首先插入物料最深，然后翻轉(zhuǎn)鏟斗完成鏟掘作業(yè)。仿真單位設(shè)置為MKS（m、kg、s），利用Step函數(shù)來添加鉸點(diǎn)載荷和液壓缸位移驅(qū)動(dòng)，仿真時(shí)間設(shè)置為8 s。

在大石方工況下插入物料階段所受阻力的Step函數(shù)為

Step(time,0,0,2.8,- 401116) +Step( time,2.8,0,3,401116) +Step( time,3,0,8,0)

掘起物料階段所受阻力的Step函數(shù)為

Step( time,0,0,3,0) +Step( time,3,0,3.2,- 296209)

Step( time,3.2,0,6, 296209) +Step( time,6,0,8,0)

鏟斗內(nèi)物料重力的Step函數(shù)為

Step( time,0,0,3.2,0) +Step(time,3.2,0,6,-88200)

+Step(time,6,0,8,0)

搖臂液壓缸位移的Step函數(shù)為

Step(time,0,0,3,0)+Step(time,3,0,6,-0.248)

+Step(time,6,0,8,0)

動(dòng)臂液壓缸位移的Step函數(shù)為

Step( time,0,0,6,0) +Step( time,6,0,7,-0.045)

+Step( time,7,0,8,-0.06)

記動(dòng)臂與鏟斗2個(gè)鉸點(diǎn)分別為A和鉸點(diǎn)B，連桿與鏟斗鉸點(diǎn)為C，由于在斗尖中點(diǎn)處施加載荷，且鉸點(diǎn)A和鉸點(diǎn)B呈對稱分布，所以鉸點(diǎn)A和鉸點(diǎn)B的載荷相同。分別輸出這3個(gè)鉸點(diǎn)在大石方與小石方工況下的載荷時(shí)間歷程如圖3所示。

圖3 不同工況下各鉸點(diǎn)載荷

由圖3可知，3個(gè)鉸點(diǎn)的載荷呈現(xiàn)相同變化趨勢，第一峰值與第二峰值分別由插入阻力與掘起阻力引起。其中，鉸點(diǎn)C受力較大，在大石方與小石方工況下的峰值載荷分別為600 kN與400 kN。而鉸點(diǎn)A于鉸點(diǎn)B的載荷相對較小，在2個(gè)工況下分別達(dá)到358.44 kN與240.85 kN。2個(gè)工況下的實(shí)測鉸孔載荷如圖4、圖5所示。

圖4 A和B鉸點(diǎn)實(shí)測載荷曲線

圖5 C鉸點(diǎn)載荷曲線

由圖4與圖5可知，在實(shí)際作業(yè)時(shí)鉸點(diǎn)A與鉸點(diǎn)B在不同的載荷大小有所區(qū)別，這是由于鏟裝物料分布不均勻所造成的偏載現(xiàn)象。其中鉸點(diǎn)A與鉸點(diǎn)B在大石方工況下的峰值載荷分別為373.20 kN和351.81 kN，在小石方工況下的峰值載荷分別為212.77 kN和200.88 kN。實(shí)測載荷與仿真結(jié)果對比如表2、表3所示。

表2 大石方工況峰值載荷對比

表3 小石方工況峰值載荷對比

由表1、表2可知，鉸點(diǎn)A和鉸點(diǎn)B的實(shí)測與仿真載荷峰值誤差不超過20%，雖然鉸點(diǎn)C的誤差較大，但連桿是二力構(gòu)件，受力形式單一，且裝載機(jī)主要關(guān)注的受力部件是動(dòng)臂，故通過動(dòng)力學(xué)仿真可較好地反映動(dòng)臂的受力情況。

2 工作裝置剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真

2.1 剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型

仿真分析的結(jié)果受所建仿真模型的準(zhǔn)確性影響。工作裝置在實(shí)際鏟裝作業(yè)過程中并不是純剛體，有必要研究剛?cè)狁詈锨闆r下工作裝置在鏟裝作業(yè)期間的受力情況。在實(shí)際工作中鏟斗的失效形式主要為磨損[6]，可將動(dòng)臂、搖臂和連桿視為柔性體，動(dòng)臂液壓缸、搖臂液壓缸、鏟斗以及機(jī)架仍視為剛性體，建立出與實(shí)際情況更為接近的仿真分析模型。

在工作裝置的動(dòng)力學(xué)模型中引入柔性體，利用模態(tài)疊加法計(jì)算工作裝置在動(dòng)力學(xué)仿真過程中的變形，可以提高動(dòng)力學(xué)仿真的精度[7]。

將工作裝置三維模型導(dǎo)入Ansys中，創(chuàng)建單元屬性并定義材料為Q355鋼，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在動(dòng)臂、搖臂以及連桿鉸接處建立剛性區(qū)域，如圖6所示。

圖6 工作裝置剛性區(qū)域

提取各構(gòu)件的前20階模態(tài)，采用Craig-Bampton模態(tài)綜合法來生成動(dòng)力學(xué)分析所需的模態(tài)中性文件[8]。

用動(dòng)臂、搖臂和連桿的模態(tài)中性文件替換剛性模型中的對應(yīng)部件，建立裝載機(jī)工作裝置含有模態(tài)柔性體的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，如圖7所示。

圖7 工作裝置剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型

2.2 基于Step函數(shù)的剛?cè)狁詈戏抡?/h3>

利用Step函數(shù)及相同的加載位置對工作裝置進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真。圖8為裝載機(jī)工作裝置在一個(gè)工作循環(huán)下應(yīng)力最大時(shí)刻下的應(yīng)力云圖。

圖8 工作裝置應(yīng)力最大時(shí)刻應(yīng)力云圖

由圖8 可知，大石方與小石方工況下工作裝置最大應(yīng)力分別為242.84 MPa和189.61 MPa，均發(fā)生在3.2 s，在動(dòng)臂前端及搖臂前后端，由前文可知3.2 s正是掘起瞬間，受到掘起起阻力作用。

輸出各工況下最大應(yīng)力時(shí)間歷程如圖9所示。

圖9 工作裝置應(yīng)力最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力時(shí)間歷程

2.3 基于實(shí)測載荷的剛?cè)狁詈戏抡?/h3>

將大石方與小石方的實(shí)測液壓缸位移及鉸點(diǎn)載荷導(dǎo)入ADAMS生成樣條曲線，并將樣條曲線賦予相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)與鉸點(diǎn)，大石方工況的實(shí)測液壓缸位移如圖10所示。

圖10 液壓缸位移曲線

經(jīng)過仿真求解計(jì)算得到裝載機(jī)工作裝置最大時(shí)刻下的應(yīng)力云圖如圖11所示。

圖11 工作裝置應(yīng)力最大時(shí)刻應(yīng)力云圖

由圖11可知，在動(dòng)臂后端與搖臂板前后端出現(xiàn)了較大的應(yīng)力。輸出動(dòng)臂與搖臂在兩工況下最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力時(shí)間歷程如圖12所示。

圖12 工作裝置應(yīng)力最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力時(shí)間歷程

分析圖12a可知在大石方工況下，動(dòng)臂在插入階段末期所受應(yīng)力最大，最大應(yīng)力275.07 MPa，出現(xiàn)在11.5 s，而搖臂在掘起階段末期所受應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為260.44 MPa，出現(xiàn)在14.0 s。在小石方工況下，動(dòng)臂與搖臂均在掘起階段末期14.7 s出現(xiàn)最大應(yīng)力，最大應(yīng)力分別為213.79 MPa和237.70 MPa?；趯?shí)測載荷與Step函數(shù)仿真的工作裝置峰值應(yīng)力結(jié)果對比如表4所示。

表4 峰值載荷對比

由表4可知基于Step函數(shù)仿真應(yīng)力結(jié)果與基于實(shí)測載荷的仿真應(yīng)力結(jié)果相對誤差不超過26%，因此通過Step函數(shù)模擬工作裝置鏟裝作業(yè)可較好地反映工作裝置的應(yīng)力大小。

4 結(jié)論

1）對額定載重9 t裝載機(jī)的工作裝置采用Step函數(shù)進(jìn)行剛體動(dòng)力學(xué)仿真，提取鉸點(diǎn)載荷并與實(shí)測載荷對比，發(fā)現(xiàn)兩者的峰值載荷相對誤差不超過20%，驗(yàn)證了利用Step仿真的合理性。

2）建立工作裝置的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，分別采用Step函數(shù)和實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真，結(jié)果表明，2種仿真方法之間的峰值應(yīng)力的相對誤差不超過26%，驗(yàn)證了Step函數(shù)仿真方法的正確性

3）通過仿真分析發(fā)現(xiàn)搖臂所受應(yīng)力較大，應(yīng)對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)改進(jìn)，以提高其強(qiáng)度。