基于ANSYS和ADAMS的连续液压装载机装载部研究 -.pdf

煤炭工程 2 0 1 1年第 8期 基于 A NS YS和 A D A MS的连续液压 装载机装载 部研 究 裴博文 中国矿业大学 机电学院，江苏 徐州2 2 1 1 1 6 摘要 文章主要介绍了连续液压装载机装载部设计的部分过程 ，分析 了工作机构简化成连 杆机构的空间位置关 系，写出 了对应的矩阵方程 ，通过 M A T L A B编程计算 出了连杆长度矩 阵。 用 A D A MS对连杆机构进行 了动力学分析 ，得到各关键 点的扭矩值，为液压 系统的设计提供 了指 导。将 C A T I A建立的铲斗模型导入 A N S Y S ，划分单元、添加载荷 与约束、求解 出相应的应 力和 应变的结果，并对结果做 了相关分析 ，为类似机构的设计提供 了一种可行的通用性方法。 关键词 A N S Y S ；M A T L A B；装载机 ；有限元分析方法 中图分类号 T D 4 2 2 ． 3 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 1 0 8 - 0 1 1 4 -0 3 1 井下连续液压装载机 装 载工作是 整个地 下采 矿工作 的重要 环节 ，其 工作 量 最大，费时间最多，对整个采矿工作效率影响很大。在掘 进循环 作业过 程 中，消耗在这 方面 的时问 占总 时间的 3 0 ％ ～ 4 0 ％。在井下回采出矿中，装载作业同样占很大 比 重 ⋯ 。一 台连续液压装 载机的工作量与 3 0 0～ 4 0 0人的劳动 量大体相当。因此，在井下选用装载机会极大地提高采运 作效率，为企业创造更多的财富。 井 下连续液 压装 载机装 运部 由装 载部 、运 输部 、行 走 部、车架、驾驶室等部分组成 ，文章以装载部的设计为例， 介绍了装载机的设计方法。装载部的结构组成如图 1 所示。 耙 图 1 装载部 结构简 图 2 装载部基本尺寸的确定 为方便分析，装载部主要工作机构可简化为 3段 由运 动副相连的连杆 ，其在竖直平面内和水平面内表示。其水 平面内的空间机构图如图 2所示。其竖直平面内的空问机 构 图如 图 3所示。 图2 装载部水平面简化连杆机构 图 3 装载部竖直平面 内简化连杆机构 由其工作机构简化图，取 P ，Y 为 l ， 端点，可得其 运动基本方程为 1 1 c o s 0 1 1 2 C O S 0 2 一 1 L f I s i n O l 1 2 s i n O 2 y 将式 1 写 为矩 阵形式 ，即为 C ⋯O S 0 o s 0 2 ] l ， ] 式中，h ，c 分别为杆 1 起始点的横坐标和纵坐标。 将式 2 写成矩阵方程，即为[ 0 ] 『 L ][ P ] ，其中[ 0 ] 为转换矩阵；[ ] 为杆长矩阵；[ P] 为得到的坐标位置矩 收稿 日期 2 0 1 0 1 0 3 0 作者简介裴博文 1 9 8 5～ ，男，河南浚县人，2 0 1 0年毕业于中国矿业大学机电工程学院，现研究方向为机械电子工 程 。 1 1 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年第 8期 煤炭工程 誊 [ ] [ P ] 的 形 式 ， 即 可 得 4 工 作 机 构 铲 斗 的 有 限 元 分 析 到 杆 长 矩 阵 。其展开式为 ⋯～⋯ ” ～⋯ 。 ㈩ 据不同的设计条件，对计算参数加 以约束，从而方便 地利用 MA T L A B编程求解 以得到各连杆的基本尺寸。由 此得到了所需的连杆计算尺寸f l 1 0 5 0 mm；z 2 8 0 0 m m； 0 1 0 。 ； 6 。 。虽然这组数据满足约束条件，但还须根 据实际条件建立进一步的约束关系以得到更符合实际工况 的尺寸，具体过程这里不再赘述。这为设计类似的工作机 构提供了一种可行的通用性方法。 3关键点扭矩的分析 将之前计算出的连杆尺寸代入 A D A MS中建模，添加运 动副，增加运动规律 为方便建模采用的标准正弦函数，实 际可根据 F o u r i e r 级数选择合适的阶数进行插值 ，之后便 可进行动力学仿真。仿真结果虽然有一定失真，但仍对液 压系统的选型有一定的指导意义。由仿真过程得到的 1 、2 、 3点扭矩图如图 4 、图 5 、图 6所示 。 一3 ． 4 E 0 0 3 ． 5 E 0 0 3 ． 6 E 0 0 ．3 ． 7 E 0 0 ．3 ． 8 E 0 0 ．3 ． 9 E 0 0 4． OE 0 0 ．4． 1 E 0 0 4． 2 E 0 O 蚤 。 时『 Ⅱ J ， s 图 4 关键点 1仿真扭矩 图 时间／ s 图 5 关键点 2仿真扭矩 图 图 6 关键点 3仿真扭矩 图 在设计出连杆机构的基本尺寸后 ，利用 A N S Y S软件对 其进行有限元分析，实现对设计结果的校核 J 。将 C A T I A 中建立的模型导入 p r o ／ E中，经过 p r o ／ E的格式转换导为实 体化的 i g s 文件 ，即可顺利导人 A N S Y S 进行分析。 4 ． 1 选择 单 元类 型 将建立的模型导入 A N S Y S后，选择单元类型为 s o l i d 1 0 n o d e 9 2单元 ，该单元为 1 O节点四面体单元，可用于实体 网格的划分操作。 4 ． 2定 义材 料 属性 选择材料属性 M a t e r i a l P r o p s ，再选择其中的材料模 型 Ma t e r i a l Mo d e 1 ，定义材料类型为各 向同性 i s o t r o p i c ， 弹性模量 E和泊松比 分别定义为2 ． 0 6 e l 1 和 0 ． 3 。 4 ． 3划分 单元 网格 根据选择的单元类型，对导入的模型进行网格划分。 4 ． 4 施加约束和栽荷 选择 S o l u t i o n一D e ft n e L o a d s一S t r u c t u r a l ，用 下 面的 D i s p l a c e me n t 和 P r e s s u r e命令 对铲 板工 作处施 加 面载 荷 2 0 MP a 与理论计算值相同 ，以及固定处施加面约束。 4 ． 5 对已建立模 型的求解 选择 S o l u t i o n一 S o l v e中的C u e n t L S命令可以求解已 建立 的模 型。 4 ． 6模 型 的后 处理 数 据输 出 弹性材料受外力作用时在一定范围内会保持弹性变形的 状态，取消外力后会恢复原始形状。超过某一临界点后，取 消外力也不能恢复原有状态，这称为材料的屈服，该临界点 称为材料的屈服极限。在实际工程中，受力状态通常十分复 杂，为了判断材料的内部应力是否达到屈服极限，需要据一 定的理论来设计一种耦合应力标量表示材料内部应力状况。 该值的大小可以反映材料是否已达到屈服极限，进入了塑性 变形阶段。本文所选取的标量应力为著名的 V o n Mi s e s 应力。 本例分析的 V o n M i s e s 应力分布情况如图7所示。 1 2 0 E 0 7 29 8 E0 9 5 9 4E 0 9 8 91 E0 9 l 1 9 El 0 ．1 4 9 E 0 9 4 4 6 E 0 9 7 4 2 E 0 9 l 0 4 E 1 0． t 3 4 El 0 图 7 铲 斗 V o n Mi s e s 应 力分布 图 由图 7可知，其最大应力值为与手工计算值相比偏大。 但仍然满足强度要求。模型的应变分布图如图8所示。 由图8可知，在普通工况下其 V o n M i s e s 最大应变量为 s 0 ． 9 4 1 0 。 下转第 1 1 8页 1 1 5 舀． N ／ Ⅱ } Ⅲ． N ／ 珏 } 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 1 年 第 8期 时l _U J ／ s 图 5 转 弯时驱 动轮 与履 带板 1的作用 力 合时间上的差异 形成 的。对 比图 4和 图 5可 知 ，履带 板 在 转弯时所受的力近似于前进时所受力的7～ 8倍 ，因此转弯 时履带板更易磨损 ，在设计与校核强度时应考虑到履带板 所能承受的最大载荷。 n , lU l ／ s 图 6 转弯 时 1 ～ 6履 带板 X方向作用力对 比 5 结语 运用三维软件 S o l i d Wo r k建立了行走支架履带行走机构 实体模 型 ，在 A D A MS ／ V I E W 环境下 ，结合实 际情 况建立 了 虚拟样机。对机构进行动力学仿真分析，仿真结果表 明， 建立的仿真模型是合理的。 从数值上得出驱动链轮及履带 上接 第 1 1 5页 嚣嚣 苦 ■面 罱 7 3【 I E 一 0 3 0 0 2l 7 6 0 03 6 2 2 0 0 5 0 68 0 1 6 5I 4 图 8 铲斗 Vo n Mi s e s 应变分布 图 5 结论 1 根据模型的空间位置关系，用 MA T L A B编程可以 方便地通过添加逻辑约束条件实现对杆长数据的筛选，可 以从杆长数据中得到最希望得到的那组解。这为设计类似 的连杆类工作机构提供 了一种可行的通用性方法 。 2 利用 A D A M S进行动力学仿真的过程会产生一定的 1 1 8 图 7 转弯 时 1 6履带板 Y方 向作用力对 比 板分别在行走支架前进时的力矩和力与行走支架转弯时的 最大力矩和 最大 力 之 间的关 系 ，对改 善 关键零 部 件设 计 ， 为后继的有限元分 析打下 了理论 基础 ，同时对其 它大 型机 械的履带行走装置的动力学仿真研究有一定的借鉴意义 参考文献 [ 1 ] 朱艳芳 ，翟雁 ，郭晓波．基 于 A D A MS的腔 带 牟辆行 走系统 性能的仿真 [ J ] ．传动技术 ，2 0 0 8 ，2 2 2 2 9～ 3 1 ． [ 2 ] 李春英 ，赵瑞萍．两种履 带行 走机 构的讨 论 [ J ] ．煤 矿机 电，2 0 0 8， 4 7 9 ． 【 3 ] 陈雪飞．E B Z 1 3 5掘进机行走 机构的设计 【 J ] ．机 械 啊望与 自动化 ，2 0 0 8， 6 1 3 2～1 3 3 ． [ 4 ] 王水林 ，邹月伟 ，李海伟 基于 A D AMS的仿真技 术在履带 行走装置 的应用 [ J ] ．机电产 晶开发与创新 ，2 0 0 8 ，2 1 3 4 448 ． [ 5 ] 李增刚．A D A M S 人门详解与实例 [ M] ．北京 防 I 业d { 版社 ，2 0 0 7 ． [ 6 ] 李海伟．5 5矿用挖掘机履带行走装 置动力学研究 [ I j ． 长 春 吉林大学 ，2 0 0 8 ． 责任 编辑赵巧 芝 失真，因为所建立模型不够精确，而且实际现场工况对及 其工作性能的影响因素十分复杂。但得到的结果对液压系 统的设计仍具有一定的指导意义。 3 经过计算机仿真得到的最大 V o n Mi s e s 应力值为G r ⋯ 1 9 0 M P a比手 E 计算的应力值 ～ 1 4 6 4 M P a值偏小，原凼是手 计算的不是据 o - 出的等效应力值，而是以正应力和剪应力分别表示的条件。 参考文献 得 [ 1 ] 高梦熊．地下装载机结 构设 计与使用 l M] ．北 京冶金 1 业 出版社 ，2 0 0 1 ． [ 2 J 薛定宇，陈阳泉．基于 M A T L A B ／ S i m u l i n k 的系统仿真技术 与应用 [ M] ．北京 清华 大学 出版社 ，2 0 0 2 ． [ 3 ] 胡仁喜 ，王庆五．A N S Y S 8 2机械设计高级应用实例 【 M] 北京 机械工业 出版社 ，2 0 0 5 ． 责任 编辑赵巧芝 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m