【導(dǎo)讀】短的同時，產(chǎn)品質(zhì)量成為企業(yè)能否在激烈的市場競爭中取勝的關(guān)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(shè)計方法上重視試驗研究工。作，重視電子計算機技術(shù)的應(yīng)用，而國內(nèi)的廠家則更多的停留在測繪仿制階段，業(yè)實現(xiàn)快速設(shè)計的最佳方案。本論文對挖掘機工作裝置進(jìn)行建模、裝配，并對動臂進(jìn)行參數(shù)化分析。機進(jìn)行順序動作和復(fù)合動作的運動學(xué)與動力學(xué)仿真分析。將虛擬樣機技術(shù)引入到。于改進(jìn)原有產(chǎn)品的設(shè)計，或進(jìn)行新產(chǎn)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(zhuǎn)中心到鏟斗斗齒尖所能伸出的最遠(yuǎn)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(dá)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(jìn)行旋轉(zhuǎn)；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(shè)計中所要優(yōu)先考慮的設(shè)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(qū)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(shè)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(dá)式或設(shè)計變量； X1 — 自變量的 STEP函數(shù)結(jié)束值，可以是常數(shù)、函數(shù)表達(dá)式或設(shè)計變量； H0 — STEP函數(shù)的初始值，可以是常數(shù)、設(shè)計變量或其它函數(shù)表達(dá)式； H1 — STEP函數(shù)的最終值，可以是常數(shù)、設(shè)計變量 或其它函數(shù)表達(dá)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(biāo)記點，如圖 46所 示，并在此標(biāo)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(jìn)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(qū)動分別建立不同的 STEP 函數(shù)表示，來調(diào)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(qū)動 (Translational joint motion)，運動方式為位移 (displacement)，運動函數(shù)輸入為相應(yīng)的 STEP 函數(shù)。各個油缸的STEP 函數(shù)的具體設(shè)置如下： 定義動臂油缸上的驅(qū)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(qū)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(qū)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(gòu)件的干涉原則以及獲得最大工作范 圍原則等。為了得到準(zhǔn)確的運動參數(shù)，在進(jìn)行順序工作方式仿真的時候，不考慮回轉(zhuǎn)動作。對以上所建立的各油缸驅(qū)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(qū)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(shè)置好驅(qū)動后，運行 ADAMS 軟件的仿真模塊 ADAMS/Solver，進(jìn)行仿真運算。仿真結(jié)束后，在動畫回放 Animation 中觀看仿真結(jié)果，并跟蹤鏟斗齒尖標(biāo)記點MARKER_1006，即可在 YZ 平面內(nèi)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(biāo)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(nèi)工作范圍，分解出斗齒上標(biāo)記點在 Y、 35 Z方向上的位移，圖 411所示為斗齒尖標(biāo)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(biāo)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(fù)合動作。因此對于高效挖掘作業(yè)，主要運用挖掘機的復(fù)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(shè)置動臂油缸驅(qū)動、斗桿油缸驅(qū)動、鏟斗油缸驅(qū)動和回轉(zhuǎn)馬達(dá)驅(qū)動的 STEP函數(shù)，以達(dá)到控制油缸的 動作過程的目的，來實現(xiàn)挖掘機的復(fù)合動作同樣，在油缸移動副約束處添加移動驅(qū)動 (Translational ioint motion)，對于回轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)副添加轉(zhuǎn)動驅(qū)動 (Rotational joint motion)，運動方式為位移(displacement)，運動函數(shù)輸入相應(yīng)的 STEP函數(shù)。各個油缸和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的 STEP函數(shù)的具體設(shè)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(shè)定為 16秒，其中準(zhǔn)備時間為挖掘機姿勢調(diào)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(qū)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(qū)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(qū)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(zhuǎn)運動副上的驅(qū)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(qū)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(zhuǎn)副的驅(qū)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(fù)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(zhuǎn)一卸料一反回轉(zhuǎn)一 降臂等一系列動作，復(fù)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(fù)合動作下斗齒尖的工作軌跡示意圖 在復(fù)合動作仿真中，挖掘機進(jìn)行挖掘作業(yè)，同時工作油缸的驅(qū)動列表如下： 表 42液壓挖掘機的復(fù)合動作方式 作業(yè)動作 驅(qū)動名稱 動臂油缸驅(qū)動 斗桿油缸驅(qū)動 鏟斗油缸驅(qū)動 回轉(zhuǎn)馬達(dá)驅(qū)動 降臂 √ √ √ 挖掘 √ √ 提臂 √ √ 回轉(zhuǎn) √ √ √ 卸料 √ √ 反回轉(zhuǎn) √ √ √ 從上表可以看出 ，一個完整的復(fù)合動作方式挖掘過程中，同時動作的驅(qū)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(fù)合動作方式在高效的挖掘作業(yè)中應(yīng)用極為普遍。 39 工作裝置的動力學(xué)仿真 在對挖掘機虛擬樣機進(jìn)行動力學(xué)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(fù)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(gòu)件的重力等，在動力學(xué)仿真時進(jìn)行了加載，而其他載荷并未考慮。 通過動力學(xué)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(xué)特性曲線，以便揭示各構(gòu)件在挖掘機挖掘作業(yè)過程中的動力學(xué)特性規(guī)律，并為進(jìn)一步分析挖掘機的結(jié)構(gòu)特性和受力分析提供了結(jié)構(gòu)件的載荷分布情況。 由于復(fù)合動作方式在實際挖掘過程中應(yīng)用最為廣泛，因此在一個完整的挖掘工作周期內(nèi)，以復(fù)合動作挖掘方式對挖掘機進(jìn)行動力學(xué)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(fù)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(zhì)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(qū)動 挖掘機在復(fù)合工況作業(yè)下，作業(yè)動作分為挖掘、抬臂回轉(zhuǎn)、卸料和回轉(zhuǎn)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(fù)雜，完全真實的描述比較困難，因此在進(jìn)行動力學(xué)分析時，要進(jìn)行簡化處理。對于對稱載荷來說，假設(shè)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(qū)動，各個油缸和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動驅(qū)動函數(shù)設(shè)置如下：