基于Pro／E的挖掘机液压轴的受力分析与仿真.pdf

文章编号 1001 - 22652007 05 - 0017 - 03 收稿日期 2006 - 10 - 08 作者简介孙毅1979 , 男,山东济宁人,南华大学机械工程学院机械设计及其自动化专业硕士研究生, E - mail gongsunyi2005163. com。 基于PRO /E的挖掘机液压轴的受力分析与仿真 孙毅,李岚,孔玉霞 南华大学 机械工程学院,湖南 衡阳 421001 摘要针对液压挖掘机在进行挖掘作业时各杆件的运动情况,以PRO /E的CAM和CAE功能为基础,利 用Mechanis m和Mechanica两个模块,进行动态仿真,对其动力臂液压轴、 斗杆液压轴、 和铲斗液压轴进 行应力分析,用图表表示仿真结果。 关键词 PRO /E;液压挖掘机;动态仿真;应力分析 中图分类号 TG65 文献标识码A Hydraulic Axes of Hydraulic Excavator Si mulation Base on PRO /E SUN Yi, L ILan, KONG Yu2xia School ofMechanical Engineering, Nan Hua university, HuNan HengYang 421001, China Abstract’2 Key words 0 前言 现代液压元件大部分是在高压、 高速和恶劣的条 件下工作的。因此,液压元件的传力机构特别是动臂 液压轴、 斗杆液压轴、 铲斗液压轴应具有足够的强度 和刚度来保证元件的正常运转。在真实的工况环境 中进行模拟挖掘机作业的试验代价是高昂的,而且很 难准确的对液压轴的受力进行定量分析。通过PRO / E软件对挖掘机的各个元件进行建模,然后将它们组 装成工作装置的模型,通过对模型进行动态仿真和分 析,可以对系统做出适当的实时修改或者按照仿真的 最佳结果来调整控制系统的参数,提高系统性能,减 少后期修改而付出的昂贵代价和周期,实现高效开发 系统的目标。 1 利用PRO /E进行设计的方法 PRO /ENGI NEER W ildfire是由美国参数技术公 司PTC推出的一套博大精深的集成CAD /CAM / CAE参数化软件系统,是目前国际上专业设计人员 使用最为广泛、 先进、 具有多种功能动态设计和仿真 软件系统。利用PRO /ENGI NEER的运动仿真和有限 元分析功能,将各种可行性的方案输入就无需在实验 室内进行大量的样机实验和分析,实现了产品的绿色 设计和虚拟设计。 2 液压挖掘机运动轨迹分析 挖掘机的工作装置,主要由动力臂,斗杆,铲斗和 三个为之提供动力的液压缸组成。工作装置的各部件 均采用铰销连接,通过液压缸的伸缩运动来完成挖掘 过程的作业运动。动臂下铰点与转台连接,由动臂液 压缸支承并改变动臂倾角,动臂缸活塞杆伸缩,使动臂 绕下铰点转动,达到动臂的升或降。斗杆铰接在动臂 上端,斗杆与动臂间的相对位置由斗杆缸控制。铲斗 铰接在斗杆前端,铲斗缸活塞伸缩即可使铲斗绕斗杆 端部伸缩。为扩大转角范围,常用连杆结构将铲斗与 71 2007年第5期 设计与研究 斗杆连接起来。 由于挖掘机在实际工作中,挖掘阶段转台不回转, 静止不动,转台回转时,工作装置不挖掘,因此,挖掘机 工作装置挖掘轨迹,可以归结为动臂,斗杆,和铲斗三 个杆件的运动轨迹。 进行工作装置的仿真时要精确的确定各部件的 长度,弯曲角度,各铰支点的位置等许多参数。设计 中各参数要进行多次预选并进行试运算,通过反复试 验获得理想的动力臂作业范围和合理的力学结构。 使用计算机可以很方便的改变机构中任一杆的所有 参数。 动力学仿真有正、 逆两种方式。正方式是已知系 统所受的力、 载荷,求系统的速度,加速度,位移等运动 学参量变化的情况;逆方式是通过模拟系统的运动轨 迹求系统的受力,载荷变化情况。这里通过PRO /E对 液压挖掘机工作装置进行逆方式仿真,即取由动臂油 缸、 斗杆油缸、 铲斗油缸配合运动得到挖掘轨迹,通过 计算轨迹中这几个油缸的位移运动,求得动臂的举升 力,斗杆的挖掘力,和动臂,斗杆和铲斗质心的角速度, 角加速度,位置等变化。 3 用PRO /E进行仿真 首先利用PRO /E的CAD功能对挖掘机工作装置 的各个构件进行三维建模;然后完成工作装置的装配 图,即将各构件动态连接起来,它们之间有不同的运动 副,分别是动臂相对回转装置的转动副、 斗杆绕动臂末 端的转动副以及铲斗绕斗杆末端的转动副,把构件组 合成一个能够运动的实体;接着进入Mechanism环境, 对连接轴动力臂液压轴、 斗杆液压轴和铲斗液压轴 设置限制;继而为零件分配质量属性并对连接轴设置 驱动;最后开始对挖掘机进行动态仿真并建立动态分 析,输出动力臂液压轴、 斗杆液压轴、 和铲斗液压轴的 应力分析图形。 用图形简略表示如图1所示。 图1 挖掘机仿真的过程 图2是由建模后的挖掘机构件连接成的工作装置 的装配图,各构件之间有不同的运动副,能够模拟挖掘 机作业时的运动轨迹。 图2 挖掘机的装配图 输出图形结果 图3 动臂液压轴的受力状况 图3是动臂液压轴在挖掘机摇臂运动过程中的受 力状况图。由图形可以看出动臂轴在挖据过程中的受 力是呈周期性的,在一个周期中,力的变化整体上呈间 断性上升趋势,每当上升到间断点时,又在小范围内会 出现小幅递减现象,然后继续上升。 图4是斗杆液压轴在挖掘机摇臂运动过程中的受 力状况。从图中可以看出斗杆轴受力的极点在整体上 变化并不很大,有点类似但不是严格意义上的周期性 受力,每一个类周期中,受力的变化范围和变化速度很 大,并且在初始阶段受力最大,以后逐渐减小。 81 设计与研究 组合机床与自动化加工技术 The Standard is downloaded from Standard Sharing 图5是铲斗液压轴在挖掘机摇臂运动过程中的受 力状况。可以看出铲斗轴的受力变化幅度最大而且变 化速度也最大,没有任何呈现周期性的现象,这和在作 业时当铲斗处于不同位置受力也随之而变是相吻合 的。 4 结束语 液压挖掘机动态设计的最终目的是使结构的动态 性能在满足一定约束条件下达到最优,其中一个关键 问题是确定设计变量对动态特性的影响程度。解决问 题的最可靠办法对设计变量取值不同的多个实验模型 进行动态试验。此法由于试验成本过高,在工程中几 乎不可能实现,采用计算机仿真挖掘机的工作状态的 运行轨迹,可以随时根据需要变动要设置的约束条件, 预测元件和系统的动态特性和受力情况,这对提高产 品的质量是至关重要的。 [参考文献] [1]林清安.PRO /ENGI NEER W I LDFI RE 进阶篇 [M ]. [2]祝凌云,李斌.PRO /ENGI NEER运动仿真和有限元分析 [M ]. [3]李良.单斗液压挖掘机[M ].哈尔滨哈尔滨工业大学出版 社, 1998, 40 - 50. [4]曹善华.单斗液压挖掘机[M ].北京机械工业出版社, 1998. [5]车仁炜,吕广明,陆念力.液压挖掘机工作装置的动力学分 析及仿真[J ].机械传动, 2005, 292 25 - 27. 编辑 赵蓉 上接第16页 4 结束语 对非对称62PSS并联机构的工作空间和灵活度进 行了分析,结果表明①动平台长轴尺寸对机构工作 空间影响较大,而短轴尺寸对其影响很小,所以在保证 灵活度较优的情况下,可以减小短轴的长度,从而减小 机构的体积;②机构绕x轴转动的能力较差,而沿y方 向可以实现很大的工作空间,所以该机构可以专门应 用在y轴方向工作空间要求大,而绕x轴转角要求不 高的的场合。 [参考文献] [1] Hunt K H. Kinematic Geometry ofMechanis ms . Oxford; Clar2 endon Press, 1978. [ 2] KumarV. Trans . ofAS ME J. ofMech. Design, 1992, 14 368 - 375. [3]黄真,孔令富,方跃法.并联机器人机构学理论及控制 [M ].北京机械工业出版社, 1997. [4]宣孝英,傅祥志. 62PSS并联机构的研究[J ].华中理工大 学学报, 1999, 2711 , 82 - 84. [5]韩先国.并联机床相关理论及设计方法研究[D ].北京航 空航天大学, 2002. [6] Cieary K, Arai T .IEEE Int . Conf . on Robotics and Automa2 tion. 1991, 566 - 571. [7] Ficher E F.Int . J. Rob. Res . , 1986, 52 , 157 - 182. [8] Merlet J P. Research Report 646.I NR I A, 1987. [9] Merlet J P. ARK .Ferrare, 1992, 326 - 329. [10]黄真.空间机构学[M ].北京机械工业出版社, 1991. [11] Hunt K H. AS ME J. Mech.Trans and Auto. Des . , 1983, 105 705 - 712. 编辑 李秀敏 91 2007年第5期 设计与研究