液壓挖掘機(jī)多功能鏟斗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

曹源文，甘敬升，曾 波，岳 鵬

(重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

液壓挖掘機(jī)在建筑、筑路、水利、電力、礦石、石油以及現(xiàn)代軍事等工程中被廣泛使用[1]。單斗液壓挖掘機(jī)因其優(yōu)良的作業(yè)性能和高效率等特點(diǎn)，成為工程機(jī)械中主要施工機(jī)械之一。

傳統(tǒng)的液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)周期相對(duì)較長(zhǎng)，制造成本較高，智能化程度不高，滿足某一特定工況或功能要求也比較困難[2]。許多研究人員均對(duì)液壓挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)和功能方面進(jìn)行了研究，取得了豐厚成果。蔣小利等[3]以某20 t級(jí)液壓挖掘機(jī)為例，通過SolidWorks建立其三維模型，在此基礎(chǔ)上，導(dǎo)入模型至ADAMS環(huán)境中，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析；白穎等[4]在TRIZ理論的基礎(chǔ)上，運(yùn)用最優(yōu)解原理，提出了一種復(fù)合鏟斗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后在MATLAB中建立數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析；何君等[5]基于三維軟件Pro/E建立了挖掘機(jī)的工作裝置三維模型，在ADAMS軟件中對(duì)虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，從而獲得其主要工作尺寸數(shù)據(jù)，最后對(duì)工作裝置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，以此獲得各個(gè)工作鉸點(diǎn)的受力曲線；陳燕等[6]采用VC++語(yǔ)言對(duì)某型號(hào)液壓挖掘機(jī)的工作裝置進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn), 對(duì)仿真模型的正確性與設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證；鄭蘭霞等[7]在不影響挖掘機(jī)正常作業(yè)情況下，增設(shè)了一套輔助夾持機(jī)構(gòu)用以?shī)A持大塊物料，并對(duì)其進(jìn)行了仿真分析，分析結(jié)果顯示，未發(fā)生干涉現(xiàn)象。

雖然上述學(xué)者在不同方面開展了研究，但在多功能鏟斗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面開展的研究不多。筆者以TX210C型液壓挖掘機(jī)作為研究對(duì)象，通過Pro/E和ADAMS軟件建立其虛擬樣機(jī)模型，以此設(shè)計(jì)與分析了集正鏟、反鏟和夾持等功能于一身的多功能鏟斗，為多功能鏟斗的設(shè)計(jì)提供了借鑒與參考。

1 多功能鏟斗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工作裝置工作原理

無(wú)論正鏟還是反鏟，鏟斗液壓缸的伸縮動(dòng)作通過連桿機(jī)構(gòu)傳遞給鏟斗，使得鏟斗繞著與斗桿的鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)載料、破碎、調(diào)整切削角以及卸料等動(dòng)作[8]。正鏟與反鏟區(qū)別在于鏟斗斗腔開口的方向不同。圖1為普通反鏟和正鏟工作裝置。

圖1 普通正反鏟工作裝置Fig. 1 Ordinary front and back shovel working device

1.2 多功能鏟斗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多功能鏟斗結(jié)構(gòu)如圖2。多功能鏟斗主要由基斗A和前斗B兩部分組成，基斗上有回轉(zhuǎn)裝置D。鏟斗正、反鏟之間的轉(zhuǎn)換如圖3。通過回轉(zhuǎn)裝置的旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)基斗和前斗繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鏟斗斗腔開口方向的改變，完成正鏟、反鏟之間的轉(zhuǎn)換。回轉(zhuǎn)裝置另一側(cè)分別與斗桿和連桿鉸接。夾持液壓缸一端鉸接在基斗上，另一端與前斗相鉸接。鏟斗夾持功能的實(shí)現(xiàn)如圖4。當(dāng)夾持液壓缸的液壓桿伸縮時(shí)，前斗便繞與基斗相鉸接的C點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)基斗與前斗的張開與閉合，從而實(shí)現(xiàn)正鏟時(shí)的快速卸料、夾持以及吊裝作業(yè)。

圖2 多功能鏟斗結(jié)構(gòu)Fig. 2 Multifunction bucket structure

圖3 正、反鏟之間的轉(zhuǎn)換Fig. 3 Conversion between front and back shovel

圖4 夾持功能的實(shí)現(xiàn)Fig. 4 Implementation of the clamping function

筆者以TX210C型液壓挖掘機(jī)為研究對(duì)象設(shè)計(jì)的多功能鏟斗，斗容為1 m3；在正鏟挖掘時(shí)允許的最大挖掘力為116.1 kN；在反鏟挖掘時(shí)允許的最大挖掘力為113.1 kN；鏟斗允許的最大夾持力為439.5 kN。

1.3 回轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多功能鏟斗回轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)臺(tái)4、回轉(zhuǎn)支承和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等組成，如圖5。內(nèi)座圈內(nèi)齒的反作用力驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)輸出小齒輪14繞自身的軸線自轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)相對(duì)于底架回轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)鏟斗的回轉(zhuǎn)。

圖5 回轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)Fig. 5 Rotary device structure

2 液壓挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)的模型建立

2.1 整機(jī)三維實(shí)體模型

利用Pro/E軟件分別建立斗桿、動(dòng)臂、多功能鏟斗、行走架等零部件的三維模型。最后進(jìn)行組件裝配，建立了整機(jī)三維模型。裝配完成的模型如圖6。

圖6 TX210C整機(jī)的三維模型Fig. 6 3D model of TX210C machine

2.2 虛擬樣機(jī)的建立

將CAD模型轉(zhuǎn)換成Parasolid格式導(dǎo)入ADAMS中，修改顏色和部件名稱，并添加約束，得到虛擬樣機(jī)模型如圖7。

添加的約束主要有以下幾種：動(dòng)臂、動(dòng)臂液壓缸與駕駛室之間的旋轉(zhuǎn)副；斗桿液壓缸、動(dòng)臂、鏟斗液壓缸、搖臂與斗桿之間的旋轉(zhuǎn)副；前斗與基斗(回轉(zhuǎn))之間的旋轉(zhuǎn)副；前斗與基斗(鉸接)之間的旋轉(zhuǎn)副；夾持液壓缸與基斗之間為旋轉(zhuǎn)副；動(dòng)臂液壓缸與動(dòng)臂活塞桿、斗桿液壓缸與斗桿活塞桿、鏟斗液壓缸與鏟斗活塞桿之間的移動(dòng)副；連桿與搖臂的球面副；斗桿與基斗之間的圓柱副。

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

3.1 工作裝置主要結(jié)構(gòu)工作尺寸仿真分析

TX210C液壓挖掘機(jī)工作液壓缸運(yùn)動(dòng)參數(shù)如下：動(dòng)臂液壓缸最大行程Lmax=1 100 mm；斗桿液壓缸最大行程Lmax=1 410 mm；鏟斗液壓缸的最大行程Lmax=860 mm。根據(jù)此運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)3個(gè)液壓缸的移動(dòng)副添加STEP函數(shù)。3個(gè)液壓缸的STEP函數(shù)曲線分別如圖7。

圖7 驅(qū)動(dòng)函數(shù)STEP曲線Fig. 7 Drive function STEP curve

在ADAMS虛擬樣機(jī)中，在齒尖建立一基本測(cè)量點(diǎn)，以回轉(zhuǎn)中心為測(cè)量原點(diǎn)。在ADAMS/Solver仿真模塊中，得出鏟斗齒尖的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖8。

圖8 液壓挖掘機(jī)齒尖的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig. 8 Movement track of the tooth tip of the hydraulic excavator

在ADAMS/Postprocessor 中選擇Plotting，得到齒尖在X、Y方向的位移變化曲線，如圖9。

圖9 鏟斗齒尖在X、Y方向坐標(biāo)變化曲線Fig. 9 Coordinate variation curve of the tooth tip of the bucketin the X, Y direction

從齒尖在X、Y方向變化曲線中可以得到挖掘機(jī)最大挖掘半徑、最大挖掘深度、最大挖掘高度3個(gè)挖掘機(jī)重要工作參數(shù)。將仿真所得的3個(gè)重要工作參數(shù)與TX210C型挖掘機(jī)的理論值進(jìn)行對(duì)比，如表1。

表1 仿真尺寸與理論尺寸比較Table 1 Comparison of simulation size and theoretical size

從表1可以看出，仿真得出的3個(gè)重要工作參數(shù)與實(shí)際值之間差別很小，從而驗(yàn)證了建立的虛擬樣機(jī)的正確性。

3.2 多功能鏟斗運(yùn)動(dòng)仿真分析

根據(jù)鏟斗結(jié)構(gòu)，設(shè)置參數(shù)，進(jìn)行仿真分析，得到正鏟、反鏟、夾持功能示意。反鏟動(dòng)作如圖10，反鏟與正鏟之間轉(zhuǎn)換如圖11，夾持功能仿真結(jié)果如圖12。

圖10 反鏟挖掘動(dòng)作Fig. 10 Backhoe digging action

圖11 正反鏟之間的轉(zhuǎn)換仿真Fig. 11 Conversion simulation between the front and back shovel

圖12 夾持功能仿真Fig. 12 Clamping function simulation

從仿真結(jié)果可以看出：多功能鏟斗結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了反鏟挖掘地面下的物料、回轉(zhuǎn)、卸載的作業(yè)功能，并且多功能鏟斗結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了反鏟與正鏟之間的轉(zhuǎn)換；正鏟與反鏟類似，多功能鏟斗結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)正鏟鏟運(yùn)地面上的物料、回轉(zhuǎn)、卸載的作業(yè)功能；多功能鏟斗的夾持功能亦在卸載時(shí)表現(xiàn)出來(lái)。

4 動(dòng)力學(xué)仿真分析

4.1 復(fù)合挖掘中載荷計(jì)算

選取挖掘機(jī)挖掘到最深位置時(shí)的危險(xiǎn)工況進(jìn)行分析和研究。為簡(jiǎn)化模型便于計(jì)算，忽略土壤阻力和摩擦力。在整個(gè)挖掘循環(huán)過程中，理論外載荷主要包括切向、法向挖掘阻力和提升阻力[9]。

4.1.1 切向和法向挖掘阻力

在鏟斗的斗齒尖上，受到了切向和法向挖掘阻力，二者分別沿挖掘軌跡的切線與法線方向[10]：

W1=K0bh

(1)

W2=ψW1

(2)

式中:K0為挖掘比阻力，N/cm2,取K0=19.5 N/cm2；b為切削寬度，根據(jù)斗齒寬取b=100 cm；h為切削深度，一般取h=0.2b=20 cm；ψ為挖掘阻力系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，W1=39 kN,W2=16.38 kN。

4.1.2 提升阻力

提升阻力一般添加在鏟斗的質(zhì)心處，方向始終垂直向下[11]。物料重力公式為：

G=γV=ρgV

(3)

式中:V為鏟斗的斗容量，m3；ρ為土壤的密度，kg/m3；g為重力加速度,m/s2。

鏟斗的斗容量為1 m3；Ⅲ級(jí)土壤的密度為1.8×103kg/m3；按ADAMS的設(shè)置取g=9.8 m/s2。將此數(shù)據(jù)代入式(3)得物料重力G=17.64 kN。

4.2 動(dòng)力學(xué)仿真分析

為了得到虛擬樣機(jī)的動(dòng)力參數(shù)，筆者采用一次復(fù)合挖掘作為一個(gè)循環(huán)。設(shè)定循環(huán)時(shí)間為44 s，在 ADAMS中運(yùn)行仿真后，獲得外負(fù)載力的變化曲線，如圖13；斗桿與鏟斗鉸接點(diǎn)M、動(dòng)臂與斗桿鉸接點(diǎn)I、搖臂與斗桿鉸接點(diǎn)N以及連桿與鏟斗鉸接點(diǎn)K的受力的變化如圖14；3個(gè)液壓缸受力的變化如圖15。

圖13 外負(fù)載力的變化曲線Fig. 13 Variation curve of external load force

圖14 鉸接點(diǎn)作用力的變化曲線Fig. 14 Variation curve of the hinge point force

圖15 3個(gè)液壓缸力的變化曲線Fig. 15 Variation curve of the force of threehydraulic cylinder

由圖14～16可知，在挖掘機(jī)調(diào)整挖掘角度以及鏟斗下放的階段(0～8 s)，各鉸接點(diǎn)基本不受外力的影響，力的變化幅度比較小；在挖掘階段(8～22 s)，隨著鏟斗轉(zhuǎn)角的增大，斗齒齒尖受到的法向和切向挖掘阻力亦隨之增大，在12.5 s時(shí)達(dá)到最大，而挖掘主要是靠斗桿以及鏟斗液壓缸的復(fù)合作用，因此，相對(duì)于搖臂與斗桿鉸接點(diǎn)N，動(dòng)臂與斗桿鉸接點(diǎn)I、連桿與鏟斗鉸接點(diǎn)K以及斗桿與鏟斗鉸接點(diǎn)M受力比較大；在挖掘結(jié)束后，重物提升的過程中(22～28 s),因?yàn)樘嵘龝r(shí)主要是動(dòng)臂的動(dòng)作，所以較其他鉸接點(diǎn)而言，斗桿與動(dòng)臂鉸接點(diǎn)I波動(dòng)較大，但相對(duì)于挖掘時(shí)要小的多；在回轉(zhuǎn)結(jié)束后卸載階段(36～42 s)，由于為了使卸載徹底，各液壓缸動(dòng)作速度均較快，導(dǎo)致各個(gè)鉸接點(diǎn)受力起伏較大，從圖15中可以看出，鉸接點(diǎn)力存在一個(gè)從增大到減小的過程，整個(gè)過程中力的變化過程與實(shí)際工作過程中力的變化趨勢(shì)相符合。

5 結(jié) 論

1)以TX210C型液壓挖掘機(jī)為研究對(duì)象，提出了一種集正鏟、反鏟和夾持等功能于一身的多功能鏟斗結(jié)構(gòu)和回轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。利用Pro/E和ADAMS軟件建立了多功能鏟斗液壓挖掘機(jī)的虛擬樣機(jī)模型。

2)通過運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析得到了液壓挖掘機(jī)的最大工作范圍半徑、最大挖掘深度、最大挖掘高度以及鏟斗齒尖運(yùn)動(dòng)軌跡。將仿真結(jié)果和理論值進(jìn)行分析對(duì)比，其二者差別很小，從而驗(yàn)證了結(jié)果的正確性與可靠性。結(jié)果表明，工作裝置可以實(shí)現(xiàn)正鏟、反鏟以及夾持物料等之間的轉(zhuǎn)換，完成正鏟挖掘、反鏟挖掘以及夾持物料等動(dòng)作。

3)選取最危險(xiǎn)工況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析和計(jì)算。結(jié)果表明，在一次復(fù)合挖掘循環(huán)過程中，各鉸接點(diǎn)處的受力變化趨勢(shì)大致相同，整個(gè)過程中力的變化過程與實(shí)際工作過程中力的變化趨勢(shì)相符合。