液壓挖掘機工作裝置聯合仿真研究*

劉 暢，孫 健，楊鵬程

（徐州工程學院機電工程學院，江蘇徐州 221018）

0 引言

液壓挖掘機作為一種土方石挖掘、搬運的多功能土方機械，常用于各種土方石建設施工中。為進一步提高液壓挖掘機工作裝置性能，從而達到提高液壓挖掘機工作效率的目的，對液壓挖掘機工作裝置進行動力學仿真，同時對關鍵桿件進行有限元分析，找到其設計缺陷，優化各桿件結構，對提高工作裝置的工作性能顯得至關重要[1]。

影響液壓挖掘機工作效率的因素是復雜且不可預測的，其中最為直接的因素在于各結構設計是否滿足工況要求。對于液壓挖掘機工作裝置的設計而言，是一項相對反復且復雜的過程，常規的設計流程為產品設計、分析、樣機加工等過程，制作樣機后對其進行反復試驗、修改，直至產品符合實際工況要求，采用此種設計方式，在一定程度上不僅大大增加了產品的開發周期，而且提高了產品的生產成本。與傳統設計技術相比，利用虛擬樣機技術能夠提高設計計算精確度，縮短產品設計優化周期[2]。基于此，本文使用ADAMS軟件對液壓挖掘機工作裝置在復合工況下進行動力學仿真分析，獲取液壓挖掘機工作裝置3個液壓油缸位移動態曲線圖以及各桿件主要鉸接點的受力曲線圖，得到在真實工況下液壓挖掘機工作裝置各鉸接點最大受力姿態及受力大小，借此對工作裝置進行有限元分析，得出液壓挖掘機工作裝置在實際工況下的受力情況，為今后對其進行優化設計提供依據。

1 工作裝置模型的建立

1.1 Pro/E三維實體模型建立

為減少模型在ADAMS軟件內添加約束過多，造成過約束問題發生，在進行三維建模時需對模型進行簡化處理，建立液壓挖掘機工作裝置三維模型圖[3]，如圖1所示。為保證Pro/E與ADAMS兩者生成的文件有著較好的兼容性，需將建立好的液壓挖掘機工作裝置三維模型保存成ADAMS軟件兼容的Parasolid（*.x_t）格式，方可將模型導入ADAMS軟件內。

由于ADAMS軟件對導入其內的三維模型裝配關系、約束條件、文件格式名有嚴格要求，因此將在三維模型導入ADAMS軟件后，需對提示錯誤的部分在Pro/E軟件內重新修改，再次導入，最終實現三維模型導入ADAMS軟件內，液壓挖掘機工作裝置三維模型如圖1所示。圖中，L1為鏟斗液壓缸長度、L2為斗桿液壓缸長度、L3為動臂液壓缸長度、A1為動臂與底座鉸接點、A2為動臂與斗桿鉸接點、A3為動臂與動臂液壓缸鉸接點、A4為動臂與斗桿液壓缸鉸接點。

1.2 虛擬樣機模型建立

在液壓挖掘機工作裝置各桿件之間產生相對運動的地方，建立Marker點，其次進行約束副及驅動類型的添加，使得液壓挖掘機工作裝置能夠在復合運動工況下實現完整挖掘工作周期的仿真運動[4-5]，其工作裝置各個約束副及驅動如表1所示。

圖1 工作裝置三維模型圖

表1 約束副及驅動

2 工作裝置動力學仿真分析

在對液壓挖掘機工作裝置進行動力學仿真之前，需設置3個液壓缸的STEP驅動函數以此帶動各桿件相互配合運動[6]。在確定液壓挖掘機工作裝置在實際工況下所受到的對挖掘阻力及物料重力后，對工作裝置虛擬樣機上進行各種阻力的施加，并完成對挖掘過程進行兩個周期的模擬[7]。便可以得到液壓挖掘機工作裝置3個油缸的位移動態曲線，如圖2所示。由圖可知，在兩個仿真周期內，3個液壓缸位移動態變化曲線呈周期性變化，曲線平滑無突變情況，其中鏟斗油缸L1最大位移為300 mm，動臂油缸L2最大位移大致為230 mm，斗桿油缸L3最大位移為500 mm，運用虛擬樣機仿真技術不僅簡化了解析計算，對對象模型的分析計算結果進行了精確，同時也使得求得的解更加具有使用性和代表性，對挖掘機工作裝置的設計具有普遍的適用意義，為下文對各桿件主要鉸接點進行受力分析提供依據。

在保證仿真參數不變的情況下，為了進一步詳細獲取液壓挖掘機工作裝置在實際工況下的受力載荷動態變化情況，再次對液壓挖掘機工作裝置進行動力學仿真，選取極具代表性的動臂受力曲線圖進行分析研究，其中動臂上各鉸接點的受力曲線如圖3所示。從圖中能夠得出，動臂與底座連接處以及動臂與動臂液壓缸連接處的鉸接點受力值較大。

圖2 工作裝置3個液壓缸位移曲線圖

圖3 動臂上各鉸接點的受力曲線圖

3 動臂有限元分析

在對動臂進行強度校核時，為使分析結果更具代表性，應該以在周期挖掘工作過程中動臂出現最大載荷的工況來計算。經Adams動力學仿真后，得到動臂上各鉸接點受最大載荷時的受力值和受力姿態，為便于進一步對動臂進行有限元分析，將動臂各鉸接點所受力進行X-Y坐標方向的分解，繪制其受力情況如圖4所示，根據仿真數據進行下一步的有限元分析計算[8]。

圖4 動臂受力情況圖

由于ANSYS軟件在對模型進行網格劃分及受力形變運算時，對模型自身結構提出較高要求，因此在動臂三維實體模型導入ANSYS有限元分析軟件前，需在Pro/E軟件內對動臂三維模型進行簡化，除去模型多余的外圓角、倒角及其他多余結構[9]。根據ADAMS動力學仿真得到的動臂上各鉸接點的受力值以及動臂最大受力姿態，確定動臂載荷。通過對動臂進行有限元仿真，獲取的動臂的形變云圖如圖5所示。

圖5 動臂的形變云圖

經過分析研究，得出動臂的最大應力出現在動臂與斗桿相連的鉸接孔處，根據計算數據，此時動臂受到的最大應力為185 MPa，小于動臂選用材料Q235的屈服極限235 MPa，滿足設計需求。但是存在應力集中現象，應力集中主要出現在與斗桿相連接的動臂頂端，因此在設計時可采取適當加大該位置倒角及鉸接孔的尺寸等措施，達到應力分散的效果，提高動臂的工作效率及使用壽命。同時在受力較大的鉸點處可以考慮有針對性地設計，如適當增加此處連接銷的直徑、增厚連接處的鋼板等。

4 結束語

為改善液壓挖掘機工作裝置性能，進一步提高液壓挖掘機挖掘工作效率，本文進行了液壓挖掘機工作裝置的聯合仿真研究。首先使用ADAMS軟件對動臂進行動力學仿真，得到動臂上各鉸接點的受力載荷情況，其次將動臂三維實體模型導入ANSYS軟件內，根據仿真數據在ANSYS軟件內對其進行有限元分析，得到動臂的形變云圖，通過詳細分析研究找到動臂的設計缺陷，為對動臂進行下一步結構優化提供了依據，極大地提高了設計效率。