液压挖掘机工作装置虚拟样机仿真研究

摘要：随着我国建设项目以及工程技术的快速发展，液压挖掘设备已经被广泛应用在各类型的民用建设以及国家水利电力工程的施工项目中，借以提升工程建设的质量与效率。经研究分析，虚拟样机仿真及设计项目的运作，可以提早发现液压挖掘机在实际工作中所可能遇到的问题，进而采取有效措施将其避免，这样便可以在一定程度上降低机械设备的研发成本。本文就液压挖掘机工作装置虚拟样机仿真的相关内容进行深入研究，以期能为实践项目的运作带来启示。

关键词：液压挖掘机；工作装置；虚拟样机；仿真研究

前言：液压挖掘机工作装置虚拟样机仿真模型的构建需要借助虚拟样机技术等内容来为其做支撑，通过计算以及数据分析得到关键的铰点处的受力曲线，进而为进一步优化设计液压挖掘机工作装置的性能带来帮助。

一、液压挖掘机工作装置虚拟样机仿真模型设计

（一）液压挖掘机工作装置虚拟样机仿真模型设计的背景分析

对于液压挖掘机工作装置的实践性能而言，良好的动力性是维系整个驱动系统高效运作的重要前提。实质上，“斗杆”、“铲斗”等液压挖掘机工作装置本身的性能就是机械设备的源动力。因此，需要借助有效的技术手段以及仿真模拟操作来探知液压挖掘机斗杆的最大挖掘力，以此来改进液压挖掘机工作装置的设计框架，进而提升液压挖掘设备的总体性能，增强液压挖掘设备支撑之下的产业经济效益。

（二）液压挖掘机工作装置虚拟样机3D模型的构建

在实际工作中，小型液压挖掘机设备的使用频率较高，因此，在研究的过程中，运用虚拟样机技术相关的软件（通常采用的是Pro/E软件）来构建小型的液压挖掘机工作装置虚拟样机“3D模型[1]”（如图1所示）。在建立模型的过程中，借助软件的功能，突出液压挖掘机的各部分组件，使其在模拟操作时，便于技术人员采集数据与记录状态。在构建完毕后，针对液压挖掘设备的斗杆油缸最大挖掘力进行数据测算。

图1 液压挖掘机工作装置虚拟样机3D模型示意图

二、探究液压挖掘机工作装置虚拟样机仿真的基本原理及相关技术内容

（一）进行液压挖掘机工作装置虚拟样机仿真实验的基础原理

针对液压挖掘机工作装置虚拟样机仿真实验操作的本质是对该装置进行动力学仿真研究，并通过分析相关数据，得到对液压挖掘机工作装置结构设计的优化方案。

1.液压挖掘機工作装置斗杆挖掘力的测算是仿真实验操作的关键

在技术软件的操作下，确定了液压挖掘机工作装置的驱动函数，进而将液压挖掘机工作装置实体模型中的各个液压缸的动力轨迹进行函数测算，并记录具体的函数值。通过配置液压挖掘机工作装置模型的功过循环所需的时间，指引仿真工作装置进行模拟“挖掘”、“卸料”等操作，从几项关键的指标数值中可以发现，在不同作用力的影响下，挖掘机工作装置的动能水平有所差异。为了进一步研究液压挖掘机仿真装置的挖掘力，则需要考虑该装置所受到的复合作用力。实际上，挖掘力是装置斗齿尖的两个单向集中力的合力，因此，在实际测算的过程中，要注意这两个作用力的计算结果。液压挖掘机工作装置斗杆最大挖掘力结果的得出，需要进行反复操作而来。

2.执行液压挖掘机工作装置虚拟样机仿真的原理分析

就理论而言，动力学仿真有两种方式，即“正”、“逆”两种，前者是针对已知的动力学系统进行载荷分析，借助软件来分析动力变量，后者则主要研究系统的运动轨迹等内容[2]。从具体情况来看，为了探索液压挖掘机工作装置的自适应性，则借助了工程机械的基础控制原理以及技术，针对波动载荷下工程机械液压底盘的性能进行的一系列的实验，并且，针对液压挖掘机工作装置的对称性载荷进行的测算，这一过程是通过计算物料重力来实现的。

（二）液压挖掘机工作装置虚拟样机仿真的最终成果分析

样机的动力学仿真模型的构建是探知设备各铰接点受力情况最直接的方式，因其成本较低，且数据分析较为详细。经液压挖掘机工作装置虚拟样机仿真模拟的实验过程可知，动臂和斗杆铰接点的受力程度最高，相比之下，液压挖掘机工作装置中其它的铰接点的承载能力较弱。在液压挖掘机工作装置进行模拟挖掘的过程中，尤其是在仿真设备进行“举臂”或“回转”时，所受到的重力影响较小，整个液压挖掘机工作装置的运行状况十分平稳，因此，从这一过程可以了解到，在实际运行液压挖掘机工作装置时，进行该环节操作的安全性与稳定性都较为良好。

从以往的工作经验来看，液压挖掘机工作装置本身的负载能量的变化极可能会影响到内部的液压驱动系统的有序运行，进而干扰到工程机械实物的整体动力特性[3]。在这一目标的驱使下，凭借大量的实验数据，分析出有利于设备运转的最佳状态。在液压挖掘机工作装置虚拟样机仿真操作的过程中，通过仿真液压挖掘机工作装置的逆方式操作，以及计算机械设备中的各个缸的位移STEP函数值等数据，能够分析并判断出液压挖掘机工作装置在实际运行过程中各铰接点的受力状况[4]。总而言之，通过对液压挖掘机工作装置进行仿真实验操作所得出的相关试验结果，关系到机械设备本身的自适应性的调整，而且，更关系到借助该机械设备所能达到的实际效果，针对这些内容的探究与记录对于执行具体工作及管理有着至关重要的意义。

结束语：

通过对虚拟样机技术的研究，构建出一套液压挖掘机工作装置的仿真操作模型，在进行实验的过程中，斗杆挖掘力的测算是仿真实验操作的关键，同时，在相关技术软件的测算分析之下，进一步了解到液压挖掘机工作装置的操作数据。借助虚拟样机仿真研究的结论内容，来调整并利用好液压挖掘机工作装置的性能，使其在实践过程中发挥出最大效用。

参考文献：

[1]秦贞沛，朱俊平，郑东京，等.挖掘机工作装置的虚拟样机建立及运动学仿真—以农用液压挖掘机为例[J].农机化研究，2011，04（04）：46-48.

[2]张桂菊，肖才远，袁文华，等.基于虚拟样机技术挖掘机工作装置动力学分析及仿真[J].中南大学学报（自然科学版），2014，06（06）：1828-1833.

[3]訾建平，陈海虹，王新，等.虚拟样机技术在挖掘机工作装置运动分析中的应用[J].矿山机械，2012，12（12）：29-30.

[4]邸丽伟，孔德文，白雪.基于虚拟样机技术的机械式矿用挖掘机工作装置参数优化设计[J].建筑机械，2013，01（01）：79-82+86.

作者简介： 李琚陈（1986.7-）男，合肥人，本科学历，学士学位，职称：助教，研究方向：虚拟样机及动力学仿真