悬挂式液压挖掘机工作装置仿真分析.pdf

第29卷第 1 入 刃 8 年1 期 月 煤 C o 司 Mi l l e 机械 M舰hine」 脚 J 七 妞 】 . 加 No . 1 。2 0 0 8 悬挂式液压挖掘机工作装置仿真分析 李洪喜. 李艾民，曹兆富 中国矿业大学 机电工程学院，江苏 徐州 221 仪 饱 摘要 对悬挂式液压挖掘机的工作装置进行仿真， 结合其实际作业特点应用 工作装置模型， 并对作业过程进行运动学仿真研究， 详细分析各部件工作过程状况。 法对于其他机械系 统的仿真分析具有理论参考意义。 关键词 仿真技术; Pro/ E; 挖掘机 中图分类号 T U 6 2 1 文献标志码 A 文章编号 1 X3 一 0794 2 X8 01. X 科 5 一 02 P m / E建立其 建模及分析方 A nal y si s o f H a n g 1 n gH y dra ul i cExc a v a t 0 r A t tac h me n tsS imulatio n IJ H 血 堪一 劝. U AI一 n d n ， C A OZ hao 一 加 肠U e 罗ofD ec 苗 cal 助d M ec h 画cal E ngineen ngC h i naU 址 ve rsityofM i ni nga n d lT 亡 c h n o l o 留， X 园lo u 221 田8 . Chi na A 加 坛 ac t H an gi ngonth o h 州 m 己 i c e x c a v a t0 r workingd evicesi m ul a t i on， c o l汕i n edwi thitsopelation al ofP 功/ Em edelfo r il l ee s t abl i s h m e n t of i ts 朋 习 y s i s oft h e c o m pol l e nts ofth e p 找 犯 es s . stu街， a d e ta i led o ther r n e c h ani c al sy s t e ms i n 犯 l at i o nofthethe o r e ti c al refe r e n c e w o lkand o pera t i n g P 找 兄 e s s k i n e IT la t i c s s i m u l at ion 如犯 n g th e m e th 记 s ed e li ngan d an al y s isof ，ev alu e . 地y 叭 . 八 15 si l n u l ationt ec hnol o gy; P ro / E; exca v a t o r 0 引言 近年来， 集挖掘和装载功能于一体的液压挖掘 机在基础建设和民用建筑建设中的使用与日 俱增。 由于液压挖掘机的工作条件比较恶劣， 工作装置故 障较多， 造成整机工作可靠性较差。因此挖掘机的 可靠性和最优化设计成为国产挖掘机设计的重点和 难点。 本文以悬挂式挖掘机为例， 探讨在 P ro / E软件 环境下对挖掘机工作装置进行三维实体建模、 虚拟 装配、 运动仿真， 为挖掘机物理样机的制造、 新机型 设计方案的评估提供有效参考数据。 1 三维零件模型的建立 首先要判断设计目 标的特征组成， 哪些特征作 为基本特征， 哪些是辅助特征， 然后决定各个特征的 创建顺序， 先创建基本特征， 将辅助特征如孔、 倒角 等放在最后处理。在建模过程中， 适当添加点、 线、 面以及坐标轴等基准特征， 可使作图变得快速有效。 该挖掘机的零件主要包括 底盘、 驾驶室、 动臂、 斗杆、 铲斗、 液压缸、 连杆和销等。由于本文将主要 进行挖掘机工作装置的运动学分析， 因此， 对驾驶室 及回 转平台只是勾画出外部形状， 而内部细节并未 详细绘制。 2 零件的装配 完成各零件建模后， 在组件模式下进行装配。 要用机构模块对组件进行运动仿真， 组件之间就要 有相对运动。因此， 在进行组件组装时， 不能锁死， 而是要部分约束。所谓部分约束并不是组装不完 全， 而是根据各组件的运动形态及彼此间的相对运 动情况， 通过对各种连接的设定， 来限制组件运动的 自由度。 因此， 该挖掘机采用如下装配方法 底盘的上下 盘及其竖肋之间采取位置约束; 驾驶室与动臂的连 接， 动臂与斗杆的连接、 斗杆与铲斗连接、 连杆与斗 杆的连接、 液压缸缸体及活塞杆与轴的连接均采用 连接约束方式的“ 销轴” 约束; 各液压缸缸体和活塞 杆之间、 驾驶室与底盘之间的连接采用连接约束方 式的“ 圆柱” 约束。 3 定义驱动 机构的运动仿真主要通过以下步骤进行 1对 装配好的机构模型建立伺服电机， 使机构产生一定 形式的运动; 2运行一个机构分析其运动， 产生可 视化的机构运动过程， 保存运动分析结果; 3分析 测量获取数据， 绘制图形， 同时输出分析结果。在此 过程中， 还要对连接轴进行设置， 并初始化运动条 件。 在P ro / E 的机构模块下， 分别在底盘与驾驶室 之间， 驾驶室与动臂之间， 动臂与斗杆之间， 斗杆与 铲斗之间施加4 对共8 个伺服电动机。每对伺服电 动机之间的运动是反向的。伺服电动机建立方式如 下 万方数据 Vo l . 2 9 No . 1悬挂式液压挖掘机工作装置仿真分析李洪喜， 等第29卷第 1 期 止。以上结果与实际情况基本符合。 6 结语 应用P ro / E 软件进行了悬挂式挖掘机主要零件 的三维建模， 规划了该机构的装配序列， 并在P ro/E 环境下完成了虚拟装配。最后对装配模型进行了运 动仿真， 从而能够发现装配中可能存在的问题。虚 拟装配技术从根本上改变了传统的产品设计、 制造 模式。应用虚拟装配技术， 人们可以在制造产品前 对其可装配性和使用性能等进行分析， 使得许多需 要在样机试制后才能发现的问题得以提前发现， 从 而实现最优化设计， 进而缩短产品设计和制造周期， 降低开发成本， 增强快速响应市场变化的能力。 6 咧姗4 照 护一一滚下一，扩升一咬产一 时间 t / 5 图1 斗齿部位的位置一时间曲线 1 02 03 0 1 / 5 斗齿部位的速度一时间曲线 3 04 050 3sH。取粼叫叫砰沫。 引99999393 826跪262666 44242貂42那朋 1打开驱动定义窗口 毋 ， 单击[ 新建〕 ， 定义 动力源， 并打开定义窗口。 2 在类型标签的从动图源下面选择“ J oi niA x l s 连接轴 ” ， 然后用鼠 标点选的联接轴。 3点击轮廓标签， 定义驱动关节的驱动特性和 数字， 选取速度型驱动， 在Initi 以n g l e 初始角度 栏 内 选取当前， 在模式栏内选取常数， 输人速度值 该 数值可根据实际情况而定 。 4 定义运动 完成定义联接、 定义动力源后， 就需要定义运动 了。一个完整的挖掘机作业循环包括 降臂、 挖掘、 提臂、 回转、 卸载、 回 转并降臂。因此， 定义运动最主 要就是要解决好各个电动机的启动及终止时间。运 动建立方式 1 打开定义运动窗口， 单击[ 新建] ， 在类型栏 选择“ 运动学” 。 2设置运动的开始和结束时间和祯频。 3单击“ 电动机” 标签， 设置各个电动机的启动 及终止时间 该数值可根据实际情况而定 。 4设置完成后单击[ 运行] ， 检查运动。 通过以上设定， 并运行上述动作设定， 可得出挖 掘机初始状态、 挖掘、 提臂、 回转、 卸载和回转并降臂 等工作状态模拟。 5 结果分析 机构的回 放菜单， 可以对模型进行干涉检查， 既 可检查2 个零件之间是否产生干涉， 也可以进行全 局干涉检查， 并可将整个运动分析结果保存， 方便在 以 后的进程中打开; 在动画菜单中还可将分析结果 捕获为影像， 可随时观看运动分析动画; 测量菜单可 以 对模型中的任意点或轴进行位移、 速度、 加速度测 量， 还可以测量支反力、 轴向力、 径向力等; 而运动分 析菜单可以对部件运动的轨迹曲线以及运动包络线 进行描绘。 通过全局干涉检查， 判断该挖掘机工作装置不 存在干涉问题。 本文以挖掘机铲斗中齿的齿尖部位作为研究对 象， 分析其运动位置、 速度、 加速度与时间的关系， 仿 真分析结果如图1 、 图2 、 图3 所示。从图1 中可以 看出， 铲斗在整个挖掘机挖掘过程中， 其位置 相对 底盘位置 在不停地变化， 拐点的位置发生在挖掘各 个不同的工况位置。从图2 和图3 中可以看出， 只 有在铲斗油缸动作时， 即铲斗运动时， 斗齿部位才有 速度、 加速度的变化， 其他时刻铲斗相对于斗杆为静 侧 瑕 后 t / 5 图3 斗齿部位的加速度一时间曲线 参考文献 【 1 〕 孙江宏， 黄小龙， 罗坤， 等. P n 刀 产E N GIN E E RZ ool 虚拟设计与装配 〔 M 〕 . 北京 中国 铁道出版社， 2 加3 . 【 2 」 宁汝新， 郑轶. 虚拟装配技术的研究进展及发展趋势分析[ J 〕 . 中 国机械工程， 2 X5 ， 1 6 1 5 1 3 9 8 一 1 粼 3 . 作者简介 李洪喜 1 9 83一 ， 江苏徐州人， 中国矿业大学机电学 院 机械电 子 研究方向05级硕 士 研究生， 电 子 信箱 h 。 田 1 婴 任 一 1 03 1 63 . C o n l . 收稿日期 2 朋7 一 的一 01 万方数据