8t液压挖掘机工作装置的运动仿真

王健 王虎奇

摘  要：使用Creo2.0软件对挖掘机工作装置进行三维建模，基于动力学分析软件ADAMS2016建立虚拟样机，并进行运动仿真，设计相关的step函数，实现挖掘机工作装置某些特殊工况，进一步得出整个工作装置的轨迹包络图，从而获得一些重要工作参数如最大挖掘半径、最大挖掘深度、最大卸载高度等.同时建立工作装置的数学模型，并通过MATLAB软件进行编程计算，来探索挖掘机的工作性能及运动规律.仿真所得的数据可以为后期优化改进提供理论依据和设计参考.

关键词：Creo2.0;ADAMS2016;工作装置;数学模型;运动仿真

中图分类号：TU621，TH137     DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.01.014

0    引言

隨着计算机辅助设计技术的发展，虚拟样机技术已广泛应用于各个领域[1].挖掘机作为一种工程中被广泛使用的机械，使用虚拟样机进行仿真，可以缩短新产品研制和开发，提高产品的设计质量，降低产品的研发成本，进行创新性设计[2].而工作装置作为挖掘机重要组成部分，其性能优劣不仅直接影响挖掘机的生产效率，还决定整机的可靠性[3].实物样机高昂的成本使得液压挖掘机的研发极具风险，困难重重， 因此，工程师可在计算机上建立挖掘机的三维实体模型，并对模型进行分析.可通过修改不同参数直观快速地观察、研究车辆的运动和工作状态、动态显示仿真数据结果，从而达到降低产品成本、缩短开发周期、提高产品质量和生产效率[4].

为了获得挖掘机工作装置的一些重要参数，做进一步的优化设计，笔者使用软件建立虚拟样机并进行运动仿真，以其建立数学模型对运动规律进行探索.

1    挖掘机的工作装置的运动分析

挖掘机工作装置采用连杆机构原理[5]，是以3组液压缸为原动件的三自由度连杆机构，通过调整各组液压缸伸缩长度的变化，进而使得铲斗完成不同工况下的工作任务.基于挖掘机工作装置运动原理，以各个液压杆的变化量为自变量，以相邻两杆组间关节回转量[6]为因变量，再通过关节回转量与位置坐标间的数学关系，来建立挖掘机工作装置的数学模型，其示意图如图1所示.

挖掘机工作装置各铰点的位置可以由图1的A、B、C、D四点的位置坐标所表示，分别为：

铲斗、斗杆液压杆与斗杆之间是由一个四杆机构相连接的，其连接部分示意图如图2所示.通过液压杆L15的伸缩变化，在连杆与摇杆销接的铰点施加力矩，引发四杆机构的变形，从而使得铲斗产生绕铰点C旋转运动.由于四杆机构的位置变化复杂，需要更为复杂的函数关系，则式（2）中θ3与L15[7]的关系可以由式（3）表示：

使用MATLAB软件进行编程以及数学模型的数据计算，通过改变液压杆的伸缩量，可以得出关键点的位置坐标，以此来检验数学模型的正确性.

2    工作装置动力学模型的建立及其仿真

2.1   工作装置的简化约束模型

导入到ADAMS中的模型很好地保留了原来所建模型的各种属性，但是原有模型各个部件间的装配关系已不复存在，各零件只是按原来的位置关系独立地存在于ADAMS环境中[8].为了实现进一步的操作，必须将各个部件通过约束副重新组装起来.

挖掘机工作装置的重要组成部分如图3所示，其运动方式主要由液压缸与液压杆的平移运动以及各个杆件间的旋转运动组成，为了模拟挖掘机的工作方式，需要在各个部件间设置相对应的约束副，所定义的约束副如表1所示.

2.2   模型的仿真

为了让模型完成既定的动作，需要在定义的运动中输入对应的函数.ADAMDS软件通常采用的函数是step函数，它的表述形式是：step（t，t0，x（t0），t1，   x（t1）），其中t表示函数自变量，t0表示自变量的初始值，x（t0）表示自变量函数的初始值，t1表示自变量的结束值，x（t1）表示自变量函数的结束值[9].此次仿真选取自变量为时间，自变量函数为液压杆的伸缩长度.

2.2.1  各运动的step函数

此仿真过程模拟了挖掘机由挖掘到提臂回转到卸料再到空斗返回的全过程，所定义的具体工况与step函数如下所示：

1）预调整：斗杆与铲斗液压缸处于全缩状态，动臂液压缸处于全伸状态.

2）挖掘工况此工况：①动臂挖掘工况：动臂开始收缩至最大行程，可以得到最大挖掘半径.②斗杆挖掘工况：收缩部分铲斗液压杆，使其铲齿与斗杆共面，从而可以得到最大挖掘深度[10].

3）提臂回转工况：全缩铲斗液压杆进行装载，然后全缩斗杆以及动臂液压杆.

4）卸料工况：铲斗达到最大卸料高度时，全缩铲斗液压杆，完成卸料.

5）空斗返回工况：收缩各液压缸，使工作装置到达初始位置.

模型仿真过程中所定义的具体step函数及齿尖在仿真过程中所作的x与z 方向的位移如表2、图4所示.

2.2.2  工作装置的仿真运动轨迹及后处理结果

1）工作装置斗杆挖掘过程的运动仿真

在此仿真过程中，不仅可以模拟出挖掘机的一些重要性能参数，更重要的是能找出铲尖仿真至任意位置时液压杆对应的伸缩量.通过调整上面step函数，使铲尖到达斗杆全缩，铰点B、C、D位于同一直线的位置，之后再改变动臂液压杆伸缩量，使其到达z方向位移为0的位置.最后调整斗杆的step函数来模拟斗杆挖掘工况，通过在铲尖设计方向与大小随着铲斗位置变化的切向力与法向力的step函数，来模拟挖掘机斗杆挖掘的挖掘阻力，同时在铲斗重心处设计一个始终竖直向下的力的step函数，来模拟物料的重力变化.其中所设计的斗杆挖掘step函数及关键铰点的外载荷变化如图5所示.

如图5所示，在19.5～22.0 s内，斗杆挖掘的挖掘阻力和物料重力随着铲斗关节回转角度的增加而逐渐增加，此时各个关键铰点所受到的外力载荷也在不断增加，其中动臂平台铰接点的受力变化最为显著;在22.0～25.0 s内，铲斗挖掘物料结束开始提臂，挖掘阻力开始不断减小，物料重力保持不变，各个关键铰点的外力载荷开始不断减小.

2）工作装置运动全过程运动仿真

通过软件的后处理模块所得到的x、z方向的位移图，可得到的如图6所示的一些常用数据，其具体数据如表5所示.

3）仿真结果、模型计算结果与实际设计值的数据对比

数据对比如表6所示，由表6可以统计出：实际设计值、数学模型计算值与仿真值对比所产生误差在0.91%之内，符合重型机械设计标准，因此仿真所得的数据可以作为设计的参考.

3    结论

基于D-H矩阵原理构建工作装置数学模型，利用MATLAB软件编程计算，再使用ADAMS软件进行仿真，最后所得的结果与实际设计值相比较.结果表明：ADAMS运动仿真与实际设计的参数间没有太大误差，与数学模型计算值间的对比也检验了所建立数学模型的正确性.同时还仿真了斗杆挖掘工况，得出了斗杆挖掘每个瞬时各个关键铰点外载荷以及作用力最为明显的位置.上述的过程不仅可以检验仿真结果的准确性，而且可以深化对工作装置运动学原理的理解，所建立的正确数学模型还可以为挖掘机的改良开发提供了研究依据，为进一步的优化改进提供了理论基础.

参考文献

[1]    石明全，薛运锋，陈维义，等.某发动机的参数化动态仿真分析[J].鄭州大学学报（工学版），2005，26（3）：79-82.

[2]    魏海燕.虚拟制造技术的相关概念及其应用[J].机械工程师，1999（9）：1-2.

[3]    谢贤彬. 挖掘机工作装置CAD系统的研究与开发[D].沈阳：东北大学，2007.

[4]    廖抒华，杨帆，唐兴，等.基于ADAMS的微车万向传动装置的振动优化[J].广西科技大学学报，2014，25（2）：50-53.

[5]    张芒国.机液一体化虚拟样机技术研究[D].济南：山东大学，2005.

[6]    臧庆凯.六自由度机械手运动学与运动规划研究[D].柳州：广西工学院，2012.

[7]    陈钰尘.小型液压挖掘机工作装置的参数化设计及仿真分析[D].成都：西南交通大学，2010.

[8]    秦成，史淑玲.挖掘机摇臂机构的虚拟样机研究[J].机械工程师，2008（3）：133-134.

[9]    李光，仝雷强，张永明，等.基于Pro/E及ADAMS的液压挖掘机整机机构的建模与运动仿真[J].机械管理开发，2010，25（6）：46-47.

[10]  孙克义.液压挖掘机工作装置的动力学分析与仿真[D].兰州：兰州理工大学，2014.