8t液壓挖掘機工作裝置的運動仿真

王健 王虎奇

摘? 要：使用Creo2.0軟件對挖掘機工作裝置進行三維建模，基于動力學分析軟件ADAMS2016建立虛擬樣機，并進行運動仿真，設計相關的step函數，實現挖掘機工作裝置某些特殊工況，進一步得出整個工作裝置的軌跡包絡圖，從而獲得一些重要工作參數如最大挖掘半徑、最大挖掘深度、最大卸載高度等.同時建立工作裝置的數學模型，并通過MATLAB軟件進行編程計算，來探索挖掘機的工作性能及運動規律.仿真所得的數據可以為后期優化改進提供理論依據和設計參考.

關鍵詞：Creo2.0;ADAMS2016;工作裝置;數學模型;運動仿真

中圖分類號：TU621，TH137? ? ?DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.01.014

0? ? 引言

隨著計算機輔助設計技術的發展，虛擬樣機技術已廣泛應用于各個領域[1].挖掘機作為一種工程中被廣泛使用的機械，使用虛擬樣機進行仿真，可以縮短新產品研制和開發，提高產品的設計質量，降低產品的研發成本，進行創新性設計[2].而工作裝置作為挖掘機重要組成部分，其性能優劣不僅直接影響挖掘機的生產效率，還決定整機的可靠性[3].實物樣機高昂的成本使得液壓挖掘機的研發極具風險，困難重重， 因此，工程師可在計算機上建立挖掘機的三維實體模型，并對模型進行分析.可通過修改不同參數直觀快速地觀察、研究車輛的運動和工作狀態、動態顯示仿真數據結果，從而達到降低產品成本、縮短開發周期、提高產品質量和生產效率[4].

為了獲得挖掘機工作裝置的一些重要參數，做進一步的優化設計，筆者使用軟件建立虛擬樣機并進行運動仿真，以其建立數學模型對運動規律進行探索.

1? ? 挖掘機的工作裝置的運動分析

挖掘機工作裝置采用連桿機構原理[5]，是以3組液壓缸為原動件的三自由度連桿機構，通過調整各組液壓缸伸縮長度的變化，進而使得鏟斗完成不同工況下的工作任務.基于挖掘機工作裝置運動原理，以各個液壓桿的變化量為自變量，以相鄰兩桿組間關節回轉量[6]為因變量，再通過關節回轉量與位置坐標間的數學關系，來建立挖掘機工作裝置的數學模型，其示意圖如圖1所示.

挖掘機工作裝置各鉸點的位置可以由圖1的A、B、C、D四點的位置坐標所表示，分別為：

鏟斗、斗桿液壓桿與斗桿之間是由一個四桿機構相連接的，其連接部分示意圖如圖2所示.通過液壓桿L15的伸縮變化，在連桿與搖桿銷接的鉸點施加力矩，引發四桿機構的變形，從而使得鏟斗產生繞鉸點C旋轉運動.由于四桿機構的位置變化復雜，需要更為復雜的函數關系，則式（2）中θ3與L15[7]的關系可以由式（3）表示：

使用MATLAB軟件進行編程以及數學模型的數據計算，通過改變液壓桿的伸縮量，可以得出關鍵點的位置坐標，以此來檢驗數學模型的正確性.

2? ? 工作裝置動力學模型的建立及其仿真

2.1? ?工作裝置的簡化約束模型

導入到ADAMS中的模型很好地保留了原來所建模型的各種屬性，但是原有模型各個部件間的裝配關系已不復存在，各零件只是按原來的位置關系獨立地存在于ADAMS環境中[8].為了實現進一步的操作，必須將各個部件通過約束副重新組裝起來.

挖掘機工作裝置的重要組成部分如圖3所示，其運動方式主要由液壓缸與液壓桿的平移運動以及各個桿件間的旋轉運動組成，為了模擬挖掘機的工作方式，需要在各個部件間設置相對應的約束副，所定義的約束副如表1所示.

2.2? ?模型的仿真

為了讓模型完成既定的動作，需要在定義的運動中輸入對應的函數.ADAMDS軟件通常采用的函數是step函數，它的表述形式是：step（t，t0，x（t0），t1，? ?x（t1）），其中t表示函數自變量，t0表示自變量的初始值，x（t0）表示自變量函數的初始值，t1表示自變量的結束值，x（t1）表示自變量函數的結束值[9].此次仿真選取自變量為時間，自變量函數為液壓桿的伸縮長度.

2.2.1? 各運動的step函數

此仿真過程模擬了挖掘機由挖掘到提臂回轉到卸料再到空斗返回的全過程，所定義的具體工況與step函數如下所示：

1）預調整：斗桿與鏟斗液壓缸處于全縮狀態，動臂液壓缸處于全伸狀態.

2）挖掘工況此工況：①動臂挖掘工況：動臂開始收縮至最大行程，可以得到最大挖掘半徑.②斗桿挖掘工況：收縮部分鏟斗液壓桿，使其鏟齒與斗桿共面，從而可以得到最大挖掘深度[10].

3）提臂回轉工況：全縮鏟斗液壓桿進行裝載，然后全縮斗桿以及動臂液壓桿.

4）卸料工況：鏟斗達到最大卸料高度時，全縮鏟斗液壓桿，完成卸料.

5）空斗返回工況：收縮各液壓缸，使工作裝置到達初始位置.

模型仿真過程中所定義的具體step函數及齒尖在仿真過程中所作的x與z 方向的位移如表2、圖4所示.

2.2.2? 工作裝置的仿真運動軌跡及后處理結果

1）工作裝置斗桿挖掘過程的運動仿真

在此仿真過程中，不僅可以模擬出挖掘機的一些重要性能參數，更重要的是能找出鏟尖仿真至任意位置時液壓桿對應的伸縮量.通過調整上面step函數，使鏟尖到達斗桿全縮，鉸點B、C、D位于同一直線的位置，之后再改變動臂液壓桿伸縮量，使其到達z方向位移為0的位置.最后調整斗桿的step函數來模擬斗桿挖掘工況，通過在鏟尖設計方向與大小隨著鏟斗位置變化的切向力與法向力的step函數，來模擬挖掘機斗桿挖掘的挖掘阻力，同時在鏟斗重心處設計一個始終豎直向下的力的step函數，來模擬物料的重力變化.其中所設計的斗桿挖掘step函數及關鍵鉸點的外載荷變化如圖5所示.

如圖5所示，在19.5～22.0 s內，斗桿挖掘的挖掘阻力和物料重力隨著鏟斗關節回轉角度的增加而逐漸增加，此時各個關鍵鉸點所受到的外力載荷也在不斷增加，其中動臂平臺鉸接點的受力變化最為顯著;在22.0～25.0 s內，鏟斗挖掘物料結束開始提臂，挖掘阻力開始不斷減小，物料重力保持不變，各個關鍵鉸點的外力載荷開始不斷減小.

2）工作裝置運動全過程運動仿真

通過軟件的后處理模塊所得到的x、z方向的位移圖，可得到的如圖6所示的一些常用數據，其具體數據如表5所示.

3）仿真結果、模型計算結果與實際設計值的數據對比

數據對比如表6所示，由表6可以統計出：實際設計值、數學模型計算值與仿真值對比所產生誤差在0.91%之內，符合重型機械設計標準，因此仿真所得的數據可以作為設計的參考.

3? ? 結論

基于D-H矩陣原理構建工作裝置數學模型，利用MATLAB軟件編程計算，再使用ADAMS軟件進行仿真，最后所得的結果與實際設計值相比較.結果表明：ADAMS運動仿真與實際設計的參數間沒有太大誤差，與數學模型計算值間的對比也檢驗了所建立數學模型的正確性.同時還仿真了斗桿挖掘工況，得出了斗桿挖掘每個瞬時各個關鍵鉸點外載荷以及作用力最為明顯的位置.上述的過程不僅可以檢驗仿真結果的準確性，而且可以深化對工作裝置運動學原理的理解，所建立的正確數學模型還可以為挖掘機的改良開發提供了研究依據，為進一步的優化改進提供了理論基礎.

參考文獻

[1]? ? 石明全，薛運鋒，陳維義，等.某發動機的參數化動態仿真分析[J].鄭州大學學報（工學版），2005，26（3）：79-82.

[2]? ? 魏海燕.虛擬制造技術的相關概念及其應用[J].機械工程師，1999（9）：1-2.

[3]? ? 謝賢彬. 挖掘機工作裝置CAD系統的研究與開發[D].沈陽：東北大學，2007.

[4]? ? 廖抒華，楊帆，唐興，等.基于ADAMS的微車萬向傳動裝置的振動優化[J].廣西科技大學學報，2014，25（2）：50-53.

[5]? ? 張芒國.機液一體化虛擬樣機技術研究[D].濟南：山東大學，2005.

[6]? ? 臧慶凱.六自由度機械手運動學與運動規劃研究[D].柳州：廣西工學院，2012.

[7]? ? 陳鈺塵.小型液壓挖掘機工作裝置的參數化設計及仿真分析[D].成都：西南交通大學，2010.

[8]? ? 秦成，史淑玲.挖掘機搖臂機構的虛擬樣機研究[J].機械工程師，2008（3）：133-134.

[9]? ? 李光，仝雷強，張永明，等.基于Pro/E及ADAMS的液壓挖掘機整機機構的建模與運動仿真[J].機械管理開發，2010，25（6）：46-47.

[10]? 孫克義.液壓挖掘機工作裝置的動力學分析與仿真[D].蘭州：蘭州理工大學，2014.