8t液壓挖掘機(jī)工作裝置的運(yùn)動(dòng)仿真

王健 王虎奇

摘? 要：使用Creo2.0軟件對(duì)挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行三維建模，基于動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS2016建立虛擬樣機(jī)，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，設(shè)計(jì)相關(guān)的step函數(shù)，實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)工作裝置某些特殊工況，進(jìn)一步得出整個(gè)工作裝置的軌跡包絡(luò)圖，從而獲得一些重要工作參數(shù)如最大挖掘半徑、最大挖掘深度、最大卸載高度等.同時(shí)建立工作裝置的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)MATLAB軟件進(jìn)行編程計(jì)算，來(lái)探索挖掘機(jī)的工作性能及運(yùn)動(dòng)規(guī)律.仿真所得的數(shù)據(jù)可以為后期優(yōu)化改進(jìn)提供理論依據(jù)和設(shè)計(jì)參考.

關(guān)鍵詞：Creo2.0;ADAMS2016;工作裝置;數(shù)學(xué)模型;運(yùn)動(dòng)仿真

中圖分類號(hào)：TU621，TH137? ? ?DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.01.014

0? ? 引言

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，虛擬樣機(jī)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[1].挖掘機(jī)作為一種工程中被廣泛使用的機(jī)械，使用虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真，可以縮短新產(chǎn)品研制和開發(fā)，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低產(chǎn)品的研發(fā)成本，進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)[2].而工作裝置作為挖掘機(jī)重要組成部分，其性能優(yōu)劣不僅直接影響挖掘機(jī)的生產(chǎn)效率，還決定整機(jī)的可靠性[3].實(shí)物樣機(jī)高昂的成本使得液壓挖掘機(jī)的研發(fā)極具風(fēng)險(xiǎn)，困難重重， 因此，工程師可在計(jì)算機(jī)上建立挖掘機(jī)的三維實(shí)體模型，并對(duì)模型進(jìn)行分析.可通過(guò)修改不同參數(shù)直觀快速地觀察、研究車輛的運(yùn)動(dòng)和工作狀態(tài)、動(dòng)態(tài)顯示仿真數(shù)據(jù)結(jié)果，從而達(dá)到降低產(chǎn)品成本、縮短開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率[4].

為了獲得挖掘機(jī)工作裝置的一些重要參數(shù)，做進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，筆者使用軟件建立虛擬樣機(jī)并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，以其建立數(shù)學(xué)模型對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行探索.

1? ? 挖掘機(jī)的工作裝置的運(yùn)動(dòng)分析

挖掘機(jī)工作裝置采用連桿機(jī)構(gòu)原理[5]，是以3組液壓缸為原動(dòng)件的三自由度連桿機(jī)構(gòu)，通過(guò)調(diào)整各組液壓缸伸縮長(zhǎng)度的變化，進(jìn)而使得鏟斗完成不同工況下的工作任務(wù).基于挖掘機(jī)工作裝置運(yùn)動(dòng)原理，以各個(gè)液壓桿的變化量為自變量，以相鄰兩桿組間關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)量[6]為因變量，再通過(guò)關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)量與位置坐標(biāo)間的數(shù)學(xué)關(guān)系，來(lái)建立挖掘機(jī)工作裝置的數(shù)學(xué)模型，其示意圖如圖1所示.

挖掘機(jī)工作裝置各鉸點(diǎn)的位置可以由圖1的A、B、C、D四點(diǎn)的位置坐標(biāo)所表示，分別為：

鏟斗、斗桿液壓桿與斗桿之間是由一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)相連接的，其連接部分示意圖如圖2所示.通過(guò)液壓桿L15的伸縮變化，在連桿與搖桿銷接的鉸點(diǎn)施加力矩，引發(fā)四桿機(jī)構(gòu)的變形，從而使得鏟斗產(chǎn)生繞鉸點(diǎn)C旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).由于四桿機(jī)構(gòu)的位置變化復(fù)雜，需要更為復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，則式（2）中θ3與L15[7]的關(guān)系可以由式（3）表示：

使用MATLAB軟件進(jìn)行編程以及數(shù)學(xué)模型的數(shù)據(jù)計(jì)算，通過(guò)改變液壓桿的伸縮量，可以得出關(guān)鍵點(diǎn)的位置坐標(biāo)，以此來(lái)檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型的正確性.

2? ? 工作裝置動(dòng)力學(xué)模型的建立及其仿真

2.1? ?工作裝置的簡(jiǎn)化約束模型

導(dǎo)入到ADAMS中的模型很好地保留了原來(lái)所建模型的各種屬性，但是原有模型各個(gè)部件間的裝配關(guān)系已不復(fù)存在，各零件只是按原來(lái)的位置關(guān)系獨(dú)立地存在于ADAMS環(huán)境中[8].為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的操作，必須將各個(gè)部件通過(guò)約束副重新組裝起來(lái).

挖掘機(jī)工作裝置的重要組成部分如圖3所示，其運(yùn)動(dòng)方式主要由液壓缸與液壓桿的平移運(yùn)動(dòng)以及各個(gè)桿件間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成，為了模擬挖掘機(jī)的工作方式，需要在各個(gè)部件間設(shè)置相對(duì)應(yīng)的約束副，所定義的約束副如表1所示.

2.2? ?模型的仿真

為了讓模型完成既定的動(dòng)作，需要在定義的運(yùn)動(dòng)中輸入對(duì)應(yīng)的函數(shù).ADAMDS軟件通常采用的函數(shù)是step函數(shù)，它的表述形式是：step（t，t0，x（t0），t1，? ?x（t1）），其中t表示函數(shù)自變量，t0表示自變量的初始值，x（t0）表示自變量函數(shù)的初始值，t1表示自變量的結(jié)束值，x（t1）表示自變量函數(shù)的結(jié)束值[9].此次仿真選取自變量為時(shí)間，自變量函數(shù)為液壓桿的伸縮長(zhǎng)度.

2.2.1? 各運(yùn)動(dòng)的step函數(shù)

此仿真過(guò)程模擬了挖掘機(jī)由挖掘到提臂回轉(zhuǎn)到卸料再到空斗返回的全過(guò)程，所定義的具體工況與step函數(shù)如下所示：

1）預(yù)調(diào)整：斗桿與鏟斗液壓缸處于全縮狀態(tài)，動(dòng)臂液壓缸處于全伸狀態(tài).

2）挖掘工況此工況：①動(dòng)臂挖掘工況：動(dòng)臂開始收縮至最大行程，可以得到最大挖掘半徑.②斗桿挖掘工況：收縮部分鏟斗液壓桿，使其鏟齒與斗桿共面，從而可以得到最大挖掘深度[10].

3）提臂回轉(zhuǎn)工況：全縮鏟斗液壓桿進(jìn)行裝載，然后全縮斗桿以及動(dòng)臂液壓桿.

4）卸料工況：鏟斗達(dá)到最大卸料高度時(shí)，全縮鏟斗液壓桿，完成卸料.

5）空斗返回工況：收縮各液壓缸，使工作裝置到達(dá)初始位置.

模型仿真過(guò)程中所定義的具體step函數(shù)及齒尖在仿真過(guò)程中所作的x與z 方向的位移如表2、圖4所示.

2.2.2? 工作裝置的仿真運(yùn)動(dòng)軌跡及后處理結(jié)果

1）工作裝置斗桿挖掘過(guò)程的運(yùn)動(dòng)仿真

在此仿真過(guò)程中，不僅可以模擬出挖掘機(jī)的一些重要性能參數(shù)，更重要的是能找出鏟尖仿真至任意位置時(shí)液壓桿對(duì)應(yīng)的伸縮量.通過(guò)調(diào)整上面step函數(shù)，使鏟尖到達(dá)斗桿全縮，鉸點(diǎn)B、C、D位于同一直線的位置，之后再改變動(dòng)臂液壓桿伸縮量，使其到達(dá)z方向位移為0的位置.最后調(diào)整斗桿的step函數(shù)來(lái)模擬斗桿挖掘工況，通過(guò)在鏟尖設(shè)計(jì)方向與大小隨著鏟斗位置變化的切向力與法向力的step函數(shù)，來(lái)模擬挖掘機(jī)斗桿挖掘的挖掘阻力，同時(shí)在鏟斗重心處設(shè)計(jì)一個(gè)始終豎直向下的力的step函數(shù)，來(lái)模擬物料的重力變化.其中所設(shè)計(jì)的斗桿挖掘step函數(shù)及關(guān)鍵鉸點(diǎn)的外載荷變化如圖5所示.

如圖5所示，在19.5～22.0 s內(nèi)，斗桿挖掘的挖掘阻力和物料重力隨著鏟斗關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)角度的增加而逐漸增加，此時(shí)各個(gè)關(guān)鍵鉸點(diǎn)所受到的外力載荷也在不斷增加，其中動(dòng)臂平臺(tái)鉸接點(diǎn)的受力變化最為顯著;在22.0～25.0 s內(nèi)，鏟斗挖掘物料結(jié)束開始提臂，挖掘阻力開始不斷減小，物料重力保持不變，各個(gè)關(guān)鍵鉸點(diǎn)的外力載荷開始不斷減小.

2）工作裝置運(yùn)動(dòng)全過(guò)程運(yùn)動(dòng)仿真

通過(guò)軟件的后處理模塊所得到的x、z方向的位移圖，可得到的如圖6所示的一些常用數(shù)據(jù)，其具體數(shù)據(jù)如表5所示.

3）仿真結(jié)果、模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際設(shè)計(jì)值的數(shù)據(jù)對(duì)比

數(shù)據(jù)對(duì)比如表6所示，由表6可以統(tǒng)計(jì)出：實(shí)際設(shè)計(jì)值、數(shù)學(xué)模型計(jì)算值與仿真值對(duì)比所產(chǎn)生誤差在0.91%之內(nèi)，符合重型機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，因此仿真所得的數(shù)據(jù)可以作為設(shè)計(jì)的參考.

3? ? 結(jié)論

基于D-H矩陣原理構(gòu)建工作裝置數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB軟件編程計(jì)算，再使用ADAMS軟件進(jìn)行仿真，最后所得的結(jié)果與實(shí)際設(shè)計(jì)值相比較.結(jié)果表明：ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真與實(shí)際設(shè)計(jì)的參數(shù)間沒(méi)有太大誤差，與數(shù)學(xué)模型計(jì)算值間的對(duì)比也檢驗(yàn)了所建立數(shù)學(xué)模型的正確性.同時(shí)還仿真了斗桿挖掘工況，得出了斗桿挖掘每個(gè)瞬時(shí)各個(gè)關(guān)鍵鉸點(diǎn)外載荷以及作用力最為明顯的位置.上述的過(guò)程不僅可以檢驗(yàn)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，而且可以深化對(duì)工作裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)原理的理解，所建立的正確數(shù)學(xué)模型還可以為挖掘機(jī)的改良開發(fā)提供了研究依據(jù)，為進(jìn)一步的優(yōu)化改進(jìn)提供了理論基礎(chǔ).

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