液壓挖掘機(jī)工作裝置的載荷譜測試研究

秦 威，趙 剛，江志剛，章 翔

（武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動化學(xué)院，湖北 武漢 430081）

1 引言

反鏟液壓挖掘機(jī)作為工程上常見的土方機(jī)械，對于建筑工地、水利建設(shè)、礦山開采等需要破土建設(shè)的工程中具有極高的重要性。鑒于反鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置通常在運(yùn)行中起到了施力和受力的作用，在載荷長期變化的基礎(chǔ)上，工作裝置極容易出現(xiàn)疲勞損傷的現(xiàn)象，若是這種損傷積累到一定地步，就會造成疲勞破壞，對挖掘機(jī)的正常運(yùn)行有極大的安全隱患。采取抗疲勞設(shè)計可以有效解決挖掘機(jī)部件容易出現(xiàn)疲勞失效的問題，其首要舉措就是要得到實(shí)際工作狀態(tài)下的載荷譜。文獻(xiàn)[1]從工作裝置部件的運(yùn)行、受力分析等方面入手，研究出合理的載荷力規(guī)律，同時以此為后續(xù)研究前提，結(jié)合實(shí)際載荷標(biāo)定，擬合出比較接近真實(shí)載荷的回歸方程，將實(shí)際應(yīng)力轉(zhuǎn)換為載荷進(jìn)行顯示。文獻(xiàn)[2]借助自身建立的關(guān)于動應(yīng)變、油壓以及角位移的測試平臺，利用達(dá)朗貝爾原理，得出模擬實(shí)際的動態(tài)載荷值。文獻(xiàn)[3]通過試驗，獲取挖掘機(jī)工作裝置高應(yīng)力區(qū)實(shí)測點(diǎn)載荷，然后運(yùn)用Hypermesh、Abaqus對工作裝置整體進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，并將實(shí)際測量的力的大小與對應(yīng)的仿真應(yīng)力作比較，發(fā)現(xiàn)他們的整體變化服從相同的趨勢，體現(xiàn)出工作部件的靜應(yīng)力特性。文獻(xiàn)[4]利用ADAMS軟件進(jìn)行現(xiàn)代化技術(shù)仿真，得到了動臂相連的重要的鉸點(diǎn)的載荷曲線，同時和算得的理論值作比較，檢驗仿真的精確度。總結(jié)已有的研究工作可知，通過試驗采集高應(yīng)力區(qū)測點(diǎn)應(yīng)力以及理論計算得挖掘機(jī)主要鉸點(diǎn)受力，試驗測點(diǎn)多，操作復(fù)雜，計算強(qiáng)度較大。基于此提出一種將試驗與動力學(xué)仿真融合的新型方法，該方法的總體工作流程，如圖1所示。

圖1 工作裝置載荷譜獲取原理圖Fig.1 The Schematic Diagram for the Obtaining of Load Spectrum

2 動應(yīng)力測試

2.1 工況選擇及測點(diǎn)布置

鑒于挖掘機(jī)工作裝置受力情況復(fù)雜難斷，所以利用間接測量的辦法，從對液壓挖掘機(jī)動臂、斗桿和鏟斗油缸的液壓缸位移等參數(shù)入手，研究它的工作狀態(tài)，確定油缸壓力參數(shù)最終得到鏟斗齒間挖掘阻力。挖掘機(jī)工作裝置在斗桿挖掘工況下，斗桿到動臂的力臂最大，動臂易出現(xiàn)危險截面，因此選擇斗桿挖掘工況進(jìn)行工作裝置挖掘分析。由于液壓缸承受的是單向應(yīng)力，通過在各液壓缸近支座餃點(diǎn)處粘貼應(yīng)變片，便能得到挖掘過程中挖掘機(jī)各油缸的應(yīng)力同時間的曲線關(guān)系。分別對動臂、斗桿和鏟斗油缸活塞桿近支座近鉸接點(diǎn)布置測點(diǎn)。并且為這些測點(diǎn)旁邊的液壓缸側(cè)布置位移傳感器。各測點(diǎn)布置，如圖2所示。

圖2 測試點(diǎn)布置圖Fig.2 The Test Point Arrangement

2.2 載荷測試及分析

在三個液壓缸的腔內(nèi)活塞桿附近粘貼測量用的單向應(yīng)變片，并在液壓缸側(cè)安裝位移傳感器，應(yīng)用挖掘機(jī)斗桿液壓缸驅(qū)動力使鏟斗進(jìn)入挖掘工作狀態(tài)，工作同時記錄下挖掘時各液壓缸應(yīng)力和位移隨時間變化的曲線，并通過相關(guān)公式算出油缸壓力，如圖3所示。

圖3 液壓缸位移的變化曲線Fig.3 The Curve of the Hydraulic Cylinder Displacement

3 挖掘機(jī)工作裝置虛擬樣機(jī)模型的建立

3.1 建立ADAMS仿真模型

根據(jù)反鏟液壓挖掘機(jī)各部件功能分類，可分析其主要組成部分，包括了動力、工作、回轉(zhuǎn)、液壓系統(tǒng)、操縱以及電機(jī)等裝置。試驗僅僅針對工作裝置采取模擬仿真，仿真原則是根據(jù)各部件之間是否具有相對運(yùn)動產(chǎn)生，可以對部件劃分成12個組成部件，具體包括了底座回轉(zhuǎn)裝置、動臂、動臂油缸、斗桿、斗桿油缸、鏟斗、鏟斗油缸以及它們的連桿以及搖桿等部件[5]。利用Pro/E三維軟件分別對各構(gòu)件進(jìn)行建模，然后采用自上而下，逐步插入的方式完成裝配，隨后將裝配件導(dǎo)入到ADAMS進(jìn)行模擬仿真。其中ADAMS用到的仿真模型，如圖4所示。

圖4 挖掘機(jī)仿真模型Fig.4 The Simulation Model of Excavator

3.2 編輯材料屬性，添加約束

編輯材料屬性：在建模時為簡化模型，未給模型定義材料屬性，在此設(shè)置材料屬性steel，可得到各構(gòu)件的質(zhì)心及轉(zhuǎn)動慣量。添加約束：在各鉸接點(diǎn)間加入合適的旋轉(zhuǎn)副、圓柱副以及球鉸副；對各油缸部分以及相連的活塞桿之間添加移動副；底座與大地之間施加固定副。在各移動副上施加位移驅(qū)動，同時在鏟斗齒尖新建一個MARKER點(diǎn)，添加鏟斗齒尖挖掘阻力的切向分力和法線分力（假設(shè)挖掘阻力對稱于鏟斗，無側(cè)向作用力）。

3.3 鏟斗齒間挖掘阻力的計算

液壓挖掘機(jī)在正常工作狀態(tài)時各部件承受的載荷是不斷變化且復(fù)雜的，無法直接采用方法測量出鏟斗齒尖承受的負(fù)載同時間的關(guān)系。當(dāng)挖掘機(jī)鏟斗接觸土壤，工作裝置的作用力為工作裝置重力以及土壤給予鏟斗齒間的挖掘阻力。針對挖掘機(jī)工作裝置的運(yùn)動受力分析，建立起鏟斗齒間挖掘阻力同油缸各相關(guān)組成部分之間的聯(lián)系，根據(jù)測量動臂油缸、斗桿油缸以及鏟斗油缸位移及應(yīng)力，間接求得鏟斗齒間所受的挖掘阻力的力時間歷程。由于各油缸截面均為規(guī)則的圓形，其油缸作用力根據(jù)測量的應(yīng)變值和截面積求得。可進(jìn)一步簡化為測量各油缸沿活塞桿軸心方向的應(yīng)力時間歷程。液壓挖掘機(jī)主要部件的結(jié)構(gòu)簡化圖，如圖5所示。

圖5 液壓挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)簡化示意圖Fig.5 The Simplified Sketch Map of Working Devices

3.3.1 鏟斗齒間切向分力W1計算

取鏟斗和與連桿機(jī)構(gòu)為獨(dú)立體，如圖6所示。以餃點(diǎn)C為原點(diǎn)，沿斗桿方向為x軸，取垂直方向為y軸，針對C點(diǎn)列力矩平衡方程：

式中：l1、l5、l6、l7—通過實(shí)測得到；α4、α5、α6、α7—根據(jù)機(jī)構(gòu)間幾何尺寸

關(guān)系，用各角度所在三角形，用三角形法則求得。Pd—鏟斗油缸推力大小，其可由油缸處測得的應(yīng)力與其截面積求出，即：

圖6 取鏟斗和連桿機(jī)構(gòu)為獨(dú)立體Fig.6 The Bucket and Link Mechanism

3.3.2 鏟斗齒間法向分力W2

液壓挖掘機(jī)工作裝置幾何參數(shù)示意圖，如圖7所示。把整個工作裝置作為主體進(jìn)行單獨(dú)分析，針對動臂和鉸接點(diǎn)K列力矩平衡方程：

式中：Gb、Gg、Gd—動臂，斗桿和鏟斗重力；L1—鏟斗齒間作用力到鉸點(diǎn)K的力臂（mm）；L2—同等位置出現(xiàn)的法向分力到餃點(diǎn)K的力臂（mm）；LGb—動臂所受的重力到鉸點(diǎn)K之間的力臂大小（mm）；LGg、LGd—斗桿所受重力到K的力臂以及鏟斗所受重力到K的力臂（mm）；Pb（t）—鏟斗油缸產(chǎn)生的推力，依據(jù)上述式（2）可以得出：

圖7 液壓挖掘機(jī)工作裝置幾何參數(shù)示意圖Fig.7 The Geometric Parameters of Working Device

基于各三角形角度之間關(guān)系，可推導(dǎo)式（8）中的各力到鉸點(diǎn)K的力臂計算公式。式中：表示涉及到的工作裝置長度、和分別由動臂油缸與斗桿油缸活塞桿通過位移得到的，代入式（8）可算出鏟斗齒間阻力的法向分力。將測試得到的油缸位移及應(yīng)力隨時間變化代入及公式中得到如圖8所示的鏟斗齒尖切向分力和法向分力的擬合曲線。

圖8 齒尖法向時間載荷Fig.8 The Tangential Instant Load W1and the Normal Instant Load W2of Bucket Tooth Tips

4 挖掘機(jī)工作裝置仿真分析與計算

為方便分析得出結(jié)論，將斗桿液壓缸推力作為鏟斗工作的驅(qū)動力。針對動臂、斗桿以及鏟斗油缸運(yùn)動，添加STEP階躍函數(shù)作為輸入驅(qū)動，從而對工作裝置一個工作周期的受力情況進(jìn)行模擬仿真分析。動臂液壓缸 STEP 函數(shù)為：STEP（time，0，0，40，325）；斗桿液壓缸 STEP 函數(shù)為：STEP（time，0，0，l0，600）+STEP（time，10，0，13，0）+STEP（time，13，0，15，-350）+STEP（time，15，0，40，0）；鏟斗液壓缸 STEP 函數(shù)：STEP（time，0，0，40，60）；齒尖切向驅(qū)動力STEP 函數(shù)：STEP（time，2，0，10，180000）+STEP（time，10，0，13，0）+STEP（time，13，0，40，-180000）；齒尖法向驅(qū)動力 STEP 函數(shù)：STEP（time，3，0，15，17500）+STEP（time，15，0，30，0）+STEP（time，30，0，40，-17500）。仿真結(jié)束后可以得到各主要鉸點(diǎn)在挖掘機(jī)工作周期中所受的力同時間的關(guān)系曲線，如圖9所示。

圖9 工作裝置主要鉸接點(diǎn)受力曲線Fig.9 Mainly Articulated Point Force Curve of Working Device

對圖9中各曲線進(jìn)行對比可以得到，在整個挖掘周期中，液壓挖掘機(jī)工作裝置的各構(gòu)件間主要鉸點(diǎn)所受到的力的變化趨勢是接近的，同時當(dāng)鏟斗齒尖阻力最大時，各鉸點(diǎn)承受的應(yīng)力最大。由圖可知在（0～2）s范圍內(nèi)，各液壓缸進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)工作，促使其位置能夠達(dá)到測試工作的初始狀態(tài)；在（2～15）s期間挖掘機(jī)正式進(jìn)入挖掘狀態(tài)，當(dāng)鏟斗齒尖接觸到地面時，各鉸點(diǎn)受力突然增大，并且在10s左右所受到的餃點(diǎn)力最大；在（10～13）s期間屬于工作的進(jìn)行階段，斗桿液壓缸保證持續(xù)推力輸出。在（13～20）s伴隨著工作接近尾聲，其受到的挖掘阻力逐漸變小。當(dāng)鏟斗下挖到目標(biāo)深度時，動力臂便開始向上提升，工作裝置的受力發(fā)生轉(zhuǎn)變，各鉸點(diǎn)所受到的力產(chǎn)生波動。在整個工作周期中，斗桿液壓缸的推力作為整個系統(tǒng)的動力，所以必須對其做數(shù)據(jù)檢驗分析。將斗桿液壓缸理論計算產(chǎn)生的推力同仿真過程中得到的斗桿鉸點(diǎn)處的受力作對比，可見動力學(xué)分析軟件仿真得到的結(jié)果是比較準(zhǔn)確的，如圖10所示。根據(jù)圖10可見，在整個挖掘工作周期中的（0～40）s內(nèi)，對于斗桿液壓缸的推力的測量的結(jié)果與仿真得到的結(jié)果大體相同，推力最大時的誤差在5%以內(nèi)，仿真曲線對比實(shí)測曲線存在誤差的原因是：（1）在整個測試過程中，受外界干擾較大。（2）對挖掘機(jī)進(jìn)行分析及建模時，簡化了主要裝置部件造成的誤差。（3）在實(shí)際的挖掘工作當(dāng)中，齒尖挖掘阻力是在不斷變化的。

圖10 斗桿油缸推力測量與仿真曲線Fig.10 The Measurement of Thrust and Simulation of Curve Bucket Rod Ail Cylinder

5 結(jié)論

（1）通過對液壓挖掘機(jī)工作裝置的運(yùn)動、力學(xué)分析，建立了齒尖挖掘阻力與各油缸作用力之間的力學(xué)關(guān)系。在分析挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)與各作用力力臂之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出以各油缸作用力和油缸位移行程的鏟斗齒尖挖掘阻力的計算公式。該計算公式為試驗測試挖掘機(jī)載荷力時間歷程提供理論依據(jù)。（2）依據(jù)實(shí)測油缸推力與位移行程數(shù)據(jù)，對挖掘機(jī)進(jìn)行ADAMS仿真，獲取工作裝置主要餃點(diǎn)的載荷譜，并對仿真結(jié)果進(jìn)行驗證。該方法對以往多測點(diǎn)的復(fù)雜試驗以及理論計算主要鉸點(diǎn)受力的繁冗公式進(jìn)行了簡化，仿真結(jié)果對工作裝置進(jìn)行疲勞壽命分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了可靠的依據(jù)。

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