基于ADAMS的液压挖掘机建模与仿真分析.pdf

2 0 1 4年 5月 第 4 2卷 第 9期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS Ma v 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 9 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 0 9 ． 0 3 6 基于 A D A M S的液 压挖掘机建模与仿真分析 马峰 ，张华 ，胡晓莉 武汉科技大学机械 自动化学院，湖北武汉 4 3 0 0 8 1 摘要以某型挖掘机为研究对象 ，利用 S o l i d w o r k s 建立三维模型并完成装配，导入 A D A MS中，通过添加约束条件建立 虚拟样机系统。 基于 A D A M S进行仿真分析，获得主要铰接点处的受力曲线、加速度曲线及挖掘范围，提 出将加速度 曲线 与对应点受力曲线进行对照，探讨两者的相关性，分析加速度的变化对挖掘机铰链处受力曲线的影响，为挖掘机铲斗、动 臂、斗杆的强度校核提供数据支持，有利于进一步对挖掘机进行优化和设计。 关键词挖掘机；仿真分析；绞点受力曲线 ；加速度曲线 ；A D A MS 中图分类号 T H 2 4 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1【 2 0 1 4 91 3 0 3 S i mul a t i o n Ana l y s i s a n d M o de l i n g o f Hyd r a ul i c Ex c a v a t o r Ba s e d o n ADAM S ． MA F e n g， ZHANG Hu a， HU Xi a o l i S c h o o l o f Ma c h i n e r y a n d A u t o ma t i o n ，Wu h a n U n 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 ， Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 8 1 ．C h i n a A b s t r a c t B y t a k i n g a c e r t a i n t y p e o f e x c a v a t o r a s t h e r e s e a r c h o b j e c t ，t h e t h r e e d i m e n s i o n a l 3 Dm o d e l w a s s e t u p a n d a s s e mb l e d b a s e d o n t h e s o l i d w o r k s ． T h e n p u t i t i n t o t h e ADAMS ， t h e v i r t u a l p r o t o t y p e s y s t e m wa s e s t a b l i s h e d b y a d d i n g a c o n s t r a i n t c o n d i t i o n ． B a s e d o n t h e ADAMS s i mu l a t i o n a n a l y s i s ， ’ t h e ma i n f o r c e C U l V e，a c c e l e r a t i o n c u iwe a n d s c o p e o f mi n i n g o f a r t i c u l a t e d p o i n t w e r e o b t a i n e d． C o mp a r e d t h e a c c e l e r a t i o n c u r v e a n d c o r r e s p o n d i n g p o i n t s t r e s s c u r v e s a n d i n v e s t i g a t e d t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e m． T h e c h a n g i n g o f t h e a c c e l e r a t i o n e f f e c t s o n t h e a r t i c u l a t e d f o r c e c u r v e o f e x c a v a t o r w a s a n a l y z e d ． I t p r o v i d e s t h e d a t a s u p p o r t f o r t h e c h e c k i n g o f t h e e x c a v a t o r b u c k e t ，mo v a b l e a r l n ， a n d b u c k e t r o d i n t e n s i t y t o f a c i l i t a t e f u r t h e r o p t i mi z i n g a n d d e s i g n i n g o f t h e e xcavat or． Ke y wo r d s E x c a v a t o r ； S i mu l a t i o n a n a l y s i s ； Art i c u l a t e d p o i n t f o r c e c u r v e ； Ac c e l e r a t i o n c u r v e；ADAMS 随着 经济 建设 的快速 发展 ，工程 机 械被 广泛 应 用 。挖掘机作为工程机械 的主要机种在建筑 、交通建 设、水利工程以及采矿等行业中起着非常关键的作 用 ，极大地提高了劳动效率。因此 ，对液压挖掘机 的仿真分析显得尤为重要 ，仿真出的主要数据可为进 一 步优化 和设计挖 掘机提供 帮助 。 若采用传统方法很难准确地获得挖掘机各绞点 受力曲线 ，以及挖掘范围的各项参数；目前 ，对于 挖掘机 等复杂 机构 的仿 真分 析 ，大 多采 用 P r o ／ E或 S o l i d w o r k s 等 三维软 件建立 实体模型 ，然后 导入分析 软件如 A D A MS中进行分 析；通过 阅读文 献。 。 ， 对 比发现大多数文献对仿真出来的结果 ，更注重各 铰链处的最大承载力 ，而对影响力的因素 ，特别是 加速度的变化对受力的影响有所忽略；通过整理仿 真出来 的数据，将 加速度 曲线与 受力 曲线进行对 比，探讨两者的相关性 ，分析影响曲线出现波动与 峰值的因素 ，为挖掘机的进一步轻量化设计提供数 据支持。 1 基于 S o l i d w o r k s 建立三维模型 将挖 掘机模 型进行简化 ，按 照是否存在相对运动 将其 划分为 底座 回转装置 、动臂 、斗杆 、铲斗 、铲 斗摆杆、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 1 2 个运动部件，在 S o l i d w o r k s 中进行运动部 件建模和装配，三维模型简图如图 1 。 图 1 挖掘机三维模型简图 收稿 日期 2 0 1 3 0 4 2 5 ． 基金项目国家科技支撑计划 2 0 1 1 B A F 1 1 B O 1 ● 作者简介马峰 1 9 8 9 一 ，男，硕士研究生，主要研究方向为绿色制造。Em a i l 4 1 5 9 5 8 2 9 9 q q ． e o m。 第 9 期 马峰 等 基于A D A M S 的液压挖掘机建模与仿真分析 1 3 1 2基于 A D A M S建立仿真模型 由于 A D A MS自身 三 维建 模 的缺 陷 ，因此 采 用 S o l i d w o r k s 建模 ，然后将其导入 A D A M S中，进一步 简化模型，将可合并的部件进行布尔加运算，在 A D A MS ／ V i e w中对样机三维模型添加约束、载荷等，并 进行仿真分析。由于 A D A M S ／ V i e w中有十几种运动 副，文中主要采用旋转副、移动副、球面副、圆柱 副 、虎克铰链 以及点 线副 ，通过对模 型施加力 ，并指 明力 的大 小和 方 向 ，这 样 就建 立 了挖掘 机 的仿 真模 型 。 3 挖掘机工作装置的仿真分析 3 ． 1 挖掘 阻力计算 一 般情况下作用在挖掘机的齿尖上的阻力分为 法 向挖掘力 和切 向挖 掘力 。查 阅文献[ 3 ]可 知 W n ，W t k o b h 式中k h 、 b分别为挖掘 比阻力、挖掘深度、 斗宽、挖掘阻力系数。根据参考文献 [ 1 ]可得上式 中各参 数的值 ，详见 表 1 。 表 1 挖掘参数 物料的重力 G ，可根据铲斗容量得到，该模型铲 斗容 量 V0 ． 3 8 m ，常见 土 壤 密 度 p1 ． 81 0 k g ／ m ，则根据公式 G p g V ，得物料 的重力为 6 ． 7 k N 。 3 ． 2 动力学仿真分析 通过设定 驱动表达式来模拟挖掘机工作过程 ，挖 掘机一个工作循环动作流程如表 2 。 表 2 挖掘机动作流程表 设定工 作过 程 中铲 斗 每次 铲起 6 ． 7 k N 的土石 ， 根据工作 过程 ，在 2～ 6 s 力 由零增 大 到最 大值 ，在 6～ 8 s 保持，在 8 1 0 s 减小到零，选择在铲斗质心 添加物料重力 ，力 的大小通过 S T E P函数设定 重 力 S T E P t i m e ，2 ，0 ，6 ，6 7 0 0 S T E P t i m e ，8 ，0 ，1 0 ， 一 6 7 0 0 法 向挖掘阻力 S T E P t i m e ， 2 ， 0 ，3 ． 8 ，6 4 8 6 5 S T E P t i m e ，3 ． 8 ，0 ， 4 ， 一 64 8 6 5 切 向挖掘阻力 S T E P t i m e ， 2 ， 0 ，3 ． 8 ，9 2 6 6 4 S T E P t i m e ，3 ． 8 ，0 ， 4 ，一 9 2 6 64 设置完成仿真运行后进人后处理模块 A D A M S ／ P o s t P r o c e s s o r ，图 2 _ _ 4依次为 动臂铰链受 力 图、斗杆 铰链受力 图以及铲斗铰链 受力 图 ，通 过 P l o t t r a c k i n g ， 得到各测量内容的最大值。 ‘ 从 图中可以看 出随着挖掘机挖掘工作 的开始 ，挖 掘机从静止状态突然启 动 ，铲斗 和斗杆速度 和加速度 的突变 ，导致了动臂 、斗杆 、铲斗处受力激增 ，达 到 一 个峰值；而后随着铲斗内重物的增加和齿尖挖掘阻 力 的增大 ，各铰链处受力也随着挖掘过程的进行而产 生上下波动 ，但在挖掘机 回转过程 中，由于 只受到 自 身重力和铲斗内重物的影响，所以曲线比较平缓 ；然 而后一个峰值主要是 由于挖掘机在突然卸料 时受力 骤 然间减小所造成的 ；最后受力恢复到初始阶段。 图2中动臂铰链处受力在 3 ． 8 s 左右时达到峰值， 最大值达 到了 5 4 5 ． 3 7 k N ，此 时动臂 尚未 运动 ，加 速 度 为零 ；当加速度发生突变时 ，对应此时的挖掘状态 却没有改变，但受力曲线有明显波动和出现峰值 ，说 明动臂与底座之间的铰链受力与其加速度的突变有 关 ，但最大值却不是 出现在加 速度 突变时 ，说 明受 挖 掘机挖掘状态的影响较大 。 图2 动臂与底座铰链处的力与加速度曲线 而从 图 3中可以看出斗杆铰链受力的最大值发生 在 1 0 s 左右 ，达到 了 5 4 4 ． 3 9 k N，2 4 s 受力 与加速 度变化都较剧烈 ，这主要是受到挖掘物料时挖掘阻力 的影 响 ，当加速度发生 突变 时 ，斗杆铰链处受力 出现 峰值和波动；但斗杆的危险时刻与动臂不同，发生在 铲斗卸料的一瞬间 。 图4为铲斗 的受力与加速 度 曲线 ，在 2 s 时受力 达到最大值 9 7 0 , 3 1 k N，主要是由于挖掘机在 0～ 2 s 内启动，铲斗在 2 s 时进行物料挖掘，导致了铲斗连 接处的受力激增 ，从图中还可以看出铲斗的加速度变 化对其受力无太大影响，当加速度曲线变化很明显 时，铲斗铰链处受力曲线却较平缓 ；但当铲斗挖掘状 1 3 2 机床与液压 第4 2卷 态发生改变时，铲斗的受力曲线却发生剧烈突变。 图4 铲斗与斗杆铰链处的力与加速度曲线 比较 3个铰链处 的受力 曲线 图可知 各绞点 的受 力 曲线会 随着挖掘状态的变化而变化 ，当挖掘状态突 然变化时，各铰链处的受力也会相应变化出现波动和 峰值，其中动臂与斗杆铰链处受力情况变化最为剧 烈 ；因此 ，在设计时应考虑此方面 因素 ，对连接处采 取适 当加 固 ，以防止发生 断裂 。铲 斗铰链 处受力 变化 的主要影 响因素是挖 掘状 态的变化 ；但斗杆连接处和 动臂相连接处 的受力变化除受挖掘状态 的影 响外 ，还 受到 自身加速度变化的影响，因此 ，在进行进一步轻 量化设计 时应充分考虑此 因素。 3 ． 3运动 学仿 真分 析 运动学仿真 主要是 为 了 获得最大挖掘 半径 、最 大挖 掘深度和最 大挖掘 高度 ，将 挖掘机 底座旋转 驱动表达式 设置为 0 ，调整 动臂液 压缸 、 斗杆液压缸以及铲斗液压缸 驱动表达式 ，使其收缩到最 小位置。在仿真过程中，便 可得到铲斗齿 尖 的轨迹 如 图 5 。 图 5 挖掘轨迹 通过 y 方 向坐 标 值 的测量 就 可 以获 得铲 斗 的最 大挖掘深度为 4 7 9 3 ． 7 m m和最大挖掘高度为 7 1 4 5 ． 1 m m，而 方 向的坐标值则可获得最大挖掘半径 为 9 3 6 1 ． 2 m m 如图6 。以上数据可以作为优化挖掘 参数的依据，为进一步轻量化挖掘机构件提供参考。 图6 铲斗齿尖测量点 和 Y方向位移曲线 4结论 基 于 S o l i d w o r k s 建造 的三 维模 型 弥 补 了 A D A MS 三维建模 的不 足 ，选定 挖 掘机 进 行复 合挖 掘 时 的工 况，对其进行运动学和动力学仿真分析，得到动臂 、 斗杆 、铲斗铰链处 的受力 曲线与加 速度 曲线 、最大 挖 掘半径、最大挖掘深度以及最大挖掘高度等参数 ，通 过分析后发现铲斗铰链处受力 主要受挖掘状态 的影 响， 自身加速度变化的影响因素很小；但斗杆连接处和动 臂连接处除了受挖掘状态的影响外，自身加速度的变 化对其也有较大影响。基于 A D A M S的仿真分析方法， 获得的各铰链处或者各点处的受力曲线，省去了传统 计算方法的繁琐步骤 ，可更直观地反应构 件 的瞬 时受 力情况；将受力曲线与加速度曲线相结合，分析加速 度的变化对 曲线 波形和峰值 的影 响 ，为进一 步优化挖 掘机结构尺寸和强度校核提供有效的参考和依据。 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 0 7 ． [ 2 ]李增刚． A D A M S入门详解与实例[ M] ． 北京 国防工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ]同济大学． 单斗液压挖掘机[ M] ． 北京 中国建筑工业出 版社 ， 2 0 0 6 ． 『 4 ]李琴． 液压挖掘机 的三维 实体造 型以及运动学仿真 [ J ] ． 机械工程与自动化， 2 0 1 0 ， 1 2 6 7 2 7 3 ． 『 5 ]李新， 周志鸿 ， 厉峰． 基于 A D A M S的挖掘机工作装置优 化设计[ J ] ． 建筑机械， 2 0 1 2 ， 3 8 8 9 1 ． 『 6 1马肖丽， 周志鸿． 基于 A D A MS的液压挖掘机工作装置 的运动学仿真[ J ] ． 建筑机 械， 2 0 1 1 ， 3 1 0 2 1 0 5 ． 『 7 ]朱志辉， 周志革， 王金刚， 等． 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 O 0 6 ， 8 8 1 5 81 5 9 ． [ 8 ]程洪涛 ， 聂陶荪， 潘玉安， 等． 基于虚拟样机技术及 A D A MS的挖掘机动力学仿真 [ J ] ． 机械 工程 与 自动化 ， 2 0 0 8 ， 2 1 7 9 8 1 ． [ 9 ]钟相强 ， 梁利东． 液压挖掘机工作装置耦合仿真[ j ] ． 机 械设计与制造， 2 0 1 2 ， 6 6 2 2 9 2 3 0 ． 『 l 0 ]徐兵， 朱晓军， 刘伟 ， 等． 挖掘机工作装置运动学建模与 仿真[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 9 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