【導讀】在當今經(jīng)濟全球化、市場競爭日趨激烈的時代，在新產(chǎn)品的開發(fā)時間逐漸縮短的同時，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。挖掘機作為一種高效的施工設(shè)備，在當今中國大規(guī)模的現(xiàn)代化建設(shè)中發(fā)揮著重要用，液壓挖掘機具有多品種，多功能，高質(zhì)量及高效率等特點，受到了廣大施工作業(yè)單位的青睞。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。然后將整個模型導入到多體動力學仿真分析軟件ADAMS中，建立虛擬樣機模型，對挖掘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(shù)引入到挖掘機設(shè)計分析領(lǐng)域，提高產(chǎn)品的設(shè)計效率和設(shè)計質(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，隨著電子計算機的快速發(fā)展，有限元分析技術(shù)和虛擬樣機技術(shù)在挖掘機的設(shè)計和開發(fā)過程中得到了廣泛使用，國內(nèi)外的研究人員對此也做了大量的研究工作與探索。當前，國際上挖掘機的生產(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，復合動作工作方式下，斗齒尖的運動軌跡如圖415所示。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(qū)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(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，復合動作方式在高效的挖掘作業(yè)中應用極為普遍。 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(gòu)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(gòu)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(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(nèi)，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(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)?？紤]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(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： 定義動臂油缸上的驅(qū)動方程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，2，0，3．2，264)+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) 各個液壓缸和回轉(zhuǎn)副上的驅(qū)動函數(shù)曲線如圖5151514所示。 施加載荷 挖掘機在復合動作作業(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)表達式為： STEP(time，2，0，3．2，10000)+STEP(time，3．2，0，5，10000) 挖掘機在挖掘過程中，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動學(Kinematic)，設(shè)置仿真時間為16秒，仿真步數(shù)為1000，其中挖掘機的準備時間(挖掘機調(diào)整姿勢)為1秒，挖掘作業(yè)時間(作業(yè)循環(huán)時間)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)心的測量，此處建立斗齒尖上一個標記點的X、Y、Z方向上的位移測量。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，液壓挖掘機的鏟斗斗齒尖標記點的位移是隨著工作裝置各油缸運動驅(qū)動的變化而變的，符合挖掘機復合動作作業(yè)方式的工作特點，與實際工作的情況是一致的。由圖可以看出，液壓挖掘機從進入挖掘地點開始，到整個挖掘過程的結(jié)束，再到動臂提升到一定高度，即回轉(zhuǎn)馬達開始回轉(zhuǎn)之前，鏟斗斗齒尖標記點的運動軌跡主要發(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，鏟斗斗齒尖標記點在空間范圍內(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，鏟斗斗齒尖標記點Y方向位移不變，從圖上看，即這段時間內(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，鏟斗斗齒主要在空間范圍內(nèi)運動，即X方向位移、Y方向位移和Z方向位移都在不斷變化。ADAMS可以自動計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)件鉸接點的力學特性曲線。這里只列出了主要構(gòu)件的鉸接點的力學特性曲線。如圖418所示。如圖418 液壓缸受力變化曲線 動臂液壓缸、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?？梢钥闯鋈齻€液壓缸受力在0～2秒內(nèi)波動明顯，這是因為前2秒為挖掘機姿勢調(diào)整的準備時間，并且是三個油缸同時動作。鏟斗開始挖掘時，受到法向阻力、切向阻力和物料重力的作用，三個油缸所受的作用力都在增大，并在挖掘合阻力最大時，斗桿油缸和鏟斗油缸推力達最大值，隨后開始減小，動臂油缸在挖掘開始時是大腔受壓，隨著挖掘阻力的增大，小腔逐漸受壓，所以動臂油缸大腔是先受壓，再受拉力作用，即此時動臂油缸小腔受壓，動臂油缸大腔受力在減小，與圖示相符。之后動臂開始提升，回轉(zhuǎn)馬達回轉(zhuǎn)。動臂在提升過程中，只受物料重力作用，所以動臂缸受力一直在高位，并且在50kN附近上下波動。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，使動臂油缸受力增大；回轉(zhuǎn)開始，動臂油缸要提升一段距離，使鏟斗與卡車等設(shè)備不碰撞，工作裝置達到復合動作工作最高點時，動臂油缸受力繼續(xù)增大，此后動臂油缸收縮，回轉(zhuǎn)到挖掘地點，開始下一次挖掘作業(yè)循環(huán)，動臂油缸受力隨之減小，與實際工況相符。圖419所示為動臂與平臺鉸接處的力學特性曲線圖419動臂與平臺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，隨著挖掘合阻力達到最大值，動臂與平臺鉸接處的合力也達到峰值，隨后進入抬臂回轉(zhuǎn)階段，此時物料重力基本保持不變，合力在40kN附近上下波動：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，隨后進入抬臂回轉(zhuǎn)，合力大小又開始增加，接著下一個工作循環(huán)開始。動臂與平臺鉸接處仿真受力結(jié)果分析與現(xiàn)實相符。圖4圖421所示分別為斗桿與動臂鉸接處的力學特性曲線和鏟斗與斗桿鉸接處的力學特性曲線。圖420 斗桿與動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比圖4421兩圖可以看出，兩鉸接處的受力變化在一個工作循環(huán)內(nèi)趨勢一致，合力都是在挖掘開始時，隨著挖掘阻力的增大而增大，在挖掘合阻力達到最大時，斗桿與動臂鉸接處、鏟斗與斗桿鉸接處的合力都達到最大值，隨后隨著挖掘合阻力的減小而變小，直到進入下一個工作循環(huán)。在卸載過程中，鏟斗與斗桿鉸接出的合力大大減小，而斗桿與動臂鉸接處的合力有所減小，但不明顯，這說明外載荷相對于構(gòu)件本身對鏟斗與斗桿處鉸接點的約束反力影響較大，與現(xiàn)實情況相符。 圖42圖423所示分別為動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，與工作裝置外載荷峰值出現(xiàn)的時間點一致，符合實際情況。而在整個作業(yè)循環(huán)過程中，各鉸接處約束反力最大值出現(xiàn)在動臂與斗桿鉸接處，且是在挖掘阻力最大時，因此，此處是挖掘過程中的易受損部位，設(shè)計計算時應充分考慮強度和剛度的影響。需要注意的是：動臂與平臺連接軸(簡稱為動臂軸)較易損壞。在最大卸載半徑下、滿斗回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動時，動臂軸既承擔了工作裝置的重量，又受到工作裝置離心力及回轉(zhuǎn)慣性力等的作用，所以該動臂軸所受彎曲應力較大。如果該軸表面光潔度小，采用普通材料且對其表面僅作簡單處理，將大大降低軸的疲勞強度。因為這會造成軸表面產(chǎn)生細微裂紋，加速軸的疲勞破壞過程，所以該動臂軸應選用高強度合金鋼，并對表面進行特殊處理，使軸得到強化，從而提高軸的疲勞強度，延長使用壽命。第5章 總結(jié)目前，在產(chǎn)品設(shè)計和分析中采用虛擬樣機技術(shù)成為當前工程機械制造業(yè)的發(fā)展方向和應用趨勢。在工程機械產(chǎn)品設(shè)計完成后，利用虛擬樣機技術(shù)可以不必制作物理樣機，僅通過計算機建立的機械系統(tǒng)的三維實體模型和力學模型就可對產(chǎn)品的部分性能進行分析和評估，這樣為產(chǎn)品的設(shè)計改進和實際制造提供了參考和依據(jù)。利用虛擬樣機技術(shù)可以大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本。論文在對液壓挖掘機的建模、仿真和分析過程中，主要做了以下幾個方面的工作：1． 利用三維實體設(shè)計軟件PRO/ENGIEER建立了液壓挖掘機工作裝置的虛擬樣機模型，并將其導入到動力學仿真軟件ADAMS環(huán)境中。實踐證明，在PRO/E中建立的虛擬樣機模型，利用接口技術(shù)可以快速、準確地導入到ADAMS環(huán)境中，并能很好地保留樣機零件的信息數(shù)據(jù)，這樣利于在ADAMS軟件中進行機械系統(tǒng)的仿真。2．在PRO/E環(huán)境中利用PRO/E的族表功能對挖掘機的動臂進