【導讀】短的同時，產品質量成為企業(yè)能否在激烈的市場競爭中取勝的關鍵因素。施工作業(yè)單位的青睞。國外著名廠家的液壓挖掘機在設計方法上重視試驗研究工。作，重視電子計算機技術的應用，而國內的廠家則更多的停留在測繪仿制階段，業(yè)實現(xiàn)快速設計的最佳方案。本論文對挖掘機工作裝置進行建模、裝配，并對動臂進行參數(shù)化分析。機進行順序動作和復合動作的運動學與動力學仿真分析。將虛擬樣機技術引入到。于改進原有產品的設計，或進行新產品的開發(fā)研制，對提高此類。工作裝置的裝配.........

　　

【正文】 范圍，測定挖掘機的主要作業(yè)尺寸：最大挖掘半徑、最大挖掘深度、最大挖掘高度。 最大挖掘半徑是指挖掘機的回轉中心到鏟斗斗齒尖所能伸出的最遠點間的距 31 離；最大挖掘深度是指鏟斗在停機面以下所能達到的最低點到停機面 的距離，此時，動臂、鏟斗的三個油缸活塞桿全部收回，斗桿進行旋轉；最大挖掘高度是指工作裝置處于最大舉升高度時，鏟斗斗齒尖端至停機面的距離，此時，動臂油缸活塞桿全伸出，而斗桿與鏟斗油缸的活塞桿全部收回。 對于反鏟型挖掘機來說，主要用于挖掘停機面以下的土壤 (如建筑基坑、溝渠等 )，因此最大挖掘深度和最大挖掘半徑是其主要的作業(yè)尺寸，也是工程設計中所要優(yōu)先考慮的設計參數(shù)。 以下主要針對液壓挖掘機虛擬樣機，采用順序動作方式來計算檢驗挖掘機的挖掘工作范圍，測定挖掘機的主要作業(yè)尺寸：最大挖掘半徑、最大挖掘深度 、最大挖掘高度。 各個液壓油缸間的驅動方程，以 ADAMS 提供的階躍函數(shù) STEP 函數(shù)來表示，其中階躍函數(shù)的設置格式為： STEP(A， X0， H0， X1， H1) 參數(shù)說明： A — 自變量，可以是時間或時間的任意函數(shù) X0 — 自變量的 STEP函數(shù)開始值，可以是常數(shù)或函數(shù)表達式或設計變量； X1 — 自變量的 STEP函數(shù)結束值，可以是常數(shù)、函數(shù)表達式或設計變量； H0 — STEP函數(shù)的初始值，可以是常數(shù)、設計變量或其它函數(shù)表達式； H1 — STEP函數(shù)的最終值，可以是常數(shù)、設計變量 或其它函數(shù)表達式。 圖像表示如圖 45： 圖 45 STEP 函數(shù)表示 STEP函數(shù)在實際的運用過程中，它有兩種表示方法，一種是嵌入式： STEP(A， x0， h0， xl， (STEP(A， xl， hl， x2， (STEP(A， x2， h2， x3， h2))))) 32 (可以嵌套更多的 ) 另一種就是增量式： STEP(A， x0， h0， xl， h1)+STEP(A， xl， h2， x2， h3)+STEP(A， x2， h4， x3， h5)+? 首先在 ADAMS/view 中，在鏟斗中齒尖部位創(chuàng)建一個 MARKER 標記點，如圖 46所 示，并在此標記點上建立一個測量 (measure)，定義測量特征為移動位移(Translational displacement)，在測量分量中分別選取 Y 和 Z，對系統(tǒng)進行一次仿真就可獲得挖掘機的作業(yè)范圍和主要作業(yè)尺寸。 圖 46齒尖測量點示意圖 對于順序測量，在 ADAMS 中的仿真思路是：對于動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸驅動分別建立不同的 STEP 函數(shù)表示，來調節(jié)油缸的伸縮行程，以獲得挖掘機的工作范圍。在油缸移動副約束處添加移動驅動 (Translational joint motion)，運動方式為位移 (displacement)，運動函數(shù)輸入為相應的 STEP 函數(shù)。各個油缸的STEP 函數(shù)的具體設置如下： 定義動臂油缸上的驅動方程 STEP 函數(shù)為： STEP(time， 0， 0， 5， 500)+STEP(time， 5， 0， 6， 690)+ STEP(time， 6， 0， 10， 0)+STEP(time， 10， 0， 13， 0)+ STEP(time， 13， 0， 16， 690)+STEP(time， 16， 0， 19， 0)+ STEP(time， 19， 0， 22， 0)+STEP(time， 22， 0， 25， 0) 定義斗桿油缸上的驅動方程 STEP 函數(shù)為： STEP(time， 0， 1300， 5， 1300)+STEP(time， 5， 0， 6， 0)+ STEP(time， 6， 0， 10， 1000)+STEP(time， 10， 0， 13， 0)+ 33 STEP(time， 13， 0， 16， 0)+STEP(time， 16， 0， 19， 0)+ STEP(time， 19， 0， 22， 1000)+STEP(time， 22， 0， 25， 0) 定義鏟斗油缸上的驅動方程 STEP 函數(shù)為： STEP(time， 0， 614， 5， 614)+STEP(time， 5， 0， 6， 0)+ STEP(time， 6， 0， 10， 0)+STEP(time， 10， 0， 13， 414)+ STEP(time， 13， 0， 16， 0)+STEP(time， 16， 0， 19， 200)+ STEP(time， 19， 0， 22， 0)+STEP(time， 22， 0， 25， 690) 以上 STEP 函數(shù)表述中，各項定義的依據(jù)是挖掘機各個油缸的理論行程、仿真過程避免發(fā)生構件的干涉原則以及獲得最大工作范 圍原則等。為了得到準確的運動參數(shù)，在進行順序工作方式仿真的時候，不考慮回轉動作。對以上所建立的各油缸驅動函數(shù)在 ADAMS 中曲線表示如圖 4圖 4圖 49 所示。這些函數(shù)的給出是以挖掘機工作裝置實際運動驅動和挖掘機油缸的理論行程為主要依據(jù)的。 圖 47動臂油缸函數(shù)曲線 圖 48 斗桿油缸函數(shù)曲線 34 圖 49 鏟斗油缸函數(shù)曲線 在設置好驅動后，運行 ADAMS 軟件的仿真模塊 ADAMS/Solver，進行仿真運算。仿真結束后，在動畫回放 Animation 中觀看仿真結果，并跟蹤鏟斗齒尖標記點MARKER_1006，即可在 YZ 平面內繪制挖掘機工作范圍，如圖 410 所示。 圖 410 工作裝置的作業(yè)軌跡 在利用標記點得到挖掘機工作范圍后，利用 ADAMS的添加曲線功能獲得挖掘機的主要作業(yè)尺寸。根據(jù)挖掘機在 Y、 Z平面內工作范圍，分解出斗齒上標記點在 Y、 35 Z方向上的位移，圖 411所示為斗齒尖標記點在 Y、 Z方向上位移變化曲線。從圖上可以得出最大挖掘半徑、最大挖掘深度、最大挖掘高度等挖掘機特殊作業(yè)尺寸值。 圖 411 斗齒尖標記點 Y和 Z方向位移曲線圖 表 41液壓挖 掘機主要作業(yè)尺寸測量 單位： mm 測量 項目 最大挖掘 半徑 最大挖掘 深度 最大挖掘 高度 仿真值 無論動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸，在實際操作中均能根據(jù)需要實現(xiàn)復合動作。因此對于高效挖掘作業(yè)，主要運用挖掘機的復合動作工作方式，一般運用兩個和兩個以上的運動部件在動作，這樣不但可以節(jié)約作業(yè)循環(huán)時間，還可以提高工作效率。通過設置動臂油缸驅動、斗桿油缸驅動、鏟斗油缸驅動和回轉馬達驅動的 STEP函數(shù)，以達到控制油缸的 動作過程的目的，來實現(xiàn)挖掘機的復合動作同樣，在油缸移動副約束處添加移動驅動 (Translational ioint motion)，對于回轉旋轉副添加轉動驅動 (Rotational joint motion)，運動方式為位移(displacement)，運動函數(shù)輸入相應的 STEP函數(shù)。各個油缸和旋轉驅動的 STEP函數(shù)的具體設置如下。一個循環(huán)的挖掘時間受到較多因素的影響（土壤條件、工作人員的熟練程度等）所以總的工作時間設定為 16秒，其中準備時間為挖掘機姿勢調整為 1秒，總的理論作業(yè)循環(huán)時間為 15秒。 定義動臂油 缸上的驅動方程 STEP函數(shù)為： STEP(time， 0． 0， 0． 0， 1． 0， 500)+STEP(time， 1， 0． 0， 2， 450)+ STEP(time， 2， 0， 3． 2， 0)+STEP(time， 3． 2， 0， 5， 200)+ 36 STEP(time， 5， 0， 10， 250)+STEP(time， 10， 0， 12， 0)+ STEP(time， 12， 0， 14， 0)+STEP(time， 14， 0， 16， 600) 定義斗桿油缸上的驅動方程 STEP 函數(shù)為： STEP(time， 0， 1300， 1． 0,1300)+STEP(time， 1， 0， 2， 400)+ STEP(time， 2， 0， 3． 2， 200)+STEP(time， 3． 2， 0， 5， 0)+ STEP(time， 5， 0， 10， 0)+STEP(time， 10， 0， 12， 0)+ STEP(time， 12， 0， 14， 400)+STEP(time， 14， 0， 16， 200) 定義鏟斗油缸上的驅動方程 STEP 函數(shù)為： STEP(time， 0， 614， 1， 614)+STEP(time， 1， 0， 2， 200)+ STEP(time， 2， 0， 3． 2， 200)+STEP(time， 3． 2， 0， 5， 100)+ STEP(time， 5， 0， 10， 114)+STEP(time， 10， 0， 12， 0)+ STEP(time， 12， 0， 14， 690)+STEP(time， 14， 0， 16， 0) 定義回轉運動副上的驅動方程 STEP函數(shù)為： STEP(time， 0， 0， 1， 0)+STEP(time， 1， 0， 2， 0)+ STEP(time,2， 0， 3． 2,0)+STEP(time， 3． 2， 0， 5， 0)+ STEP(time， 5， 0， 10， 90d)+STEP(time， 10， 0， 12， 0)+ STEP(time， 12， 0， 14， 0)+STEP(time， 14， 0， 16， 90d) 對以上所建立的各油缸驅動函數(shù)在 ADAMS 中曲線表示如圖 41圖 41圖414 所示。 圖 412 動臂油缸函數(shù)曲線 37 圖 413斗桿油缸函數(shù)曲線 圖 414 鏟斗油缸函數(shù)曲線 各個液壓缸和回轉副的驅動函數(shù)的給出是以挖掘機工作裝置實際挖掘動作和理論作業(yè)循環(huán)時間為主要依據(jù)的，循環(huán)周期為 16秒。復合動作方式仿真的順利完成，實現(xiàn)了挖掘機的挖掘 — 提升一回轉一卸料一反回轉一 降臂等一系列動作，復合動作工作方式下，斗齒尖的運動軌跡如圖 415所示。 38 圖 415 復合動作下斗齒尖的工作軌跡示意圖 在復合動作仿真中，挖掘機進行挖掘作業(yè)，同時工作油缸的驅動列表如下： 表 42液壓挖掘機的復合動作方式 作業(yè)動作 驅動名稱 動臂油缸驅動 斗桿油缸驅動 鏟斗油缸驅動 回轉馬達驅動 降臂 √ √ √ 挖掘 √ √ 提臂 √ √ 回轉 √ √ √ 卸料 √ √ 反回轉 √ √ √ 從上表可以看出 ，一個完整的復合動作方式挖掘過程中，同時動作的驅動數(shù)目至少有 2個，最多有 3個。這樣不僅可以大大縮短工作時間，而且對于發(fā)動機及液壓油泵的功率利用來說，也是非常有利的。所以，復合動作方式在高效的挖掘作業(yè)中應用極為普遍。 39 工作裝置的動力學仿真 在對挖掘機虛擬樣機進行動力學分析時，需要加載挖掘過程中挖掘機所受的各種載荷。由于挖掘機在實際工況中載荷分布情況是十分復雜的，受時間和篇幅限制，故而本章根據(jù)挖掘機實際工作情況的不同載荷分布特點，僅對其中影響挖掘機可靠性和挖掘能力比較顯著的載荷，比如挖掘阻力、物 料的重力、各構件的重力等，在動力學仿真時進行了加載，而其他載荷并未考慮。 通過動力學分析，本文擬得到挖掘機的動臂、斗桿、鏟斗等的鉸接點的力學特性曲線，以便揭示各構件在挖掘機挖掘作業(yè)過程中的動力學特性規(guī)律，并為進一步分析挖掘機的結構特性和受力分析提供了結構件的載荷分布情況。 由于復合動作方式在實際挖掘過程中應用最為廣泛，因此在一個完整的挖掘工作周期內，以復合動作挖掘方式對挖掘機進行動力學特性分析是合理可靠的在挖掘機實際工作中，作用在鏟斗刃口上的挖掘阻力可分為兩種情況： 1．對稱載荷，外 載荷沿切削刃均勻分布，分析時可以用在鏟斗斗刃中部的集中力來代替； 2．偏心載荷，由于鏟斗在作業(yè)過程中挖偏或物料裝載的不均勻性而使得載荷不均勻分布。 在復合動作方式下，對稱載荷是最常見的作業(yè)工況，也是最理想的作業(yè)狀態(tài)，但有時在挖掘機挖掘過程中，由于地質原因或者其它外界因素影響會使挖掘過程出現(xiàn)偏載狀態(tài)。考慮到單斗液壓挖掘機鏟斗寬度相對于整機寬度相對較小，在鏟斗強度和剛度保證的情況下，偏心載荷對整機的影響相對子對稱載荷差別不大，因此本論文只對對稱載荷做仿真分析。 針對一個作業(yè)循環(huán)，在 ADAMS 軟件中對對稱載荷的作用仿真如下： 添加驅動 挖掘機在復合工況作業(yè)下，作業(yè)動作分為挖掘、抬臂回轉、卸料和回轉降臂四個環(huán)節(jié)，而在挖掘環(huán)節(jié)，挖掘阻力對于鏟斗來說情況復雜，完全真實的描述比較困難，因此在進行動力學分析時，要進行簡化處理。對于對稱載荷來說，假設外載荷沿切削刃均勻分布，此時用在鏟斗斗齒中央的集中力代替。液壓缸的液壓力是挖掘機工作裝置運動的原動力，故在液壓缸筒和活塞桿之間添加驅動，各個油缸和旋轉驅動驅動函數(shù)設置如下：