挖掘机液压缸摩擦力对工作装置性能影响分析.pdf

第 4期 2 0 1 4年 4月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i ne r y De s i g nMa nu f a c t m’e 1 5 挖掘机液压缸摩擦力对工作装置性能影响分析 徐丹， 王基生 西南科技大学 四川 I 省机器人技术与应用重点实验室， 四川 I绵阳6 2 1 0 1 0 摘要 分析挖掘机工作装置结构及其液压缸摩擦力， 根据挖掘机实际结构， 建立了挖掘机工作装置结构的简化模型； 同 时根据实验数据和虚拟样机的静力学和逆动力学计算， 得到挖掘机动臂、 斗杆及铲斗三组油缸在不同运动状态下的摩擦 力曲线， 确定其平均摩擦力及摩擦因数的大小； 利用仿真软件 A D A MS对工作装置虚拟样机模型进行不同工况下的运动 学及动力学仿真， 仿真结果表明液压缸摩擦力对工作装置运动学参数影响不大， 但对其液压缸驱动力的影响较为明显。 关键词 挖掘机； 工作装置； 液压缸摩擦力； A D A MS ； 仿真 中图分类号 T H1 6 ； T U 6 2 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 4 0 4 0 0 1 5 - 0 3 E x c a v a t o r Hy d r a u l i c Cy l i n d e r F r i c t i o n Pe r f o r ma n c e I mp a c t An a l y s i s o n t h e Wor k i n g De v i c e XU Da n．WANG J i s h e n g Ke y L a b o r a t o r y o f Ro b o t T e c h n o l o g y a n d Ap p l i c a t i o n，S o u t h we s t Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d F e c h n o l o g y ，S i c h u a n S o u t h we s t Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，S i c h u a n Mi a n y a n g 6 2 1 01 0 ，Ch i n a A b s t r a c t An a l y s i s U 0 8 d o n e e x c a v a t o r w o r k i n g d e t ] i c e t ，． u c t u r e a n d t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r f r i c t i o n ， acc o r d i n g t o t h e a c t u a l s t r u c t u r e o f e x c a v ato r s ， i t e s t a b l i s h e d a s i m p l i fi e d e x c a v a t o r w o r k i n g d e t i c e mo d e 1 ． T h o g h t h e e x p e r i m e n u d d a t a a n d v i r t u a l p r o t o t y p e t e c h n o l o g y b a s e d o n an d t h e s t a t i c s a n d i n v e r s e d y n a mi c s c alc u l a t i o n s ．i t o b t a i n e d t h e e x c a v ato r b o o m，s t i c k an d b u c k e t c y l i n d e r s ’ f r i c t i o n c l t r 1 e i n d if f e r e n t s p o r t s s t a r e ， c alc u l a t e d t h e a v e r a g e f r i c t i o n a n d t h e f r i c t i o n f t o r ， a n d u s e d t h e s i mu l ati o n s w a r e A D A MS t o ma k e k i n e ma t i c s a n d ， 。 ㈣ i c s s i mu l a t i o n o n t h e w o r k i n g d e v i c e v i r t u al p r o t o t p e mo d e l u n d e r V a l i o u c o n d i t i o n s ． T h e s i m u l at i o n r e s u l t s s h o w t h at t h e h y d r anl i c c ， l i n d e r f r i c t i o n h a s l i t t l e e f f e c t o n t h e k i n e mat i c p a r a m e t e r s r t h e w o r k d e v i c e ， b u t i t ’ s o b v i o u s o n t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r d r i v i n g f o r c e ． Ke y W o r d s E x c a v a t o r s ； W o r k De v i c e ； Hy d r a u l i c Cy l i n d e r Fr i c t i o n； Vi r t u a l Pr o t o t y p e ； S i m u l a t i o n 1引言 挖掘机在农业工程及民用建筑 、 交通运输 、 矿山采掘等领域 起着非常重要的作用⋯ 。在挖掘机的关节、 连接机构 、 阀和液压缸 内 活塞 、 活塞杆和液压缸之间 都存在摩擦， 周内外一些学者的 仿真和实验研究都表明存在于挖掘机液 缸内的摩擦是动力学 系统特性的主要影响 素 。 根据项 日需求， 针对液压缸摩擦力对 工作装置实际作业和运动控制的影响， 结合虚拟样机技术与理论 知识得出液压油缸的摩擦力及其粘性摩擦凶数，并采用 A D A MS 对工作装置进行运动学和动力学仿真分析， 得出液压缸摩擦力对 运动学和动力学的影n 向 。 为实际操作中对提高作业和运动控制精 度进行控制补偿的参考依据。 2挖掘机工作装置结构分析及模型建立 研究的是 Y C 0 8 8型反铲1 二 作装置的液压挖掘机， 该挖掘机 主要由工作装置 上部回转装置、 下部行走装置和辅助没备等组 成， 仅对丁作装置进行研究分析。 为提高计算效率， 根据实际情况对实物进行必要的简化。 挖 掘机的工作装置由动臂、 斗杆、 铲斗、 连杆以及相应的 组液压缸 组成， 其结构特点是各部件均采用铰连结， 通过液压缸的伸缩运 动来完成挖掘过程中的各种作业动作I 。挖掘机工作装置的虚拟 样机模 型， 如 图 1 所示 。 网 1 作装置席拟样机模型 F i g l Th e W o r k i n g I e v i c e Mo d e l 3挖掘机工作装置液压缸内摩擦力分析 3 ． 1液压缸摩擦力概述 液 缸主要存在两种摩擦力 1 液压油本身粘性引起的粘 来稿 日期 2 0 1 3 0 9 1 0 基金项 目 四川省科技 计划项 日 2 0 1 3 G Z X 0 1 5 2 作者简介 徐丹， 1 9 8 9 一 ， 女， 四川安岳人， 在读硕士研究生， 主要研究方向 机器人及虚拟样机技术 壬基生 ， 1 9 5 7 一 ， 男， 四川绵阳人， 硕 t 生导师， 主要研究方向 制造T 艺、 计算机辅助设计 1 6 徐丹等 挖掘机液压缸摩擦力对工作装置性能影响分析 第4 期 性摩擦力； 2 液压油缸活塞和活塞杆与液压油内壁的密封接触 引起的摩擦。它的大小与工作油压、 负载、 密封件材料、 密封形式 及活塞与缸筒之间的润滑条件等因素有关 ， 液压油摩擦力模型 采用经典的摩擦力计算公式表示为 s g n v J ， ≠0 ， 1 、 ， ， 0 ⋯ 式中 一液压油活塞速度； 疗一 液压油摩擦力； 动态库仑摩擦； f _ _ 粘性摩擦因素。 3 ． 2摩擦力的计算方法 采用虚拟样机技术将挖掘机工作装置的液压油置于原工作系 统中进行摩擦力测定和计算， 利用 A D A MS的静力学分析， 得到液 压油缸内的静摩擦力， 并通过其逆动力学分析， 明确动摩擦力 库仑 摩擦和粘性摩擦力 和液压缸活塞速度之间的关系， 如表 l 所示。 表 1工作装置相关参数定义 Ta b ． 1 De f i n e P a r a me t er s 3 ． 2 ． 1静摩擦力的计算方法 在 A D A MS中用 L o c k约束副将工作装置虚拟样机模型的 3 组液压缸固定， 然后仿真测量 L o c k约束上的力 ， 即可得到在不同 位置姿态下油缸上的驱动力。则静态摩擦力的大小为 F F f rF 2 其 中， P - A P 2 3 _2 ．2动摩擦力的计算方法 通过实验获取工作装置各个关节的动作数据 ，将其导入 A D A MS模型中，通过这些数据建立样条曲线 ， 然后用其中的 c u B s P l J l N E T i m e ， L i n e 函数将样条曲线作为各个关节的 m o t i o n 的函数值， 使各关节按照与实验相同的运动进行动作。仿真时， 通过 A D A MS 底层的逆动力学解算， 可以测量到液压缸与关节之 间约束上的力， 即液压缸上的理论液压驱动力 。则动态摩擦 力的大小为 F F FD F 1 D L 3 f A ， - A． 活塞有杆腔通压 其 中， _ ，4 活塞无杆腔通压 3 ． 3摩擦力计算结果与分析 经过实验和仿真计算得到挖掘机工作装置动臂、 斗杆、 铲斗三 组液压缸的摩擦力与液压缸活塞速度变化关系曲线， 如图2 所示。 T i me s e c a 动臂液压缸 e 铲斗液压缸 1 ． 液压缸活塞速度X 1 0 0 2 ． 液压缸摩擦力 图 2摩擦力 与液压缸活塞速度关系 曲线 F i g ． 2 T h e Fr i c t i o n a n d Pi s t o n Ve l o c i t y Cmwe 由图2可以知道三组工作臂液压缸的摩擦力均随着速度的 增加而增大， 液压缸活塞在 0 ～ 3 s 启动 及 1 2 ～ 1 4 s 停止 时， 摩擦力出现突增现象。由于液压缸内采用的橡胶密封装置， 材料 和钢的密封表面之间的摩擦性质决定了摩擦力的大小取决于活 塞的运动速度[6 1 。 提取图2曲线中的摩擦力及液压缸活塞速度值， 带入式 1 中， 经计算可得l叶 j 各个液压缸的平均静摩擦力和粘性 摩擦因数， 如表 2 所示。 表2液压缸平均静摩擦力和粘性摩擦因数 T a b ． 2 T h e S t a t i c F r i c t i o n a n d Vi s c o u s F r i c t i o n Co e ffic i e n t 4工作装置仿真过程与分析 将 P r o ／ E中的挖掘机工作装置模型导入 A D A M S中， 修改各 部件质量属性 ， 选择 u s e r i n p u t ， 分别设置动臂质量为 1 4 3 k g ， 斗杆 质量为 5 4 k g ， 铲斗质量为 2 5 k g ， 添加约束和驱动。 4 ． 1运动学仿真分析 首先分别对三组液压缸添加摩擦力， 三组液压缸摩擦力预设 值如下 动臂液压缸 1 8 9 5 3 9 5 0 D V 一 1 ；铲斗液压缸 1 0 3 0 2 3 2 1 0 DV 一2 ； 铲斗液压缸 5 1 01 0 9 4 0 D V 一 3 。其中， D V 一 1 、 DV 一2、 DV一3 分别为三组液压缸的速度变量。 按照挖掘机完成一个工作循环的步骤添加驱动函数，采用 A D A MS中的S T E P函数，它是有一个三次多项式构造的一个阶 一 0 ∞ ∞ 、 暑 一 1芑0 ． z 一 20 一 0 0 ∞ 、 暑0 一 三K 】0 一 I z 乇 一 0 譬 - No ． 4 A p r ． 2 0 1 4 机 械 设 计 与 制 造 1 7 跃函数， “ T i m e ” 为其 自变量[ 7 】。 在设置好驱动后， 进行仿真。仿真结束后， 跟踪铲斗齿尖标 记点 M AR K E R _ 7 7 ， 右击选择 Me a s u r e ， 分别得到在其 x , y方向的 位移变化曲线， 如图3所示。图中 1 一不考虑液压缸摩擦力 ； 2 一 加入液压缸摩擦力。 1 5 0 0 O ／ ＼ 1 3avel1t＼／，475Time16000 1 Saved 491‘。2 ． ’ ． ’ a 方 向位移变化 MARKER _7 7 X方向位移 b y方 向位移变化 图 3铲斗齿尖位移 F i g ． 3 Th e Bu c k e t Di s p l a c e me n t 由图3可知， 考虑液压缸摩擦力与不考虑液压缸摩擦力两 种情况下， 工作装置末端的位移基本重合 ， 其运动学参数变化不 大。即摩擦力对挖掘机工作装置的运动学参数没有影响。 4 ． 2动力学仿真分析 设定工作过程中铲斗每次铲起 3 0 0 0 N的土石， 根据工作过程 在 6 ～ 8 s 力由零增大到最大值， 在 8 ～ 1 1 S 保持 ， 在 1 1 N 1 4 s 减小 到0 ， 选择在铲斗质心添加力 ， 13 1 n t i m e d i r e c t i o n选择 s p a c e fi x e d ， 力大小通过 s t e p函数设定 ， 函数为 S T E P t i me ， 6 ， 0 ， 8 ， 3 0 0 0 S T E P t i m e ， 1 1 ， 0 ， 1 4 ， 一 3 0 0 0 。 同时添加铲斗挖掘时候的阻力函数如下 法向阻力为 S T E P t i m e ， 6 ， 0 ， 7 ， 2 3 0 0 s t e p t i me ， 7 ， 0 ， 8 ， 一 2 3 0 0 ； 切 向阻力为 S T E P t i m e ， 6 ， 0 ， 7 ， 2 0 0 0 s t e p t i me ， 7 ， 0 ， 8 ， 一 2 0 0 0 设置仿真类型为 K i n e m a t i c ，仿真时间为 1 6 s ，步数为 5 0 0 步， 运行仿真。 一 小型挖掘机试验台，在挖掘机的工作臂上安装压力传感 器， 测试得出其工作时各液压缸驱动力大小， 如图 4 所示。 工作装 置各组液压缸在一个工作循环下驱动力的变化曲线，如图5所 示。曲线 1 一无液压缸摩擦力时进行仿真所得液压缸驱动力曲 线； 曲线 2 一添加液压缸摩擦力后， 仿真得到考虑液压缸摩擦力 情况下各液压缸驱动力变化曲线； 曲线 3 一实际工作中测量得出 的三组液压缸驱动力数据导人 A D A MS中， 拟合而成的液压缸驱 动力曲线。 图4挖掘机试验台 F i g ．4 T h e Ex c a v a t o r T e s t B e n c h T i me S e C c 铲斗 1 ． 不考虑液压缸摩擦力 2 ． 考虑液压缸摩擦力 3 试 验曲线 图 5三组液压缸受力变化曲线 F i g ． 5 Th e Hy d r a u l i c Cy l i n d e r s Fo r c e Cu r v e 由图5对比分析可知 ， 在 O ～ 5 S 内， 挖掘机空载， 调整姿态 到指定工作位置。此时考虑液压缸摩擦力的情况下， 三组液压缸 受力明显比不考虑液压缸摩擦力时偏高， 则相应的所需的液压驱 动力也会更大。 下转第 2 0页 2 0 机械 设 计 与制 造 No ． 4 Ap r ． 2 01 4 5结论 对铸态高强度耐磨铝青铜切削过程进行了分析，获得了切 削区的应力分布、 温度分布和切削力等结果。 结果表明 工件上的 等效应力主要分布于刀刃附近， 最大等效应力则分布于第 1 变形 区； 最高温度分布于第 Ⅱ变形区中， 切屑与刀具摩擦区离刀刃一 定距离部位； 切削力随切削深度的增大而线性增大。与试验结果 的比较表明， 切削过程的数值分析手段在研究切削理论与铸态高 强度耐磨铝青铜切削工艺性能等方面具有一定的应用价值和理 论研究意义。 参考文献 [ 1 ] 邓文君 ， 夏伟 ， 周照耀． 正交切 削高强耐磨铝青铜的有限元 分析[ J j ． 机 械工程学报 ， 2 0 0 4 ， 4 0 3 7 1 7 5 ． D e n g We n- j u n ， X i a We i ， Z h o u Z h a o y a o ． F i n i t e e l e me n t a n a l y s i s o f o r t h o g o n a l ma c h i n i n g h i g h s t r e n g t h w e a r r e s i s t i n g a l u mi n i u m b r o n z e【 J j ． C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 4 ， 4 0 3 7 1 7 5 ． [ 2 ] 宋金玲 ， 魏天路 ， 顾立志． 金属切削中刀屑接触长度的有限元分析[ J ] ． 农业机械学报 ， 2 0 0 3 ， 3 4 3 1 1 8 1 2 1 ． S o n g J i n - l i n g ， We i T i a n - l u， G u L i - z h i ．F i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s f o r t o o l -- c h i p c o n t a c t l e n g t h i n me t a l m a c h i n i n g l J 』 ． T r a n s a c t i o n s o f t h e C h i n e s e S o c i e t y f o r A g r i c u l t u r alMa c h i n e r y ， 2 0 0 3 ， 3 4 3 1 1 8 1 2 1 ． [ 3 ] 崔伯第， 郭建亮， 殷宝麟．基于神经网络的高速硬车削切削力预测研究 [ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 1 2 9 1 7 5 1 7 7 ． C u i B o d i ， G u o J i a n - l i a n g ， Y i n B a o - l i n ．P r e d i c t i v e m o d e l i n g s t u d y o n c u t t i n g f o r c e i n h i g h s p e e d t u r n i n g o f h a r d e n e d s t e e l b a s e d o n a r t i fic i a l n e u r aln e t w o r k i J ] ． Ma c h i n e ryD e s i g n Ma n u f a c t u r e ， 2 0 1 2 9 1 7 5 1 7 7 ． [ 4 ] 徐青 山， 郭旭红 ， 万东东． 基于 D E F O R M 3 D的 AD I 切削力有限元仿 真 [ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 1 3 2 3 5 3 8 ． X u Q i n g s h a n ， Gu o X u- h o n g ， Wa n D o n g- d o n g ． S i m u l a t i o n o f AD I c u t t i n g f o r c e b a s e d o n D e f o r m 3 D [ J ] ．Ma c h i n e ry D e s i g n＆Ma n u f a c t u r e ， 2 0 1 3 2 3 5 3 8 ． [ 5 ] 黄立新， 钟峻青． 基于热一 力多物理场耦合理论的钻削仿真研究[ J J ．机 械设计与制造 ， 2 0 1 3 3 1 6 5 1 6 8 ． Hu a ng L i i n ． Z h o n g J u n q i n g ． S i mu l a t i o n s t u d y o n d r i l l i n g b a s e d o n t h e r m o - m e c h a n i c a l c o u p l i n g [ J ] ． M a c h i n e ry D e s i g n ＆Ma n u f a c t u r e ． 2 0 1 3 3 1 6 5 1 6 8 ． l 6 J z e l T， A h a n T ． ， D e t e r mi n a t i o n o f w o r k p i e e e fl o w s t r e s s a n d f r i c t i o n a t t h e t o o l c h i p c o n t a c t f o r h i g h s p e e d c u t t i n g [ J ] ．I n t e r n a t i o n al J o u r n a l o f Ma c h i n e T o o l s ＆Ma n u f a c t u r e 。 2 0 0 0 4 0 1 3 3 1 5 2 ． 1 7 j J o h n s o nGR， C o o k W H ．A c o n s t i t u t i v e mo d e l a n d d a t a f o r m e t a l s s u b j e c t e d t o l a r g e s t r a i n s ， h i g h s t r a i n r a t e s a n d h i g h t e mp e r a t u r e s [ A] ．P r o c e e d i n g s o f t h e S e v e n t h I n t e rna t i o n a l S y mp o s i u m o f Ba l l i s t i c s ， Th e Ha g u e， 1 9 8 3 5 4 1 -5 4 7． [ 8 ] 景想云． 一种难加工材料的斜角切削过程的数值模拟[ J ] ． 湖北汽车工 业学 院学报 ， 2 0 0 8 ， 2 2 2 1 9 2 4 ． J i n g X i a n g - y u n ． N u me ri c al s i m u l a t i o n o n o b l i q u e c u t t i n g p r o c e s s o f a k i n d o f d i f f i c u l t _ to u t m a t e r i a l [ J ] d o u rna l o f H u b e i A u t o mo t i v e I n d u s t ri e s I n s t i t u t e ， 2 0 0 8 ， 2 2 2 1 9 2 4 上接 第 1 7页 5 - 8 s 内， 挖掘机进行挖掘作业 ， 挖掘过程中， 铲斗齿尖同 时受到切向阻力和法向阻力，所承受的物料重力也迅速增加， 因 此这段时间内， 力的变化呈增大态势。 而这段时间内， 考虑液压缸 摩擦力时，斗杆液压缸所受的力比不考虑液压缸摩擦力时稍小， 铲斗液压缸受力明显比不考虑液压缸摩擦力的情况大许多。 考虑 液压缸摩擦力的时候所获得的液压缸受力曲线更接近于实际工 作测量值。 5结论 液压缸的摩擦力的大小与工作油压、 负载 、 密封件材料、 密 封形式及活塞与缸筒之问的润滑条件等因素有关18 1 。仿真表明摩 擦力的大小对液压缸驱动力有一定影响， 加入液压缸摩擦力的情 况下 ， 得到的液压缸驱动力更接近实际工作 值 ， 比较好 地反 映了 挖掘机实际工作时液压缸驱动力的变化情况。 根据得到的摩擦力 数据及与活塞速度的关系，近似得到经典摩擦力公式中的参数 值， 为进一步精确控制补偿提供了参考依据。 参考文献 [ 1 ] 朱志辉， 周志革， 王金刚． 液压挖掘机工作装置的建模及动力学仿真 [ J ] ． 机械设计与制造 ， 2 0 0 6 8 1 5 8 1 5 9 ． Z h u Z h i h u i ， Z h o uZ h i g e ． Wa n g J i n g a n g ． Mo d e l i n g a n d d y n a mi c s s i m u l a t io n o f e x c a v a t o r w o r k d e v i c eⅢ．M a c h i n e ry D e s i g n ＆M a n u f a c t u r e ， 2 0 0 6 8 1 5 8 1 5 9 ． [ 2 ] 龚文， 王庆丰． 液压挖掘机上车结构参数与液压缸摩擦力参数辨识[ J 】 _ 中国机械工程 ， 2 0 1 0 ， 2 1 9 1 0 9 8 1 1 0 5 ． Go n g We n ， Wa n g Q i n g - f e n g ．P a r a me t ri c i d e n t i fi c a t i o n o f g r i l l s t r u c t u r e a n d c y l i n d e r f r i c t i o n o n a h y d r a u l i c e x c a v a t o r [ J ] ． C h i n a Me e h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 0 ， 2 1 9 1 0 9 8 - 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