装载机铲斗铲装阻力分析及仿真——毕业论文

广西科技大学机械工程学院广西科技大学普通本科毕业设计（论文）说明书课题名称 装载机铲斗铲装阻力分析及仿真 学 院 机械工程学院 专 业 机械工程及自动化 班 级 学 号 姓 名 指导教师 年 月 日摘要装载机在现今的各类施工建设中应用广泛，而铲斗是装载机的重要组成构件，在铲装作业过程中发挥重要的作用，因此装载机铲斗的设计是非常重要的。但在以往铲斗正向设计中存在的问题主要在于铲装作业受力的情况。而本课题主要是进行装载机铲斗铲装阻力的分析及仿真，从而获取铲斗铲装作业时的受力曲线。在对本课题研究中，主要是在ADAMS仿真软件里面进行装载机的动力学模型建立、材料属性定义、添加运动副、施加驱动等，然后借助Step函数设置装载机的几种典型工况的运动，从而对这几个典型的工况进行铲斗的铲装阻力分析,在仿真分析的过程中获取铲斗在不同工况时的受力曲线，因此就能够知道铲斗在铲装作业时的受力情况，这样就可以为铲斗的研发设计提供重要的理论依据。对该课题所进行的研究中，运用装载机的虚拟样机来模拟装载机进行铲装作业，这样能够比较容易的了解铲斗及工作装置各铰接点在进行铲装作业时的受力，不仅为铲斗的研发设计提供了理论依据，同时也为机械产品的研发设计总结了相应的经验。关键词：装载机铲斗； 铲装阻力； ADAMS仿真； 虚拟样机IAbstractThe loader is widely used in the construction of all kinds of construction，and An important component of loader is bucket,Play an important role in the process of Shovel loading operation, so the design of bucket is very important.But in the past the bucket forward design problems mainly lies in the force of the digging and loading operation.And this topic is mainly loader bucket shovelling resistance analysis and simulation, in order to gain bucket shovel working stress curve.In the research of this topic,mainly in the ADAMS simulation software to carry out the dynamic model of the loader,Material attribute definition, add motion pair, exert drive etc,and with the help of step function loading machine of several typical working conditions of motion, which of the several typical working conditions of bucket shovel loading resistance analysis, in the simulation process to obtain bucket under different conditions of force curves. So we can know the bearing force of bucket shovel pretend industry, so that it can provide an important theoretical basis for research and design of bucket.In the research of this subject,Using loader virtual prototype simulation loader for digging and loading operation, which can more easily understand bucket and working device of each joint contact for digging and loading operation force, not only could provide the theoretical basis for the research and design of bucket, but also for mechanical product development design summarizes experience of the corresponding.Key word: Loader bucket; Shovel loading resistance; ADAMS simulation; virtual prototype II目录摘要IAbstractII1. 绪论11.1 课题来源11.2 国内外装载机的发展情况21.3 铲斗铲装阻力仿真的意义31.4 课题研究的主要目的41.5 课题研究的方法41.6 ADAMS软件简介42. 方案设计62.1 工作装置结构及基本要求62.2 铲斗的结构形式72.3 铲斗的截面形状82.4 工况和载荷分析93. 铲斗及工作装置三维模型建立164. 装载机的动力学模型建立184.1 运动环境的设置184.2 工作装置的材料属性定义184.3 运动副的定义194.4 添加驱动214.5 施加载荷225. 装载机及铲斗模型的ADAMS仿真分析245.1 仿真计算方式245.2 计算方式的选择255.3 仿真控制参数的确定265.4 仿真分析的后处理265.4.1 绘制数据曲线265.4.2 仿真动画286. 铲斗铲装阻力分析的结果316.1 液压缸受力变化曲线316.2 液压缸活塞移动加速度变化曲线326.3 动臂的位移曲线和速度变化曲线346.4 各机构夹角的变化356.5 斗尖相对于地面的高度曲线366.6 各铰接点处的受力变化情况36结束语38致谢39参考文献401. 绪论1.1 课题来源 随着全球经济建设的快速发展，各类机械产品发挥着越来越重要的作用。而越是发达的国家越重视先进机械的研究制造与发展，从特殊方面来说，先进的机械设备也是代表着一个国家的技术先进水平。机械研究为新技术、新成品的研发和制造提供了重要的基本条件，即便是在机械研究制造方面技术领先的发达国家，也高度关注更加先进机械产品的研究和开发。而在目前所使用的机械运动的仿真研究分析技术是建立在机械系统运动学、动力学理论与计算机技术基础上的一种新型研究分析技术，主要是涉及到机械部件模型建立、仿真运动环境的设置、机械运动操作控制、运动学及动力学等相关方面的内容。在这一技术里面主要是运用计算机来模拟机械的工作装置在现实环境中的运行与受力情况，同时依据机械研发设计的性能及现实情况的要求与仿真分析所得到的结果，对相应的参数进行修改设计，使之能够满足机械性能的指标要求。我国的先进机械研发和制造正在面对庞大的国内市场需求和更为广阔的国际市场，仅是依靠传统的机械产品和技术是难以跟上世界快速发展的步伐。因此缺乏自主创新技术与品牌和先进机械研发能力的机械制造企业，迫切需要提升自己的市场竞争力以及提高自身的研发水平，只有这样才有可能使我国从机械制造大国逐步地迈向先进机械制造强国的行列。目前我国机械制造业面临的挑战主要来自国际市场竞争以及发达国家先进技术打压和技术封锁。为此具有创新研发的精神和先进的技术是目前迫切需要的，先进技术代表着先进生产力，只有在技术上提高了，才能用最小的成本获得更大的回报。随着计算机技术的发展和兴起，计算机的功能也得到了很大开发，运用计算机来模拟机械运动时的仿真受力也越来越广泛，并且是机械研发工作人员得到可靠实验数据的一种有效方法。从数据建模、虚拟环境设置、运动参数设置、仿真受力分析、结果输出到最后得到人们所需要的数据，从而让人们对机械物体受力情况有进一步了解，同时参考现实中的需要修改相应的参数使产品满足机械性能指标要求，并且进一步优化。计算机仿真技术的发展和应用，为人们提供了实现机械虚拟现实运动的技术手段。随着计算机的快速发展，仿真技术也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的实验分析及一步步修改加工及制造的概念发生了很大的转变。虚拟仿真技术使用简单，可以方便的对相应的参数进行修改，从而节省了较多的设计计算时间，对机械研究有重大的贡献。虚拟样机在电脑上就可以模拟机械的运动及与物料的接触碰撞和摩擦，为研发产品和减少或需要增大摩擦的产品也提供了方便。因此，计算机仿真以其快捷的效率、功能的多样化引起人们的重要关注，并引领着机械制造业向更先进的方向快速发展。在当今社会的发展及建设中，装载机的使用是必不可少的，因此，在很多不同的地方都能看到装载机在进行作业，装载机可以进行铲装、推土、运输、装卸、平整作业1，但不同的环境及不同的铲装物料对装载机及其铲斗的影响是不一样的，因此在装载机的研究制造过程中也应针对不同环境及铲装物料进行相应的零部件金属性能处理，在相同制造成本的前提下尽量提升产品机械性能，而这一步骤所需的相应数据利用计算机来进行机械运动仿真分析是非常容易得到的。利用计算机进行机械仿真的软件有许多种，并且这些软件都有相关的仿真分析应用，但它们也有不同的主要应用方向。例如：ADAMS,ANSYS,EDEM,PROE,UG，SOLIDWORK等，而本课题主要是运用ADAMS来进行研究。1.2 国内外装载机的发展情况国外装载机的发展情况：为了满足装载机在不同地域环境下进行作业，近几十年来，各研究机构及生产厂家都在不断的研究和采用新技术来改进优化装载机。装载机的性能越好、可靠性、舒适性越好、使用年限越长也是人们不断追求的。国外的装载机在研发制造中有许多方面是目前比较领先的。例如：在电子方向和电路控制系统方面，基本上现在的机械产品都离不开电，甚至现在许多机械都只是仅靠电力驱动和工作。而国外机械在电子电路方面的研究有很大的成果，并且还在不断的向更先进的方向研究，因此在电路控制这方面有着突出的一面；在产品自动控制方面，跨入21世纪以后，机器自动化是人们的目标，因为自动化程度越高节省的劳动力也就越多，同时，在遇到特殊情况下，装载机能够自动停止运动或减速是非常必要的；在高精密部件的研究使用方面，每一台机器都会有着自己的核心部件，而这些部件有时是非常细小的，但这些零件的机械性能也要达到要求，而这在国外的研究有着独到的一面；在清洁和环保方面，国外的机械非常注重环保，比如为了减少废气的排放而研发并使用比较先进的发动机及排放系统；还有就是维护和保养的方面，在装载机售出后及在进行作业时如果出现了什么问题，厂商会及时的研究处理并针对这一问题进行后续的优化和改进。国内装载机的发展情况：我国目前的装载机品牌主要有柳工、徐工等。从1966年柳工生产第一台轮式装载机Z435开始，开创了国内轮式装载机的研发和生产历史。从此，装载机的研发是在稳定的进行着。1970年柳工研制成功Z450装载机，进一步的提高了装载机的性能，也能更好的适应作业环境。1976年DZL50井下装载机和ZL90研制成功，1988年ZL50C研制成功。1989年卡特彼勒技术的引进，促进了柳工装载机技术的完善和提高，近些年来，由于一些先进技术的引进，使得装载机的研发和制造技术得到进一步提高。装载机的发展在考虑性能和使用年限的同时也应要考虑人机的结合即人在操作时的舒适性，在追求效率的同时也应追求操作的方便性。目前我国的第三代装载机产品如ZL50G在各方面也取得了不错的成绩，它们的优点如：基本上都利用了液压的先导控制，在进行作业的过程中操纵更加方便和灵活，进一步减轻了操作人员的劳动强度；液压系统的最大工作压力也得到了提升，由之前的16MPa提高到了20MPa以上，提升了液压工作能力2；在机械、电子电路相结合的运用方面也更加方便，有一些部分的机械液压操作系统利用电脑来进行控制，一体化的水平得到了提高；另外在不同的地域环境也相应的研究有适合该地域的机型。我国第三代装载的机研发技术在总体上接近了世界的先进水平，但在一些如适用性、高智能自动化等方面还有较大的发展空间。1.3 铲斗铲装阻力仿真的意义利用虚拟样机的仿真技术我们能够对现实产品的虚拟样机进行仿真分析，从而可以对相应的参数进行修改，使之符合设计的要求，这样不仅能够减少生产制造成本，也能减少研发的时间，提高研发的效率。伴随着世界经济快速发展的步伐，人们对产品的多功能、实用、寿命等要求也逐步提高，而另一个层次，社会同行竞技和排挤更加严重，产品向更复杂的方面发展，产品设计研发周期逐步缩小，保修和维护要求更高，生产情况更加灵活多变。要解决上面的难题，一个比较见效的方法就是利用虚拟样机进行运动环境虚拟仿真，在没有现实制造出实在的产品之前就进行虚拟运动分析，早一步知道研发物品的各项性能需求，预防各类设计存在的不足，研究出修改和优化的方案。在与传统的设计流程相比，利用计算机仿真进行的设计研发流程更加简便和快速，图1.10中就是一般传统的设计过程，图1.11是利用计算机仿真进行研究的设计流程。物理样机试制/修改技术设计方案设计用户需求和市场分析批量生产详细设计试运行 Y N图1.10 传统的设计流程运行实验批量生产详细设计物理样机试制/修改技术设计用户需求和市场分析CAD/CAM/CAD模型方案设计 N Y仿真测试 N优化设计虚拟样机Y图1.11 计算机仿真的设计流程在仿真技术的应用中，我们可以快速的利用计算机辅助系统所提供的各类所需零部件的主要功能特性机械性能等及其各类尺寸参数，在计算机系统上指定各零部件间的约束条件并对这些装载机的机械部件进行模拟装配，这样是为了获取用于进行仿真实验的整体的虚拟样机。运用计算机对装载机的虚拟样机进行仿真分析，在分析过程中我们能够观察并记录下各组成部分的相互运动情况及它们之间的作用关系3。同时经过对铲斗铲装阻力的研究能够对装载机铲斗与各部件的受力清楚的了解，知道铲斗在铲装过程中的受力情况，为今后的技术改进和提高机械性能提供有效的依据。1.4 课题研究的主要目的现实环境中如果要进行铲斗的铲装受力分析是比较麻烦的，需要花费很多的时间去进行铲斗受力的感应实验，以及最后还要进行受力曲线的分析。该课题研究的主要目的是为了避免现实中繁杂的实验，而利用计算机来模拟装载机在进行作业时铲斗的仿真受力分析，以及在进行水平插入、物料举升过程中铲斗的受力分析，这样我们就能清楚的了解到铲斗及工作装置的铲装受力情况，为以后装载机各部件的性能优化提供可靠的数据。1.5 课题研究的方法对课题的研究流程如图1.12所示。1、总体方案设计2、零部件及运动仿真模型建立计课题研究的方法3、运动环境设置4、运动仿真分析5、仿真结果输出图1.12 研究流程图1.6 ADAMS软件简介ADAMS，即机械系统动力学自动分析或多体动力学仿真研究工具，最初是由美国MDI公司开发，经过几个阶段的发展过程，现已由美国MSC公司接手的虚拟样机研究软件。ADAMS软件采用相互交融、交叉式的作图环境及零部件库、各约束库和各力数据库等，其中常见的基本图库中包含了长方体、圆柱体、球体、圆环、连杆等，开创了较全面参数化的机械部件及机构系统几何模型，它的求解部分主要运用多刚体系统动力学知识里的拉格朗日方程计算方式，并创建系统动力学方程算法，对机械的执行构件进行仿真研究，最后可以得出物体位移、速度、加速度与作用力及反作用力曲线，对产品的研究制造有很大的作用。该软件的虚拟仿真分析可应用在预测机械结构的工作性能、具体运动限制大小、碰撞物体检验、最高值载荷和分析输入载荷等多个方面。ADAMS是虚拟样机研究开发的重要工具，其较全面的程序结构与多种数据接口，能够当作为一些特殊行业使用者进行特殊方向虚拟样机研发的二次应用开发工具的平台8。ADAMS软件集物体部件建模、仿真计算和后续处理于一体，并且由几个模块构成，基本模块主要是View模块和Postprocess模块。通常的机械结构研究都可以用这两个模块来进行分析，而且在该软件中还应用有一些针对特殊专业方面而单独研发的专用模块与嵌入模块，比如专业模块包含有汽车、发动机、火车、飞机模块等，嵌入模块有振动、耐久性、控制、柔性体模块等。在下面的表1.10中包含着一些ADAMS的通用模块。表1.10 ADAMS的通用模块通用模块基本模块用户界面模块ADAMS/View求解器模块ADAMS/Solver后处理模块ADAMS/Postprocessor扩展模块液压系统模块ADAMS/Hydraulics振动分析模块ADAMS/Vibration线性分析模块ADAMS/Linear高速动画模块ADAMS/Animation实验设计与分析模块ADAMS/Insight耐久性分析模块ADAMS/Durability数字化装配回放模块ADAMS/DMU Replay接口模块柔性分析模块ADAMS/Flex控制模块ADAMS/Controls图形接口模块ADAMS/ExchangeCATA专业接口模块CAT/ADAMSPro/E接口模块Mechanical/Pro2. 方案设计2.1 工作装置结构及基本要求装载机作为现代工程机械中的主要成员，并且也是该行业机械领域具有极高代表性的产品之一，在各类工程施工中都发挥着非常关键的作用。装载机归属于铲土铲装运输类机械产品，广泛运用在建筑、公路、铁路、水电、港口、河道、矿山及国防等众多行业和重要部门10，可以用来铲装卸载各类散状物料，进行短程距离运送施工物料等。装载机能够对多种物料进行作业，但通常是各类土壤、沙土石料、灰料和其它建筑道路用的散状物料等，主要进行铲装、搬运、卸载等施工作业，同样也能够对岩石类、硬土区域进行轻度铲装挖掘作业。在较多国家的农业领域也使用特殊的装载机对稻谷或其它农作物进行装卸。轮式装载机具有一些自身的特点，例如：机体自重较轻、运行速度快、机动性较好、作业循环时间较少、作业效率比其它机械产品高和操作方式轻便快捷等11。轮式装载机对平常的普通路面损伤比较小，在工作需要时可以自行转移作业场地，并且可以在不长的工作距离内当作运输机械设备使用。所以一般在建设工程量比较大、作业地点不够集中、需要转移次数较繁多的情况下，轮式装载机的作业效率较高于履带类型装载机。所以轮式装载机在国内和国外都得到重视并且得到了较快速的发展，成为各重大型工程建设施工的重要机械种类之一。伴随着轮式装载机面向大型机械化方向的研究发展，它已经开始逐渐增多地与自动卸载汽车相搭配使用，较多的用于铲装处理采取爆破后的土料矿石等。图2.10 转斗油缸后置式反转六杆机构装载机的前半部分工作装置主要是由铲斗、摇臂、转斗油缸、动臂油缸、连杆、动臂构成，如图2.10所示的转斗油缸后置式反转六杆机构。这种结构有以下的几个优点：转斗油缸大腔进油时转斗，并且连杆系统的倍力系数能设计成较大值，因此能够获得较大的掘起力；恰当的选择各构件尺寸，不仅能得到良好的铲斗平动性能，而且可以实现铲斗的自动放平；结构十分紧凑，前悬小，司机视野好。缺点就是摇臂和连杆布置在铲斗与前桥之间的狭窄空间，容易发生构件相互干涉1。这也是对工作装置的要求，不能使之发生干涉，否则就不能进行相应的运动。装载机的动力由发动机提供，但铲斗进行铲装作业的主要动力来源是动臂、摇臂及与之相应的液压油缸，通过液压油缸给予的动力进行铲斗的铲装、举升和装卸。因为铲斗是装载机进行作业时的重要工作部件，因此对铲斗的机械性能要求是非常高的。铲斗在防磨损、防腐蚀、硬度、强度等方面都需要较高要求，并且铲斗的尺寸及装载量也要合适，要考虑与机身的装配及在进行作业时的适用性。不同地域环境及不同铲装物料的硬度、酸碱性等方面的性质可能都不一样，因此对铲斗的影响也会不一样，从而对铲斗的受力要求、耐酸碱、腐蚀性要求也会不一样，所以在考虑用装载机进行作业时也应考虑这一问题，尽可能的让铲斗的磨损程度达到最小。2.2 铲斗的结构形式装载机在进行作业时铲斗是最直接与铲装物料碰触，是铲装、搬运、卸载的重要部件，进行作业时，它用以推进插到施工料堆铲取所需的作业料品，这种施工作业情况都是比较差的，同时要承担住巨大的冲击推进力与强烈的摩擦，所以工作铲斗的研发品质对装载机的施工作业能力和综合性能有重要的影响12。因此为了确保铲斗的研发品质和机械性能，最重要的是合适地选取铲斗的机械结构及几何外形，以此来进一步减少铲斗铲取物料时的摩擦力等。然后要确保铲斗具有合理的硬度、刚度、耐磨性等，让铲斗拥有正常的工作年限，最大程度的发挥其工作能力。轮式装载机的铲斗由斗底、侧壁、斗刃及后壁等部分组成，其断面形状一般为“U”形，用钢板焊接而成。一般有直线形斗刃铲斗、直线形带齿铲斗、V形斗刃铲斗、弧形带齿铲斗等，通常见到的铲斗结构如图2.11所示。图2.11 常见的铲斗结构直线形斗刃铲斗虽然比较简单，同时也可以快速的铲平地面，但是它所受到的装载阻力也是相对比较大的。V形和弧形的铲斗因为在中间的部分比较突出，能够较容易的插进作业料堆当中，因此它们的插入阻力会相对小一些，但存在的缺陷就是铲斗的装满系数比直线形的要小。如果是以铲斗的外形进行区别，那么装载机的铲斗通常会分成“深底铲斗”与“浅底铲斗”这两类。假如是在铲斗容积相等的时候，那么深底铲斗所设计的开口尺寸会相对小一点，但是它的斗底深度会相对大一些，而这些方面的规格浅底铲斗刚好是与之反过来。因为深底铲斗在进行作业时插入料堆的深度相对较大，所以铲斗的插入阻力也会相应的增大，同时它的装满系数也会相应的低一些；浅底铲斗在进行作业时插进料堆的深度较小，因此与之相对的插入阻力会小一些，同时装满系数会变得高一些，但是会因为车身的前悬增加而致使在运行的时候平稳性差一些，对行驶运输不太好。而按卸载方式的话主要能够分成整体前卸式、侧卸式、推卸式与底卸式等几种。在对这一课题的研究里面主要是对整体前卸式铲斗进行铲装阻力分析。该型铲斗的主要优点是结构比较简单，性能较好，容量较大，但同时需要有比较大的卸载角才可将物料卸载完全。现实研发生产中，有较多数的前端式装载机都会装配这种整体前卸式铲斗。2.3 铲斗的截面形状铲斗的截面形状主要由铲斗圆弧半径r、底壁长、后臂高h、张开角这几个数据来确定。截面如图2.12所示1：图2.12 铲斗的断面形状铲斗圆弧半径r取得较大的话，那么作业物料进入铲斗时的流动越便捷，这样对减少物料装入铲斗内时的阻力是比较有用的，卸料快而干净。如果圆弧半径r过大的话，那么铲斗的开口就比较大，这样的话就不太容易装满，并且铲斗外部形状太高，容易影响操作者观看铲斗在作业时斗刃的工作状况。经过测试可以得到，插入阻力会随着插进料堆的深度而快速增大。L增大的时候也会降低卸载的高度，L变短一点的话掘起力会相应增大，同时因为卸载物料时铲斗刃口下降的距离较短，因而能够降低动臂在举升时的高度，进一步缩短工作用时，但是这样会减小铲斗的容量。在进行铲斗设计的时候，可以参考同类型的铲斗选择r、h、L、等参数，同时也可以运用相似相关原理把已经通过实践检验而较好适用的斗型作为新型铲斗的基型进行相似设计。由轮式装载机P37得回转半径R可按式2.10来进行计算： m （2.10）式中：铲斗平装容量；铲斗内侧宽度m；铲斗斗底的长度系数，一般取1.401.53；后壁长度系数，一般取1.11.2；挡板高度系数，一般取0.120.14；圆弧半径系数，；张开角，为4552；是挡板和铲斗后壁之间的夹角，在选取的时候应让侧壁切削刃和挡板的夹角成90。2.4 工况和载荷分析工况分析：现实情况中，因为装载机所要进行铲装的物料类型与施工条件不一样，装载机在进行真正施工的时候一般不会使铲斗的受力均衡分布，不过也能够简单的看作成两种不同的极端受载情形：一种为对称载荷的情形，其中载荷沿着切削刃均衡分布，在设计计算的时候可利用一个集中载荷作用在铲斗的斗刃中部进行代替；第二种为偏心载荷的情形，因为铲斗没能铲好或者是铲装物料的不均匀性而引起的，这种情形使得这些载荷偏向在铲斗的一侧，造成偏心载荷，在这种情况下，设计人员一般将其简化后的集中载荷施加在铲斗侧边的第一个斗齿上。装载机在进行铲掘作业的时候，一般情况下有以下三种受力情况。第一种是铲斗水平插入作业料堆，这种情况能够看作只受到水平插入阻力的作用。第二种是水平插入需作业料堆，在翻转铲斗或者是举升动臂铲取物料时，这种情况可以看成是斗齿只是受到垂直掘起阻力的作用。第三种是在铲斗一边插入作业料堆一边进行收斗或一边插入一边举臂进行铲掘的情况下，可以看作为斗齿受到水平插入阻力与垂直掘起阻力的两者共同作用。假设将两种极端受载情况分别和上面所说的这三种受力情形相联结，那么能够了解到铲斗六种典型的受力作用情况，如图2.12所示13。 （a）水平对称工况 （b）垂直对称工况 （c）水平偏载工况 （d）垂直偏载工况 （e）水平垂直对称同时作用工况 （f）水平垂直偏载同时作用工况图2.12 铲斗典型的受力作用情况工作阻力计算：装载机在进行作业时所受到的阻力通常是由多种阻力相组合成的合力。因为作业物料性质和工作装置在进行作业时运动的方式不一样，装载机的工作阻力有不一样的研究计算方式。就算是在进行铲装的过程当中，铲斗的受力也不一定总是一样的，在进行到不一样的铲装阶段的时候，受力的部位或者是受力重心可能会发生改变，因此铲斗的受力同样也会产生一些改变。水平插入初期：在进行水平插入初期的时候，这个时候铲斗插进料堆的程度还不是太深，此时作业料堆产生的变形并不是很大，这时候铲斗受到的力主要为水平方向的插入阻力F3与斗底的摩擦力F4，其中摩擦力的大小与重力F1和滑动力F5相关联。这一个阶段里面，F5在土力学里面主要是叫做主动库伦土压力，作用就是推动处于斜坡方向上的铲装物料，其简要的受力图如图2.13所示14。水平插入后期：在这一时段里面，F5将会从主动的库伦土压力变成被动的，同时会伴随着铲斗的继续插入，这一个力也会逐渐增大。而在铲斗的铲装阻力即将超过额定的最大的铲装力时，这个时候铲斗的插入操作就会终止，此时的简要受力状况如图2.14所示。 2.13 水平插入初期受力图 2.14 水平插入后期受力图铲取时期：这个时期铲斗所受到的阻力与在水平插入时期的受力是不一样的，在铲斗终止了插入操作并且进行向上翻转运行的时候，此时铲斗的受力分别是铲装物料的滑动力F5和重力F1，其简要的受力图如图2.15所示。铲取后期：在铲斗持续的进行着翻转提升运动的过程中，这时的铲斗基本上已经装满了物料并且在慢慢的离开作业料堆，这个时候铲斗的受力主要来源就是铲装物料的重力F1，其简要的受力图如图2.16所示。 图2.15 铲取初期受力图 图2.16 铲取后期受力图装载机铲装阻力的大小主要是和进行作业时物料的类型、料堆的高度、铲斗插入料堆的深度、铲斗的结构形状等有重要关系13。精确的计算上述各类阻力是比较困难的，所以在一般情况下，人们主要是按以下的经验公式2.11来计算铲斗的总插入阻力。 (N) （2.11）式中 表示物料块度和松散程度的系数，见下表2.10； 表示物料性质的系数，见下表2.11； 表示料堆高度的系数，见下表2.12； 表示铲斗形状的系数，通常是处于1.1至1.8里面，如果是不带铲斗的铲斗，一般选择大一点的数值； 代表铲斗宽度，cm； 代表铲斗插入料堆的深度，cm。 表2.10 物料块度和松散程度系数 表2.11 物料性质系数 表2.12 料堆高度系数 装载机的掘起阻力主要是指铲斗在插入作业料堆的一定深度情况下，在进行举升动臂那时物料对铲斗产生的反作用力。在即将举升的时候物料的剪切力通常是用式2.12来进行计算。 (N) （2.12）式中， 表示铲装物料的剪切应力，经过实验的检测，块度是0.1至0.3m的松散花岗岩的剪切应力的平均值通常取为; 表示铲斗宽度，m； 表示铲斗进行作业时插进料堆的深度，m。在利用铲斗进行转斗铲取物料的时候，在铲斗即将进行转斗的那个时候，转斗的静阻力矩在这时拥有最高的作用值，这里用来代表，这个时候转角=0；随后，伴随着铲斗的翻转角的改变静阻力矩的大小会进行如图2.17所示的改变， 图2.17 转斗静阻力矩和铲斗转角的关系在=0时的转斗静阻力矩的值用式2.13进行计算。 （2.13）式中 表示装载机即将转斗那时的插入阻力，N； 表示铲斗的回转中心和斗刃的水平距离，m； 表示铲斗的回转中心和地面的垂直距离，m； 表示作业时插入料堆的深度，m。装载机的掘起阻力矩会随着着回转角的增大从而逐渐的减小。在回转了角之后，用式2.14来进行计算。 （2.14）式中 表示铲斗在离开作业料堆那时的旋转角度，（）； 表示离在开作业料堆的时候，从料堆重力所产生的阻力矩，Nm.装载机转斗阻力矩的计算：铲斗在作业料堆中进行转斗的时候，要克服的不仅仅是单一的作用力，还有料堆的静阻力矩、铲斗的自重力与物料所形成的阻力矩的影响。综合这些因素，所以得到即将转斗那时的阻力矩为 (Nm) （2.15）式中 表示进行转斗的阻力矩，Nm； 表示开始进行转斗受到的静阻力矩，Nm； 表示轮式装载机的额定载重量重力，N； 表示铲斗的自重力，N； 表示铲斗中心与回转中心的水平距离，m。 图2.18 作用于转斗连杆上力的确定作用力的计算： （N） （2.19）在这里为我们应该也要了解，装载机的插入阻力，掘起阻力和转斗阻力矩这几个力和力矩并不会在每一种工况都会共同产生，其中的工况是伴着装载机铲掘方法的不一样，可能产生存有一种、两种或者三种。比方说，在进行一次铲掘时，在装载机铲斗插入作业料堆的这个阶段里面，只是存在着插入阻力。而在插入阶段终止以后进行转斗的过程中，只是产生着转斗阻力矩。而在铲斗插入作业料堆的相同时段，一并进行举升动臂的时候，这时一同有着插入阻力与掘起阻力的产生。假如在进行插入作业料堆的同一时间，并且进行着转斗与举升作业，那么在这一种工况下上面所说的三种力与力矩将会一并的存在着。对以上三种工况进行比较后发现在后面的两种工况下因为铲斗插入作业料堆时的深度较小，所以总阻力要小于采用第一种工况时所受到的阻力13。3. 铲斗及工作装置三维模型建立在UG软件中进行铲斗的三维模型建立，如图3.10所示。图3.10 铲斗三维图在UG中建立铲斗模型的同时也需建好所需研究的整个执行机构所需要的构件，例如装载机的动臂、摇臂、动臂油缸、摇臂油缸、连杆等。并且对这些部件进行执行机构的装配，使之能成为一个比较完成的工作装置。在进行装配后的工作装置的模型如图3.11所示,其爆炸图如图3.12所示。图3.11 工作装置装配图图3.12 工作装置爆炸图4. 装载机的动力学模型建立4.1 运动环境的设置打开ADAMS软件，将在UG中建好的三维模型导入其中，然后我们就可以在ADAMS仿真软件中进行装载机的虚拟样机的创建。在进行装载机虚拟样机的创建之前，第一步先要对ADAMS中进行运动环境的设置，如坐标系的设置、单位制、重力、工作栅格的设置等。坐标系的设置：在这里选择的是笛卡儿坐标系。单位制的设置：选择出长度、质量、力、时间、角度、频率的单位分别为米、千克、牛顿、秒、度和赫兹。重力的设置：假如刚体系统的本身自由度和所要驱动的数目一样的时候，那么系统就会进行机构的运动仿真分析，而此时系统构件的位置、速度与加速度等一些相关信息就和重力加速度没有关系，都是从模型上所设定的运动副与驱动来决定。而在系统的自身自由度大于所要驱动的数目的时候，则该情况下系统的位形还不可以完全确定，而且系统对那些还不可以完全确定的自由度就会在重力的作用下自行的进行机构动力学的计算，因此在仿真研究分析的时候需要对重力加速度加以设置。在这里设置为-9.80665。工作栅格的设置：在建立几何模型、坐标系或者铰接时，系统会自动捕捉到工作栅格上，这样就比较方便的进行模型的创建，所以这里也对工作栅格进行设置15。设置X、Y的尺寸分别为10000mm和6300mm，间距都为150mm。4.2 工作装置的材料属性定义在完成对环境的设置后，接下来就是要定义工作装置的材料属性，只有先对工作装置中的构件进行材料属性的定义才会更方便的进行后续的研究。在运动构件的材料属性定义结束后，也可以按照需要对相应的机构部件进行颜色的修改，同时也可以对这些构件进行名称的修改，可以修改成与构件相对应的名称。对本课题所要研究的仿真模型进行材料属性的定义完成后就如图4.10所示，可以看见在定义材料属性时自动生产的构件质心坐标系，同时也对构件的颜色做了相应的设置。图4.10 材料属性定义图4.3 运动副的定义在一个工作装置的机械系统中一般都是由数个构件所组装起来的，而这些构件相互之间一般都会存在着或多或少的约束情况，就是通常所说的一个构件影响着另一个执行构件的运动，这种在两个构件相互之间存在的约束关系通常称之为运动副或铰接，经过人们的想象和概括总结，最后将这些约束情况分为几个经常使用的基本约束与运动副。如果我们想要模拟工作装置的真实运动状况，就得按照真实的工作情况在这些执行构件之间定义上相应的运动副，有时还需要添加适当的驱动与工作载荷。运动副主要是与两个构件的关联紧密，同时限制着这两个构件之间的彼此相对运动。在进行运动副定义的时候，通常会要求选择有两个构件，但如果存在着只要选择一个构件就可以的情况下，一般就是将另外一个构件默认为的选择是大地，并且这一类运动副的运动情况是第一个构件相对于第二个构件进行运动。在ADAMS仿真应用软件中的约束主要是分成低副、基本副、耦合副和特殊副这四种类型，而在这里的特殊副也可以称作是高副。在对本课题的进行研究时主要是利用到低副来进行分析。在本课题的研究中，该工作装置的执行机构添加了如下表4.10所示的运动副，添加运动副后的模型如图4.11所示。表4.10 所添加的运动副序号所添加的运动副关联构件1固定副地基与大地2旋转副铲斗与动臂3旋转副铲斗与连杆4旋转副连杆与摇臂5旋转副摇臂与动臂6旋转副摇臂与转斗油缸转动杆17滑移副转斗油缸转动杆1与转动杆28旋转副转斗油缸转动杆2与机体9旋转副动臂与机体10旋转副动臂与动臂油缸举升杆211滑移副动臂油缸举升杆2与举升杆112旋转副动臂油缸举升杆1与地基图4.11 添加运动副后的工作装置模型4.4 添加驱动在ADAMS仿真软件里面，在构件上设定的驱动主要是把那些没有被运动副给约束住的自由度进行约束。从特殊的意义上来讲，定义的驱动也可以看成是一种约束，只不过这类约束是关于时间的函数。在进行添加驱动的时候，一般可以使用两种方法来进行添加，其中之一是利用建模工具条上的Motions中的驱动按钮来进行，通常情况下在这里面会有着旋转驱动和滑移驱动这两种选择类型；而第二种就是直接利用在运动副的编辑对话框内，在那些没有被进行约束的运动自由度上直接的添加驱动方程。在本课题的仿真模型中添加了两个滑移驱动，分别添加于转斗缸和举升缸的滑移副上。在本课题所研究的六连杆反转机构装载机工作装置的典型工作过程可分为以下4个阶段:第一是下限位置转斗缸伸长，动臂缸闭锁，铲斗收斗，实现物料的铲装；第二是转斗缸闭锁，动臂油缸伸长，动臂上举，实现物料的举升；第三是上限位置转斗缸收缩，动臂缸闭锁，铲斗翻转，实现物料的卸载；第四是转斗缸闭锁，动臂缸收缩，动臂下降，铲斗自动放平，自动进入下一次铲掘状态。在这里可以用ADAMS的step函数实现装载机工作装置仿真过程的控制，对应于工作过程里面的4个阶段，仿真过程也相应的分成4个阶段进行。在仿真过程的每个阶段，模型的动作由step函数表达式控制铲斗的转角，保证在仿真过程第1阶段铲斗收斗角达到要求的-45，在仿真过程第2阶段达到物料的最大举升高度，在仿真过程第3阶段铲斗卸料角达到要求的45。施加运动：在运动工具箱中，选择创建直线运动工具，在动臂油缸和转斗油缸的圆柱副上施加直线运动，利用step函数表达式，按要求设定油缸的运动规律，使活塞杆实现伸缩，从而驱动动臂和铲斗，不断地调整step函数表达式使仿真结果接近要求的评价指标。其中step函数表达式为：step（x，x0，h0，x1，h1），其中，x表示自变量；x0表示step函数开始点，可以是常数或者是函数表达式；x1表示step函数结束点；h0表示step函数初始值，可以是常数或者是函数表达式；h1表示 step 函数最终值。所以得到转斗油缸的运动规律和动臂油缸的运动规律。转斗油缸的运动规律如下:step5(time,3,0,3.2,-100)+step5(time,9.3,0,9.5,100)+step5(time,17.9,0,18.1,156)+step5(time,21.9,0,22.1,-156)动臂油缸的运动规律如下：step5(time,9.5,0,9.7,358)+step5(time,17.7,0,17.9,-358)+step5(time,21.9,0,22.1,-297)+step5(time,30.8,0,33,297)添加驱动后的工作装置模型如图4.12所示。图4.12 添加驱动后的工作装置模型4.5 施加载荷在一个工作装置的运行系统里面，因为在构件和构件之间有着相关的约束条件，因此在这两个相互作用的构件之间就会有着作用力和反作用力的产生，这种类型的力可以称之为运行系统里面的内力。假如在约束之间没有摩擦的影响，那么运行系统里面的内力对系统通常是不做功的，同时也不会造成能量的减损。假如是在工作装置的运动副上设定了相关的摩擦，或者是对工作系统施加了外来的载荷，那么这个系统的能量就有可能会相应的增加或有所损失，这样的话系统就会处在一种不平衡的状态，有可能就会发生系统位形的变化。在一般情况下，那些对工作系统不做功的内力称作保守内力，而对工作系统做功的内力称作非保守内力，或者是力元。工作系统在遇到外来施加的载荷或者是非保守内力作用的时候，在系统里面的构件就会产生有加速度，同时系统也会处在动态的变化当中，这种情况下系统将会进行动力学的计算。因此，在进行仿真研究时要相应的施加载荷。在仿真软件ADAMS/View当中，工作载荷主要是分成外部载荷、内部载荷和特殊载荷这三种，其中的外部载荷主要包括力、力矩与重力，而内部载荷最主要的是关于构件之中的一些柔性连接因素，例如弹簧、阻尼器、柔性梁、力场等多种因素。外部载荷主要是作用于运动构件上的某一点，它的作用方向不是单一的，这个方向可以是相对于系统总体坐标系不变，也可以相对于运动构件不变。外部载荷的作用方式一般都相对简单，主要是分成单分量的形式与多分量的形式的力和力矩这几种。在本课题的仿真模型中共施加了三个载荷，分别为插入阻力Fin、物料重力Fg、铲掘阻力Fsh。施加载荷：以step函数模拟装载机在一个工作循环中的受力情况。在铲掘工况下,利用载荷工具箱中施加受力工具,选择斗齿部位中点施加插入阻力Fin,表达式为:ste