液壓挖掘機(jī)工作裝置的建模與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真*

白玉梅，高紅斌，宋曉美

（山西大學(xué) 自動(dòng)化系，山西 太原 030006）

0 引言

液壓挖掘機(jī)在我國(guó)機(jī)械化作業(yè)中起著舉足輕重的作用，而工作裝置的性能及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)又決定了液壓挖掘機(jī)的使用性能。虛擬設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真有效降低了挖掘機(jī)設(shè)計(jì)以及整機(jī)性能分析的成本，很多高校及學(xué)者已在這方面做了大量的工作，西安交通大學(xué)［1］、東北大學(xué)［2］等很早就運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）對(duì)挖掘機(jī)的工作裝置進(jìn)行了仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)；李霞［3］、譚琛［4］、何彥海［5］和 曹永 利［6］分 別 運(yùn) 用 UG 軟 件、SolidWorks、SimulationX和RecurDyn完成了液壓挖掘機(jī)工作裝置的運(yùn)動(dòng)仿真。本文在NX三維建模基礎(chǔ)上，利用STEP函數(shù)真實(shí)地模擬了挖掘機(jī)的各種工況，并對(duì)工作裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了仿真，完成了物理樣機(jī)無法進(jìn)行的危險(xiǎn)試驗(yàn)，這樣可以提供一種直觀、快捷的分析方法，具有一定的實(shí)際意義。

1 建立工作裝置虛擬仿真模型

在NX環(huán)境中建立的液壓挖掘機(jī)工作裝置仿真模型如圖1所示。動(dòng)臂由動(dòng)臂油缸驅(qū)動(dòng)，主要完成回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降動(dòng)作；斗桿由斗桿油缸驅(qū)動(dòng)，主要控制鏟斗完成挖掘、卸料等工作；鏟斗油缸和連桿協(xié)調(diào)控制鏟斗繞斗桿前鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 工作裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)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(cè)量點(diǎn)，通過運(yùn)動(dòng)仿真得到工作裝置的最大運(yùn)動(dòng)軌跡圖，如圖2所示。

從圖2可測(cè)出挖掘機(jī)工作裝置的一些主要參數(shù)：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(jī)在實(shí)際工作中，并不是按最大工作范圍進(jìn)行作業(yè)，因此只模擬其主要作業(yè)過程：挖掘—提臂—卸料—降臂。在實(shí)際挖掘中，初始挖掘狀態(tài)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(shí)，繪制鏟斗斗齒尖的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖3所示。

圖1 液壓挖掘機(jī)工作裝置仿真模型

圖2 斗齒尖最大運(yùn)動(dòng)軌跡

圖3 中給出了挖掘循環(huán)過程中斗齒尖的運(yùn)動(dòng)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(gè)工作循環(huán)結(jié)束。

2.3 挖掘過程的運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析

在上一節(jié)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究鏟斗齒尖的各運(yùn)動(dòng)參數(shù)。圖4（a）為斗齒尖X軸關(guān)于時(shí)間的平動(dòng)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(guān)于時(shí)間的平動(dòng)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(fù)號(hào)只表示在Y軸負(fù)方向）。

圖3 挖掘循環(huán)過程的斗齒尖運(yùn)動(dòng)軌跡

圖4 斗齒尖X和Y軸平動(dòng)位移曲線

圖5 為斗齒尖平動(dòng)速度幅值曲線。從圖5中可以看出：工作裝置從開挖點(diǎn)開始，速度逐漸增加并伴有波動(dòng)；在進(jìn)入平穩(wěn)挖掘階段后，速度變化平穩(wěn)；在“提臂”、“卸載”過程，速度幅值相差不大；在降臂回到挖掘點(diǎn)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(dòng)加速度曲線，圖中曲線突變處是由于作業(yè)過程交替時(shí)油缸制動(dòng)引起的，所以在這些交替點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)加速度的驟變，而在每一個(gè)作業(yè)中加速度是平穩(wěn)變化的。

3 結(jié)語(yǔ)

本文首先利用NX完成了液壓挖掘機(jī)工作裝置的建模。其次，繪制了工作裝置的最大運(yùn)動(dòng)軌跡圖，并精確測(cè)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(jī)實(shí)際工況對(duì)工作裝置的實(shí)際挖掘過程做了仿真，并繪制了鏟斗斗齒尖的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，且分析了液壓挖掘機(jī)工作裝置挖掘過程中鏟斗斗齒尖的平動(dòng)位移、平動(dòng)速度和平動(dòng)加速度的曲線圖。

圖5 斗齒尖平動(dòng)速度幅值曲線