铲液压挖掘机工作装置虚拟样机研究.pdf

专题研究 S P E C I A LR E S E A R C H 大型正铲液压挖掘机工作装置虚拟样机研究 白玉琳，陈进，李世六，侯沂 重庆大学机械工程学院，重庆4 0 0 0 3 0 [ 摘要] 用P R 0 ／E 软件建立了正铲液压挖掘机虚拟样机模型，用A D A M S 软件对其工作装置进行了运 动学和动力学仿真分析，有效地避免了物理样机开发模式存在的缺陷，缩短了产品的开发周期，提高r 产 品的设计质量。最后对制造的物理样机进行了测试，并对比分析r 试验测试数据，为正铲液压挖掘机物理 样机的制造和新机型设计方案的评估提供了有效参考数据。 [ 关键词] 正铲液压挖掘机；工作装置；虚拟样机；运动学和动力学仿真 [ 中图分类号] T D 4 2 2 ．2[ 文献标识码] B[ 文章编号] 1 0 0 1 5 5 4 X 2 0 0 8 0 7 0 0 8 1 0 4 V i r t u a lp r o t o t y p i n gr e s e a r c ho fl a r g eh y d r a u l i cf a c e - s h o v e lw o r k i n gd e v i c e B A Iy u - l i n ，C H E NJ i n ，L IS h i l i u ，H O UY i 大型正铲液压挖掘机的工作装置是由回转机构、 动臂、斗杆、铲斗等多个构件组成的串联开链机构， 具有构造简单、操作方便、运动灵活等优点，得到 越来越广泛的应用。大型正铲液压挖掘机过去基本 沿用类比作图法进行设计，工作烦琐、设计精度低、 周期长，且不易获得各项性能指标都比较满意的方 案，因此正铲液压挖掘机的开发通常需要用物理样 机来评价整机的综合性能，生成周期长、成本高、 修改困难[ 1 ] 。目前，已有不少企业和研究机构对反 铲挖掘机的工作装置进行了虚拟样机研究，但对大 型正铲矿用液压挖掘机的研究很少。 本文用P R O ／E 软件建立了正铲液压挖掘机虚 拟样机模型，用A D A M S 软件对工作装置进行仿 真分析，有效地避免了物理样机开发模式存在的 缺陷，使产品的开发周期缩短，设计质量得到提 高。通过对制造的物理样机进行测试，对比分析 了试验测试数据，说明该方法可满足设计要求， 同时为正铲液压挖掘机物理样机的制造和新机型 设计方案的评估提供了有效的参考数据。 1 虚拟样机模型的建立与仿真 1 ．1 正铲挖掘机虚拟样机模型的建立 正铲液压挖掘机是由回转机构、动臂、斗杆、 铲斗、动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸、开斗油缸、 底盘等构件组成。以C E 7 5 0 正铲液压挖掘机为例， 采用P R 0 ／E 软件对正铲液压挖掘机组成零件进行三 维建模，然后以底盘为基础进行虚拟样机模型装配。 正铲液压挖掘机三维装配及运动仿真模型见图1 。 1 ．2 模型转化 利用M S C 公司开发的与P R O ／E 软件的专用 接口M E C H ／P R O ，将在P R O ／E 建立的整机模型 导人仿真软件A D A M S 中。导入A D A M S 中的液 压挖掘机虚拟样机需要重新给各个零件施加约束， 结合实际在开斗油缸、铲斗油缸、斗杆油缸和动 臂油缸上共定义了4 个移动副，在回转底座与行走 机构之间定义了1 个转动副，在其他刚体各铰接点 位置分别定义了4 个转动副、4 个圆柱副、4 个球 形副和2 个固定副。 1 ．3 添加驱动 在油缸缸筒和油缸活塞杆之间直接添加移动 驱动。由于4 组油缸的对称性，故将油缸的驱动定 义在中性面上，共计施加4 个移动驱动；在回转平 台与行走机构之间的转动副上施加1 个旋转驱动。 经过样机模型校核，机构的自由度为5 ，没有冗余 约束，样机正确。建立的虚拟样机模型和样机检 验结果如图1 所示[ 2 ] 。 [ 收稿日期] 2 0 0 8 0 3 2 1 [ 通讯地址] 白玉琳，重庆大学机械传动国家重点实验 室5 2 1 建筑机械2 0 0 8 ．0 7 上半月刊万方数据 专题研究 S P E C I A LR E S E A R C H 图l 挖掘机虚拟样机模型 2 仿真分析 2 ．1 运动学仿真 从正铲液压挖掘机的2 个典型工况加以说明。 2 ．1 ．1 挖掘范围的仿真 将开斗油缸锁定，然后把动臂、斗杆、铲斗3 组油缸从全缩状态运动到全伸状态，从而得到挖掘 机的挖掘范围包络图。选取斗齿尖一m a k e r 点，追 踪其运动轨迹，运行仿真后得到的挖掘机的挖掘轨 迹包络图如图2 所示，测量该点X 方向和y 方向的 位移，进入筒煳的后处理界面，依据定义可以 得到挖掘机的几个主要作业尺寸。斗齿尖某点的X 方向和y 方向位移图如图3 所示，其中实线表示X 方向位移曲线变化图，虚线表示y 方向位移曲线变 化图。各作业尺寸的具体数值见表1 。 表1 工作装置主要作业范围参数 A D A M S 软件设计值／ 项目 测试值／m mm m 停机面最大挖掘半径 8 7 3 78 8 5 2 最大挖掘高度 1 0 8 8 11 0 7 】1 最大挖掘深度 2 6 4 92 6 5 9 最大挖掘半径 9 3 7 39 2 6 2 最大卸载高度 7 5 6 27 5 8 5 分析表中数据可以看出，正铲液压挖掘机虚 拟样机模型仿真数据与设计值基本相等，说明建 立的模型和仿真方法是正确的。 1 0 0 7 5 E5 0 E 簿2 5 掣O - 2 5 - 5 0 图2 挖掘轨迹包络图 ／＼ ＼＼ 、 l ／Il 、l ／、、 、 ／ { i／P＼ 、 V 024681 01 2141 61 82 02 2 2 4 2 6 时间／s 1 ．X 方向位移变化曲线2 ．y 方向位移变化曲线 图3 斗齿尖某点的x 方向和l ，方向位移图 2 ．1 ．2 工作装置水平推压仿真 本文所研究的正铲液压挖掘机工作装置属于 挖掘装载装置，与普通正铲的主要区别在于它以 实现水平直线挖掘为主。所谓水平直线挖掘轨迹， 一是要求铲斗斗齿在挖掘过程中能沿水平地面作 直线运动，二是要求斗的切削角 或者斗底对地 面的夹角d 保持不变。本文所研究的液压挖掘机 采用水平推压技术，可使铲斗在停机面上作水平 直线运动。它把铲斗缸直接铰接在动臂端部，使 斗杆、铲斗缸、动臂上端部、底卸斗等4 部分组成 一个近似平行四边形机构，另外通过液压回路的 控制，可使动臂和铲斗在斗杆推压时实现浮动， 从而实现水平直线作业。 鉴于水平推压过程是该类型挖掘机的主要挖掘工 况之一，本文对该过程进行了虚拟样机的动态仿真。 选取斗齿尖一标记点m a k e r 一1 2 2 ，测量其y 建筑机械2 0 0 8 ．0 7 上半月刊 万方数据 方向的位移，如图4 所示，可以看出在整个推压过 程中其y 坐标值基本保持不变，说明所设计的正 铲液压挖掘机能较好完成整个水平推压运动过程。 E 一 乓 簿一 q 一 } ＼ ＼ ＼ ＼ ＼ I ＼_ Ol234567890l l1 2 时间／s 图4 斗齿尖m a k e r 一1 2 2 标记点y 方向的位移图 2 ．2 动力学仿真 正铲液压挖掘机的发展较晚，相关理论的研 究也很少，且由于其挖掘过程的复杂性，造成对 挖掘阻力直接分析非常困难。目前国内外还没有 关于矿用正铲液压挖掘机挖掘阻力的经验公式可 循[ 3 5 ] ，因此正铲液压挖掘机的动力学仿真，不能 像反铲那样依据有关理论公式计算出的挖掘阻力 值，在仿真时作为已知载荷添加以实现整个仿真 过程。本文将某7 0 t 级矿用正铲液压挖掘机进行现 场测试所得到的挖掘阻力值，作为仿真的已知载 荷，完成挖掘机的动力学仿真。 2 ．2 ．1 挖掘阻力的获取[ 6 ] 在工地现场应用同步测试法对某7 0 t 级矿用正 铲液压挖掘机正常挖掘过程进行了测试。令舅、0 2 、 岛分别表示动臂、斗杆及铲斗相对于上一级构件 即转台、动臂、斗杆 的转角，测试时用3 个 H Y 6 5 一D 型角位移传感器采集0 1 、0 2 、岛，通过 R S 2 3 2 ／磷弭8 5 接口转换器将测试角度值输到计算机 中，以确定工作装置的姿态；同时同步采集动臂油 缸、斗杆油缸、铲斗油缸、开斗油缸大小腔的工作 压力，然后根据挖掘机工作装置的受力特点建立挖 掘阻力数学模型，对其进行编程计算，即可算出施 加在齿尖的挖掘阻力。测试时挖掘机按正常状态挖 掘装载，以连续作业一个工作循环记为一个工况。 2 ．2 ．2 仿真步骤 以某一个测试工况为例，说明动力学仿真过 程。具体步骤如下 1 驱动函数的添加。将测试所得的3 个角度 值输入在m a t l a b 中编制的换算程序，得到施加驱 动函数所需的油缸长度值，再选用s t e p 函数形式 添加相应的驱动函数。 2 挖掘阻力的添加。同样以s t e p 函数形式 在斗齿尖一点施加作用力的测试值，沿运动轨迹 的切线方向施加切向挖掘阻力，沿运动轨迹的法 线方向施加法向挖掘阻力。 3 仿真实现。设置仿真时间及步长完成仿 真过程，定义测量，得到各铰点处力的变化曲线。 如图5 所示。 9 ．0 8 ．O 7 ．0 - 芒K 6 ．0 5 ．0 4 ．0 3 ．0 1 ．1 1 ．O 0 ．9 0 ．8 O ．7 0 ．6 0 ．5 0 ．4 0 ．3 O ．2 0 ．1 1 ．0 O ．9 0 ．8 0 ．7 ∈0 ．6 R0 ．5 0 ．4 0 ．3 0 ．2 0 ．1 ，＼ 人f 、， | f 、j V 厂 ／ L - 、／ 、}‘ 、．V 时间／s a 动臂与主机铰接点力的变化曲线 入 ／ ＼／、√ l ／ V ， f、 厂 ／ f | ／ 时间／s b 动臂与斗杆铰接点力的变化曲线 ／＼ ／ 一，N t ，。 V 7 ／ I f 、一 J 时间／s c 斗杆与铲斗铰接点力的变化曲线 图5 铰接点作用力的变化曲线 分析铰接点作用力的变化曲线可以方便地得 到在该工况下各个铰接点作用力的最大值，为下 一步有限元分析提供了可靠的载荷谱，从而提高 了计算精度，同时大大减少了手工计算的烦琐性， 建笺机械2 0 0 8 ．0 7 3 z 半月刊 万方数据 专题研究 S P E C I A LR E S E A R C H 缩短了产品的开发周期。 4 检验测试结果。调入物理样机的测试数 据，用来比较虚拟样机仿真数据。 5 结果对比。进入A D 弧假后处理界面，得 到3 组油缸的推力仿真曲线及测试数据曲线，如图 6 所示。图中实线表示仿真值，虚线表示测试值， 从上到下依次为动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸的 要囊宦i x l 0 5 垂垂垂．I 量至强． a 动臂缸推力变化曲线 R 嚣5 ．o 匡垂至垂匿垂强． 时间／s b 斗丰- T 缸推力变化曲线 丢嚣匡重型重型2 薤． C 铲斗缸推力变化曲线 1 ．测试值2 ．仿真值 图6 仿真结果和测试结果对比图 推力变化曲线。从图中可以看出，仿真结果与测 试结果变化趋势基本一致，仅数值的大小有所偏 差，从而验证了仿真结果的正确性和可靠性。 [ 参考文献] [ 1 ] 侯沂．基于C O S M O S M o t i o n 的装载机工作装置仿真 分析[ J ] ．建筑机械，2 0 0 7 ， 4 ． [ 2 ] 郑建荣．A D A M 卜虚拟样机技术入门与提高 [ M ] ．北京机械工业出版社，2 0 0 4 ． [ 3 ] L i uB i n ，J i a n gW a n l u ．D e v e l o p m e n tS t u d yo fT h r u s t p r e s s u r eF o r c eT r a n s d u c e r sf o rD y T l a 耐cM e a s u r e m e n t o fH e a v yE x c a v a t o r ．B e i J i n M I C O N E X ’9 2T H E5 T M M I Ⅱ．1 1 N 』6 皿o N A L州S T R I 瓜压N 咖0 NC O N F E R E N C EP R O C E E D I N G S ，1 9 9 2 2 2 ～2 5 ． [ 4 ] 弯勇．3 6 0 0 m 3 ／h 轮斗挖掘机挖掘阻力现场测试研究 [ J - 1 ．中国机械工程，1 9 9 7 ， 8 ． [ 5 ] 郭直新，王守春，郑春歧，等．液压反铲挖掘机工 作装置有限元动态分析[ J ] ．中国机械工程， 2 0 0 0 。 1 1 ． [ 6 ] 李维波．大型矿用液压正铲挖掘机挖掘性能研究 [ D ] ．重庆大学，2 0 0 6 ． 雷 上接第8 0 页 如果塔机无法完成指定动作，可通过故障诊 断界面检测，判断故障是由于塔机司机误操作引 起的还是由于塔机工作参数超出参数设置界面中 控制参数范围引起的。对于一些硬件故障，通过 该界面可以判断故障原因。 4 群塔监控系统的未来发展方向 群塔监控系统为群塔作业安全施工提供了必 要保障，随着信息技术和机电一体化的发展，对 设备安全性要求的提高，使群塔监控系统向着高 可靠性、功能强大、配置灵活、安装调试方便、 操作容易、与其他系统全面整合的方向发展。从 技术发展和市场需求来看，群塔监控系统的未来 发展将是智能化、网络化和信息化。 智能化主要是传感器智能化和控制器智能化。 传感器智能化是指可对检测到的信号进行分析和 处理，做出恰当的判断，排除外部环境干扰因素， 然后决定将哪些数据传给控制器。控制器智能化 指的是进一步分析传感器传送过来的数据，依据 模糊逻辑或神经网络技术做出更加复杂的推理判 断。另外，控制器的智能化还包括故障诊断、系 统故障重启等。 由于我国其他工业领域的设备监控系统应用 无线组网通信实现信息化安全监督管理的工作模 式越来越普遍，国内相关硬件和软件技术日益成 熟，因此，利用G P R S ／G S M 等无线技术、数据库 软件技术实现远程、网络化、信息化监控的条件 已经成熟，在群塔监控系统中整合应用设备信息 化技术将是必然趋势。 近年来，我国在群塔监控系统方面做了许多 积极的探索，并取得了初步成效。但从整体情况 看，还处于起步阶段，仍然存在许多技术和市场 方面的制约因素，需要进一步推动向纵深发展， 从而逐步完善和规范。 营 建氢瓤拭2 0 0 8 ．0 7 上半月刊 万方数据