ZL50輪式裝載機虛擬樣機建模與仿真探討

摘 要：文章以ZL50輪式裝載機為對象，在分析其牽引性能的基礎上，通過在ADAMS軟件中建立動力學模型，應用現代計算機虛擬仿真技術，形成裝載機的虛擬樣機系統，然后進行初步的性能仿真試驗和參數優化，為裝載機的不斷完善提供方法和依據。通過文章的探討，以期對相關人員的工作提供參考。

關鍵詞：輪式裝載機；動力學系統；虛擬分析

引言

輪式裝載機是一種通過安裝在前端一個完整的鏟斗支承結構和連桿，隨機器向前運動進行裝載或挖掘，以及提升、運輸和卸載的輪胎機械，廣泛用于公路、建筑、礦山等工程領域，對于減輕勞動強度，加快工程建設速度，提高工程質量起著重要的作用。

虛擬樣機技術作為一種技術手段，在汽車工業里面被普遍采用，通過相應系統進行仿真，可以達到評價汽車操作穩定性和耐久性的目的。輪式裝載機屬于循環式作業機械，對其研究目前仍存在不足之處，通過虛擬樣機技術來對輪式裝載機進行性能仿真試驗和參數優化，不失為一種解決問題的方法。文章主要針對ZL50輪式裝載機作為研究對象進行建模與分析，其具體參數如表1所示。

1 ZL50輪式裝載機動力學建模

由于ZL50輪式裝載機是一個非常復雜的多體系統，因此通過建立裝載機模型的方式研究各個系統綜合性能是一種有效的方法。虛擬樣機在構造上是與實際裝載機動力學行為相似的等價模型，該等價模型在物理性能上等同或十分相似于實際系統，但比實際的裝載機更簡單和便于分析研究。

目前機械系統動力學仿真分析軟件較多，基于ADAMS能有效地分析三維機構的運動與力，可模擬大位移的系統和能夠分析運動學靜定系統，故采用ADAMS來對ZL50輪式裝載機進行動力學建模與分析。以下是在ADAMS操作環境下建立的動力學模型。

2 ZL50輪式裝載機動力學仿真

縱向穩定度是評價裝載機技術性能的重要指標之一，它表明裝載機在行駛或工作時抵抗翻車的能力。ZL50輪式裝載機主要在滿載上坡動臂伸出最大或滿載下坡行駛時或空載上坡運行時容易產生傾翻。傳統的分析方法大多停留在理論計算上，無法用實際試驗測得，主要原因是縱向穩定度試驗的危險性以及對車輛的破壞性。同時，隨著客戶對裝載機安全性要求的不斷提高，在對裝載機進行試驗測得準確數據就顯得越發重要。文章主要對裝載機空載上坡時的縱向穩定性進行研究，其牽引力方程如下：

（1）

式中，P：發動機功率（Kw）；i：I檔時的傳動比；？濁c：傳動系的效率；rd：車輪滾動半徑（m）；n：發動機最大轉速（r/min）。

在不考慮前、后車架之間的轉動情況，多剛體整車模型的12個自由度分別為：3個車身軸向平移自由度、3個軸向旋轉自由度，2個工作裝置相對直線自由度以及前后車輪的4個轉動自由度。

在仿真時采用以下基本參數：整車質量17857kg，前車體載荷7475kg，后車體載荷10382kg，額定載重量5000kg，軸距3200mm、未裝載前重心距后車軸1340mm，距前車軸1860mm，裝載機重心離地面高度2320mm，坡度為25度。以I檔進行模擬上坡試驗，輪式裝載機初速2.78m/s，加速到II檔的最大速度9.44m/s時開始爬坡。整車在空載情況下于虛擬試驗環境中進行，其爬坡行駛時縱向穩定性向后翻倒的最大上坡角由下式確定：

（2）

式中：S：裝載機重心距后車軸的距離； H：裝載機重心離地面高度。

圖4 裝載機速度曲線 圖5 裝載機加速度曲線

圖4和圖5分別為該裝載機的速度與加速度仿真試驗曲線。由圖中可以看到，在0到9.6秒過程中，裝載機在水平路面上受到較小的牽引力作用緩慢加速到2.78m/s，平均加速度0.0055m/s2可以忽略不計，即模擬以I檔最大速度勻速前進。在9.81秒時換成II檔，此時裝載機位于水平路面與上坡交界點處，前輪受到地面的沖擊，裝載機速度發生突變，而在II檔牽引力的作用下，裝載機處于加速狀態，直到它的前輪從離開平面到后輪完全進入坡面加速截止，這一過程中牽引力、加速度與速度的方向不斷改變。從圖5可以看出，加速度變化呈波浪狀，隨著后輪進入坡面，加速度趨于一恒定值。從圖4可以看出，速度變化在瞬時完成，最大瞬時速度在9.9秒時為9.44m/s。由于裝載機在爬坡過程中加速度方向向下，裝載機處于減速狀態。如果在上坡過程中牽引力不足，裝載機將會發生倒退或者滑移的現象，在進行最大爬坡能力的仿真過程中出現了裝載機滑移現象，其在12.9秒時開始滑移，速度的變化呈非線性。滑移現象的產生是由于當后輪驅動時，后輪產生的驅動力大于后車架的重力分力，而小于整車重力分力，無法驅動前輪，后輪滑移率增大，滾動系數變小，滾動阻力減小，因而前輪在重力的作用下以后輪為圓心向兩邊滑移，產生Z軸的加速度和向心力，這種情況往往會造成裝載機側滑甚至側翻，容易造成對車輛及人員的傷害。在實際測試中，不可能進行最大爬坡能力測試實驗，如果在進行最大爬坡能力測試時，出現倒坡其危險性還不是很大，而一旦出現側滑現象，即使是經驗豐富的操作人員也無法保證能控制住裝載機，嚴重側滑后果之一就是發生側翻，導致操作人員受傷等事故。

3 結束語

文章對ZL50輪式裝載機的典型系統進行了全面的分析，利用ADAMS軟件構造了裝載機的虛擬樣機系統，建立了該裝載機的動力學模型，并用仿真軟件對其進行了運動學和動力學的模擬仿真，繪制了裝載機的速度和加速度曲線，并據此進行了具體的分析。由于在虛擬樣機的建立和虛擬試驗環境設定時提供了必備的技術參數，因此，進行的縱向穩定性試驗所產生的物理樣機性能與實際情況很接近，起到了應有的設計效果。

參考文獻

[1]楊占敏.輪式裝載機[M].化學工業出版社，2006：1-50.

[2]張玲.基于有限元的刮板輸送機減速器齒輪應力分析[J].煤礦機械，2013（02）：91-92.

[3]鄭建榮.ADAMS-虛擬樣機技術入門與提高[M].機械工業出版社，2002.

[4]覃峰.煤礦裝載機鑄造搖臂的降重優化設計[J].煤礦機械，2013（02）：13-15.

作者簡介：李振華（1977-），河南新鄉人，高校講師，大學本科，研究方向：機械設計及其自動化加工。

摘 要：文章以ZL50輪式裝載機為對象，在分析其牽引性能的基礎上，通過在ADAMS軟件中建立動力學模型，應用現代計算機虛擬仿真技術，形成裝載機的虛擬樣機系統，然后進行初步的性能仿真試驗和參數優化，為裝載機的不斷完善提供方法和依據。通過文章的探討，以期對相關人員的工作提供參考。

關鍵詞：輪式裝載機；動力學系統；虛擬分析

引言

輪式裝載機是一種通過安裝在前端一個完整的鏟斗支承結構和連桿，隨機器向前運動進行裝載或挖掘，以及提升、運輸和卸載的輪胎機械，廣泛用于公路、建筑、礦山等工程領域，對于減輕勞動強度，加快工程建設速度，提高工程質量起著重要的作用。

虛擬樣機技術作為一種技術手段，在汽車工業里面被普遍采用，通過相應系統進行仿真，可以達到評價汽車操作穩定性和耐久性的目的。輪式裝載機屬于循環式作業機械，對其研究目前仍存在不足之處，通過虛擬樣機技術來對輪式裝載機進行性能仿真試驗和參數優化，不失為一種解決問題的方法。文章主要針對ZL50輪式裝載機作為研究對象進行建模與分析，其具體參數如表1所示。

1 ZL50輪式裝載機動力學建模

由于ZL50輪式裝載機是一個非常復雜的多體系統，因此通過建立裝載機模型的方式研究各個系統綜合性能是一種有效的方法。虛擬樣機在構造上是與實際裝載機動力學行為相似的等價模型，該等價模型在物理性能上等同或十分相似于實際系統，但比實際的裝載機更簡單和便于分析研究。

目前機械系統動力學仿真分析軟件較多，基于ADAMS能有效地分析三維機構的運動與力，可模擬大位移的系統和能夠分析運動學靜定系統，故采用ADAMS來對ZL50輪式裝載機進行動力學建模與分析。以下是在ADAMS操作環境下建立的動力學模型。

2 ZL50輪式裝載機動力學仿真

縱向穩定度是評價裝載機技術性能的重要指標之一，它表明裝載機在行駛或工作時抵抗翻車的能力。ZL50輪式裝載機主要在滿載上坡動臂伸出最大或滿載下坡行駛時或空載上坡運行時容易產生傾翻。傳統的分析方法大多停留在理論計算上，無法用實際試驗測得，主要原因是縱向穩定度試驗的危險性以及對車輛的破壞性。同時，隨著客戶對裝載機安全性要求的不斷提高，在對裝載機進行試驗測得準確數據就顯得越發重要。文章主要對裝載機空載上坡時的縱向穩定性進行研究，其牽引力方程如下：

（1）

式中，P：發動機功率（Kw）；i：I檔時的傳動比；？濁c：傳動系的效率；rd：車輪滾動半徑（m）；n：發動機最大轉速（r/min）。

在不考慮前、后車架之間的轉動情況，多剛體整車模型的12個自由度分別為：3個車身軸向平移自由度、3個軸向旋轉自由度，2個工作裝置相對直線自由度以及前后車輪的4個轉動自由度。

在仿真時采用以下基本參數：整車質量17857kg，前車體載荷7475kg，后車體載荷10382kg，額定載重量5000kg，軸距3200mm、未裝載前重心距后車軸1340mm，距前車軸1860mm，裝載機重心離地面高度2320mm，坡度為25度。以I檔進行模擬上坡試驗，輪式裝載機初速2.78m/s，加速到II檔的最大速度9.44m/s時開始爬坡。整車在空載情況下于虛擬試驗環境中進行，其爬坡行駛時縱向穩定性向后翻倒的最大上坡角由下式確定：

（2）

式中：S：裝載機重心距后車軸的距離； H：裝載機重心離地面高度。

圖4 裝載機速度曲線 圖5 裝載機加速度曲線

圖4和圖5分別為該裝載機的速度與加速度仿真試驗曲線。由圖中可以看到，在0到9.6秒過程中，裝載機在水平路面上受到較小的牽引力作用緩慢加速到2.78m/s，平均加速度0.0055m/s2可以忽略不計，即模擬以I檔最大速度勻速前進。在9.81秒時換成II檔，此時裝載機位于水平路面與上坡交界點處，前輪受到地面的沖擊，裝載機速度發生突變，而在II檔牽引力的作用下，裝載機處于加速狀態，直到它的前輪從離開平面到后輪完全進入坡面加速截止，這一過程中牽引力、加速度與速度的方向不斷改變。從圖5可以看出，加速度變化呈波浪狀，隨著后輪進入坡面，加速度趨于一恒定值。從圖4可以看出，速度變化在瞬時完成，最大瞬時速度在9.9秒時為9.44m/s。由于裝載機在爬坡過程中加速度方向向下，裝載機處于減速狀態。如果在上坡過程中牽引力不足，裝載機將會發生倒退或者滑移的現象，在進行最大爬坡能力的仿真過程中出現了裝載機滑移現象，其在12.9秒時開始滑移，速度的變化呈非線性。滑移現象的產生是由于當后輪驅動時，后輪產生的驅動力大于后車架的重力分力，而小于整車重力分力，無法驅動前輪，后輪滑移率增大，滾動系數變小，滾動阻力減小，因而前輪在重力的作用下以后輪為圓心向兩邊滑移，產生Z軸的加速度和向心力，這種情況往往會造成裝載機側滑甚至側翻，容易造成對車輛及人員的傷害。在實際測試中，不可能進行最大爬坡能力測試實驗，如果在進行最大爬坡能力測試時，出現倒坡其危險性還不是很大，而一旦出現側滑現象，即使是經驗豐富的操作人員也無法保證能控制住裝載機，嚴重側滑后果之一就是發生側翻，導致操作人員受傷等事故。

3 結束語

文章對ZL50輪式裝載機的典型系統進行了全面的分析，利用ADAMS軟件構造了裝載機的虛擬樣機系統，建立了該裝載機的動力學模型，并用仿真軟件對其進行了運動學和動力學的模擬仿真，繪制了裝載機的速度和加速度曲線，并據此進行了具體的分析。由于在虛擬樣機的建立和虛擬試驗環境設定時提供了必備的技術參數，因此，進行的縱向穩定性試驗所產生的物理樣機性能與實際情況很接近，起到了應有的設計效果。

參考文獻

[1]楊占敏.輪式裝載機[M].化學工業出版社，2006：1-50.

[2]張玲.基于有限元的刮板輸送機減速器齒輪應力分析[J].煤礦機械，2013（02）：91-92.

[3]鄭建榮.ADAMS-虛擬樣機技術入門與提高[M].機械工業出版社，2002.

[4]覃峰.煤礦裝載機鑄造搖臂的降重優化設計[J].煤礦機械，2013（02）：13-15.

作者簡介：李振華（1977-），河南新鄉人，高校講師，大學本科，研究方向：機械設計及其自動化加工。

摘 要：文章以ZL50輪式裝載機為對象，在分析其牽引性能的基礎上，通過在ADAMS軟件中建立動力學模型，應用現代計算機虛擬仿真技術，形成裝載機的虛擬樣機系統，然后進行初步的性能仿真試驗和參數優化，為裝載機的不斷完善提供方法和依據。通過文章的探討，以期對相關人員的工作提供參考。

關鍵詞：輪式裝載機；動力學系統；虛擬分析

引言

輪式裝載機是一種通過安裝在前端一個完整的鏟斗支承結構和連桿，隨機器向前運動進行裝載或挖掘，以及提升、運輸和卸載的輪胎機械，廣泛用于公路、建筑、礦山等工程領域，對于減輕勞動強度，加快工程建設速度，提高工程質量起著重要的作用。

虛擬樣機技術作為一種技術手段，在汽車工業里面被普遍采用，通過相應系統進行仿真，可以達到評價汽車操作穩定性和耐久性的目的。輪式裝載機屬于循環式作業機械，對其研究目前仍存在不足之處，通過虛擬樣機技術來對輪式裝載機進行性能仿真試驗和參數優化，不失為一種解決問題的方法。文章主要針對ZL50輪式裝載機作為研究對象進行建模與分析，其具體參數如表1所示。

1 ZL50輪式裝載機動力學建模

由于ZL50輪式裝載機是一個非常復雜的多體系統，因此通過建立裝載機模型的方式研究各個系統綜合性能是一種有效的方法。虛擬樣機在構造上是與實際裝載機動力學行為相似的等價模型，該等價模型在物理性能上等同或十分相似于實際系統，但比實際的裝載機更簡單和便于分析研究。

目前機械系統動力學仿真分析軟件較多，基于ADAMS能有效地分析三維機構的運動與力，可模擬大位移的系統和能夠分析運動學靜定系統，故采用ADAMS來對ZL50輪式裝載機進行動力學建模與分析。以下是在ADAMS操作環境下建立的動力學模型。

2 ZL50輪式裝載機動力學仿真

縱向穩定度是評價裝載機技術性能的重要指標之一，它表明裝載機在行駛或工作時抵抗翻車的能力。ZL50輪式裝載機主要在滿載上坡動臂伸出最大或滿載下坡行駛時或空載上坡運行時容易產生傾翻。傳統的分析方法大多停留在理論計算上，無法用實際試驗測得，主要原因是縱向穩定度試驗的危險性以及對車輛的破壞性。同時，隨著客戶對裝載機安全性要求的不斷提高，在對裝載機進行試驗測得準確數據就顯得越發重要。文章主要對裝載機空載上坡時的縱向穩定性進行研究，其牽引力方程如下：

（1）

式中，P：發動機功率（Kw）；i：I檔時的傳動比；？濁c：傳動系的效率；rd：車輪滾動半徑（m）；n：發動機最大轉速（r/min）。

在不考慮前、后車架之間的轉動情況，多剛體整車模型的12個自由度分別為：3個車身軸向平移自由度、3個軸向旋轉自由度，2個工作裝置相對直線自由度以及前后車輪的4個轉動自由度。

在仿真時采用以下基本參數：整車質量17857kg，前車體載荷7475kg，后車體載荷10382kg，額定載重量5000kg，軸距3200mm、未裝載前重心距后車軸1340mm，距前車軸1860mm，裝載機重心離地面高度2320mm，坡度為25度。以I檔進行模擬上坡試驗，輪式裝載機初速2.78m/s，加速到II檔的最大速度9.44m/s時開始爬坡。整車在空載情況下于虛擬試驗環境中進行，其爬坡行駛時縱向穩定性向后翻倒的最大上坡角由下式確定：

（2）

式中：S：裝載機重心距后車軸的距離； H：裝載機重心離地面高度。

圖4 裝載機速度曲線 圖5 裝載機加速度曲線

圖4和圖5分別為該裝載機的速度與加速度仿真試驗曲線。由圖中可以看到，在0到9.6秒過程中，裝載機在水平路面上受到較小的牽引力作用緩慢加速到2.78m/s，平均加速度0.0055m/s2可以忽略不計，即模擬以I檔最大速度勻速前進。在9.81秒時換成II檔，此時裝載機位于水平路面與上坡交界點處，前輪受到地面的沖擊，裝載機速度發生突變，而在II檔牽引力的作用下，裝載機處于加速狀態，直到它的前輪從離開平面到后輪完全進入坡面加速截止，這一過程中牽引力、加速度與速度的方向不斷改變。從圖5可以看出，加速度變化呈波浪狀，隨著后輪進入坡面，加速度趨于一恒定值。從圖4可以看出，速度變化在瞬時完成，最大瞬時速度在9.9秒時為9.44m/s。由于裝載機在爬坡過程中加速度方向向下，裝載機處于減速狀態。如果在上坡過程中牽引力不足，裝載機將會發生倒退或者滑移的現象，在進行最大爬坡能力的仿真過程中出現了裝載機滑移現象，其在12.9秒時開始滑移，速度的變化呈非線性。滑移現象的產生是由于當后輪驅動時，后輪產生的驅動力大于后車架的重力分力，而小于整車重力分力，無法驅動前輪，后輪滑移率增大，滾動系數變小，滾動阻力減小，因而前輪在重力的作用下以后輪為圓心向兩邊滑移，產生Z軸的加速度和向心力，這種情況往往會造成裝載機側滑甚至側翻，容易造成對車輛及人員的傷害。在實際測試中，不可能進行最大爬坡能力測試實驗，如果在進行最大爬坡能力測試時，出現倒坡其危險性還不是很大，而一旦出現側滑現象，即使是經驗豐富的操作人員也無法保證能控制住裝載機，嚴重側滑后果之一就是發生側翻，導致操作人員受傷等事故。

3 結束語

文章對ZL50輪式裝載機的典型系統進行了全面的分析，利用ADAMS軟件構造了裝載機的虛擬樣機系統，建立了該裝載機的動力學模型，并用仿真軟件對其進行了運動學和動力學的模擬仿真，繪制了裝載機的速度和加速度曲線，并據此進行了具體的分析。由于在虛擬樣機的建立和虛擬試驗環境設定時提供了必備的技術參數，因此，進行的縱向穩定性試驗所產生的物理樣機性能與實際情況很接近，起到了應有的設計效果。

參考文獻

[1]楊占敏.輪式裝載機[M].化學工業出版社，2006：1-50.

[2]張玲.基于有限元的刮板輸送機減速器齒輪應力分析[J].煤礦機械，2013（02）：91-92.

[3]鄭建榮.ADAMS-虛擬樣機技術入門與提高[M].機械工業出版社，2002.

[4]覃峰.煤礦裝載機鑄造搖臂的降重優化設計[J].煤礦機械，2013（02）：13-15.

作者簡介：李振華（1977-），河南新鄉人，高校講師，大學本科，研究方向：機械設計及其自動化加工。