基于虛擬樣機的液壓挖掘機工作裝置最大挖掘力分析*

張永明，佘翊妮，寧曉斌

(1.太原重型機械集團技術(shù)中心，山西太原030024;2.浙江工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，浙江杭州310014)

0 引 言

在液壓挖掘機設(shè)計過程中，挖掘機工作范圍和最大挖掘力是反映挖掘機作業(yè)性能的主要參數(shù)，是設(shè)計師關(guān)注的最重要的性能參數(shù)［1］。液壓挖掘機最大挖掘力與液壓系統(tǒng)壓力、工作裝置結(jié)構(gòu)、整機附著條件等因素相關(guān)，對它的分析和計算十分復(fù)雜［2］。傳統(tǒng)的分析方法，是根據(jù)經(jīng)驗選擇工作裝置的工況和姿態(tài)，用解析法進行普查計算［3］。傳統(tǒng)方法進行了工作裝置有限位置和姿態(tài)的計算，不能準確確定最大挖掘力工況和姿態(tài)，難以全面了解挖掘機的受力狀況。

本研究針對大型正鏟液壓挖掘機的研發(fā)，利用多體動力學(xué)仿真方法，建立液壓挖掘機工作裝置機械-液壓聯(lián)合仿真的虛擬樣機模型，仿真分析鏟斗處的最大挖掘力，為研究分析挖掘機的工作性能、工作裝置關(guān)鍵鉸接點的受力情況和結(jié)構(gòu)強度提供依據(jù);通過試驗設(shè)計分析研究正鏟工作裝置關(guān)鍵鉸接點空間位置的改變對整機最大挖掘力的影響，為工作裝置的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

1 挖掘機工作裝置虛擬樣機模型

液壓挖掘機工作裝置主要由動臂、斗桿、鏟斗，以及控制動臂、斗桿、鏟斗動作的油缸組成。本研究在某正鏟液壓挖掘機設(shè)計過程中，建立了工作裝置機械-液壓耦合仿真模型，包括工作裝置機構(gòu)的機械模型、驅(qū)動工作裝置運動的液壓系統(tǒng)模型、機械模型和液壓模型之間的作用力相互引用。

本研究采用三維繪圖UG軟件建立該型號正鏟工作裝置的三維實體模型，然后導(dǎo)入ADAMS中，模型如圖1所示。在ADAMS中，對挖掘機工作裝置的各個零部件定義約束關(guān)系，如動臂、斗桿、鏟斗之間接點處的約束設(shè)為轉(zhuǎn)動副［4-5］。動臂液壓缸變化行程為5 m～8.2 m，斗桿液壓缸變化行程為4 m～6.3 m，鏟斗液壓缸變化行程為5 m～6.8 m，液壓挖掘機工作裝置的9個關(guān)鍵鉸接點空間位置坐標如表1所示。

圖1 工作裝置的ADAMS運動學(xué)模型

表1 工作裝置9個關(guān)鍵鉸接點空間位置坐標

本研究采用ADAMS/Hydraulics模塊建立的挖掘機工作裝置液壓系統(tǒng)模型如圖2所示，將動臂、鏟斗和斗桿油缸的驅(qū)動方式設(shè)為液壓驅(qū)動來實現(xiàn)正鏟工作裝置機械系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的相互關(guān)聯(lián)。

圖2 正鏟工作裝置液壓系統(tǒng)模型

挖掘機工作裝置液壓系統(tǒng)最大工作壓力為32 MPa，液壓缸閉鎖壓力為40 MPa。液壓系統(tǒng)采用控制各個方向控制閥開閉時間的方法，實現(xiàn)對各液壓缸的壓力控制［6］。

2 整機理論挖掘力的仿真分析

在挖掘機進行挖掘作業(yè)時，鏟斗對物料的作用力稱為挖掘力，物料對鏟斗的反作用力稱為挖掘阻力。挖掘機在礦山工作時，在主要挖掘區(qū)域內(nèi)，挖掘力分布是否合理，是否能夠以較大的挖掘力進行挖掘，是挖掘機工作裝置設(shè)計需要重點考慮的問題。

最大斗桿挖掘力(crowd force)與最大鏟斗挖掘力(break force)是挖掘機產(chǎn)品目錄上明確列出的挖掘機主要性能。斗桿挖掘力，是指以斗桿油缸挖掘為主，即斗桿油缸作為工作油缸，鏟斗油缸和動臂油缸作為閉鎖。鏟斗挖掘力是以鏟斗油缸作為工作油缸，其他油缸作為閉鎖油缸所決定的挖掘力。由于鏟斗挖掘方式主要是為了撬動物料、調(diào)整切削角及裝載和卸料，不是挖掘機的主要挖掘方式，且仿真分析方法與斗桿挖掘力的仿真方法基本一致，受限于篇幅，本研究重點研究斗桿挖掘力，仿真分析挖掘機整個工作范圍內(nèi)，在鏟斗斗齒一系列位置點上所能產(chǎn)生的斗桿最大挖掘力。

斗桿油缸工作，其他2個油缸閉鎖。在挖掘軌跡某個位置，受到挖掘阻力的限制，挖掘阻力大到一定數(shù)值時，鏟斗或動臂油缸壓力達到閉鎖壓力，或斗桿油缸達到最大工作壓力，這時可以得出工作裝置在這個位置的斗桿油缸挖掘的最大挖掘力［7］。本研究對液壓挖掘機工作裝置的工作范圍內(nèi)各個位置進行斗桿油缸最大挖掘力普查，最后將這些斗桿油缸最大挖掘力所對應(yīng)的鏟斗斗尖位置在挖掘范圍圖中標出，斗桿挖掘工況挖掘圖如圖3所示。同時在圖3中給出最大、最小挖掘力位置點的工作裝置姿態(tài)以及影響該點最大挖掘力發(fā)揮的因素。

圖3 斗桿挖掘工況挖掘圖

影響斗桿最大挖掘力發(fā)揮的因素用以下序號表示。序號1:斗桿油缸的工作能力;序號2:鏟斗油缸的閉鎖能力;序號3:動臂油缸的閉鎖能力。對應(yīng)每組動臂油缸伸長量λ2變化，斗桿伸長量λ3、鏟斗伸長量λ4、斗桿轉(zhuǎn)角θ3、鏟斗轉(zhuǎn)角θ4和斗桿最大最小挖掘力的極值可參如表1所示。

表2 斗桿挖掘工況每組動臂油缸伸長量與相關(guān)參數(shù)

從圖3、表2可知，該正鏟工作裝置的最大斗桿挖掘力為2 540 kN，主要受限于斗桿油缸32 MPa的最大工作壓力，此時工作裝置的動臂、鏟斗和斗桿油缸行程分別為5.95 m、5.61 m和4.54 m，圖3中挖掘機工作裝置實線輪廓所示位姿。

該產(chǎn)品針對的是11 m～12 m高度的礦山作業(yè)面。根據(jù)以上分析計算可以看出，該挖掘機在挖掘地面以上物料時，鏟斗轉(zhuǎn)角變化不大，基本在100°～130°之間變化，在挖掘機的常用挖掘作業(yè)區(qū)域，斗桿油缸挖掘力大于2 000 kN，該款挖掘機最大斗桿油缸挖掘力的分布區(qū)間比較合理。同時在斗桿挖掘力的仿真研究中也發(fā)現(xiàn)，斗桿油缸最大挖掘力總是在初始開挖階段較大，隨著鏟斗插入、切削物料，斗桿油缸最大挖掘力會受限于斗桿液壓缸最大工作壓力或鏟斗油缸的閉鎖壓力，而后隨著鏟斗挖掘過程結(jié)束，挖掘力逐漸變小，此時斗桿最大挖掘力受限于動臂油缸的閉鎖壓力。

該液壓挖掘機工作裝置斗桿最小挖掘力為600 kN，其動臂、鏟斗和斗桿油缸行程分別5 m、5.02 m和6.2 m。在動臂油缸行程為5.0 m時，斗桿油缸從最短行程伸至最長行程的挖掘軌跡均在地平線以下。進行地下挖掘時，斗桿挖掘力較小，平均位于1 000 kN左右，最大值為2 117 kN。液壓正鏟挖掘機在礦山作業(yè)時，基本不進行地平線以下挖掘。

對比同類型產(chǎn)品EX8000挖掘機，其斗桿最大挖掘力為2 800 kN。而該型號的正鏟液壓挖掘機斗桿最大挖掘力2 540 kN，說明該工作裝置的斗桿最大挖掘力需要進一步提高。挖掘機工作裝置鉸接點空間位置是影響斗桿挖掘力最主要的因素，因此，以下將分析研究工作裝置關(guān)鍵鉸接點位置對斗桿挖掘力的影響，優(yōu)化空間鉸接點位置，提高正鏟工作裝置的斗桿最大挖掘力。

3 挖掘力的試驗設(shè)計

3.1 參數(shù)化模型

本研究進行工作裝置的參數(shù)化建模，將參數(shù)值設(shè)置為變量。在分析過程中，改變樣機模型中有關(guān)數(shù)值，可以形成多個工作裝置樣機模型。為此，筆者采用參數(shù)化點坐標的方式，將正鏟挖掘機工作裝置9個關(guān)鍵鉸接點的X、Y坐標定義成18個設(shè)計變量，正鏟工作裝置的參數(shù)化模型如圖4所示。

圖4 正鏟工作裝置的參數(shù)化模型

3.2 設(shè)計研究

筆者逐一分析上述設(shè)計變量對正鏟工作裝置斗桿最大挖掘力的影響，通過上述研究找出對斗桿最大挖掘力敏感的設(shè)計變量。斗桿最大挖掘力對設(shè)計變量的敏感度如表3所示。本研究剔除對結(jié)果影響不顯著的變量DV1、DV2、DV4、DV5、DV7、DV8，使得試驗設(shè)計分析僅針對結(jié)果影響顯著的變量進行，從而降低試驗設(shè)計分析的復(fù)雜度和工作量。

表3 變量初始值的敏感度

工作裝置的關(guān)鍵鉸接點空間位置變化太大，會造成某些工作裝置機構(gòu)設(shè)計方案在運動過程中出現(xiàn)運動死點，本研究通過多次仿真分析，將設(shè)計變量的取值范圍定義在原設(shè)計值±0.1 mm范圍內(nèi)變動，如表4所示。

表4 設(shè)計變量取值范圍(單位:mm)

3.3 試驗設(shè)計分析

本研究針對設(shè)計研究中確定的12個設(shè)計變量，研究其變化時對斗桿最大挖掘力的影響。為減少試驗次數(shù)，同時盡可能涵蓋整個取值區(qū)間，本研究采用蒙特卡羅方法來進行試驗規(guī)劃［8-9］。考慮到工作裝置鉸接點的設(shè)計方案應(yīng)盡可能在原有設(shè)計方案上進行調(diào)整，本研究選用正態(tài)分布的方法進行數(shù)據(jù)抽樣，得出了108組工作裝置關(guān)鍵鉸接點的設(shè)計布置方案，并逐一仿真計算這些鉸接點設(shè)計方案在對應(yīng)動臂、鏟斗和斗桿油缸行程分別為5.95 m、5.61 m和4.54 m的位姿下(該位姿時斗桿挖掘力最大)的斗桿挖掘力，計算數(shù)值按降序排列，最后一組為原設(shè)計方案，多組方案最大挖掘力對比情況如表5所示。

表5 多組方案最大挖掘力對比

研究結(jié)果表明，108組鉸接點設(shè)計方案中，有20多組數(shù)據(jù)的斗桿最大挖掘力超過了原設(shè)計方案，有幾組數(shù)據(jù)的最大挖掘力接近EX8000挖掘機的2 800 kN。由此說明，不考慮挖掘機傾覆等因素，僅通過對正鏟工作裝置關(guān)鍵鉸接點空間位置的優(yōu)化，可提高正鏟挖掘機的斗桿最大挖掘力，改善挖掘機的挖掘性能。

4 結(jié)束語

通過對正鏟液壓挖掘機工作裝置斗桿挖掘力的仿真研究及斗桿最大挖掘力的參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計，本研究得出對新產(chǎn)品開發(fā)具有價值的結(jié)論如下:

(1)利用工作裝置機械-液壓聯(lián)合仿真模型，可普查分析挖掘機工作裝置的最大挖掘力，為工作裝置機構(gòu)設(shè)計提供設(shè)計依據(jù)，判定挖掘機的常用挖掘區(qū)域挖掘力分布是否合理。

(2)通過最大挖掘力普查，可確定工作裝置最大挖掘力的位置和姿態(tài)。并可在此基礎(chǔ)上，對工作裝置機構(gòu)參數(shù)，進行最大挖掘力敏感性分析。本研究通過工作裝置機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，重新設(shè)計工作裝置，提高工作裝置的最大挖掘力。

斗桿最大挖掘力對挖掘機造成的力矩如果大于整機傾覆力矩，則增加挖掘機配重。本研究采用的大型液壓挖掘機數(shù)字化設(shè)計方法對挖掘機設(shè)計具有工程應(yīng)用價值。

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