液压挖掘机机械系统在adams中的运动学仿真分析.pdf

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1、机电研究及设计制造 机电技术2010 年第 1 期 70液压挖掘机机械系统在 ADAMS 中的运动学仿真分析 林荣逢1 冯丽2（1.福建省特种设备检验院，福建 福州 350000；2.广汽本田汽车有限公司，广东 广州 510000）摘 要：将三维造型软件 UG 和机械系统运动学/动力学分析软件 ADAMS 结合起来，建立了液压挖掘机机械系统的虚拟样机模型。对挖掘机机械系统进行运动学仿真确定了挖掘机整机作业范围和最大挖掘半径、最大挖掘深度、最大挖掘高度、最大倾斜高度和最小倾斜高度等特殊工作尺寸。仿真结果表明，所设计液压挖掘机机械系统较为合理，作业范围合理，满足对特殊工作尺寸的要求。关键词：液压挖

2、掘机 虚拟样机技术 ADAMS 运动学仿真 中图分类号：TU621 TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1672-4801（2010）01-070-03 引言 液压挖掘机在工业与民用建筑、道路建设、水力、矿山、市政工程等土石方施工中均占有重要位置，并反映了这些部门的施工机械化水平。是交通运输、能源开发、城镇建设以及国防施工等各项工程建设的重要施工设备，是国民经济建设迫切需要的装备。2009 年 1 月 24 日颁布的中华人民共和国国务院令第 549 号特种设备监察条例将挖掘机列为厂内机动车辆，进行特殊管理。对挖掘机的安全设计研究已经引起各方面的重视。如何提高产品的设计质量，降低产品的研发

3、成本，进行创新性设计，又快又好设计出满足不 断 变 化 市 场 的 需 求。虚 拟 样 机 技 术(viurtalProtoytPing)的应用很好地解决了这些问题。本文将液压挖掘机机械系统用三维造型软件 UG 进行建模，并导入 ADAMS 中得到虚拟样机模型，进而确定挖掘机整机作业范围和最大挖掘半径、最大挖掘深度、最大挖掘高度、最大倾斜高度和最小倾斜高度等特殊工作尺寸，校验了所设计液压挖掘机机械系统的正确性。1 机械系统的虚拟样机的建立 构造虚拟样机必须进行机械零、部件的三维实体造型。三维实体模型的构筑对于虚拟样机的仿真和分析十分重要，必须充分理解所构造的机械结构的各个零部件的外形以及他们之

4、间的相对位置和装配关系，在实体建模时严格按照实际的尺寸来进行，只有这样才能达到仿真时对可信度的要求。利用各种约束类型完成装配后的液压挖掘三维造型如图 1 所示。图 1 液压挖掘机机械系统简化模型 将液压挖掘机机械系统三维模型导入 ADAMS软件中，由于 ADAMS/view 提供了四种类型的力：作用力、柔性连接力、特殊力和接触力。在施加力时，需要指明力作用的零件和作用点，以及力的大小和方向。描述力的大小可以用一个特定不变的常数值，也可以用 ADAMS 的函数表达式，或者用 ADAMS 子程序传递参数。这样，挖掘机机械系统的虚拟样机模型基本建立，效果图如图 2 所示。图 2 挖掘机机械系统虚拟样

5、机效果图 机电技术2010 年第 1 期 机电研究及设计制造 712 样机模型运动学仿真分析 运动学仿真可确定所关心点的位移、速度、加 速 度 的 变 化 范 围。在 运 动 学 仿 真 中，ADAMS/solver 只解最少的代数方程。因此，对于运动仿真系统的自由度必须为零。如果指定物体的质量和惯性，运动仿真可以计算出产生某种运动所需的力和力矩。除此之外，运动仿真还可以检验所加运动约束是否正确，所以在进行动力学仿真之前进行运动学仿真是必要的。只有进行装配后并确定下来才能开始运动仿真，为了能够使模型能真实反映实际机构的运动规律，必须精确地描述驱动件的运动规律。如动臂油缸收缩到一定位置后不动，由

6、铲斗油缸和斗杆油缸运动到一定位置，再由铲斗油缸或斗杆油缸作用进行挖掘，然后提升等运动。对这类多自由度问题，可以分为多个运动过程，每个过程只有单个自由度，每一个过程最后的运动状态均作为下一个过程的初始条件，这种分割的办法虽繁琐但清晰明了，对需要重点研究某一运动过程很方便。在铲斗的斗齿尖处创建 MAKRER 点，建立一个测量(measure)，定义测量特征为移动位移(Translational displacement)，测量分量分别为 x，y。反铲装置的几何位置取决于动臂液压缸的长度 L1，、斗杆液压缸的长度 L2 和铲斗液压缸的长度 L3。显然，当 LI、L2 和 L3 为某一组确定值时反铲装

7、置就相应处于一个确定的几何位置。反铲工作液压缸运动参数见表 1。表1 反铲工作液压缸运动参数表(单位：mm)液压缸种类 全缩长度Lmin 全伸长度 Lmax 最大行程动臂液压缸 1870 3155 1285 斗杆液压缸 2231 3866 1635 铲斗液压缸 1605 2625 1020 当液压挖掘机反铲装置的结构形式及结构尺寸己定时(包括动臂、斗杆、铲斗尺寸、铰点位置、相对的允许转角或各液压缸的行程等)，即可应用动力学仿真软件 ADAMS 求得挖掘机挖掘轨迹的包络图，即挖掘机在任一正常工作位置时，所能控制到的工作范围。包络图中可能有部分区间靠近甚至深入到挖掘机停机点底下，这一范围的土壤虽能

8、挖及，但可能引起土壤的崩塌而影响机械的稳定和安全工作，除有条件的挖沟作业外一般不使用。2.1 动臂工作仿真 当采用动臂液压缸工作来进行挖掘时(斗杆液压缸和铲斗液压缸不工作时)可以得到最大的挖掘半径和最长的挖掘行程。在液压缸和活塞杆之间的移动副上添加运动来模拟挖掘机的运动过程。首先，在机械系统中添加运动和测量。在斗杆缸移动副处添加运动(Translational joint motion)，运 动 方 式 为 位 移，输 入 运 动 函数:step(time,0,0,5,-0.162)，即调整斗杆缸处于全缩状态。在铲斗缸移动副处添加运动(Translational joint motion),运

9、动方式为位移，输入运动函数:step(time,0.5,0,1.0,0.787),即调整铲斗缸处于全缩状态。在动臂缸移动副处添加运动(Translational joint motion)，运 动 方 式 为 位 移，输 入 运 动 函 数：step(time,1.0,0.0,1.5,-0.278)+setp(time,1.5,0.0,2.5,0.278+1.007),即动臂缸全伸状态，得到动臂液压缸的 Step 函数（如图 3）。图 3 动臂液压缸的 Step 函数 2.2 斗杆液压缸工作仿真 当仅以斗杆液压缸工作进行挖掘时，铲斗的挖掘轨迹系以动臂与斗杆的铰点为中心，斗齿尖至该铰点的距离为半

10、径所作的圆弧线，同样，弧线的长度与包角决定于斗杆液压缸的行程。当动臂位于最大下倾角并以斗杆液压缸进行挖掘工作时，可以得到最大的挖掘深度尺寸，并且也有较大的挖掘行程，在较坚硬的土质条件下工作时，能够保证装满铲斗，故中小型挖掘机在实际工作中常以斗杆液压缸工作进行挖掘。在动臂缸移动副处添加运动(Translational joint motion)，运动方式为位移，输入运动函数：step(time，0,0,0.3,-0.278)，即调整动臂缸处于全缩状态。在铲斗缸移动副处添加运动(Translational joint motion)，运动方式为位移，输入运动函数:step(time,0.5,0,1

11、.0,0.5919)，使动臂与斗杆的机电研究及设计制造 机电技术2010 年第 1 期 72铰接点 F，斗杆与铲斗的铰接点 Q，斗齿尖 V 三点位于一条直线上。在斗杆缸移动副处添加运动(Translational joint motion)，运动方式为位移，输入运动函数:Step(time,1.0,0,1.3,-0.162)+Step(time,1.3,0,2.0,0.162+1.473)仿真结果如图 4 所示。图 4 斗杆液压缸的 Step 函数 2.3 铲斗液压缸工作仿真 挖掘机如果仅以铲斗液压缸工作进行挖掘时，挖掘轨迹则是以铲斗与斗杆的铰点为中心，该铰点至斗齿尖的距离为半径所作的圆弧线，

12、同理，圆弧线的包角(即铲斗的转角)及弧长决定于铲斗液压缸的行程。显然，以铲斗液压缸工作进行挖掘时的挖掘行程较短，如使铲斗在挖掘行程结束时能装满土壤，需要有较大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的土壤，所以一般挖掘机的斗齿最大挖掘力都在采用铲斗液压缸工作时实现。采用铲斗液压缸进行挖掘常用于清除障碍，挖掘较松软的土壤以提高生产率，因此，在一般土方工程挖掘中(土壤多为级土以下)转斗挖掘最常采用。在以上动臂液压缸、斗杆液压缸和铲斗液压缸运动仿真的基础上进行多个过程的仿真分析。图 5即为通过计算机仿真做出的挖掘机作业范围图。图 5 挖掘机作业范围图 图中挖掘机的作业范围根据仿真过程依次为调整斗杆、铲斗缸到全缩

13、状态、动臂液压缸由全缩到全伸、铲斗缸由全缩到全伸、斗杆缸由全缩到全伸、铲斗缸由全伸到全缩、斗杆缸由全伸到全缩、动臂缸由全伸到全缩、铲斗转动一定角度、斗杆缸由全缩到全伸、动臂缸由全伸到全缩状态的运动轨迹。由仿真结果可知挖掘机的特殊工作尺寸:最大挖掘半径-10.059m 最大挖掘深度 8.766m 最大挖掘高度 7.708m 最大倾斜高度 4.788m 最小倾斜高度 0.461m 3 小结 通过在 ADAMS 中虚拟样机机械系统的运动学仿真，确定了挖掘机最大挖掘半径、最大挖掘深度、最大挖掘高度、最大倾斜高度和最小倾斜高度等特殊工作尺寸，进而确定了整机作业范围。结果表明，所设计液压挖掘机机械系统较为合理，作业范围合理，满足对特殊工作尺寸的要求，为进一步进行动力学仿真打下基础。参考文献：1王庭树.机器人运动学及动力学M.西安:西安电子科技大学出版社,1990.2冯丽.液压挖掘机虚拟样机系统仿真分析D.河北：河北工业大学，2005.作者简介：林荣逢（1983 年），男，助理工程师，主要从事特种设备定期检验、监督检验工作。