論挖掘機械建模研究

摘 要：利用三維實體建模軟件Pro/ E 與機械系統動力學仿真分析軟件ADAMS 建立了挖掘機器人機械子系統、液壓子系統模型， 并在ADAMS 環境中利用參數關聯技術， 將兩個子系統模型集成， 建立起挖掘機液壓與機械一體化的虛擬樣機模型； 在此基礎上進行了大量的運動學和動力學仿真。研究結果為預見設計方案的可行性及物理樣機的試制提供了一定參考； 可提高產品開發速度和精度， 降低開發成本； 具有重要的理論與工程意義。

關鍵詞：挖掘機器人； 液壓機械復合系統； 虛擬樣機

挖掘機器人是機液一體化的機械裝備， 對挖掘機的開發涉及到機械和液壓等學科領域的技術。傳統的物理樣機開發模式存在開發周期長、成本高、修改困難等多方面的問題。應用數字化虛擬樣機技術能有效地克服傳統物理樣機開發模式的缺陷， 加快產品開發速度， 節約開發成本， 為機） 液復合系統設計、產品復合性能評價提供了一種有效的手段。借此技術，工程設計人員可在建造物理樣機之前， 在計算機上建立虛擬樣機模型， 伴之以三維可視化處理， 模擬現實環境下系統的運動和動力特性， 并根據仿真結果對各種設計方案進行快速優化對比， 在設計早期就能確定關鍵的設計參數， 預測產品系統性能， 以減少產品開發階段， 物理樣機的試制、試驗次數， 節省設計經費， 縮短設計周期， 提高產品質量及產品系統性能。

一、機械系統建模

利用三維實體建模軟件Pro/ E 和機械系統動力學仿真分析軟件ADAMS/View 聯合建立挖掘機機械系統模型。

1.1 Pro/ E 環境建模與裝配

機械系統模型的準確性是決定所設計的液壓系統是否具有實用性的前提條件， 所以， 建立的機械系統模型應盡可能準確， 但考慮到仿真實時性要求， 模型在基本適合所要求工況的前提下還應盡可能簡單。根據研究目的， 建模時將挖掘機結構進行了合理的簡化和抽象， 按照是否存在相對運動（ 暫不考慮行走運動） 將挖掘機器人劃分為： 轉臺1、動臂2、斗桿3、鏟斗4、鏟斗搖桿5、鏟斗連桿6、動臂液壓缸體7、動臂液壓活塞桿8、斗桿液壓缸體9、斗桿液壓活塞桿10、鏟斗液壓缸體11、鏟斗液壓活塞桿12 共十二個大運動部件.

挖掘機三維實體建模包括所有零件的三維實體模型建立及整機裝配。利用Pro/ E 特征選項里的拉伸、旋轉、剪切、混合掃描等操作命令建立各零部件； 然后按照挖掘機工作裝置的各零部件間裝配與配合關系，對各零件的三維實體模型進行裝配， 得到挖掘機整機的三維實體裝配模型。

1. 2 機械系統模型從Pro/ E 傳到ADAMS/View 中

ADAMS 提供了與Pro/ E 軟件的數據交換接口Mechanism/ Pro， Mechanism/ Pro 是MSC 公司為ADAMS開發的與Pro/ E 軟件的專用接口程序， 作為一個菜單，掛接在Pro/ E 環境中。該模塊是連接Pro/ E 與ADAMS之間的橋梁。二者采用無縫連接的方式， 使用戶不需要退出Pro/ E 應用環境， 就可以將裝配完畢的總成傳送到ADAMS/ View 中。利用該接口模塊解決了ADAMS 環境中不易構建復雜模型的缺點， 使用戶可以在其熟悉的CAD 中建立三維機械系統模型， 通過一個按鍵操作， 就可將數據傳到ADAMS 環境中， 提高了工作效率。

三維實體模型進入ADAMS/ View 后， 各零部件之間是毫無聯系地獨立存在于ADAMS/ View 環境中。這種狀態下即使全部零部件都已導入， 也不能構成一臺具有現實意義的虛擬樣機。只有在此基礎上， 借助ADAMS 軟件再添加適當的連接、載荷、運動約束和力等模型特性， 才能建立仿真模型即虛擬樣機。動臂下鉸點鉸接在轉臺上， 利用動臂油缸的伸縮， 使動臂繞動臂下鉸點轉動， 依靠斗桿油缸使斗桿繞動臂的上鉸點擺動。

二、液壓系統建模

本文根據需要對液壓油路進行了簡化， 并按功能劃分為結構相似的動臂、斗桿、鏟斗、回轉、行走五個工作回路. 挖掘機舉升機構， 即動臂的液壓工作回路， 其是簡化的執行元件為液壓缸的典型液壓回路， 其它幾個回路與此類似。當換向閥4 由中位移至左位（ 下） 時， 壓力油經單向閥3 進入液壓缸底部， 液壓缸上腔里的液壓油回到油箱， 活塞向上運動； 反之， 當換向閥4 由中位移至右位（ 上） 時， 液壓油直接進入液壓缸上腔， 使活塞向下運動， 從液壓缸下腔流出的油通過閥6 回到油箱，如達到一定壓力， 則向液壓缸上腔補油。當換向閥處于中位時， 閥5 和閥6 均關閉， 活塞雙向鎖止， 動臂處于某一固定位置。以下為基于流體傳動理論， 利用ADAMS 提供的數值算法和函數， 創建液壓元件和液壓系統模型的過程。

2. 1 壓力源（ 泵） 及油箱

壓力源是為整個液壓系統提供動力的元件。根據液壓系統的設計， 壓力源的初始壓力設為11. 4MPa。一般情況下， 液壓系統工作時壓力源的壓力變化不大，故認為該壓力為定值， 并將壓力變化函數設置為與初始壓力相同的數值， 即設為定值； 油箱被認為是一個很大容積的蓄能器， 壓力可維持不變， 故油箱模型只需設置壓力參數即可。

2. 2 方向控制閥（ 三位四通閥）

方向控制閥為整個系統的控制中樞。由操作人員直接控制， 實現液壓缸的往復運動。所需設置的參數有閥芯的初始位置、閥開啟及關閉所需的時間、閥的泄漏系數和因閥所造成的壓力損失等。

2. 3 止回閥（ 單向閥）

止回閥在液壓系統中起到正向流通， 反向截止的作用。對于止回閥來說， 需要設置關閉時閥芯兩端的壓力差及流量， 閥口心截面積變化率以及泄漏系數和響應時間等。

2. 4背壓閥

背壓閥在液壓系統中主要起保壓和穩壓作用。在背壓閥屬性對話框中， 需要設置閥口流通截面面積變化率、閥口初始位置、閥的泄漏系數和響應時間等參數。

三、結束語

從虛擬樣機系統仿真建模的角度來看， 整個系統可以分為機械系統、液壓系統兩個大部分。通過對挖掘機液壓） 機械系統分別建立虛擬樣機模型， 而后利用參數關聯技術使機械系統和液壓系統成為有機的整體， 實現了整機機） 液復合系統的聯合動態仿真分析，打破了單純機械設計的局限性， 仿真結果基本符合技術上的要求， 為物理樣機的試制及其它型式機） 液復合系統的設計和研究提供了很好的參考。可以用于研究液壓系統、機械系統參數改變對整機系統性能的影響及挖掘機復合系統設計、系統優化和方案論證； 加快挖掘機產品的開發速度， 降低開發成木， 提高市場競爭力。