液壓挖掘機動力學仿真與試驗分析

於來玲，殷晨波，陳長林，馬偉

(南京工業大學 機械與動力工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

工程機械在各行各業中的應用越來越廣泛，液壓挖掘機作為其主要設備之一，在實際工程應用時發生的各種問題會導致其工作裝置失效，甚至產生失誤或事故。目前，對于液壓挖掘機疲勞壽命的研究依舊是行業亟待解決的問題。本文通過仿真結合實驗的手段，為挖掘機疲勞壽命的研究提供可靠的依據。以動臂與斗桿的鉸接點為例，通過挖掘機動力學仿真與實際實驗的受力情況分析比較，驗證所建立模型的準確性。首先，運用CREO軟件建立挖掘機工作裝置的三維模型；再將其導入ADAMS軟件中對其進行動力學仿真分析，得到動臂與斗桿鉸接點的受力曲線；最后，以SY235中型液壓挖掘機為實驗平臺，對軟件所建立的模型和仿真結果進行驗證，為后續研究疲勞壽命節約成本、減輕工作量。

1 工作裝置虛擬樣機建立

虛擬樣機主要由三維軟件CREO與仿真軟件ADAMS創建，由于ADAMS軟件創建模型的過程相比三維建模軟件更復雜，故先使用專業建模的CREO軟件對SY235反鏟液壓挖掘機工作裝置的各構件進行精確化建模并裝配得到工作裝置的三維模型，再保存為Parasolid(*.x_t)格式，以便在ADAMS中進行仿真預處理(圖1)。

圖1 液壓挖掘機工作裝置裝配圖

在CREO軟件中，挖掘機的構件是單獨建模，集中組合成工作裝置裝配件。在ADAMS軟件中的主要構件之間需要通過添加相應的運動副來解決構件之間的相對運動關系，預處理步驟如圖2所示。

圖2 仿真預處理流程圖

本文所創建的模型由下車體、上車體、動臂、斗桿、鏟斗、連桿、搖桿、動臂液壓缸、動臂活塞桿、斗桿液壓缸、斗桿活塞桿、鏟斗液壓缸、鏟斗活塞桿等共13個構件組成。由于仿真過程不考慮行走，故將下車體簡化成有質量、無幾何外觀的構件，方便進行分析[1]。各構件之間添加8個旋轉副、3個點線副、3個滑移副、1個圓柱副、1個球鉸副、1個固定副，由公式(1)可計算多剛體自由度(DOF)[2]。

(1)

式中：n為運動構件的數量；m為運動副的xz個數；x為運動副驅動的個數；y為其他約束條件的數量；Pi為第i個運動副驅動所約束的自由度數；Qj為第j個運動副驅動所約束的自由度數；Rk為第k個其他條件所約束的自由度數。

由式(1)可計算SY235工作裝置模型的自由度數為

DOF=6×13-8×5-3×5-3×2-1×4-1×3-1×6=4。

從計算結果分析，可得出模型的自由度為4。如圖3所示，再添加3個液壓缸滑移驅動及上車與回轉平臺的1個旋轉驅動，使整個模型的自由度為0，模型滿足運動學分析條件。通過ADAMS擁有的模型診斷模塊對工作裝置模型所添加的約束證實正確，表明建立的模型是正確的[3]。

圖3 添加運動副示意圖

2 鏟斗挖掘動力學仿真

2.1 液壓挖掘機挖掘阻力理論計算

由實際挖掘情況得知，當挖掘機以鏟斗液壓缸驅動進行土壤挖掘時，挖掘機鏟斗的斗齒通常會以大曲率的切削方式對挖掘對象進行切削作業[4]。此時，大曲率切削試驗曲線如圖4所示。

圖4 大曲率切削試驗曲線

根據圖4可知，當轉動角在20°～80°之間挖掘阻力最大，此轉動角代表著鏟斗挖掘土壤的深度，土壤的切削力隨著挖掘深度的改變而改變分為兩段：前半段約為0°～55°，是鏟斗轉過的角度，是從空載挖掘到最大深度的位置，其切削力從小到大呈上升趨勢；后半段為鏟斗從挖掘最大深度處往平面轉動時的情況，直至鏟斗齒尖不再挖掘僅受斗內土壤的力，其切削力從大到小呈下降趨勢[5]。其切削阻力的切向力可以表示為

(2)

式中：C為土壤硬度的系數，一般對Ⅱ級土壤C取50～80，Ⅲ級土壤C取90～150，Ⅳ級土壤C取160～320；θmax為挖掘土壤過程中鏟斗轉動總角度的1/2，(°)，如圖5所示；R為鏟斗的切削半徑，即鏟斗斗齒尖到鏟斗與斗桿鉸接點的距離，cm；θ為鏟斗的瞬時轉角，(°)，如圖5所示；A為切削角變化影響系數，一般取1.3；B為切削刃寬度影響系數，且B=1+2.6b；b為鏟斗寬度的平均值；Z為斗齒系數，通常有齒時Z=0.75，無齒時Z=1；X為斗側壁厚度影響系數；D為土壤受切削刃擠壓的力，通常當斗容q≤0.25時，D取5 000～10 000 N，q≥0.25時，D取10 000～17 000 N。

其挖掘土壤時裝土的切向阻力可表示為

(3)

式中：q為鏟斗的容量，m3；η為密實狀態下土壤的容重，N/m3；μ為土壤與鏟斗的摩擦系數；β為挖掘起點和終點之間連線與水平線的夾角，如圖5所示。

圖5 挖掘阻力分析

W1max=C[R(1-cosθmax)]1.35·B·A·Z·X+D

(4)

挖掘機鏟斗所受到的法向挖掘阻力W2相對于切向挖掘阻力W1較小。通常，可將法向挖掘阻力表示為

W2=0.02W1

(5)

2.2 鏟斗挖掘的動力學仿真分析

表1 SY235液壓挖掘機挖掘阻力參數選值

將表中數值代入公式(4)和公式(5)中，計算可得W1max=211 757 N，W2=4 235 N。

結合實際工況，調整液壓缸的位置使挖掘機完成挖土裝車的過程，即鏟斗空載—接觸土壤—挖掘土壤—提起鏟斗—釋放土壤。在ADAMS仿真時，對各液壓缸及鏟斗齒間的力采用階躍函數(STEP函數)來實現，各液壓缸有移動副添加滑移驅動，回轉平臺上有旋轉副添加旋轉驅動，在鏟斗的斗齒尖添加阻力，即將上面計算所得的切向力與法向力運用驅動函數將其在仿真過程中表現出來，運動方式定義為力，單位牛頓(N)，其仿真驅動函數設定如表2所示。

表2 動力學仿真驅動函數

整個鏟斗挖掘仿真過程安排為：在0～5 s內動臂和斗桿液壓缸調至合適的位置，且動臂與斗桿基本處于垂直并適合鏟斗挖掘的位置，5.5～10 s內上車平臺逆時針回轉90°，在0～5 s鏟斗進行位姿調整，10～16 s施加阻力鏟斗進行挖掘。經過鏟斗挖掘動力學仿真之后，動臂與斗桿的鉸接點的受力曲線如圖4所示。

圖6 動臂與斗桿的鉸接點受力曲線

根據動臂與斗桿鉸接點的受力曲線可知，工作裝置在此鉸接點的受力在10～16 s內先逐漸增大，期間有小幅減小即為物料逐漸被挖掘脫離地面，在16～16.5 s內鏟斗脫離地面，之后法向力和切向力迅速減小到0。挖掘機此鉸接點的受力過程與實際挖掘過程的理論分析相吻合。

3 應力測試

本文在使用ADAMS軟件對SY235工作裝置進行動力學仿真時，將模型根據實際結構的工作狀況進行了一些簡化處理，且挖掘過程中載荷也有不確定性，仿真模型不能完整地反映具體挖掘過程的真實受載情況，所以本文通過應力采集器在實際挖掘情況下對挖掘機進行應力測試。

3.1 實驗條件介紹

在現有的實驗平臺上，主要以挖掘機的動臂為試驗對象，選擇普通土壤地點為試驗地點，使挖掘機各液壓缸運動到合適的位置再驅動鏟斗液壓缸進行多次挖土轉移，試驗所需的各個條件如表3所示。

表3 應力測試試驗條件

選定試驗測試點要避免焊縫和動臂截面中有加強板的部位[7]，通過研究挖掘機的二維圖樣對其動臂結構進行具體分析，得到在距動臂與斗桿鉸接點1.2 m和2 m處的截面沒有加強板作用，且截面較為平整，有利于粘貼應變片以及試驗進行時的穩定性。圖7為測試點的選擇貼片示意圖，圖8 為試驗現場貼片圖。應變片粘貼使用90°型應變花來測試測試點的應力、應變，其公式如下。

圖7 應力測試貼片方案示意圖

圖8 應力測試應變片粘貼實驗圖

應變：

ε1=ε0，ε2=ε90

(6)

應力：

(7)

式中：E為彈性模量；μ為泊松比；ε0為0°方向上的應變；ε90為90°方向上的應變。

3.2 實驗與結果分析

1)挖掘測試

在進行應力、應變測試時，將應變片粘貼于需要測試部件的表面，并通過數據傳輸線連接至測量電路。當被測試部件在運動因受力而發生形變時，應變片的敏感柵也會發生一定的形變，且電阻值大小也會發生相應的變化。電阻值的變化量與部件的表面成一定的比例關系，再通過測量電路轉換成測試系統可識別的電信號進行輸出，經數據記錄儀或輸入到計算機的數據分析軟件中，對采集的數據進行處理。

在挖掘測試時，為了采取到合適的數據，使用應變儀需要選擇合適的采樣頻率。通過調試比較選擇了200 Hz的頻率，選擇4個通道進行采樣，采樣通道選擇應力測試(MPa)，橋接方式為半橋。采用與仿真一致的挖掘動作進行多次挖掘，觀察并記錄數據，4個應變片兩兩分布，應力測試點1、測試點3與測試點2、測試點4所對應的測試原理相同，本文以1、3兩個測試點為例。由于貼片原因測試點1與測試點3的應力方向相反，如圖9-圖10所示實驗得出的應力曲線變化趨勢相反。

圖9 測試點1的應力曲線

圖10 測試點3的應力曲線

2)測試結果分析與比較

根據對挖掘機動臂測試采集的應力數據進行數據處理，由于挖掘機工作裝置動臂截面應力與鉸接點的載荷有著緊密的關系，可通過實測得到的測試點處的應力來反推求得鉸接點處載荷[8]，將其繪制成鉸接點的受力變化曲線，并與前面挖掘機工作裝置多體動力學中的鏟斗液壓缸單獨驅使挖掘的動力學仿真下動臂與斗桿鉸接點的受力變化曲線進行比較，如圖11所示。

圖11 ADAMS仿真與測試對比圖

從仿真和測試的數據對比圖中可以看出，在挖掘機進行鏟斗挖掘時，ADAMS仿真曲線的變化趨勢與實際測取應力反求出動臂與斗桿的鉸點曲線變化趨勢基本相同。對比過程中也出現一定的誤差，但誤差相對較小。產生誤差的主要原因如下：1)在實際測試中，挖掘機的工作裝置肯定會受到側向力和偏載，而在仿真分析中，由于缺乏相應的數據，忽略了側向力和偏載的影響；2)在仿真的過程中，仿真模型的運動驅動函數與實際挖掘的動作會有一定差別；3)由于貼片位置的精確性，應變片的敏感性以及數據采集器采集的準確度也會對結果產生一定的影響。

盡管仿真曲線在數據大小上存在一定的誤差，但是其主要的變化規律完全吻合，因此可以為后期的疲勞壽命分析提供數據依據。

4 結語

1)在利用SY235液壓挖掘機工作裝置二維圖樣的基礎上，使用CREO對其進行精準化三維建模，將其導入ADAMS中建立虛擬樣機并檢驗仿真模型的準確性。

2)對工作裝置進行鏟斗挖掘的動力學仿真，得到在特定工況下動臂與斗桿鉸接點處的受力情況。

3)使用相同工況對挖掘機進行實驗，利用動態應變儀對動臂和斗桿鉸接點的應力進行測試，分析比較可得仿真結果的誤差較小，基本吻合，可為挖掘機的疲勞分析研究提供一定依據。