液压挖掘机工作装置耦合仿真.pdf

第 6期 2 0 1 2年 6月 机 械 设 计 与制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 2 2 9 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 0 6 0 2 2 9 0 2 液压挖掘机工作装置耦合仿真 钟相 强梁利 东 安徽工程大学 机械与汽车工程学院 先进数控和伺服驱动技术安徽省重点实验室， 芜湖 2 4 1 0 0 0 Co u p l i n g Si mu l a t i o n f o r Hy d r a u l i c Ex c a v a t or ’ S W o r k i n g Me c h a n i s m Z HONG Xi a n g q i a n g ， L I ANG L i d o n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g ， A n h u i P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y A n h u i K e y L a b o r a t o ry o f A d v a n c e d N u me r i c a l C o n t r o l S e r v o T e c h n o l o g y ， Wu h u 2 4 1 0 0 0 ， C h i n a t 十 斤 一 十 一 一 t 一 十 一 一 一 十 一 十 一 十 斤 十 十 、 ￡ } 一 十 一 ’ 、 t一 ’ 、 t 一十 q、 t十 十4 一 十4 p h●一 十 一 卜 一 十 、 t q 一 十 一 卜 【 摘要】 液压挖掘机是一种机电液相结合的复杂工程机械， 利用多种仿真工具对其进行耦合分析 是至关重要的。基 于 P r o ／ E 4 ． 0构建液压挖掘机整机机械模型， 利用 A D A MS接 口功能完成挖掘机虚拟 样机模型的构建， 进行 大量的运动学和动力学仿真分析 ； 推导了斗杆液压缸流量和转角控制传递函数 ， 结合 A D A M S ／ C o n t r o l 和 M A T L A B ／ S i m u l in k 模块完成斗杆液压缸机一电协同耦合仿真。仿真结果表明， 耦合仿真具有一定的理论价值和实践意义， 为物理样机的试制和优化提供依据。 关键词 液压挖掘机 ； AD AMS； 虚拟样机技术； S i mu l i n k ； 耦合仿真 【 A b s t r a c t 】 H y d r a u l i c e x c a v a t o r i s a t y p i c a l a n d c o m p l i c a t e d e n g i n e e r i n g m a c h i n e b y c o m b i n ati o n o f m e c h a n i c a l ， c o n t r o l a n d h y d r a u l i c s y s t e r r h i s v i t a l t o c a r r y o u t c o u p l i n g a n a l y s i s b y u e ofmu l t ip l e s i m u l a - t i o n t o o l s ． A h y d r a u l i c e x c a v a t o r me c h an i c a l mo d e l c o n s t r u c t e d b a s e d o n P r o ／ E 4 ． 0 ． A n d h y d r a u l i c e x c a - v a t o r v i r t u alp r o t o t y p e W asfi n is h e d b y u s e o f A D A M S i n t e rf a c e f u n c t i o n as w e ll as a g r e at deal o f k i n e m at - i c s a n dd y n a mi c s s i mu l at i o n ana l ysis W as c arr i e d o n ． T h u s t h e flo w and a n g l e t r a n sf e r f u n c t i o n o fb u c k e t r o d h y d r a u l i c c y l i n d e r W as d e d u c e a n d me c h ani c a l a n d c o n t r o l s i m u l ati o n f o r b u c k e t r o d h y d r aul i c c y l i n d e r W as fin is h e d c o u p l e d w i t h A D A MS ／ C o n t r o l and MA T L A B ／ S i m u l i n k mo d u l e s ． S i m u l ati o n r e s u l t s s h o w C O U -- p i i n g s i mu l a t i o n s h a v e c e r t a i n t h e o r y v alu e a n d p r act i c al s i g n ifi c anc e ， w h i c h p r o v i d e e v i d e n c e f o r t r i a l and o p t i mi z ati o n o fp h y s i c a l p r o t o t y p e ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c Ex c a v a t o r ； ADAMS； Vi r t u a l P r o t o t y p i n g Te c h n o l o g y； S i mu l i n k ； Co u p l i n g S i mu l a t i o n 中， 利用 S i m u l i n k 控制系统实现了机电协同仿真。 2液压挖掘机机械系统仿真 按照是否存在相对运动， 将液压挖掘机划分为 上部转台、 下车、 动臂、 斗杆、 铲斗、 铲斗摇杆 、 铲斗连杆、 动臂液压缸、 动臂液 压活塞杆、 斗杆液压缸、 斗杆液压活塞杆、 铲斗液压缸 、 铲斗液压 活塞杆共 1 3 个运动部件l l l。挖掘机机械机构建模采用 P r o ／ E 4 ． 0 ， 采用参数化、 基于特征和自底向上的建模思维， 同时， 在 P r o ／ E 4 ． 0 中可进行简单的运动学模拟， 以检查所建模型是否正确。 在 A D AM S中建立仿真模型主要包括创建构件、添加约束、 施加载荷、 设置驱动函数等工作。在 P r o ／ E 4 ． 0中将液压挖掘机装 图 1液压挖掘机整机虚拟样机模型 2 ． 1运动学仿真 复合动作工作方式是指在液压挖掘机工作的时候， 两个或三个 液压缸同时动作进行挖掘作业。这种工作方式极大的利用发动机及 油泵的功率， 节约工作时间， 提高工作效率r4 l 。复合运动工作方式主 要作业过程为 降臂挖掘提升一回转卸料一回转降臂。对 液压缸进行参数设置， 通过 A D A MS ／ P o s t P r o c e s s o r 模块， 得到齿尖 沿 方向、 y方向与z方向的位移曲线， 如图2所示。从图2中可 看出， 沿 方 向的位移为 0时 ， 铲斗斗齿 的运动轨迹主要发生在竖 直平面内， 进行挖掘和卸载的工作。 从液压挖掘机回转开始到卸载完 成返回工作地 ， 铲斗斗齿的运动轨迹是在空间坐标系中变动的。 -／ 来稿 日 期 2 0 1 1 - 0 8 1 7 ★基金项目 安徽省高等学校省级优秀青年人才基金项目 2 0 1 2 S Q R L 0 8 4 Z D 2 3 0 钟相强等 液压挖掘机工作装置耦合仿真 第6 期 2 一 I 量 0 ． 一1 ． 专一 2 ． I3 4 5 ． MARKE R 1 0 6 6 ． a X ．MARKER 1 0 6 6 ． T r a n s l a t i o n a l Di s p l a c e me n t ． Y b E x e r c i s e _4 c 图 2斗齿测量点沿 、 y、 z方向位移 2 ． 2动力学仿真 通常挖掘阻力可近似地认为作用在铲斗的斗齿尖上， 并可将其 按挖掘轨迹的切线方向和法线方向分解为切向挖掘阻力 。 和法向 挖掘阻力 。根据所建的液压挖掘机的虚拟样机模型， 取相关参 数， 计算结果为 切向挖掘阻力 2 2 k N ， 法向挖掘阻力 IV - 9 2 4 k N 。物料的重力G 可以根据液压挖掘机的铲斗容量得到， 该机型 铲斗容量为0 ．6 5 m 3 , 取般土壤 H I 级土壤 的密度为 1 ．S x 1 0 k t C m3 , 则 挖掘机的物料质量为 1 ．8 x l O b , ． 6 5 l 1 7 0 k g ， 其物料重力为 1 1 A 6 6 k N 。 挖掘阻力和物料重力参数设置如下切向挖掘阻力 ， 的S T E P函 数 s t e p t i m e ， 0 ．2 ， 0 ， 1 ， - 2 2 s t e p t i m e ， l ， 0 ， 1 ． 2 ， 2 2 ； 法向挖掘阻力 2 的 S T E P函数 s t e p t i m e ， 0 2 ， 0 ， 1 ， - 9 ．2 4 s t e p t i me ， 1 ， 0 ， 1 22 ， 9 2 4 ； 物 料重力 G s 的 S T E P函数 s t e p t i m e ， 0 2， 0 ， 1 22 ， 一 1 1 A 6 6 s t e p t i m e ， 1 ．2 ， 0 ， 3 ， O s t e p t i m e ， 3 ， 0 ， 3 5 ， 1 1 ．4 6 6 。动臂与斗杆铰接处的受力， 如 图3 所示。从图3 中看出， 液压挖掘机完成降臂动作， 铲斗进入挖掘 地点， 这一过程中动臂液压缸、 斗杆液压缸和铲斗液压缸同时动作， 因此， 该时刻铰接点的受力曲线变化比较剧烈。 一2 0 o 0 量I 5 0 0 互 1 0 0 0 5 00 。‘0 1 j o I r _ 6 ．E l e m e n t _ F o r c e ． M a g f _ l I l I I l I I l I l l I l l I l l l I I I I I ▲l I I I l I l I ， 1 l l I l l I I I l l l I l L～』、 一l l An a ly s i s L a s t ．．Ru n T i me s e e 图 3动臂与斗杆铰接处的受力 3液压挖掘机电一液协同仿真 液压挖掘机 电液协同仿真图， 如图 4所示 。这里， 液压 MA T L A B ／ S i m u l i n k 模型放置在右侧， 机械 A D A M S模型放置在左 侧， 这样， 组合起来斗杆液压缸运动方程如式 1 、 式 2 p - p B o t A 一 一 F O 1 d i g n e l I 2 式中 力 F作为 A D A M S模型的输入量和 M A T L A B ／ S i m u l i n k 模型 的输出量，液压缸摩擦力包含液压缸与速度成比例的黏性 摩擦力、 库仑摩擦力 R和静态摩擦力 。 s - 一 ㈩ 芳 角位移传递函数如式 4 G s 4 Ga i n 图5液压挖掘机工作装置电液位置控制系统仿真模型 j 『 ＼ l f i | ， 一 卜- i ／ l l ； 0 0 ． 5 l 1 ．5 2 2 ．5 3 3 ． 5 4 图 6液压挖掘机工作装置控制系统响应 O O 0 O 0 O O。。 5 4 3 2 1 O●2 一 ∞ ∞ ∞ m 0 瑚 枷 瑚 暑一 量．I 1 一 ∞ 0 第 6期 2 0 1 2年 6月 机械 设 计 与 制造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 2 3 1 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 0 6 0 2 3 1 0 3 基于 A B A Q U S的某商务车发动机 前悬置支架的创新设计 I 廖抒华成传胜 广西工学院 汽车工程系， 柳州 5 4 5 0 0 6 A Cr e a t i v e De s i g n f o r Br a c k e t o f En g i n e Fr o n t Mo u n t i n g B a s e d o n AB AQUS LI AO S hu - h ua， CHENG Ch ua n -s h e n g G u a n g x i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， A u t o m o b i l e E n g i n e e r i n g D e p a r t m e n t ， L i u z h o u 5 4 5 0 0 6 ， C h i n a ； 【 摘 要】 动力总成悬置系 统在汽车减振及隔 振中 起着重 要作用， 而作为悬置系 统中 的悬置 金属支 { }架 在实际 行驶中常常会先于橡 胶元件早期破坏。 结合某汽车公司 商务车发动机前悬置支架在某些工况 { l下易产生疲劳破坏和断裂失效的现象， 应用A B A Q U S 软件分析得到了较大工况下的应力云图和位移云 2 }图，根据分析结果找出了 破坏的位置并提出了合理的改进方案，然后通过 O p t i s tr u c t 对其进行优化分 l析。通过对比改进前后的 有限元分析结果， 优化后的悬置支架应力明 显减小， 满足性能要求， 表明 提出 i ；的优化方案是合理正确的。 ； 关键词 动力总成前悬置支架； A B A QU S ； O p t is t r u c t ； 强度分析； 结构优化设计 ； 【 A b s t r a c t 】 P o w e r m n m o u n t in g s y s t e m p la y s a n i m p o r t a n t r o l e i n r e d u c in g v i o l a t i o n and is o l at i n g ，{ ；and t h e b r a c k e t ofmou n t i n g s y s te m u s u a l ly d a m a g e d e a r l i e r t h an t h e r u b b e r c o m p o n e n t ． C o n s i d e r i n g e； ； f a t ig u e d a m a g e and f r act u r e f a i l u r e of口 M P V ’ s m o u n t i n g b r a c k e t i n s o m e c o n d it io ns， ana l y s i s w a s d o ne b y{ }A B A Q U S s o j w ar e and t h e s t r e s s i m a g e and d i s p l ac e m e n t i m a g e i n s e v e r a l lar g e r c o n d i t i o ns w e r e g o t ． T h e n{ l￡ e d a m a g e d l o c at i o n w a s f o u n d and t h e f ai l u r e r e o , o n w a s ana l y z e d ， and口 r e a s o n a b l e i m p r o v e men t s c h e me 2 }W as p r o p o s e d ． A ft e r ana l y z i n g th e p h e n o men o n ， an o p t i m a l ana l y s i s W as d o n e b y th e O p t i s t r u c t s o f t w ar e ． { i T h r o u g h c o n t r as t i n g b ef o r e a n d a f t e r o p t i m iz at i o n r e s u h s ， t h e o p ti m e d b r ac k e t s t r e s s W as r e d u c e d o b v i o u s 一{ t y ， w h i c h m e t t h e r e q u i r e men ts f o r p e rf o r m anc e ． e r e s u h s s h o w th at t h e p r o p o s e d o p t i m iz at i o n s c h e me is z b lr e as o n a b l P a n d r o r r e r l e c c ． i ； K e y w o r d s E n g i n e R e a r Mo u n t i n g B r a c k e t ； A B A Q U S ； O p t i s t r u c t ； S t r e n g t h A n a ly s i s ； S t r u c t u r e{ ． 一一一一一一．一一一一一一一一一一一一一一一一 ● ●1、hr■ ， ● ■ ， ， ■ _ ■ ，■ _ ● _ ， p ● ●1n- ●1P ● 1h-● 1h 、 ● 、 1 ●1 _1 -●1 ●1hh “●1 - ●1 - ■1 ●1 ●1 ●●1 1 1 1 1 ●1 ●1 ●1 ●1 、 ●1 ●1 ●1 ● 、 ’ 中图分类号 T H1 6 ， U 4 6 4 ． 1 3 1 文献标识码 A 1 1 言 求l lJ 。根据某商务车在研发阶段的设计要求， 采用 C A E分析方法 商务动力总成系统前悬置支架的刚强度对整车的安全性及 对某商务车的动力总成悬置系统前悬置支架结构进行强度仿真 使用寿命有很大的影响。 在新车早期开发中常常根据经验进行设 研究， 分析并找出其在某些工况下易产生裂纹破坏的位置， 结合 计， 导致设计出来的支架在实际使用中常常较难满足某些工况要 有限元分析结果对其进行结构优化设计，并将其应用于新车型 ★ 来稿 日 期 2 0 1 1 - 0 8 1 0 -k 基金项目 国家重点科技攻关资助项目 一广西千亿元产业重大科技攻关工程项目 桂科攻 1 1 1 4 0 0 2 2 8 4结论 以液压挖掘机虚拟样机为例，对复杂机械机电一体化耦合 协同仿真进行 了研究。针对挖掘机这样的复杂机械设备 ， 提出用 不同的环境对机械系统和控制系统进行分析， 并让这些系统之间 建立耦合关系。实现了不同系统的协同仿真， 打破了单一机械系 统设计的局限性， 加快挖掘机产品的开发速度和质量， 提高市场 竞争力， 对于同类产品的设计具有一定的参考价值。 参考文献 [ 1 ] 孔德文， 赵克利 ， 徐宁生． 液压挖掘机[ M] ． 北京 化学工业 出版社， 2 0 o7 ． [ 2 ] 郑建荣． A D A M S 虚拟样机技术入门与提高[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ． 2 o o 2 ． [ 3 ] 何清华， 张大庆， 郝鹏． 液压挖掘机工作装置仿真研究[ J J _ 系统仿真学 报 ， 2 0 0 6， 1 8 3 7 3 5 - 7 3 8 ， 7 4 6 ． [ 4 ] 张卧波， 杨俊峰， 王建明． 挖掘机工作及运动状态的仿真与应用研究 [ J ] ．农业工程学报， 2 0 0 8 ， 2 4 2 1 4 9 1 5 1 ． [ 5 ] 于国飞， 宋文荣 ， 许纯新． 基于 Ma t l 的挖 掘机工作装置动力学方程 [ J ] 农 业机械学报 ， 2 0 0 3 ， 3 4 2 9 3 9 6 ． [ 6 ] 秦成．基于P r o e ／ A d a m s ,r M a t l a b 挖掘机虚拟样机研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 9 1 3 3 1 3 4 ， 1 8 3 ． [ 7 ] F uS J o h n n y ， L i f f r i n g Ma r k ， Me h d i I s h a q u eS ．I n t e g r a t e d e l e c t r o - h y d r anl i c s y s t e m mo d e l i n g a n d a n a l y s i s [ J ] ． I E E E A E S S S y s t e m s Ma g a z i n e ， 2 0 0 2 6 4 8 ． [ 8 ] Wa i t e r s ， R ． B ．Hy d r a u l i c a n d e l e c t r i c h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e ms ． N o r w e l l ， D o r d r e c h t [ C ] ． K I u w e r A c a d e m i c P u b l i s h e r s ． 2 0 0 0 ．