液壓挖掘機工作裝置的建模與運動學仿真*

白玉梅，高紅斌，宋曉美

（山西大學 自動化系，山西 太原 030006）

0 引言

液壓挖掘機在我國機械化作業中起著舉足輕重的作用，而工作裝置的性能及運動狀態又決定了液壓挖掘機的使用性能。虛擬設計及運動仿真有效降低了挖掘機設計以及整機性能分析的成本，很多高校及學者已在這方面做了大量的工作，西安交通大學［1］、東北大學［2］等很早就運用計算機輔助設計（CAD）對挖掘機的工作裝置進行了仿真優化設計；李霞［3］、譚?。?］、何彥海［5］和 曹永 利［6］分 別 運 用 UG 軟 件、SolidWorks、SimulationX和RecurDyn完成了液壓挖掘機工作裝置的運動仿真。本文在NX三維建?；A上，利用STEP函數真實地模擬了挖掘機的各種工況，并對工作裝置的運動軌跡進行了仿真，完成了物理樣機無法進行的危險試驗，這樣可以提供一種直觀、快捷的分析方法，具有一定的實際意義。

1 建立工作裝置虛擬仿真模型

在NX環境中建立的液壓挖掘機工作裝置仿真模型如圖1所示。動臂由動臂油缸驅動，主要完成回轉運動和升降動作；斗桿由斗桿油缸驅動，主要控制鏟斗完成挖掘、卸料等工作；鏟斗油缸和連桿協調控制鏟斗繞斗桿前鉸點轉動。

2 工作裝置運動學仿真及分析

2.1 最大工作范圍斗齒尖軌跡的繪制及分析

選擇鏟斗斗齒尖建立測量點，通過運動仿真得到工作裝置的最大運動軌跡圖，如圖2所示。

從圖2可測出挖掘機工作裝置的一些主要參數：挖掘高度的最大值H1＝9 855mm，卸載高度的最大值H2＝7 228mm，挖掘深度的最大值 H3＝7 001 mm，挖掘半徑的最大值R0＝9 999mm。

2.2 挖掘過程斗齒尖軌跡的繪制

液壓挖掘機在實際工作中，并不是按最大工作范圍進行作業，因此只模擬其主要作業過程：挖掘—提臂—卸料—降臂。在實際挖掘中，初始挖掘狀態鏟斗斗齒尖一般選擇最大挖掘半徑的2／3、最大挖掘深度的1／2處。此時，繪制鏟斗斗齒尖的運動軌跡，如圖3所示。

圖1 液壓挖掘機工作裝置仿真模型

圖2 斗齒尖最大運動軌跡

圖3 中給出了挖掘循環過程中斗齒尖的運動軌跡：挖掘過程（AB弧線），提臂過程（BC、CD 弧線），卸載過程（DE弧線），降臂回到初始位置（EA弧線），一個工作循環結束。

2.3 挖掘過程的運動參數分析

在上一節的基礎上，進一步研究鏟斗齒尖的各運動參數。圖4（a）為斗齒尖X軸關于時間的平動位移曲線，從圖中可得到挖掘過程的最大半徑為8 519mm；圖4（b）為斗齒尖Y軸關于時間的平動位移曲線，從圖中可以看出挖掘過程的最大深度為3 904mm，最大卸載高度為－3 623mm（負號只表示在Y軸負方向）。

圖3 挖掘循環過程的斗齒尖運動軌跡

圖4 斗齒尖X和Y軸平動位移曲線

圖5 為斗齒尖平動速度幅值曲線。從圖5中可以看出：工作裝置從開挖點開始，速度逐漸增加并伴有波動；在進入平穩挖掘階段后，速度變化平穩；在“提臂”、“卸載”過程，速度幅值相差不大；在降臂回到挖掘點的過程中，速度幅值最大，最大速度為3 730mm／s。

圖6為斗齒尖X和Y軸平動加速度曲線，圖中曲線突變處是由于作業過程交替時油缸制動引起的，所以在這些交替點會出現加速度的驟變，而在每一個作業中加速度是平穩變化的。

3 結語

本文首先利用NX完成了液壓挖掘機工作裝置的建模。其次，繪制了工作裝置的最大運動軌跡圖，并精確測量了挖掘高度、卸載高度、挖掘深度以及挖掘半徑的最大值等。最后，參考挖掘機實際工況對工作裝置的實際挖掘過程做了仿真，并繪制了鏟斗斗齒尖的運動軌跡圖，且分析了液壓挖掘機工作裝置挖掘過程中鏟斗斗齒尖的平動位移、平動速度和平動加速度的曲線圖。

圖5 斗齒尖平動速度幅值曲線