劉暢，黃笛，曹超，牟象東

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州 221116)

0 前言

液壓挖掘機(jī)在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，工況較為復(fù)雜且環(huán)境較為惡劣，導(dǎo)致其工作裝置受到的載荷較大且具有顯著的強(qiáng)時(shí)變性，因此使用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)液壓挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化顯得至關(guān)重要。曹源文等[1]利用ADAMS軟件建立液壓挖掘機(jī)多功能鏟斗機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，并在軟件中對(duì)鏟斗機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，提高了設(shè)計(jì)效率。李兆安[2]在ADAMS中創(chuàng)建折疊式動(dòng)臂挖掘機(jī)剛性體模型和剛?cè)狁詈夏Ｐ?，在兩個(gè)模型中分別對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)強(qiáng)度分析，將仿真得到的受力變化曲線進(jìn)行對(duì)比研究。秦威等人[3]提出一種試驗(yàn)與動(dòng)力學(xué)仿真相結(jié)合的方法，將測(cè)得的挖掘機(jī)挖掘過(guò)程中各個(gè)參數(shù)作為ADAMS軟件的輸入，仿真得到挖掘機(jī)主要鉸接點(diǎn)的受力變化曲線，研究結(jié)果為工作裝置疲勞壽命研究、輕量化設(shè)計(jì)提供有效的載荷譜。以上學(xué)者大多采用理論計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)合動(dòng)力學(xué)仿真軟件，對(duì)液壓挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真分析，這些研究方法簡(jiǎn)化條件過(guò)多，無(wú)法準(zhǔn)確反映物料顆粒對(duì)挖掘作業(yè)性能的影響。

隨著虛擬樣機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS與離散元軟件EDEM聯(lián)合仿真，被廣泛用于液壓挖掘機(jī)作業(yè)性能仿真分析。王同建等[4]在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用RecurDyn與EDEM軟件對(duì)液壓挖掘機(jī)進(jìn)行聯(lián)合仿真，還原了挖掘機(jī)的挖掘作業(yè)狀態(tài)。畢秋實(shí)等[5]利用ADAMS與EDEM軟件對(duì)液壓挖掘機(jī)進(jìn)行聯(lián)合仿真，模擬計(jì)算了正鏟挖掘機(jī)挖掘過(guò)程中的挖掘阻力。陳燁等人[6]利用EDEM軟件仿真得到挖掘過(guò)程中鏟斗所受挖掘阻力，并加載到ADAMS挖掘機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行工作裝置和液壓回路參數(shù)校核以及挖掘阻力實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。以上學(xué)者均利用多體動(dòng)力學(xué)軟件和離散元軟件對(duì)工作裝置與物料之間的相互作用進(jìn)行了分析，但均缺乏對(duì)挖掘作業(yè)過(guò)程中鏟斗具體受力情況的分析。

本文作者以某型號(hào)液壓挖掘機(jī)為研究對(duì)象，利用ADAMS軟件建立液壓挖掘機(jī)工作裝置虛擬樣機(jī)模型，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，利用EDEM軟件建立相應(yīng)工況的物料模型，使用ADAMS-EDEM聯(lián)合仿真對(duì)液壓挖掘機(jī)工作裝置挖掘過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，獲取鏟斗受力變化曲線及不同時(shí)刻鏟斗受力云圖，通過(guò)分析鏟斗在挖掘作業(yè)過(guò)程中受力變化情況，為鏟斗有限元分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 工作裝置理論模型建立

建立液壓挖掘機(jī)工作裝置理論模型時(shí)，可將液壓挖掘機(jī)工作裝置視為由關(guān)鍵桿件、液壓缸及鉸點(diǎn)確定的平面連桿機(jī)構(gòu)。工作裝置平面坐標(biāo)系示意如圖1所示。

將動(dòng)臂油缸、斗桿油缸及鏟斗油缸的長(zhǎng)度分別記為L(zhǎng)1、L2及L3，動(dòng)臂上A、B兩鉸點(diǎn)之間的連線與水平線之間的夾角記為θ1，斗桿上B、I兩鉸點(diǎn)的連線與AB連線延長(zhǎng)線之間的夾角記為θ2，鏟斗上I、J兩鉸點(diǎn)的連線與BI連線延長(zhǎng)線之間的夾角記為θ3，其中L1、L2以及L3分別與θ1、θ2以及θ3一一對(duì)應(yīng)，當(dāng)L1、L2以及L3被確定后，θ1、θ2以及θ3也被確定，工作裝置的挖掘姿態(tài)即被確定[7]。在液壓挖掘機(jī)作業(yè)過(guò)程中，隨著3組液壓缸的伸長(zhǎng)或者縮短，帶動(dòng)動(dòng)臂、斗桿及鏟斗等桿件運(yùn)動(dòng)，3個(gè)夾角也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化，以此實(shí)現(xiàn)斗桿挖掘、鏟斗挖掘和復(fù)合挖掘。

以液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂與回轉(zhuǎn)平臺(tái)的鉸接點(diǎn)A為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系，根據(jù)公式[4]建立動(dòng)臂上各鉸接點(diǎn)坐標(biāo)，其中G1表示動(dòng)臂的質(zhì)心所在的位置。

(1)

(2)

建立斗桿上各個(gè)鉸點(diǎn)的坐標(biāo)，其中G2表示斗桿質(zhì)心所在的位置。

(3)

(4)

建立鏟斗上各個(gè)鉸點(diǎn)的坐標(biāo)，其中G3表示鏟斗的質(zhì)心所在的位置。

(5)

(6)

通過(guò)測(cè)得挖掘過(guò)程中3個(gè)液壓缸的實(shí)際長(zhǎng)度或者3個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)角，其他固定參數(shù)也可通過(guò)相應(yīng)的測(cè)量方法測(cè)得，將其與3個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)結(jié)合，通過(guò)各鉸點(diǎn)相對(duì)位置坐標(biāo)公式可獲得各個(gè)鉸點(diǎn)在挖掘作業(yè)過(guò)程中相對(duì)位置[8]。

2 多體動(dòng)力學(xué)與離散元物料建模

2.1 工作裝置多體動(dòng)力學(xué)建模

建立正確的液壓挖掘機(jī)工作裝置三維實(shí)體模型是對(duì)工作裝置進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真及離散元仿真的重要基礎(chǔ)，利用SolidWorks軟件建立工作裝置三維模型，將文件格式另存為Parasolid(*.x_t)并導(dǎo)入ADAMS軟件內(nèi)[9]，在SolidWorks軟件中對(duì)提示的模型錯(cuò)誤部分進(jìn)行修改，再次導(dǎo)入ADAMS軟件中進(jìn)行檢查，直至顯示建立的虛擬樣機(jī)模型正確。

為使得建立的工作裝置虛擬樣機(jī)模型模擬出液壓挖掘機(jī)真實(shí)挖掘動(dòng)作，需在工作裝置零部件間添加正確的運(yùn)動(dòng)副及驅(qū)動(dòng)函數(shù)。建立的運(yùn)動(dòng)副如表1所示。

表1 液壓挖掘機(jī)工作裝置的運(yùn)動(dòng)副

為仿真出液壓挖掘機(jī)工作裝置在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中的復(fù)合挖掘動(dòng)作，制定“挖掘準(zhǔn)備→抬臂→降臂→挖掘物料”挖掘動(dòng)作仿真過(guò)程[10]，在此基礎(chǔ)上對(duì)3組液壓缸添加正確的驅(qū)動(dòng)函數(shù)。仿真前準(zhǔn)備工作完成后，可進(jìn)行工作裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，其中在挖掘作業(yè)過(guò)程中3組液壓缸的位移曲線如圖2所示。

圖2 工作裝置各液壓缸仿真位移曲線

運(yùn)動(dòng)仿真完成后，可獲取液壓挖掘機(jī)工作位姿角度變化曲線，如圖3所示。在此基礎(chǔ)上，可分析得到液壓挖掘機(jī)挖掘作業(yè)過(guò)程中θ1、θ2及θ3數(shù)值變化，以此確定工作裝置各桿件上各鉸接點(diǎn)及質(zhì)心位置坐標(biāo)，以便確定工作裝置的挖掘姿態(tài)。獲取液壓挖掘機(jī)鏟斗斗齒尖軌跡變化曲線，如圖4所示，得到了液壓挖掘機(jī)工作裝置在仿真過(guò)程中挖掘軌跡。通過(guò)仿真獲得的液壓挖掘機(jī)工作位姿角度參數(shù)及鏟斗斗齒尖軌跡符合液壓挖掘機(jī)真實(shí)工作情況下挖掘作業(yè)各階段位姿標(biāo)準(zhǔn)，證明了建立的液壓挖掘機(jī)工作裝置多體動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性，為聯(lián)合仿真分析奠定了基礎(chǔ)[11]。

圖3 液壓挖掘機(jī)工作位姿角度變化曲線

圖4 液壓挖掘機(jī)鏟斗斗齒尖軌跡變化曲線

2.2 離散元物料建模

在實(shí)際挖掘作業(yè)中，液壓挖掘機(jī)挖掘的物料種類多樣，作者將煤塊作為物料進(jìn)行挖掘仿真。為使得EDEM中建立的顆粒模型與真實(shí)煤塊顆粒相似，以典型煤塊為模擬對(duì)象，在EDEM中對(duì)煤顆粒模型進(jìn)行尺寸以及形狀的調(diào)整，如圖5所示，隨機(jī)生成煤顆粒粒徑范圍25～75 mm。

圖5 煤顆粒模型(a)以及典型煤顆粒(b)

通過(guò)查詢物料手冊(cè)以及參考文獻(xiàn)[12]，進(jìn)而獲取煤顆粒以及工作裝置的本征參數(shù)以及接觸屬性參數(shù)，如表2、3所示。

表2 不同材料本征參數(shù)

表3 材料間基本接觸參數(shù)

在EDEM中完成煤顆粒以及工作裝置的本征參數(shù)以及接觸屬性參數(shù)設(shè)置后，顆粒粒徑在25～75 mm的煤顆粒便可在顆粒工廠中隨重力產(chǎn)生，形成顆粒床模型，便于后期對(duì)工作裝置進(jìn)行挖掘仿真。

3 耦合動(dòng)力學(xué)仿真分析

3.1 DEM-MBD耦合仿真分析

基于DEM-MBD耦合仿真方法對(duì)液壓挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行聯(lián)合仿真，仿真過(guò)程大致可分為4個(gè)部分：在ADAMS中建立虛擬樣機(jī)模型，在EDEM中建立模型，通過(guò)ACSI配置編寫聯(lián)合仿真控制文件及仿真計(jì)算[13]。具體操作步驟如圖6所示。其中，Gforce需設(shè)置在部件質(zhì)心位置，導(dǎo)入EDEM中的三維模型的位姿與坐標(biāo)系方向要與ADAMS模型一致，且ADAMS中的模型各部件名稱與EDEM中的模型各部件名稱要一致。

圖6 ADAMS-EDEM聯(lián)合仿真流程

基于ADAMS-EDEM聯(lián)合仿真設(shè)置完成后，在EDEM中完成液壓挖掘機(jī)挖掘作業(yè)動(dòng)作，其挖掘動(dòng)作包括：挖掘準(zhǔn)備、抬臂階段、降臂階段及挖掘階段。挖掘作業(yè)動(dòng)作階段如圖7所示。

圖7 EDEM中液壓挖掘機(jī)挖掘動(dòng)作階段

3.2 離散元顆粒交互速度變化

在EDEM軟件后處理模塊中，獲取液壓挖掘機(jī)在挖掘作業(yè)中物料顆粒的速度實(shí)時(shí)變化情況，獲得離散元顆粒交互速度變化云圖，如圖8所示，能夠分析得到典型工況下顆粒的最大速度與最小速度。

圖8 離散元顆粒交互過(guò)程速度云圖

對(duì)離散元顆粒交互過(guò)程速度進(jìn)行分析，8.8 s時(shí)鏟斗剛插入物料階段，顆粒速度最大值為1.32 m/s，鏟斗周圍顆粒隨鏟斗挖掘方向運(yùn)動(dòng)；在9.9 s時(shí)鏟斗開(kāi)始深入挖掘物料階段，顆粒速度有了明顯提升，最大值為2.77 m/s，受擠壓的顆粒呈上升運(yùn)動(dòng)；在11.5 s時(shí)鏟斗最終深入挖掘物料，顆粒堆積至物料堆邊緣。物料顆粒的微觀動(dòng)態(tài)和液壓挖掘機(jī)鏟斗交互的速度變化情況，展示了挖掘阻力的形成過(guò)程[14-15]。

3.3 鏟斗挖掘受力分析

液壓挖掘機(jī)在進(jìn)行物料挖掘作業(yè)時(shí)，由于鏟斗直接與物料進(jìn)行接觸，在挖掘過(guò)程中，鏟斗受到物料顆粒作用力的影響，在仿真過(guò)程中，鏟斗在8.3 s后開(kāi)始與物料進(jìn)行接觸，選取8.3～11.5 s時(shí)間段獲取鏟斗受力變化曲線圖，如圖9所示。

圖9 鏟斗受力F變化曲線

從圖9能夠看出：8.3 s后鏟斗開(kāi)始與物料接觸，鏟斗受到物料作用力開(kāi)始呈上升趨勢(shì)，受力主要來(lái)自于物料顆粒與鏟斗斗齒尖接觸力；在8.3～11.1 s時(shí)間段內(nèi)，鏟斗開(kāi)始逐漸深入挖掘物料，導(dǎo)致物料顆粒之間以及物料顆粒與鏟斗之間相互擠壓，物料顆粒的位置不斷進(jìn)行調(diào)整以及重新穩(wěn)定，使得鏟斗受力在該時(shí)間段內(nèi)呈一定波動(dòng)；11.1～11.5 s時(shí)間段內(nèi)，鏟斗逐漸完成挖掘作業(yè)，鏟斗內(nèi)物料數(shù)量逐漸增多，物料重力、物料與鏟斗摩擦阻力不斷增加，鏟斗受力呈明顯上升趨勢(shì)，在11.5 s時(shí)，鏟斗受力達(dá)到約1.07×106N。為了表明鏟斗受力具體情況，獲取不同時(shí)刻鏟斗受力云圖，如圖10所示。

圖10 不同時(shí)刻鏟斗內(nèi)腔受力云圖

從圖10能夠看出：8.3 s時(shí)鏟斗并未與物料接觸，因此鏟斗不受物料顆粒作用力；8.8 s與9.9 s時(shí)鏟斗正處于逐漸深入挖掘物料階段，其所受的作用力大部分集中于鏟斗斗齒尖位置，在對(duì)鏟斗優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，鏟斗斗齒應(yīng)為重點(diǎn)優(yōu)化部件；11.5 s時(shí)，鏟斗處于深入挖掘物料階段，此時(shí)鏟斗受到的最大作用力集中于右內(nèi)側(cè)板處，應(yīng)當(dāng)對(duì)此位置進(jìn)行適當(dāng)加固處理。鏟斗受力云圖表明了鏟斗在挖掘物料過(guò)程中所受物料作用力變化情況，為后期對(duì)鏟斗進(jìn)行有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)及理論依據(jù)。

4 結(jié)論

根據(jù)液壓挖掘機(jī)挖掘物料實(shí)際工況，建立液壓挖掘機(jī)工作裝置虛擬樣機(jī)模型和物料離散元模型，利用ADAMS和EDEM對(duì)工作裝置挖掘物料過(guò)程進(jìn)行DEM-MBD耦合仿真，對(duì)液壓挖掘機(jī)挖掘物料進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，通過(guò)仿真分析工作裝置與物料顆粒相互作用時(shí)顆粒速度云圖，了解了液壓挖掘機(jī)工作裝置挖掘阻力的形成過(guò)程。獲取挖掘過(guò)程中鏟斗受力變化曲線以及不同時(shí)刻鏟斗受力云圖，分析得到鏟斗受物料作用力情況，為鏟斗進(jìn)行有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)及理論依據(jù)。