裝載機工作裝置運動仿真及其關鍵零件校核方法

Abstract：Kinematic simulation was conducted on the working device of LG95O-1 type loader，and strength verification method for its rocker arm was studied. A virtual prototype model of the loader's working device was established using ADAMS software. Kinematic simulation was carred out for one working cycle to obtain the kinematic situation data. Additionally，the force data acting on the working device's rocker arm was extracted. Structural strength analysis of the rocker arm was conducted using ANSYS software，confirming that its structural strength meets the design requirements. The findings demonstrate that the rocker arm of LG950-1 loader possesses sufficient structure strength meeting the design requirements.

Keywords：loader；working device；kinematic simulation；dynamic simulation； finite element analysis

裝載機是一種用途廣泛的工程機械，可用于裝卸、搬運、平整物料及輕度的鏟掘，具有作業效率高、速度快等優點，因此，裝載機已成為工程機械中的重要機種之一[1-2]。裝載機的主要部分包括車架、工作裝置、液壓系統、動力傳動系統等[3]，工作裝置是實現裝載機鏟掘及轉運物料的核心結構，其工作性能是裝載機整機性能、作業效率及質量的重要體現[4-5]。

傳統的裝載機工作裝置設計方法主要有類比法、經驗公式法等[6]，傳統的設計方法都基于科研人員的經驗進行手工繪圖。這些方法比較受限，容易出現設計錯誤或誤差，并且效率不高[7]。因此，許多學者在裝載機工作裝置的設計優化方面開展了較為詳細的研究，通過解析法和數值仿真法等對裝載機工作裝置進行優化設計。

解析法是通過數學模型對機構進行運動受力分析的方法。溫超等[8]等結合軟件的算法，根據經驗公式及深度公式的混合計算，完成了裝載機工作裝置的作業軌跡規劃。張志忠[9通過推導裝載機工作裝置的反轉六桿機構重要參數之間關系的數學表達式，從而建立了裝載機工作裝置運功過程的數學表達式。臧紅彬等[10分析了裝載機工作裝置的結構和作業過程，采用齊次坐標變換的方法建立裝載機工作裝置運動學方程。黃鵬等[1]采用復矢量法對新型工作裝置進行運動學分析，建立了鏟斗末端的位姿空間和各構件的角加速度與驅動空間的映射關系，為裝載機工作裝置的動力學分析提供可靠的運算參數。黃鵬[12等基于機構運動環路理論，建立了裝載機工作裝置的運動學數學模型，驗證了工作裝置運動的準確性。

計算機數值模擬方法在工程機械設計領域快速發展，顯著提高機械產品設計的效率和質量。胡英華等[13]采用AnsysWorkbench對DL30O型裝載機工作裝置進行有限元仿真分析，得到了兩個典型姿態下的應力云圖，并確定了大應力區域對應的疲勞評估位置，為工作裝置的載荷測試與疲勞分析提供依據。王國棟等[14]對5t輪式裝載機搖臂進行結構強度分析，得到了搖臂在兩種典型工況條件下的應力分布云圖，找出了搖臂應力較大的部位。王士華等[15]通過對裝載機工作裝置進行動力學模擬仿真，采用拓撲優化設計和響應面優化設計，解決了搖臂強度不足的問題，并實現了輕量化設計。段鵬昌等[16]以一種高效隧道施工裝載機的工作裝置作為研究對象，對工作裝置的搖桿進行了有限元分析，驗證了工作裝置的搖桿滿足設計要求。段文婧[17把某小型輪式裝載機作為研究對象，對其工作裝置進行運動學分析，并對工作裝置進行了優化設計。

綜上，現有文獻主要是通過解析法對裝載機工作機構的尺寸進行設計優化，或者通過數值仿真技術對工作裝置的關鍵零部件進行結構強度分析，而對使用動力學分析獲得的載荷數據進行關鍵零部件校核方法的研究較少。基于此，本文對裝載機工作裝置運動仿真及其關鍵零件校核方法進行研究。

1" 裝載機工作裝置分析

1. 1 工作裝置作業結構分析與建模

裝載機工作裝置結構示意圖，如圖1所示。圖1中：1為鏟斗;2為連桿;3為動臂；4為舉升油缸;5為轉斗油缸;6為搖臂。連桿的兩端分別與鏟斗和搖臂鉸接;動臂的兩端分別與鏟斗和車架鉸接；動臂與車架間設置有舉升油缸：搖臂的中間部分和動臂的下部橫梁鉸接;搖臂與車架間設置有轉斗油缸。裝載機工作裝置三維模型圖，如圖2所示。

1.2 工作裝置作業工況

裝載機的工作工況包括插入、轉斗、運輸、舉升、卸載和放平工況。

1）插入工況：將鏟斗插入到物料中，這時通常需要克服插入阻力。2）轉斗工況：將鏟斗翻轉到合適的角度掘取物料，實現收斗作業，此時，需要克服掘起阻力。3）運輸工況：工作裝置后退、轉向、前進，將裝載的物料運輸到指定的位置。4）舉升工況：鎖定轉斗油缸，將動臂提升到極限高度位置，以方便物料卸載，此時，動臂主要受到物料的重力。5）卸載工況：動臂舉升到極限位置，翻轉鏟斗將物料卸載出來。6）放平工況：將鏟斗下放，并將動臂下放至初始位置，以方便裝載機進行下一次作業。

裝載機工作裝置4種典型工況，如圖3所示。

2 工作裝置虛擬樣機建立

2.1工作裝置模型的導入和屬性

將三維模型導人到ADAMS軟件中，導人的各個部件維持原來的位置關系[18]，都是獨立的個體。因此，需要重新對部件屬性如位置進行定義[19]。以插人工況時各部件的位置作為初始狀態，將各個部件調整到初始位置。將所有部件的材料屬性定義為“steel”，因為工作裝置部件的材料均為Q345，故再將材料的密度統一改為 7850kg?m^-3 ；重力設置為 9806.65mm?s^-2 。利用布爾操作，將對稱的動臂液壓桿和動臂液壓缸合并為一個部件，方便后續的運算。

以插入工況作為初始狀態，ADAMS軟件中工作裝置模型圖，如圖4所示。

以前輪動力圓圓心為坐標原點，得到初始狀態下各鉸接 點的坐標：鏟斗與動臂接點的坐標為 （-1 482，-357） ；連桿與 搖臂鉸接點的坐標為 （-838，-138） ；搖臂與動臂鉸接點的坐 標為 （-383，377） ；搖臂與液壓缸鉸接點的坐標為 （-948，1256） ；搖臂液壓缸與前車架鉸接點的坐標為 （511，1641）;動臂與液壓缸鉸接點的坐標為 （-383，377） ；動臂與前車架鉸接點的坐標為（847，1273）； 動臂液壓缸與前車架鉸接點的坐標為（929，677）。

2.2 約束的添加

將對稱的動臂液壓桿和動臂液壓缸合并為一個部件，對動臂與鏟斗的鉸接點、動臂與動臂液壓桿的鉸接點，以及動臂與大地的鉸接點添加一個約束。

布爾操作之后，模型一共有8個構件，添加完約束之后，模型共有9個轉動副和2個移動副。各運動副的類型，如表1所示。

通過計算，可得模型的自由度為2，以舉升油缸和轉斗油缸做為主動件，工作裝置能實現確定的相對運動。

3 ADAMS軟件運動學仿真

3.1 添加驅動函數

裝載機工作裝置的運動是通過轉斗油缸和舉升油缸的聯合作用實現的。根據油缸行程建立STEP驅動函數，并將其添加到油缸的移動副上[20」，虛擬樣機就可以模擬鏟斗轉斗、舉升、卸料、下降的整個作業過程。STEP驅動函數為 STEP（x，x₀，h₀，x₁，h₁） ，其中： x₀ 為每個典型工況的開始時間； x₁ 為每個典型工況的結束時間； h₀ 為STEP函數的初始值，代表 x₀ 時刻油缸移動副的位移量； h₁ 為STEP函數的最終值，代表 x₁ 時刻油缸移動副的位移量。

仿真時間設定為 18s ，對虛擬樣機施加驅動函數，其中， Ψ_t 為時間。

1）舉升油缸的驅動STEP函數為

STEP（t，0，0，3，0）+STEP（t，3，0，6，0）+STEP（t，6，0，12，-660）+STEP（t，12，0，15，0） +STEP （t，15，0，18，660） 。

2）轉斗油缸的驅動STEP函數為

STEP ?ι，0，0，3，0?+STEP（ι，3，0，6，-120）+STEP（ι，6，0，12，0）+STEP（ι，12，0，15，480） 十STEP（t，15，0，18，-360）。

3.2 運動學仿真結果

通過運動學仿真可以觀察到任意時刻的工作裝置的運動行為，也可以通過測量獲得需要的參數。鏟斗對地角度 （α） 變化曲線，如圖5所示。鏟斗卸載距離 （s） 變化曲線，如圖6所示。鏟斗卸載高度 （H） 變化曲線，如圖7所示。

工作裝置的運動學仿真可以證明工作裝置的運動行為是否滿足設計要求，并為工作裝置的動力學仿真奠定了重要的基礎。

4 ADAMS動力學仿真

4.1 添加外載荷函數

外載荷 （F） 變化曲線，如圖8所示。裝載機工作裝置在完成插入、轉斗、運輸、舉升、卸載和放平6個工況的同時，還要承受外載荷的影響，分別是插人物料時的插入阻力、翻轉鏟斗時的掘起阻力、物料重力，以及零部件自身重力，使用STEP函數定義外載荷并將外載荷施加到鏟斗上。

物料重力的STEP函數為 STEP（t，0，0，3，2，0）+ STEP（t，3.2，0，6，5000）+STEP（t，6，0，12，0）+ 插入阻力的STEP函數為STEP （t，0，0，2. 8，112 250）+STEP（t，2. 8，0，3， -112 250）+STEP（t，3，0，18，0） ，掘起阻力的STEP函為STEP（t，0，0，3，0）+STEP（t，3，0，3.2，160 000）+STEP（t，3.2，0，6，-160 000）+STEP（t，6，0，18，0）。

4.2 動力學仿真結果

選擇工作裝置的搖臂作為動力學仿真的研究對象，工作裝置搖臂示意圖，如圖9所示。

通過對裝載機工作裝置進行一個工作循環的仿真，可以得到裝載機working device rocker arm一個工作循環內任意時刻搖臂銷孔1、2的受力情況據，搖臂銷孔1、2 的受力變化曲線，如圖10、11所示。圖10、11中： F_x 為 x 方向的受力； F_y 為 y 方向的受力。

搖臂銷孔受力數據，如表2所示。受力數據擬合表為搖臂的有限元分析提供數據基礎。

5 裝載機工作裝置搖臂有限元分析

5.1 模型導入與前處理

將CREO軟件的工作裝置的三維模型導人到ANSYS軟件，搖臂的材料為低碳優質合金鋼Q345，在前處理階段定義搖臂的材料屬性，彈性模量為 210GPa ，泊松比為0.3，密度為 7850kg?m^-3 ，屈服強度為 345MPa 。

網格劃分的精度選擇過低會導致計算結果不準確，精度過高又會降低優化設計的效率。選擇四面體網格劃分，單元尺寸設置為 2mm 。搖臂網格劃分局部示意圖，如圖12所示。

搖臂與其他部件都是通過銷軸連接。為了減少研究量，對模型約束和加載進行簡化處理，對中間孔進行固定處理;根據動力學分析獲得的外載荷數據，使用余弦分布加載的方式將外載荷施加在銷孔1和銷孔2上。搖臂的約束及載荷分布，如圖13所示。

5.2 求解與結果

在裝載機零件強度校核中，由于裝載機作業繁重，動載荷較大，安全系數取1.5，因此搖臂的許用應力為230MPa 。基于動力學分析獲得的載荷數據進行加載求解，搖臂等效應力云圖，如圖14所示。圖14中： σ 為應力。由圖14可知：搖臂的最大應力為 225.21MPa ，滿足設計要求。

6結論

1）將LG950-1型裝載機的工作裝置作為研究對象，使用ADAMS軟件建立虛擬樣機，為運動學和動力學仿真提供基礎。

2）使用STEP函數定義驅動，將驅動添加在油缸的移動副上，對工作裝置進行運動學仿真。工作裝置的運動學仿真可用于證明工作裝置的運動行為是否滿足設計要求。3）使用STEP函數模擬裝載機工作裝置受到的外載荷，對工作裝置進行動力學分析，獲得裝載機工作裝置一個工作循環的任意時刻搖臂的受力情況數據。4）基于ADAMS軟件，獲得搖臂受力情況數據，使用ANSYS軟件對搖臂進行有限元分析。獲得搖臂的等效應力云圖，以此對零件進行結構強度校核。

參考文獻：

[1]王虎奇，陳樹勛.基于ADAMS 的裝載機前車架有限元分析載荷求解[J].機械設計與制造，2007（3）：64-66.

[2]祝海林，鄒旻，包振義，等.裝載機產業的發展趨勢[J].筑路機械與施工機械化，2008（4）：75-77.

[3]何挺繼，朱文天，鄧世新.筑路機械手冊[M].北京：人民交通出版社，1998.

[4]王曉明，張佳佳，宋紅兵.基于 ADAMS 的裝載機工作裝置仿真及優化設計[J].工程機械，2014，45（6）：55-58，9.

[5]張雪華.基于 ADAMS的 ZL-50 型裝載機工作裝置的優化［J].礦山機械，2011，39（6）：44-48.DOI：10.16816/j.cnki. ksjx. 2011.06.012.

[6]扈艷萍.裝載機工作裝置和液壓系統的優化分析與研究[D].青島：青島科技大學，2016.DOI：10.766/d.D845817.

[7]彭丹.裝載機工作裝置動力學仿真與有限元分析[D].西安：長安大學，2015.

[8]溫超，李冰，席亞麗.裝載機鏟裝運動作業軌跡規劃研究[J].機械設計與制造，2024（1）：150-153.DOI：10.19356/j.cnki.1001-3997.20230718.033.

[9]張志忠.裝載機工作裝置運動學分析與優化設計研究[D].天津：天津大學，2017.

[10]臧紅彬，陶俊杰，張輝.基于齊次坐標變換的裝載機工作裝置運動學分析[J].機械傳動，2015，39（11）：46-49，71.DOI：10. 16578/j.issn.1004.2539.2015.11.010.

[11]黃鵬，張金程，丁華鋒，等.一種新型裝載機工作裝置的運動學與動力學分析[EB/OL].（2024-04-03）[2024-07-10].http： //kns.cnki. net/kcms/detail/11. 2187. TH.20240401.1059.024. html.

[12]黃鵬，李長碩，丁華鋒，等.一種新型液壓裝載機工作裝置的運動學分析[J].機械工程學報，2024，60（23）：76-87.

[13]胡英華，萬一品，俞虎升，等.基于實測載荷的 DL300 型推裝機工作裝置有限元分析[J].機械研究與應用，2024，37（4）：43-45.DOI：10.16576/j.ISSN.1007-4414.2024.04.012.

[14]王國棟，晁曉潔.裝載機搖臂結構強度有限元分析[J].機械工程與自動化，2023（4）：75-77.

[15］王士華，魏偉，袁勇超，等.裝載機搖臂機構動力學仿真及優化設計研究[J].機械設計，2022，39（增刊1）：102-108.DOI：10.13841/j.cnki. jxsj.2022. sl.031.

[16]段鵬昌，黃靜，凌濤，等.高效隧道施工裝載機靜力學有限元分析研究[J].機械管理開發，2022，37（1）：51-54.DOI：10.16525/j.cnki.cnl4-1134/th.2022.01.021.

[17]段文婧.某小型輪式裝載機工作裝置優化設計[J].內燃機與配件，2022（12）：13-15.DOI：10.19475/j.cnki.issn1674-957x. 2022.12.026.

[18]秦貞沛，朱俊平，鄭東京，等.挖掘機工作裝置的虛擬樣機建立及運動學仿真：以農用液壓挖掘機為例[J].農機化研究，2011，33（4）：46-48.DOI：10.13427/j.cnki.njyi.2011.04.011.

[19]李增剛.ADAMS人門詳解與實例[M].2版.北京：國防工業出版社，2014.

[20]李凱.裝載機工作裝置的動力學仿真與有限元分析[D].楊凌：西北農林科技大學，2011.