【導(dǎo)讀】在當(dāng)今經(jīng)濟(jì)全球化、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的時(shí)代，在新產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間逐漸縮短的同時(shí)，產(chǎn)品質(zhì)量成為企業(yè)能否在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取勝的關(guān)鍵因素。挖掘機(jī)作為一種高效的施工設(shè)備，在當(dāng)今中國(guó)大規(guī)模的現(xiàn)代化建設(shè)中發(fā)揮著重要用，液壓挖掘機(jī)具有多品種，多功能，高質(zhì)量及高效率等特點(diǎn)，受到了廣大施工作業(yè)單位的青睞。本論文對(duì)挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行建模、裝配，并對(duì)動(dòng)臂進(jìn)行參數(shù)化分析。然后將整個(gè)模型導(dǎo)入到多體動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件ADAMS中，建立虛擬樣機(jī)模型，對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行順序動(dòng)作和復(fù)合動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真分析。將虛擬樣機(jī)技術(shù)引入到挖掘機(jī)設(shè)計(jì)分析領(lǐng)域，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本。近年來，隨著電子計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，有限元分析技術(shù)和虛擬樣機(jī)技術(shù)在挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中得到了廣泛使用，國(guó)內(nèi)外的研究人員對(duì)此也做了大量的研究工作與探索。當(dāng)前，國(guó)際上挖掘機(jī)的生產(chǎn)正向大型化、微型化、多能化和專用化的方向發(fā)展。

　　

【正文】 e，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(yùn)動(dòng)副上的驅(qū)動(dòng)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(duì)以上所建立的各油缸驅(qū)動(dòng)函數(shù)在ADAMS中曲線表示如圖41圖41圖414所示。圖412 動(dòng)臂油缸函數(shù)曲線圖413斗桿油缸函數(shù)曲線 圖414 鏟斗油缸函數(shù)曲線各個(gè)液壓缸和回轉(zhuǎn)副的驅(qū)動(dòng)函數(shù)的給出是以挖掘機(jī)工作裝置實(shí)際挖掘動(dòng)作和理論作業(yè)循環(huán)時(shí)間為主要依據(jù)的，循環(huán)周期為16秒。復(fù)合動(dòng)作方式仿真的順利完成，實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)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(dòng)作，復(fù)合動(dòng)作工作方式下，斗齒尖的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖415所示。圖415 復(fù)合動(dòng)作下斗齒尖的工作軌跡示意圖在復(fù)合動(dòng)作仿真中，挖掘機(jī)進(jìn)行挖掘作業(yè)，同時(shí)工作油缸的驅(qū)動(dòng)列表如下：表42液壓挖掘機(jī)的復(fù)合動(dòng)作方式 作業(yè)動(dòng)作 驅(qū)動(dòng)名稱動(dòng)臂油缸驅(qū)動(dòng)斗桿油缸驅(qū)動(dòng)鏟斗油缸驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)降臂√√√挖掘√√提臂√√回轉(zhuǎn)√√√卸料√√反回轉(zhuǎn)√√√ 從上表可以看出，一個(gè)完整的復(fù)合動(dòng)作方式挖掘過程中，同時(shí)動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)數(shù)目至少有2個(gè)，最多有3個(gè)。這樣不僅可以大大縮短工作時(shí)間，而且對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)作方式在高效的挖掘作業(yè)中應(yīng)用極為普遍。 工作裝置的動(dòng)力學(xué)仿真 在對(duì)挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，需要加載挖掘過程中挖掘機(jī)所受的各種載荷。由于挖掘機(jī)在實(shí)際工況中載荷分布情況是十分復(fù)雜的，受時(shí)間和篇幅限制，故而本章根據(jù)挖掘機(jī)實(shí)際工作情況的不同載荷分布特點(diǎn)，僅對(duì)其中影響挖掘機(jī)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(dòng)力學(xué)仿真時(shí)進(jìn)行了加載，而其他載荷并未考慮。 通過動(dòng)力學(xué)分析，本文擬得到挖掘機(jī)的動(dòng)臂、斗桿、鏟斗等的鉸接點(diǎn)的力學(xué)特性曲線，以便揭示各構(gòu)件在挖掘機(jī)挖掘作業(yè)過程中的動(dòng)力學(xué)特性規(guī)律，并為進(jìn)一步分析挖掘機(jī)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(dòng)作方式在實(shí)際挖掘過程中應(yīng)用最為廣泛，因此在一個(gè)完整的挖掘工作周期內(nèi)，以復(fù)合動(dòng)作挖掘方式對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性分析是合理可靠的在挖掘機(jī)實(shí)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(duì)稱載荷，外載荷沿切削刃均勻分布，分析時(shí)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(dòng)作方式下，對(duì)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(shí)在挖掘機(jī)挖掘過程中，由于地質(zhì)原因或者其它外界因素影響會(huì)使挖掘過程出現(xiàn)偏載狀態(tài)。考慮到單斗液壓挖掘機(jī)鏟斗寬度相對(duì)于整機(jī)寬度相對(duì)較小，在鏟斗強(qiáng)度和剛度保證的情況下，偏心載荷對(duì)整機(jī)的影響相對(duì)子對(duì)稱載荷差別不大，因此本論文只對(duì)對(duì)稱載荷做仿真分析。 針對(duì)一個(gè)作業(yè)循環(huán)，在ADAMS軟件中對(duì)對(duì)稱載荷的作用仿真如下： 添加驅(qū)動(dòng) 挖掘機(jī)在復(fù)合工況作業(yè)下，作業(yè)動(dòng)作分為挖掘、抬臂回轉(zhuǎn)、卸料和回轉(zhuǎn)降臂四個(gè)環(huán)節(jié)，而在挖掘環(huán)節(jié)，挖掘阻力對(duì)于鏟斗來說情況復(fù)雜，完全真實(shí)的描述比較困難，因此在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，要進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。對(duì)于對(duì)稱載荷來說，假設(shè)外載荷沿切削刃均勻分布，此時(shí)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(jī)工作裝置運(yùn)動(dòng)的原動(dòng)力，故在液壓缸筒和活塞桿之間添加驅(qū)動(dòng)，各個(gè)油缸和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)置如下： 定義動(dòng)臂油缸上的驅(qū)動(dòng)方程STEP函數(shù)為：STEP(time，0，0，1，500)+STEP(time，1，0，2，450)+STEP(time，2，0，3．2，0)+STEP(time，3．2，0，5，200)+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(dòng)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(dòng)方程STEP函數(shù)為： STEP(time，0，614，1，614)+STEP(time，1，0，2，200)+ STEP(time，2，0，3．2，264)+STEP(time，3．2，0，5，50)+ STEP(time，5，0，10，100)+STEP(time，10，0，12，0)+ STEP(time，12，0，14，690)+STEP(time，14，0，16，0) 定義回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副上的驅(qū)動(dòng)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) 各個(gè)液壓缸和回轉(zhuǎn)副上的驅(qū)動(dòng)函數(shù)曲線如圖5151514所示。 施加載荷 挖掘機(jī)在復(fù)合動(dòng)作作業(yè)方式下，挖掘阻力可以分為切向挖掘阻力和法向挖掘阻力，根據(jù)查找資料得到的切向挖掘阻力和法向挖掘阻力數(shù)值，在仿真過程中，將兩種挖掘阻力寫成函數(shù)表示如下： 切向阻力Wl的函數(shù)表達(dá)式為： STEP(time，2，0，3．2，30000)+STEP(time，3．2，0，5．30000) 法向阻力W2的函數(shù)表達(dá)式為： STEP(time，2，0，3．2，10000)+STEP(time，3．2，0，5，10000) 挖掘機(jī)在挖掘過程中，物料重力是逐漸增加的，在卸載過程中又逐漸減少，并在卸載結(jié)束，物料全部卸掉，重力減為零，物料重受多種因素影響（物料類別、干稀程度等）所以在仿真過程中，將物料重力寫成函數(shù)表示如下： 物料重力G的表達(dá)式為： STEP(TIME，2，0，3．2，6000)+STEP(TIME，3．2，0，12，0)+ STEP(TIME，12，0，14，6000) 根據(jù)以上設(shè)定，不考慮土壤阻力和摩擦力，挖掘機(jī)外載荷切向挖掘阻力Wl、法向挖掘阻力W物料重力G的函數(shù)曲線如圖416。圖416仿真外載荷函數(shù)曲線　仿真分析及結(jié)果后處理設(shè)定仿真分析類型為運(yùn)動(dòng)學(xué)(Kinematic)，設(shè)置仿真時(shí)間為16秒，仿真步數(shù)為1000，其中挖掘機(jī)的準(zhǔn)備時(shí)間(挖掘機(jī)調(diào)整姿勢(shì))為1秒，挖掘作業(yè)時(shí)間(作業(yè)循環(huán)時(shí)間)為15秒，開始仿真分析。仿真結(jié)束后，查看仿真結(jié)果。播放仿真動(dòng)畫。為分析需要，可以方便地利用ADAMS/view中的Build/Measure工具建立所關(guān)心的測(cè)量，此處建立斗齒尖上一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的X、Y、Z方向上的位移測(cè)量。鏟斗斗齒尖的位移曲線如圖417所示。圖417 鏟斗斗齒尖的位移曲線 從鏟斗斗齒尖在Y、Z平面內(nèi)的位移曲線圖可以看出，如圖417所示，液壓挖掘機(jī)的鏟斗斗齒尖標(biāo)記點(diǎn)的位移是隨著工作裝置各油缸運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的變化而變的，符合挖掘機(jī)復(fù)合動(dòng)作作業(yè)方式的工作特點(diǎn)，與實(shí)際工作的情況是一致的。由圖可以看出，液壓挖掘機(jī)從進(jìn)入挖掘地點(diǎn)開始，到整個(gè)挖掘過程的結(jié)束，再到動(dòng)臂提升到一定高度，即回轉(zhuǎn)馬達(dá)開始回轉(zhuǎn)之前，鏟斗斗齒尖標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡主要發(fā)生在豎直平面內(nèi)，從仿真得出的結(jié)果看，即X方向上位移不變；在回轉(zhuǎn)過程中，鏟斗斗齒尖標(biāo)記點(diǎn)在空間范圍內(nèi)變化，從圖上看，就是X方向位移、Y方向位移和Z方向位移都不斷在變化；在回轉(zhuǎn)結(jié)束，卸載開始，直至卸載完成，鏟斗斗齒尖標(biāo)記點(diǎn)Y方向位移不變，從圖上看，即這段時(shí)間內(nèi)，Y方向位移變化曲線為一直線。從卸載完成后返回工作地點(diǎn)，鏟斗斗齒主要在空間范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，即X方向位移、Y方向位移和Z方向位移都在不斷變化。ADAMS可以自動(dòng)計(jì)算出剛體之間的作用力，即約束副上各剛體之間的約束力，然后切換到ADAMS中的求解后處理器(ADAMS/PostProcessor)模塊，觀察各構(gòu)件鉸接點(diǎn)的力學(xué)特性曲線。這里只列出了主要構(gòu)件的鉸接點(diǎn)的力學(xué)特性曲線。如圖418所示。如圖418 液壓缸受力變化曲線 動(dòng)臂液壓缸、斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸在作業(yè)過程中的受力情況如圖518所示。可以看出三個(gè)液壓缸受力在0～2秒內(nèi)波動(dòng)明顯，這是因?yàn)榍?秒為挖掘機(jī)姿勢(shì)調(diào)整的準(zhǔn)備時(shí)間，并且是三個(gè)油缸同時(shí)動(dòng)作。鏟斗開始挖掘時(shí)，受到法向阻力、切向阻力和物料重力的作用，三個(gè)油缸所受的作用力都在增大，并在挖掘合阻力最大時(shí)，斗桿油缸和鏟斗油缸推力達(dá)最大值，隨后開始減小，動(dòng)臂油缸在挖掘開始時(shí)是大腔受壓，隨著挖掘阻力的增大，小腔逐漸受壓，所以動(dòng)臂油缸大腔是先受壓，再受拉力作用，即此時(shí)動(dòng)臂油缸小腔受壓，動(dòng)臂油缸大腔受力在減小，與圖示相符。之后動(dòng)臂開始提升，回轉(zhuǎn)馬達(dá)回轉(zhuǎn)。動(dòng)臂在提升過程中，只受物料重力作用，所以動(dòng)臂缸受力一直在高位，并且在50kN附近上下波動(dòng)。從卸載開始，斗桿油缸、鏟斗油缸受力在一直減小。在卸料完成后，斗桿油缸和鏟斗油缸在收縮，斗桿和鏟斗的重心在提高，使動(dòng)臂油缸受力增大；回轉(zhuǎn)開始，動(dòng)臂油缸要提升一段距離，使鏟斗與卡車等設(shè)備不碰撞，工作裝置達(dá)到復(fù)合動(dòng)作工作最高點(diǎn)時(shí)，動(dòng)臂油缸受力繼續(xù)增大，此后動(dòng)臂油缸收縮，回轉(zhuǎn)到挖掘地點(diǎn)，開始下一次挖掘作業(yè)循環(huán)，動(dòng)臂油缸受力隨之減小，與實(shí)際工況相符。圖419所示為動(dòng)臂與平臺(tái)鉸接處的力學(xué)特性曲線圖419動(dòng)臂與平臺(tái)鉸接處受力變化曲線 從圖419上可以看出，Y方向、Z方向受力在0到2秒內(nèi)，即挖掘開始前，震蕩激烈；在進(jìn)入挖掘狀態(tài)后，合力隨著挖掘合阻力的增大而增大，隨著挖掘合阻力達(dá)到最大值，動(dòng)臂與平臺(tái)鉸接處的合力也達(dá)到峰值，隨后進(jìn)入抬臂回轉(zhuǎn)階段，此時(shí)物料重力基本保持不變，合力在40kN附近上下波動(dòng)：在卸料階段，隨著外載荷被卸掉合力也在減小，直到卸料完成，隨后進(jìn)入抬臂回轉(zhuǎn)，合力大小又開始增加，接著下一個(gè)工作循環(huán)開始。動(dòng)臂與平臺(tái)鉸接處仿真受力結(jié)果分析與現(xiàn)實(shí)相符。圖4圖421所示分別為斗桿與動(dòng)臂鉸接處的力學(xué)特性曲線和鏟斗與斗桿鉸接處的力學(xué)特性曲線。圖420 斗桿與動(dòng)臂鉸接處受力變化曲線圖421 鏟斗與斗桿鉸接處受力變化曲線對(duì)比圖4421兩圖可以看出，兩鉸接處的受力變化在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)趨勢(shì)一致，合力都是在挖掘開始時(shí)，隨著挖掘阻力的增大而增大，在挖掘合阻力達(dá)到最大時(shí)，斗桿與動(dòng)臂鉸接處、鏟斗與斗桿鉸接處的合力都達(dá)到最大值，隨后隨著挖掘合阻力的減小而變小，直到進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。在卸載過程中，鏟斗與斗桿鉸接出的合力大大減小，而斗桿與動(dòng)臂鉸接處的合力有所減小，但不明顯，這說明外載荷相對(duì)于構(gòu)件本身對(duì)鏟斗與斗桿處鉸接點(diǎn)的約束反力影響較大，與現(xiàn)實(shí)情況相符。 圖42圖423所示分別為動(dòng)臂各鉸接處受力變化曲線和斗桿各鉸接處受力變化曲線。圖422 動(dòng)臂各鉸接處受力變化曲線圖423 斗桿各鉸接處受力變化曲線圖42圖423所示分別為動(dòng)臂各鉸接處受力變化曲線和斗桿各鉸接處受力變化曲線。由曲線圖可知，即挖掘過程中挖掘合阻力最大時(shí)，與工作裝置外載荷峰值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)一致，符合實(shí)際情況。而在整個(gè)作業(yè)循環(huán)過程中，各鉸接處約束反力最大值出現(xiàn)在動(dòng)臂與斗桿鉸接處，且是在挖掘阻力最大時(shí)，因此，此處是挖掘過程中的易受損部位，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)充分考慮強(qiáng)度和剛度的影響。需要注意的是：動(dòng)臂與平臺(tái)連接軸(簡(jiǎn)稱為動(dòng)臂軸)較易損壞。在最大卸載半徑下、滿斗回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)臂軸既承擔(dān)了工作裝置的重量，又受到工作裝置離心力及回轉(zhuǎn)慣性力等的作用，所以該動(dòng)臂軸所受彎曲應(yīng)力較大。如果該軸表面光潔度小，采用普通材料且對(duì)其表面僅作簡(jiǎn)單處理，將大大降低軸的疲勞強(qiáng)度。因?yàn)檫@會(huì)造成軸表面產(chǎn)生細(xì)微裂紋，加速軸的疲勞破壞過程，所以該動(dòng)臂軸應(yīng)選用高強(qiáng)度合金鋼，并對(duì)表面進(jìn)行特殊處理，使軸得到強(qiáng)化，從而提高軸的疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)使用壽命。第5章 總結(jié)目前，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和分析中采用虛擬樣機(jī)技術(shù)成為當(dāng)前工程機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展方向和應(yīng)用趨勢(shì)。在工程機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)可以不必制作物理樣機(jī)，僅通過計(jì)算機(jī)建立的機(jī)械系統(tǒng)的三維實(shí)體模型和力學(xué)模型就可對(duì)產(chǎn)品的部分性能進(jìn)行分析和評(píng)估，這樣為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)改進(jìn)和實(shí)際制造提供了參考和依據(jù)。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)可以大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本。論文在對(duì)液壓挖掘機(jī)的建模、仿真和分析過程中，主要做了以下幾個(gè)方面的工作：1． 利用三維實(shí)體設(shè)計(jì)軟件PRO/ENGIEER建立了液壓挖掘機(jī)工作裝置的虛擬樣機(jī)模型，并將其導(dǎo)入到動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS環(huán)境中。實(shí)踐證明，在PRO/E中建立的虛擬樣機(jī)模型，利用接口技術(shù)可以快速、準(zhǔn)確地導(dǎo)入到ADAMS環(huán)境中，并能很好地保留樣機(jī)零件的信息數(shù)據(jù)，這樣利于在ADAMS軟件中進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的仿真。2．在PRO/E環(huán)境中利用PRO/E的族表功能對(duì)挖掘機(jī)的動(dòng)臂進(jìn)