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基于虚拟样机的拉臂车工作装置机械—液压优化设计研究.pdf

拉臂式垃圾车的改装设计【7张CAD图纸和毕业论文】【优秀汽车类】【毕业答辩论文】

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拉臂式垃圾车的改装设计

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旋转式拉臂车性能研究.pdf---(点击预览)

整装整卸时伸缩式拉臂钩的受力分析.pdf---(点击预览)

拉臂车液压系统的创新设计.pdf---(点击预览)

拉臂车工作系统液压-机械联合仿真研究.pdf---(点击预览)

拉臂系统的仿真分析与结构优化设计.pdf---(点击预览)

拉臂式垃圾车拉臂架装置结构设计要点.pdf---(点击预览)

拉臂式垃圾车工作装置优化设计.pdf---(点击预览)

基于虚拟样机的拉臂车工作装置机械—液压优化设计研究.pdf---(点击预览)

垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计.pdf---(点击预览)

专用车取力器的选型和配套应用.pdf---(点击预览)

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关键词：: 拉臂式垃圾车改装设计

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摘要

　　　垃圾处理工作是城市建设和管理的重要内容，与人民生活密切相关。随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，环卫部门需处理的垃圾从数量到种类都日益增多。无疑，垃圾处理工作量将加大，这样，垃圾处理的效率问题将是我们面对的一个重要问题。拉臂式垃圾车可将地下垃圾箱内的垃圾及垃圾箱一同拉至车上运走同时可自卸，降低了工人的劳动强度。该垃圾车的收运方式是目前世界上广泛采用的垃圾收运方式，可以实现一车多箱，大大降低了配备成本和空间等等；其专用装置的功能均以汽车发动机为动力，通过液压机构手动或电控来实现。车辆的箱体采用优质碳钢密封焊接结构，具有强度高、重量轻、不产生二次污染等优点。

　　　本文作为拉臂式垃圾车的设计说明，首先介绍了拉臂式垃圾车国内外研究现状，由于该类车的设计资料我国尚不完善，考虑该车同时能实现自卸功能，故参照自卸车相关设计方法对车厢箱体、举升机构、副车架及翻转架进行设计，并对不同设计方案进行了比较分析，保证了拉臂式垃圾车的先进性及实用性。

关键词：自卸功能；举升机构；一车多箱；液压机构；翻转架

　　　　　　　　　　　　　　　　ABSTRACT

　　　Garbage disposal is an important content of urban construction and management, which is closely to people’s life .As the development of our country economy and the growth of people’s living standard, sanitation departments need to dispose an increasing number and kinds of garbage. It’s no doubt that the workload of garbage disposal will be increased, in this way, the efficiency of garbage disposal will be a significant problem we are facing. The truck can drag the underground rubbish along with the dustbin up to the truck, then carry away and download automatically, that decrease greatly worker’s power of work. The truck can also realize” one truck several carton”, which reduce tremendously the match cost and space, etc. The function of its isolated plant was powered by automobile engine, and realized by the manual or electric operation of hydraulic mechanism. The body of carton adopts quality carbon steel totally-sealing welding structure, it has strong point of high strength, light weight, do not produce secondary pollution.

　　　The article acts as the design specification of the pull arm garbage truck, first introduced the pull arm garbage truck research situation, as the class of vehicle design data is not perfect, considering the car can achieve dump function at the same time, by the same type of vehicles’ related design to finish the design of lifting bodies, the subframe and flip stand, and different designs were compared to ensure that the pull arm garbage trucks advanced and practical.

Key words: Dump Function; Lifting Mechanism; truckload with many trunks; Hydraulic Mechanism; Flip Frame

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1 课题的提出1

1.2 我国专用汽车现阶段发展概况1

1.3 我国专用汽车未来的发展趋势2

1.4 拉臂车国内外研究现状3

1.5 课题研究的目的和意义5

1.5.1课题的目的5

1.5.2 课题研究的意义6

第2章拉臂式垃圾车主要性能参数选择7

2.1 拉臂式垃圾车总体尺寸7

2.2 质量参数的确定7

2.3 其他性能的参数8

2.4本章小结8

第3章拉臂式垃圾车车厢的结构与设计9

3.1 拉臂式垃圾车车厢的结构形式9

3.1.1车厢的结构形式9

3.1.2车厢材料10

3.2车厢尺寸参数的确定10

3.2.1车厢尺寸设计10

3.2.2车厢内框尺寸10

3.2.3车厢地板高度11

3.3车厢板的锁启机构11

3.4 本章小结12

第4章举升机构的设计13

4.1拉臂架装置结构和工作原理13

4.1.1拉臂装置结构特点13

4.1.2拉臂架装置工作原理13

4.2拉臂架装置的受力分析14

4.3 拉臂架装置结构参数选用与设计16

4.3.1拉臂架装置各铰支点布置16

4.3.2拉臂油缸的选用和油缸安装角取值17

4.4 拉臂强度校核18

4.5 换箱工况的运动分析18

4.6 本章小结26

第5章液压系统设计19

5.1液压系统布置19

5.2液压元件的设计与选择20

5.3取力器的选择21

5.4本章小结22

第6章副车架的设计24

6.1专用汽车副车架的设计24

6.1.1副车架截面形状及尺寸24

6.1.2副车架的前端形状24

6.2副车架与主车架的连接25

6.2.1副车架与主车架的连接25

6.2.2 纵梁与横梁的连接设计26

6.3副车架主要尺寸参数设计计算27

6.3.1副车架主要尺寸设计27

6.3.2副车架的强度刚度校核27

6.4本章小结30

结论31

参考文献32

致谢33

附录A34

附录B37

第1章绪论

1.1 课题的提出

　　　拉臂式垃圾车的收运方式是目前世界上广泛采用的垃圾收运方式，可以实现一车多箱，大大降低了配备成本和空间等等；其专用装置的功能均以汽车发动机为动力，通过液压机构手动或电控来实现。车辆的箱体采用优质碳钢板全密封焊接结构，具有强度高、重量轻、不产生二次污染等优点。

图1.1 拉臂式垃圾车整车工况图

1.2我国专用汽车现阶段发展概况

　　　近年来随着我国经济的高速发展，汽车工业作为国家支柱产业获得了迅猛发展。专用汽车作为汽车工业的重要组成部分，也获得了快速发展。一方面，随着产业政策逐步落实和行业标准法规政策不断完善，从政策标准法规上规范生产、提高技术水平及产品质量；另一方面，随着我国城市化建设、高速铁路建设、公路建设及道路运输业的快速发展，为我国专用汽车提供了大量的市场需求，专用汽车的产品品种日趋丰富、合理，产品质量、技术水平不断提高，年产量也大幅提高。

　　　我国专用汽车起步于20世纪50年代末60年代初，早期主要侧重于应用。虽然应用较早，但全面发展始于20世纪80年代，比发达国家晚了近 30年。经过20余年的发展，我国专用汽车已经具有一定规模，特别是近年来，我国专用汽车发展迅速。据资料统计，1999年全国专用汽车生产厂546家，2005年专用汽车企业628家，2006年已经增加到800家；生产能力也有了长足的发展，1999年产量为17.42万辆，2004年为35万，2005年为50万辆，2006年已接近60万辆，2007年更是达到了70万辆。目前，我国专用汽车产量占载货车总量的40%左右，有接近5000个产品品种，已经成为我国汽车工业的重要组成部分。预计“十一五”期间，我国专用汽车产品将达到6000个品种，年产量90万辆，占当年载货车产量的 65%。

另外，我国专用汽车产品与发达国家和地区的专用汽车产品相比已基本接近，虽然在一些方面和发达国家和地区的同类产品相比还有一定差距，但总体上我国专用汽车行业在国际专用汽车行业中已占有重要地位，已经基本具备参与国际市场竞争的能力。产品品种、档次、工艺装备、自主研发等方面都有了很大提高，基本实现了从进口向出口的转变。“十五”期间，专用车企业大多进行了结构调整，很多中小企业通过改制、兼并、重组等方式基本实现了企业性质的转变。大多数专用车企业拥有完备的产品研发体系，少部分产品已达到国际先进水平。

1.3 我国专用车未来发展趋势

　　　1、品种多样化

　　　专用汽车产品是专门为特殊用途服务的，随着社会经济、技术的发展，由于专用汽车服务的广泛性和专业性，形成了专用汽车多品种的特点。目前世界上专用汽车品种发展速度极快，功能要求越来越细，专用化程度越来越高。由于各行业的特点不同，我国专用汽车及其底盘发展趋势对具体品种的需求量也不同。未来专用汽车新品种将主要集中在城市建设与服务和高等级公路运输与管理两大板块，专用汽车市场将出现多个热点同时并存的局面，从而形成市场的多元化。

全部文件.jpg

装配图 A0.jpg

车厢总成 A0.jpg

翻转架 A1.jpg

液压系统 A1.jpg

CAD图纸[7张].jpg

字数统计.jpg

内容简介：: 青岛大学硕士学位论文基于虚拟样机的拉臂车工作装置机械液压优化设计研究姓名：刁兵申请学位级别：硕士专业：车辆工程指导教师：刘大维20090607摘要摘要垃圾处理工作是环境保护与绿化事业的重点，与人民生活密切相关。本文以某公司生产的拉臂车车载工作装置为研究对象，对其进行了机构运动分析和受力分析，通过虚拟样机技术，建立了拉臂车工作装置的虚拟样机模型，进行了机械液压联合仿真及优化分析。论文介绍了拉臂车工作装置的结构及工作原理，分别建立了拉臂车工作装置的机械子系统模型和液压子系统模型，成功地将多体动力学分析软件应用于拉臂车工作装置的设计过程中，并且运用A D A M S H y d r a u l i c s 模块进行了机械液压联合仿真，得到了拉臂钩头、举升油缸活塞与拉臂连接铰链、拉臂与副车架连接铰链和举升油缸与副车架连接铰链的受力曲线及不同箱体重量情况下的拉臂钩头、举升油缸活塞与拉臂连接铰链的最大作用力。基于A D A M S 集成的优化算法，以工作装置液压缸作用力最小为优化目标，对机构中各铰接点位置进行了优化计算，从而使工作装置的结构更合理。论文研究成果不但可以为拉臂车的研制与开发提供参考依据，加快产品的开发速度，实现用户产品的定制，还可以提高拉臂车的产品质量，对提高专用汽车企业的技术水平与市场占有力及在国内外市场的竞争能力等方面，具有重要的现实意义和巨大的经济效益。关键词：拉臂车；工作装置；虚拟样机；联合仿真；优化一A b s t r a c tT od e a l 、柝mt r a s hi sa ni m p o r t a n tt a s ki ne n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n dr e f o r e s t a t i o n ,w h i c hi sc l o s e l yr e l a t e d 、析t l lp e o p l e Sl i f e I nt h i sp a p e r , t h ew o r k i n gd e v i c eW a ss t u d i e di nk i n e m a t i ca n dd y n a m i cw a y s ，a n dv i r t u a lp r o t o t y p ew a se s t a b l i s h e dt oc a r r yo u tt h em e c h a n i c a l - h y d r a u l i cC O - s i m u l a t i o n T l l i st h e s i sm a d ea l li n t r o d u c t i o no ft h ew o r k i n gd e v i c es t m c t u 陀a n di t sw o r k i n gp r i n c i p l e F i r s t l y , t h em e c h a n i c a la n dh y d r a u l i cm o d e lw e r es e tu pt oc o m b i n eC A Dm o d e l i n gs o f b v a r ea n dm u l t i d y n a m i c ss o f t w a r ei n t ot h ed e s i g no fh o o k l i f iw o r k i n gd e v i c e S e c o n d l y , ac o - s i m u l a t i o nW a sd o n eu s i n gt h eA D A M S H y d r a u l i c sm o d u l et oo b t a i nt h ef o r c e so fd i f f e r e n tc r i t i c a lp a r t sa n dj o i n t sw i t l lv a r i e dl o a d s T h i r d l y , t h eo p t i m i z a t i o nw a sm a d e ，b a s e do nt h eA D A M Si m b e d d e da l g o r i t h m , w i t ht h ec y l i n d e rf o r c ea st h eo p t i m i z a t i o no b j e c t i v e ，t h u sm a k i n gt h es t r u c t u r em o r er e a s o n a b l e 1 1 1 er e s u l t so ft h i sp a p e rC a nb er e g a r d e da sar e f e r e n c ei nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fh o o k l i f iS Ot h a ti tc a l ls p e e du pt h ep r o d u c td e v e l o p m e n ta n dr e a l i z et h ec u s t o m i z e dp r o d u c t i o n I tC a na l s oi m p r o v et h ep r o d u c tq u a l i t y T h u s ，i th a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dt r e m e n d o u se c o n o m i cb e n e f i t si nr a i s i n gt h et e c h n i c a ll e v e lo fs p e c i a lv e h i c l ee n t e r p r i s e ，c o m p e t i t i o nc a p a b i l i t ya n dt h em a r k e ts h a r eo fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lm a r k e t K e yw o r d s ：H o o k l i f t ；W o r k i n gd e v i c e ；V i r t u a lp r o t o t y p e ；C o s i m u l a t i o n ；O p t i m i z a t i o n学位论文独创性声明本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。论文作者签名：刁兵日期：砷- - i t - d 月旧学位论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青岛大学。本学位论文属于：保密口，岩年解密后适用于本声明。不保密蟛( 请在以上方框内打“”)论文作者签名) 日期：加7 年6 月t 1 日导师签名：乒研莎日期：跏；年厂月，f 日( 本声明的版权归青岛大学所有，未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用)第一幸【苦1 1 课题的提出及意义第一章引言随着社会经济的不断发展，人民生活水平的提高，物质需求的增长，环卫部门需要处理的垃圾数量和利- 类都日盏增多，社会的进步对环卫工作的要求也越来越高。垃圾的处理包括垃圾的收集、运输及最终处理，其中垃圾运输足重要的一环。如果运输工具选择不慎，会在运输过程l 卡l 产生泄漏、废气等污染，严重影响垃圾处理工作及城市环境”。J 。拉臂车是一种箱体可卸式的垃圾转运车辆，其车载工作装置通过连杆机构实现箱体自动装卸和垃圾倾卸的功能。由于这种车辆工作效率比较高，因此被广泛用于多种货物的箱体装、运、卸服务。图1l 、图1 2 所示分别为园外某公司的拉臂车产品。其工作原理是在垃圾中转站，利用拉臂车的车载工作装置，将垃圾集装箱拉上垃圾车，然后运往垃圾处理点进行卸料。卸料时不需要卸下垃圾集装箱，直接将集装箱推起、倾斜，倒出其中的垃圾。清空后，垃圾车直接把空的集装箱运回垃圾中转站。其特点是操作简便、工作效率高、机动性能好、车厢密封性好、运输垃圾量大、不易污染环境、适用于采用垃圾集中收集方式的垃圾处理系统中p 】。图1 1 箱体装卸图1 2 垃圾倾卸自上个世纪末，国家逐渐蕈视环卫工作，促使坷、卫车辆的牛产企业、研发机构变得越来越多，这蝤企业通过均买产品等途径，首先引进围外比较先进的技术，然后加以消化、吸收，并牛产出适合国内市场的产品，极大缩短了国产环卫车辆的研发周期，提高了环卫车辆的技术水平。仙与国外成熟的产品相比运业J 家技术力大多并不强，产，铺设、研发能力棚对阁外略有H ；足，“品的设计也：1 ：要足摹于旧外避L J 牟的模仿进行的，园此，我国生产的拉臂车存在可靠性低、笨重、车辆载重能力利用率低等缺点，更缺乏具有自主知识产权和概念创新的产品H I 。青岛大学硕士学位论文目前，对拉臂车工作装置的分析，常常将机械、液压作为两个独立的单元进行研究，不能体现出机械系统与液压系统的相互影响。近年来，虚拟样机技术作为一种新兴的设计手段，被越来越多地应用于机械产品系统设计与性能研究。利用虚拟样机技术集成化的特点，可以将机械、液压各子系统集成为一个复合系统进行联合仿真，解决了机械系统和液压系统之间的相互影响问题。在产品设计阶段，工程师在计算机里建立虚拟样机模型，用数字化形式代替传统的物理样机，并在实际工况下，对模型进行动态仿真和功能分析，进而改进样机的设计方案。利用虚拟样机技术，不仅大大地缩短了产品的开发周期，降低了工程测试和制造费用，更简化了机械产品的设计、开发过程，明显提高了产品的质量以及系统性能，获得最优化和创新的设计产品I 孓1 叭。本课题拟采用虚拟样机技术建立能够客观、真实地反映拉臂车车载工作装置的虚拟样机模型，通过建立工作装置机械模型和液压模型，并进行机械液压联合仿真，获得其运动学、动力学性能。在此基础上对工作装置关键点的位置进行优化设计。这样不但可以为拉臂车的研制与开发提供参考依据，加快产品的开发速度，实现用户产品的定制，还可以提高拉臂车的产品质量，对提高专用汽车企业的技术水平与市场占有率及在国内外市场的竞争能力等方面，具有重要的社会意义和巨大的经济效益1 2 拉臂车的国内外研究现状国外对拉臂车的研究较早，如芬兰百特科集团已经有1 0 4 年的历史，一些大的垃圾车制造公司已经能生产出技术成熟的拉臂车产品，如芬兰的百特科货运装卸技术公司、美国的S T E L U 撮公司、荷兰的海沃( H “) 及德国的0 1 o 等公司生产的液压拉臂车系列涵盖了装载能力从2 吨至4 0 吨的数十种型号，被广泛应用在市政、建筑公司和废弃物处理回收等行业。我国拉臂车在装卸能力、安全系统、材料及快速作业等方面都不如国外同类产品。其原因除加工工艺落后外，主要是我国在这方面的研究还是最近十几年的事情，因此引进国外产品进行消化吸收不仪可以节约大量的资金和时间，而且在技术上能够实现迅速赶超。目前我国对拉臂车的研究主要集中在高校及科研单位。同济大学机械工程学院的盛金良、李刚为改善拉臂式垃圾车的性能，以拉臂车工作平稳性和降低液压系统压力波动为目标，建立了数学模型，并采用计算机编程的手段对其进行优化设计，改善了工作装置的结构I l 】。同济大学的王晓和黄宗益与上海环境科技装备有限公司合作，首次对旋转式拉臂车进行运动学、动力学数学建模和优化设计，并与普通拉臂车的动力学特性进行对比，有效地降低了液压缸所受的作用力，减少了卸料作业过程中箱体的倾斜角度，2第一章引言使其综合性能得到显著提耐1 1 - - 列。河北工程大学的王桂梅、李江波等采用多体动力学软件A D A M S 建立了垃圾运送车拉臂系统的仿真模型，将拉臂车的性能分析和参数优选集成起来，实现了产品的虚拟设计；针对产品生产的小批量、多品种的特点，通过参数化手段，方便地进行模型间的切换，体现了并行设计的优势I I3 1 。青岛大学的刘大维、陈焕明等针对拉臂车工作装置变负载、多工况的工作特点，利用系统动力学仿真分析软件A D A M S 建立了机械一液压模型进行联合仿真；为得到较为真实的动力学响应，将箱体滚轮与地面、箱体与副车架导向轮定义为非线性弹簧一阻尼碰撞接触力约束关系，分析结果表明：机械一液压联合仿真能够有效地模拟工作装置在装箱和举升卸料过程中油缸力和拉臂作用力的动态变化规律，为拉臂车工作装置动态分析提供了一种有效方法【l4 1 。广西大学的陈树勋、王海波等以拉臂式压缩垃圾车的车厢为研究对象，首先建立垃圾厢内压缩垃圾的变密度函数，利用A D A M S 进行动力学仿真分析，求得各种实际工况下拉臂与汽车底盘作用在车厢上的包括瞬时加速度、惯性力等在内的实际载荷；在对拉臂式压缩垃圾车车厢进行结构有限元分析的基础上，采用以A N S Y S 为分析器的导重法对车厢结构成功地进行了优化设计，在满足结构强度要求的前提下，使结构质量减少3l 蝌”J 。广西大学的梁光明利用A D A M S 软件建立了拉臂机构的运动学和动力学模型进行仿真分析，得到了拉臂机构在不同工况下的受力情况，为拉臂机构的有限元分析提供载荷边界条件，并利用A N S Y S 高效的优化计算方法，对拉臂结构进行优化迭代计算，得出满足刚度与强度要求的结构总重量最小化的设计方案f 4 】。长沙环卫机械研究中心的周敏介绍了5 f 拉臂车工作装置的结构和工作原理，并对换箱工况的拉臂装置受力分析进行讨论，得到了拉臂完成换箱、倾卸动作的回转铰支点的位置参数、拉臂换箱回转半径、拉臂油缸活塞杆端回转半径的设计原则，及油缸安装角的取值范围1 1 6 J 。1 3 本文的主要研究内容本文主要针对某公司研制开发的拉臂车车载工作装置的虚拟样机建模及仿真分析开展研究工作，其主要研究内容如下：( 1 ) 拉臂车工作装置机构运动及受力分析；( 2 ) 基于虚拟样机软件建立拉臂车工作装置的机械子系统虚拟样机模型；( 3 ) 基于A D A M S H y d r a u l i c s 模块建立拉臂车工作装置的液压子系统虚拟样机模型；( 4 ) 根据拉臂车作业情况，针对垃圾箱体重量不同，分别对拉臂车吊箱和卸料3青岛大学硕士学位论文两个工况进行拉臂车工作装置机械液压联合仿真及动力学分析；( 5 ) 采用A D A M S 集成的优化设计程序，对拉臂车工作装置各铰链点的位置参数进行优化设计研究，为拉臂车工作装置的研制与开发提供参考依据。4第二章拉臂车工作装置运动学及动力学分析第二章拉臂车工作装置运动学及动力学分析2 1 拉臂车工作装置结构及工作原理图2 1 为拉臂车作业工况图，其作业过程分可分为箱体装卸作业和垃圾倾卸作业。(a)箱体装卸(b)垃圾倾卸图2 1拉臂车作业工况拉臂车工作装置( 见图2 2 ) ，主要由举升油缸l 、拉臂2 、伸缩油缸3 、翻转架4 、锁紧架5 和副车架6 等部件组成。1 举升油缸2 拉臂3 伸缩油缸4 翻转架5 锁紧架6 副车架图2 2 工作装置简图整箱装卸工况中，举升油缸l 与伸缩油缸3 相互配合完成作业。装箱时，举升油缸l 回缩将箱体提升至副车架6 水平位置，然后伸缩油缸3 伸出，箱体平移后完全落在副车架上；箱体卸下时，伸缩油缸3 缩回，使箱体后移，然后举升油缸l 伸青岛大学硕士学位论文出，将箱体卸下。垃圾倾卸时，拉臂2 与翻转架4 耦合为一体，举升油缸1 伸出倾卸箱内垃圾。举升油缸通过铰链固定在拉臂车副车架上，活塞杆顶端与拉臂滑道铰接，操作人员通过控制油缸收缩以达到实现垃圾集装箱装卸，举升卸料等动作的目的。吊装垃圾集装箱操作时，垃圾集装箱放在地面上，箱体的把手距离拉臂车远而且位置低，伸缩油缸与拉臂、拉臂滑道成刚性联接，只有举升油缸动作。举升油缸推动拉臂，绕拉臂与车架的铰链轴转动，直至拉臂上的拉臂钩钩住垃圾集装箱的把手，然后举升油缸收缩，垃圾集装箱被缓慢提起并被拉上垃圾车；待箱体放稳后，举升油缸停止动作，伸缩油缸开始动作，将箱体拉向驾驶室方向，拉到规定的位置，此时伸缩油缸停止动作。垃圾倾卸作业时，伸缩油缸、拉臂与拉臂滑道通过液压阀锁紧固定，举升油缸直接推动翻转架、伸缩油缸和拉臂绕拉臂滑道与车架的铰链轴定轴转动，随着箱体被举升，卸料倾角逐渐增大，从而完成倾倒垃圾的功能。箱体卸下的过程和装箱的过程相反，伸缩油缸先动作，将箱体推向车的尾部，在伸缩油缸最大工作行程处停止；然后举升油缸开始动作，箱体在举升力的作用下沿导向轮向车的尾部运动，落在地面上规定的位置放好。2 2 拉臂车工作装置机构运动学分析图2 3 所示为拉臂车工作装置机构运动简图。图中，坐标原点D 为拉臂滑道在工作装置底架的铰链点，么为举升油缸在工作装置底架的铰链点：曰为举升油缸活塞杆在拉臂滑道的铰链点；C 为拉臂上的拉臂钩。图2 3 拉臂车工作装置机构运动简图6第二章拉臂车工作装置运动学及动力学分析由图2 3 所示的几何关系可得：= 以+ g 一2 地c 。s ( 万一口一q 一2 ( 1 )式中：，l 举升油缸的计算长度；，2 撵升油缸在工作装置底架的铰链翩至坐标原点D 的距离；厶举升油缸活塞杆在拉臂滑道的铰链点B 至坐标原点D 的距离：a 啦臂钩c 至坐标原点D 的连线与水平面的夹角；a I 举升油缸在工作装置底架的铰链点彳与坐标原点D 连线与水平面的夹角；a 广_ 啦臂滑道与拉臂钩C 至坐标原点D 的连线的夹角。对上式求导得：一1 2 1 3 s i n ( o r 了+ a I 一+ a ：) 在2 - ( 2 )1 1式中：举升油缸活塞杆伸缩速度；在越臂绕原点D 旋转的角速度。工作装置角速度与油缸活塞杆伸缩的速比为：，：堡：一! 11 1 2 1 3 s i n ( a + + )2 ( 3 )2 3 拉臂车工作装置动力学分析根据垃圾箱体被拉臂拉动时是否接触到图2 1 所示导向轮支点，可以将工作装置分为两个工作状态。图2 4 所示为在装箱状态一时机构受力简图，即箱体前轮被提离地面，后轮仍图2 4 状态一时机构受力简图7青岛大学硕士学位论文与地面接触。在该状态下各构件所受力为：( 1 ) 箱体受力= Z 易式中：易广_ 一垃圾箱体后轮与地面之间的摩擦力；易广- 地面对垃圾箱体的法向力；_ 垃圾箱体与地面的摩擦系数。地面对垃圾箱体的法向力砀为：2 丽画s m 丽t z 5G式中：G _ _ 妨圾箱体的重力；a r 垃圾箱体对角线与铅垂线的夹角。= a r c c o s ( 1 二一n )，+ ，S lC r式中：b 卅标原点O 离地的高度；a 拉臂钩c 至坐标原点D 的连线与水平面的夹角；4 拉臂钩C 至坐标原点D 的距离：，6 垃圾箱体对角线长度。1 6 = 0e + H 2式中：垃圾箱体高度；卜垃圾箱体长度。( 2 ) 拉臂钩C 点受力r 尼= 如1 名= 易一G式中：瓦广一拉臂钩对垃圾箱体作用力在水平方向上的分量；最，广一拉臂钩对垃圾箱体作用力在垂直方向上的分量。对D 点取矩，举升油缸对B 点的作用力为朋，有：As i n Z O B A 厶= 乞s i n a ：- 瓦，4 C O S 6 r在A O B A d eZ A O B = 1 8 0 - a - a 1 一吃，同时：1 2：! ；s i nZ O B As i n 么彳O B2 一( 4 )2 - ( 5 )2 一( 6 )2 ( 7 )2 - ( 8 )2 - ( 9 )2 - ( 1 0 )第二章拉臂车工作装置运动学及动力学分析带入式2 一( 9 ) 可得：岛2 1 蕊s i 而n g 磊箭C O S 。l，二，4 一，厶，图2 5 所示为在装箱状态二时机构受力简图，即垃圾箱体完全离开地面，部与导向轮接触。在该状态下各构件所受力为：2 - ( 1 1 )箱体底，j 一图2 5 状态二时机构受力简图( 1 ) 箱体受力局：= 石乃。式中：巳r 导向轮与垃圾箱体之间的摩擦力；乃l 导向轮对垃圾箱体的法向力；五箱体与导向轮的摩擦系数。导向轮对垃圾箱体的法向力乃l 为：= 丽G 1 6s i n a 5式中：G - 一垃圾箱体的重力；a r 垃圾箱体对角线与铅垂线的夹角；如垃圾箱体对角线长度；乃垃圾箱靠上导向轮支点时底面前端到导向轮支点D 的距离：限一垃圾箱体高度。1 7 = C D 2 一H 2式中：C 胁一箱体上拉臂钩C 到导向轮与箱底接触点的距离。92 - ( 1 2 )2 - ( 1 3 )2 - ( 1 4 )青岛大学硕士学位论文C D = ( 厶c o s 一，4c 。s 口) 2 + ( s i I l 口一，5s i n 吩) 2 。2 ( 1 5 )式中：仍一导向轮D 点至坐标原点0 的连线与水平面的夹角；a 拉臂钩c 至坐标原点0 的连线与水平面的夹角；，4 拉臂钩C 至坐标原点0 的距离；卜导向轮支点D 至坐标原点0 的距离。呜= 0 s ( 堕舞)2 - ( 1 6 )式中：a 6 _ 箱体上拉臂钩C 至导向轮与箱底接触点连线与垂直方向的夹角。t 。一毛c o s 口3 一厶C O Sf g 2 亍_ f s u l “一岛s u l 32 - ( z 7 )( 2 ) 拉臂钩C 点受力，毛= 乃lc o s ( 吼+ ) + z 乃ls 衄q + )【名= F d ls i n ( a 4 + ) G 正乃Ic o s ( + )2 - ( 1 8 )对O A 取矩，举升油缸对B 点的作用力为A ，有：p ls i n 么例，2 = 疋，4s i I l 口一蹦c 嗽2 ( 1 9 )在Z a O S A 9 刎= 1 8 0 一口一喁一，同时：垒：墨s i nZ O B As i n 纠2 - ( 2 0 )带入式2 - 05 ) 可得：疋厶s i n g 一C O S Q ，胪可面赢。12 锄)：眦协燮塑丛生兰堕12c o s a l + 3c o s ( a + a 2 )2 ( 2 2 )式中：举升油缸对B 点作用力与水平面的夹角。2 4 本章小结本章介绍了拉臂车工作装置的结构及工作原理，并对其车载工作装置进行了机构运动分析和受力分析，为拉臂车工作装置虚拟样机模型的建立奠定了基础。1 0第三章虚拟样机技术及A D A M S 简介第三章虚拟样机技术及A D A M S 简介3 1 虚拟样机技术3 1 1 虚拟产品开发1 9 9 0 年1 0 月，美国著名飞机制造商波音公司启动了一项新的飞机研制计划，之所以是新的研制计划，是因为在整个过程中，采用了无纸化的设计理念，从飞机外观到结构的设计，乃至整个系统的设计都是在计算机里，采用了三维数字化定义的方式进行的，并于1 9 9 4 年6 月成功地进行了首次试飞。这款飞机就是大家熟悉的波音7 7 7 ，它的研制开启了现代产品开发的新篇章，其采用的开发过程现在称之为虚拟产品开发。在激烈的市场竞争中，产品的生产逐渐呈现多品种、小批量的趋势，在这种情况下，经过十多年的发展，虚拟产品开发已经成为企业发展极其重要的手段，著名C A D 制造商U G 的总裁做过如下描述：虚拟产品开发以网络的方式使人们协同工作，以完成对产品的设计、分析和制造，他们将在任何地点、任何时间独立工作。虚拟产品开发具有以下特点：( 1 ) 数字化方式。虚拟产品开发是真实产品在虚拟环境下的模拟，在产品开发过程中的不同阶段，产品的都是以数字化方式存在；产品的管理也是数字化，各部门的工作任务是以数字化方式确定和分配的；信息的交流也是数字化的，在产品的生命周期中，设计部门内部及设计部门与制造部门的交流都是基于数字化模型的设计，十分方便、快捷。( 2 ) 产品全生命周期。传统产品开发只能解决眼前的问题，对真实产品产生之前和之后的阶段无能为力，当产品投放市场出现问题时，更是不具备预测能力，而虚拟产品开发过程克服了这一弱点，能够将产品从研究到最终报废全部环节在计算机上模拟出来，并且还能对性能、功能进行可视化预测、评估和优化。( 3 ) 网络协同。产品开发过程的复杂性，使得单一部门或公司难以胜任全部工作，往往需要由相关单位组成一个开发网络协同工作，如波音飞机的开发，三菱、川崎等日本几家著名大公司也承担了一部分结构设计工作，虚拟产品开发的数字化特点是实现网络协同的前提条件。从开发过程来看，传统的产品开发，在概念设计之后，接着是产品设计一物理样机制造一产品测试一修改设计的循环过程，每一次修改都需要花费很多时间和经费，而虚拟产品开发将上述过程放到计算机里进行，如图3 1 所示，不需要制造真实样机，也不用花费很长时间来等待实物的制造，所以能够以最短的时间、最好的质量、最低的成本实现新产品的上市I l7 。1 l青岛夫学硕1 学位论文概念( b ) 虚拟样机( c ) 产品图3 1 虚拟产品开发过程3 1 2 虚拟样机技术的基本概念为了实现虚拟产品开发，需要有相关技术的支持，其中起核心作用的就是虚拟样机技术。虚拟样机技术( V i r t u a lP r o t o t T p i n gT e c h n o l o g y ) 指的是在新产品的研发和设计进程中将整个系统细分为零散的部件，根据协同工作的原则分别在计算机r I | 建立产品的数字化模型，然后采用先进的分析技术，对该产品在实际使用中的各种使用条件，进行模拟仿真和性能分析，评估产品的整体性能，进而提高新产品的设计质量、生产质量，缩短开发时间的一种新技术I l ”。在传统的产品开发和制造水平下，新产品的问世，首先要经过产品概念设计和方案讨论。然后进入产品的设计阶段。在完成了产品的初期设计之后，为了检验设计的合理性和可制造性，人们需要按照尺寸造出几件真实的产品，在真实的环境中对机器进行连续作业以实验其稳定性，有时试验结果的取得是需要对机器进行破坏的。试验之后，设计人员得到了相关的数据，同时也发现了机器的某些不满意的地方，这时就需要重新修改部分设计内容并再一次制造新的实物产品来检验设计思路。在经过多次、反复的设计一制造一试验过程之后，产品才能逐渐达到结构、性能等要求。返个过程是非常耗时、耗力的，尤其是那些具有复杂设计信息的系统，如果不能缩短研发周期，就无法实现对市场的快速反血。在竞争激烈的市场环境下，产品的质量和市场占有率的提高，以及产品成本的降低，很大程度上受到了真实产品制造和实验过程的制约。虚拟样机技术是阻解决产品系统工作性能和结构等丰f | 关问题为基本出发点，解决传统的产品开发与样机试制过程缺陷的先进技术。在技术应用过程巾，设计人员能够在计算机卜，调用C A D 建模软件提供的再种零部件的几何及物理信息，井对它们之间的连接关系进行定义后，实现整个产品系统的虚拟装配，最终获得数字化的虚拟样机。虚拟样机构建之后，可以利用专业仿真软件在不同的虚拟环境下模拟系统的运算警晕爷第三章虚拟样机技术及A D A M S 简介动，并在多种工况下对其受力特点和运动情况进行分析，以模拟的结果作为分析基础，结合实际情况对设计缺陷进行修改，从而比较不同的设计方案，对整个系统进行优化，直到获得满意结果并据此做出物理样机。虚拟样机技术应贯串于产品设计的所有环节并进行设计流程的重组，设计师能够将实际的工程经验和独特的想象力融合在计算机内的虚拟样机中，充分发挥想象力和创造力。3 1 3 虚拟样机技术的形成和发展虚拟样机技术是以多体系统动力学研究作为理论基础的。现实中的产品往往是由多个零部件构成的复杂系统。这类系统产品的设计、制造与性能分析一般分为结构系统和机构系统。结构系统的特点是，在正常的情况下，零部件之间不产生相对位移和相对速度，例如飞机、汽车和各种机器的框架以及各种复杂零部件本身。设计者关注的只是这些产品在承受工作载荷时的强度特性、刚度特性与可靠性。而机构系统的特点是，在产品的实际运作及使用中，构成系统的某些部件之间要发生相对运动，典型的如机器人、挖掘机、起重机等各种工程机械，和一些专用机械系统，这些复杂系统虚拟样机的构建需要借助于运动关节的作用，这一类系统人们称之为多体系统。对于比较复杂的系统，设计者的研究重点通常包括三类。第一类是系统的静力学分析，该问题中需要确定在系统承受静载时，其平衡位置和运动关节的接触静反力：第二类是系统的运动学分析，在该问题中，通常不需要考虑系统是如何运动起来的，而只关心系统中主要部件的工作位置和姿态的变化，及它们的速度、加速度变化情况；第三类是动力学问题，即研究系统的运动与系统所受总的作用力之间的关系。在外力确定的情况下，求解系统的运动可以转化为特定情况下对非线性微分方程的积分过程，这被称为正向动力学问题。在系统运动确定的情况下，求解运动副的动反力，这类问题我们称之为逆向动力学问题。现代机械产品和系统很难离开控制环节，所以还有一种最常见、也是最重要的问题就是混合的动力学问题，即系统的某一部分或某几部分的构件是受控的，并且按照己知和确定的路径进行运动，求解系统其他构件的运动方程1 2 。成熟的系统运动学、动力学研究和先进的控制理论构成了虚拟样机技术的核心内容，然而如果没有强大的计算机图像技术和G U I 一图形用户界面技术，虚拟样机技术的发展也会受到限制。因此虚拟样机技术及其在市场化方面的发展与计算机辅助设计( C A D ) 技术的成熟及普及、应用是分不开的。首先，三维建模技术使得虚拟样机系统的数字化描述更加方便和简单。其次，强大的C A D 几何编辑、修改技术，使系统的机械设计与快速修改成为一种现实，并使进一步的试验一设计的反复过程青岛大学硕士学位论文具有更现实的意义。最后，计算机能够借助于C A D 中的三维几何体建模技术，处理绘图等繁琐的工作，从而使设计者能够有精力更多地关注需要创造性的工作。及系统级的设计和优化问题。虚拟样机技术的发展对于计算机硬件的依赖程度也非常高，这种依赖在处理复杂系统时显得尤为突出。某些大型控制系统的动力学仿真分析需要在先进的高配置工作站上持续进行上百，甚至上千小时。因此，计算机硬件及数值求解的发展会对虚拟样机技术带来积极的影响，并对仿真速度和精度起到积极的推动作用。因此，虚拟样机技术的发展过程集成了多种先进的技术和理论。其关键的部分就是多体系统运动学和动力学的建模理论及求解能力。图形化的计算机技术及动态仿真技术的发展为其提供了理想的界面环境。数值算法求解，作为应用数学的一个分支在提供快速、高效的算法方面，也极大地支持了多体问题的求解。且前，虚拟样机技术己经发展成为相对独立的学科技术，它不仅在设计思想上有了更新的突破，对当代制造业的发展也产生了巨大影响。3 1 4 虚拟样机技术的优势虚拟样机技术，作为一种全新的产品研发和设计技术，具有传统设计手段无法比拟的优势：( 1 ) 速度快，成本低。设计工作者，以协同工作的方式，在计算机里完成虚拟样机的建模，所需要的时间比制造一台真实物理样机的时间要大为缩短，有利于产品的快速上市；此外，在真实产品制造之前，设计者可以通过虚拟样机，比较方便地修改设计，进而减少物理样机的制作费用，降低研发成本：而且并行设计也能使不同地方的设计师们同时对出现的问题交换意见，节省了差旅费用。( 2 ) 提高产品的设计质量。传统的设计过程是，产品三维模型设计者与产品结构设计者各自独立工作，一旦出现设计问题，修改起来比较麻烦，但借助于虚拟样机，两个设计部门可以通过网络环境进行实时交流，从而避免了三维模型设计与结构设计分析过程相互脱节的缺陷，将可能的设计错误在设计初期加以排除，大大提高产品设计质量。( 3 ) 实现产品的系列化。通过采用虚拟样机技术，可以快捷而方便地对已有产品实现改型设计和换代，例如在实现产品外形设计、色彩设计、材质选择、装饰修改以及局部结构设计的系列化方面很有价值，这对于适应快速变化的市场竞争十分有利。( 4 ) 实现设计方案多样化。由于虚拟样机具备易修改、易复制的特点，所以可以在几乎不增加成本的前提下构思多个近似的方案，以进行多个方案的对比评价，最后择优选择，大大降低了不合理方案所带来的风险。1 4第三章虚拟样机技术及A D A M S 简介( 5 ) 增强企业与用户的交流。传统的产品开发过程中，往往在最后的物理样机下线之前，用户是无法看到产品的，容易出现产品与用户期望差别太大的现象，甚至可能导致经济纠纷。而凭借虚拟样机技术，能够实现在产品开发的全过程中与用户的紧密联系，进而保证更加深入和清楚的交流。用户可以在虚拟环境下看到自己的产品，对设计过程实时了解，并在出现问题时为企业提供修改意见，保证产品最后的圆满交付【z 卜捌。3 2A D A M S 软件概述A D A M S ( A u t o m a t i cD y n a m i cA n a l y s i so fM e c h a n i c a lS y s t e m s ) 软件是机械系统动力学仿真分析的商用软件，最初是由美国M D I ( M e c h a n i c a lD y n a m i c sI n c ) 公司开发的，在经历了1 2 个版本之后，被美国M S C S o f t w a r e 公司收购。A D A M S 软件在建模时，采用的是参数化的建模方法，并且由于其丰富的几何零件库、运动副库、力单元库以及图形化的用户界面，使得A D A M S V i e w 环境下的虚拟样机建模非常直观；其次，A D A M S 的解算器采用的是拉格朗日方程的方法，其求解技术相对比较成熟，因此可以得到较为理想的运动学和动力学分析结果，并借助于强大的后处理程序将仿真结果以曲线的形式输出给用户，以供参考分析。3 2 1A D A M S 的理论基础任何模型的建立首先要有一个参考坐标系，A D A M S 采用的是笛卡尔广义坐标，其坐标值由对刚体方位进行描述的欧拉角和刚体在惯性坐标系下的直角坐标值构成，即q ，= 【x ，Y ，z ，y ，9 ，伊】j ，q = 【g f ，g ；，q r T 。并且利用带拉格朗日乘子的第一类拉格朗日方程导出最大数量坐标的代数一微分方程，以笛卡儿广义坐标为变量，导出了具有多余坐标的非完整约束及完整约束系统的运动学方程【2 3 l 。系统运动方程为：完整约束方程为：旦d , t 倒a qJ 一时咖助= Q伊( g ，f ) = 0非完整约束方程为：O ( q ，雪，) = 03 一( 1 )式中：k 系统的动能；卜完整约束下的拉格朗日乘子矩阵；9 一系统广义坐标矩阵；卜非完整约束下的拉格朗日乘子矩阵。l S青岛大学硕士学位论文动力学方程求解如下：将3 ( 1 ) 式转化为一般形式：F ( q ，甜，厅，名，r ) = 0G ( u ，口) = 甜- 4 = 03 - ( 2 )( g ，f ) = 0式中：g _ 广义的坐标矩阵；口，卜广义的速度矩阵；j r 作用力及约束反力矩阵；卜系统动力学微分方程及用户自定义的微分方程( 如用于非完整约束的方程及控制的方程) ；仁以代数方程描述的矩阵。如果定义了系统的状态矢量Y = 【g r ，”r ，】T ，则可将式3 ( 2 ) 写成单一矩阵方程：g ( Y ，夕，r ) = 03 - ( 3 )3 2 2A D 蝴S 模块简介A D A M S 软件模块有很多，但最主要的包括核心模块A D A M S V i e w 、A D A M S S o l V e l q 拳：I A D A M S P o s t P r o c e s s o r ，以及其他扩展模块。A D A M S V i e w 是A D A M S 的核心模块之一，最新版本的模块能够在同一窗口中同时显示模拟动画及输出曲线图，便于进行仿真分析；具有高效的P a r a s o l i d 转换格式，既能接受由C A D 软件生成的P a r a s o l i d 文件，又能把单个构件甚至整个模型转换并输出至U P a r a s o l i d 文件中去：包含丰富的碰撞接触，用户可以对具有点一线、线一线、线一面、实体一实体等碰撞特征的接触自定义接触力；支持多平台上采用统一用户界面，提供合理的软件文档。A D A M S S o l v e r 是A D A M S 的核心模块之一，也是A D A M S 软件的仿真心脏，可以对刚体和柔体进行仿真研究，对于虚拟样机模型的动力学方程有自动生成的功能，从而进行运动学、静力学和动力学的解算。新版的A D A M S S o l v e r 积分器能够以模型的复杂程度为基础，自行调整运算参数。A D A M S P o s t P r o c e s s o r 用来处理仿真结果数据，显示仿真曲线及动画等。该模块既能够在A D A M S V i e w 环境下运行，也能单独使用。其主要功能有采用高质量动画显示结果，并能向前、向后播放功能，便于多角度、深入分析设计方案的可行性；具有丰富的数据统计功能，如求均值、极值、均方根等：能够进行曲线的反向、偏1 6第三章虚拟样机技术及A D A M S 简介置、代数运算、产生波特图等。A D A M S I n s i g h t 是基于网页技术的模块，借此工程师可以将仿真分析的结果放到I n t r a n e t 上，使企业不同部门的相关工作人员共享分析结果，加深对产品技术要求的理解，强化部门之间的合作；另外工程师可以更有效地区分关键参数和非关键参数，以及在制造前综合考虑各种因素的影响。A D A M S H y d r a u l i c s 。为了模拟包括液压回路在内的复杂机械系统的动力学性能，M D I - F 公司开发T A D A M S H y d r a u l i c s 模块。用户使用该模块，能够精确地对由液压驱动的复杂机械系统( 如工程机械、汽车悬架系统等) 进行动力学仿真分析。A D A M S H y d r a u l i c s 是A D A M S 的插件模块，不仅集A D A M S V i e w 、P o s t p r o c e s s o r 、S o l v e r 的优势于一体，而且为工程师建立包括液压回路的机械多体模型提供了良好的建模、仿真环境。A D A M S H y d r a u l i c s 可以帮助设计人员将系统的性能分析与液压系统设计综合起来，将在A D A M S N i e w 中建立的液压系统模型，通过液压驱动件如液压缸等，与在A D A M S V i e w 下建立的机械模型进行有效地连接。由于H y d r a u l i c s 与A D A M S N i e w 使用了相同的数据库和参数化功能，因此在进行液压元件的设计时同样也能够利用各种设计研究和优化设计等技术。此外A D A M S 还包括其它模块：A D A M S V i b r a t i o n ( 振动分析模块) 、A D A M S C o n t r o l ( 控制模块) 等，这些模块独立使用或相互结合使用，广泛应用于各种工程实践和科学研究中I 丌3 3 本章小结本章详细地介绍了虚拟样机技术的基本概念及其形成和发展，以及虚拟样机软件A D A M S 的理论基础、基本概念和其中主要模块，为下一步的工作打下了基础。1 7青岛大学硕士学位论文第四章拉臂车工作装置虚拟样机建模4 1 拉臂车的主要参数图4 1 所示为某公司生产的拉臂车，表4 1 为拉臂车质量参数和尺寸参数，表4 2为拉臂车主要性能参数。图4 1 某公司生产的拉臂车表4 1 拉臂车质量参数和尺寸参数最大总质量2 5 0 0 0I g前轴5 5 8 5 k g空载中后轴7 0 1 5l ( g轴载质量前轴6 5 0 0 k g满载中后轴2 x 9 0 0 0k g外形尺寸：长宽高7 4 0 0 2 4 8 0 3 2 0 0m m车厢容积1 3m 3前轮1 9 4 0 m m轮距后轮1 8 3 0 m m轴距3 8 0 0 + 1 3 5 0m m接近角3 4 0离去角3 2 01 8第四章拉臂车I 忭装虚拟样机建楗表4 2 拉臂车主要性能参数塌高车速( k m m ) ：最大爬坡度( ) ：2 8撮小转弯直径( 柚：液压系统工作压力( M P a )液压系统流量( L r a i n )卸料工作时阿( s ) 吊箱时间( s ) ：卸箱时而j ( s 14 2 拉臂车工作装置虚拟样机机械模型的建立在建立拉臂车工作装置虚拟样机机械模型时，本文做了如下假设：( 1 ) 在拉臂车工作装置装卸过程中，只考虑运动构件和垃圾箱内物料对其性能的影响，不考虑风力的影响；( 2 ) 将工作装置副车架认为是刚性固定在拉臂车底盘车架上，不考虑车架、悬架、轮胎和地面变形等对工作装置性能的影响。4 2 l 设置工作环境42 】1 设置坐标系新建一个A D A M S 文件，在A D A M S N i e w 的工作界面巾有一个固定不动但可以随模型旋转的坐标系，该坐标系是系统的总体坐标系。另外，每个刚体的质心处有一个连体坐标系，通过描述其在总体坐标系p 的方团墨墨墨黔型向和位置，就可以完全描述刚体在系统中的方位。A D A M S 巾有三利- 坐标系，分别是笛卡尔坐标系，柱坐标系和球坐标系，刚体在空间旋转时，绕x 轴旋转称作l 旋转，绕Y 轴旋转称作2 旋转，绕z 轴旋转称作3 旋转，这样按照轴旋转顺序形成一个旋转序列，如3 1 3 、1 2 3 等1 “J 。存默认情况r ，A D A M S采用卡力i 班标系作为地】业标系，且旋转序列足3 】3 。选择S e t t i n g s C o o r d i n a t eS y s t e m 命令，弹m 图42所示对话榧，可以进行鞋置和修改。图4 2 坐标系设置青岛学碗J 二学位论文42 1 2 设置单位建模前需要对模型所用的单位进行设置，选择S e t t i n g s U n i t s 命令，显示如图4 3 所示对话框，这里系统为用户定义好了四个单位制的组台，即M M K S 、M K S 、C G S 和I P S t 2 ”，如果采用其中的任意一个，选择相应的按钮即可。如果用户要进行特殊设置，可以在每个单位后面直接选择自己要用的单位即可。目霹霹咄口I 蔷鼹萌j 。捌o w mI “二I一再磊刁F I T mE = r 1ID e c k *二J而F 劂! 叫! 一i 叫刖! ! 一圈4 3 单位设置4213 设置工作栅格日皿皿皿皿墨麟j工作栅格是非常有用的建模辅助工具，在建立几何I 竺：竺兰! 粤模型、运动目及修改模型时，系统程序会自动捕捉到栅i 。格点上。栅格可以被设置成各种形状，如图4 4 所示是当s 一菇苟f 黼【工作栅格形状为R e c t a n g u l a r 时的设置，S i z e 里输入矩形曼三二兰兰= = 型栅格的长度和宽度，S p a c i n g 里输入每个栅格之间横向和F = _ j 啊|纵向的间隔大小。还可以设置栅格点的大小，栅格的中；= 譬纠乒习心位置及栅格所在的坐标平面口”。m 耳r 4 2 2 工作装置三维几何模型在A D A M S 中导入圈 4 工作橱格设置因拉臂车的工作装置结构复杂，利用A D A M S 软件提供的三维几何建模工具来创建模型不是特别容易，且无法保证虚拟样机的精度，例如装配位置精度和尺寸精度等。本文采用了C A D 方面比较成熟的P r o E 实体建模软件，来完成拉臂车工作装置的虚拟样机三维建模工作并将建好的几何模型转换格式后，再导入到A D A M S V i e w 环境中，对样机几何模型添加必需的约束、修改特征、掭加适当的载荷等，以进行仿真分析。当三维实体模型在P r o 厄巾创建完毕后，需要具备与A D A M S 环境下相同的几何信息，模型才能成功地导入到A D A M S 中，因此必须进行几何数据的转换。对于P r o a d 软件，通用的做法是将模型转换成P a r a s o l i d 格式，并且这种方法的高教性己被证明，且P a r a s o l i d 格式具有鲫F 几点优势：( 1 ) P a r a s o l i d 格式司以实现整个模型的同时导入，f i i 其它格式的文件需要将构件分别导入；( 2 ) p a r a s o l i d 格式的图形文件集成了模型的所有三维特征数据，而上iA D A M S E x c h a n g e 接u 模块能够为何一个零件单独创建。个P a r t ；( 3 ) A D A M S 接受了P a r a s o l i d 格式的图形文件后，会将模型的体积信息、质量第n 拉臂中T 怍装i 庸拟样机4 横信息、转动惯量信息等完整地保留，而且能够同时为其赋予质心的标记点；( 4 ) A D A M s 软件的兼容性能够对导入其中的p a r a s o l i d 格式的图形做后续的布尔操作2 “。423 工作装置虚拟样机模型的建立从P r o E 中将虚拟样机，以p m a s o l i d 格式输入到A D A M s 后，各构件实际上是独立存在于A D A M S 之中的，构件之间只是确定了它们的相对位置，原来模型中的连接关系不复存在，这样的“样机”没有实际意义。这时需要将各构件“装配”成一个有机整体，构建真正的虚拟样机，过程如下：( 1 ) 进行布尔操作每个构件导入后，需要为其确定白由度及约束情况，构件的个数越多则系统全部的自由度数就越大，汁算机处理的信息就越多为了减少仿真计算的工作量，首先对输入的模型进行布尔操作，将没有相对运动的构件作为一。个零件来处理。( 2 ) 修改名称新建一个A D A M S 文件后，系统会自动产生一个零件P a r t l ，即“地面”，它是没有质量和初始速度的，因此不会增加系统的自由度，而且全局坐标系都是建立在这个“地面”之上。此后每次输入一个新的构件，系统都会按自然序列递增的顺序为其自动赋予一个名称，以p a r tN 岫b c r ( N u m b e r _ 2 ) 来显示，此名称不易区别，为以后的编辑工作增加难度，需要重新命名。选择菜单命令E d i t R e n a m e 后弹出图45 所示对话框，完成修改。拉臂车工作装置的主要构件名称见表4 3 。( 3 ) 编辑颜色从P 耐E 中导入到A D A M S 的模型，都早现统一一的颇色，默认为灰色，为了从视觉上更方便地辨识构件，需对构件颜色进行修改。选择E d i t A p p e a r a n c c 命令后显不图4 6所示对话框进行修改，同时还可以设置该构件的透明度，宴玑更加个件化的外规改计。( 4 ) 添加约求根据l _ 作装置再构件的固定耵I 运动情况，添加的约束见表4 4 。坠l 业l ! 型I图4 - 5 修改名称园圃墨墨墨墨曩豁慧。剖E r 哪1 日札1 - ”阿i 一Ib ro o |N 一mrO nrO f fF I陌嚣矿一is F lR “口“* I9“ 。* 4一_I隔而1 厂一l划竺一! 刮l图46 编辑颜色一青岛大学硕士学位论文表4 3 主要构件名称实体名称P a r t 文件名质心坐标举升油缸l 、2J u s h e n g y o u g a n gl 、2( 7 4 1 8 ，1 6 5 8 ，0 )活塞杆l 、2H u o s a i g a n1 、2( 2 2 2 5 3 , 4 9 7 3 ，0 )拉臂滑道L a b i h u a d a o( 2 9 9 2 5 ，7 5 8 4 ，O )拉臂钩L a b i g o u( 4 3 8 0 ，1 0 2 7 5 ，0 )箱体X i a n g t i( 7 3 4 1 5 , - 4 0 3 5 ，0 )导向轮l 、2D a o x i a n g l u n1 、2( 3 6 0 0 ，6 5 ，0 )箱体滚轮1 、2X i a n g t i g u n l u nl 、2( 5 2 0 0 ，- 13 3 0 ，0 )箱体滚轮3 、4X i a n g t i g u n l u n3 、4( 9 4 8 3 ，- 13 3 0 ，0 )表4 4 添加的约束限制的自由度名称类型相连接的构件移动转动J o i n tlR e v o l u t eJ u s h e n g y o u g a n g1 、2G r o u n d32J o i n t2R e v o l u t eH u o s a i g a nI 、2L a b i h u a d a o32J o i n t3R e v o l u t eL a b i h u a d a oG r o u n d32J o i n t4R e v o l u t eL a b i g o uX i a n g t i32J o i m5R c v o l u t eD a o x i a n g l u nl 、2G r o u n d32J o i n t6T r a n s l a t i o n a lL a b i h u a d a oL a b i g o u23J o i n t7T r a n s l a t i o n a lJ u s h e n g y o u g a n gH u o s a i g a n23J o i m8F i x e dD i m i a nG r o u n d33C o n t a c t 9C o n t a e tX i a n g t i g u n l u n3G r o u n d22C o n t a c t 10C o n t a c tX i a n g t i g u n l u n4G r o u n d22C o n t a c t 11C o n t a c tD a o x i a n g l u ni 、2X i a n g t j22( 5 ) 施加载荷在箱体上施加重力，箱体的两个后轮与地面、导向轮与箱体底部之间添加接触力，接触力的确定是通过设置接触刚度、阻尼、力指数等参数实现的。四拉臂车怍H m 拟样机建楗由于拉臂车工作装置主要完成吊装、卸料和卸箱工作其中，垃圾箱体的吊装和卸箱是通过举引油缸和伸缩油缸实现的；卸料是通过举升油缸实现的。图4 7 所示为箱体装卸作业和垃圾倾卸作业两种工况的工作装置机械系统虚拟样机模型。塑奠喳( a ) 箱体装卸( b ) 垃圾倾卸田4 7 机械系统虚拟样机模型424 工作装置虚拟样机模型检验在建完虚拟样机模型之后，在仿真计算之前，可以对系统的自由度、系统组成、过约束等情况进行检查，咀保证模型的准确性。选择菜单命令T o o l s M o d e l V e r i f y 则显示信息窗口，该窗u 清楚地显示了模型中构件的个数、构件的种类、接触的数量和种类、构件之间的连接关系，以及兀余约束方程的个数。此外，其他的捡验方式如，采用特征测量方法和交互式仿真分析也能够对模型进行有效地检验，仿真分析前进行虚拟装配分析也有助于检查出错误的约束。该模型经检验知，工作装置吊箱和卸箱虚拟样机模型包括8 个运动构件，5 个转动副2 个移动副，1 个同定副，2 个运动，整个模型有2 个自由度。工作装置卸料虚拟样机模型包括4 个运动构件，3 个转动副，1 个移动副，2 个运动，整个模型有2 个自由度。模型没有多余约束，模型建立正确。4 3 拉臂车工作装置虚拟样机液压模型的建立拉借车工作装置包含执行动作的机械系统和提供：工作动力的液压系统，上土两个系统相H 作用。互相影响，良好的液压系统有助于提高j 作装置的工作效率，凼此木文利用A D A M S H y d r a u l i c s 模块剥拉臂车液压系统作进步的研究。4 3l 液压系统虚拟样机技术液K 传动系统一眦“i 部分组l 成：工作介质、动力兀州、控制元件、执行7 L 件和辅助儿什组成。( ”L 作介质。：作介质是指液压川路一f t 循王f 流动的液体，是能量的传递者。( 2 ) 动力7 c 件。动力兀件是工作介质的驱动部分，| 般是液压泵。青岛大学硕士学位论文( 3 ) 控制元件。控制元件是用来控制工作介质的流动、流量和压力，以保证执行元件按照设计回路进行动作，常见的控制元件有单向阀、溢流阀、换向阀等。( 4 ) 执行元件。执行元件是用以将液压能转化成机械能，通过液体的流动将液压回路与机械构件联系起来，主要有液压缸和液压马达。( 5 ) 辅助元件。辅助元件用以实现整个液压回路的闭合，包括油箱和各种管件、接头等。A D A M S H y d r a u l i c s 是A D A M S 软件的扩展模块之一，用于液压系统的虚拟样机建模，并且可以通过参数关联技术与机械模型相结合，建立和测试包括液压系统的虚拟样机，实现更加精确的虚拟建模。在A D A M S H y d r a u l i c s 环境下，建立拉臂车的液压虚拟模型具有以下特点：( 1 ) 具有简易的液压框图建模工具，其液压系统图形建模功能结构简单、便于使用，可以应用于各种不同液压系统的建模。( 2 ) A D A M S H y d r a u l i c s 给出了三十多个比较常见的液压动力元件，专业的液压零件组合体现了个性化的建模思路。( 3 ) 高级、完善的建模界面可以使设计者依据特定的系统要求，扩展液压元件种类，以设计专用的液压零件。( 4 ) 具备超强的解算能力，且机械系统刚、柔体动力学方程与流体力学方程相互结合，适用于多种闯题的求解。( 5 ) 全面的分析能力。能够进行各种静态、动态仿真，及静态、瞬态分析，同时可以监测各种液压元件的参数变化。( 6 ) 同一个机械模型可以设计多个液压驱动方案，对不同的方案进行对比，得到最佳的液压设计方案【2 皿3 们。4 3 2 拉臂车工作装置液压系统的建立4 ，3 2 1 加载A D A M S H y d r a u l i c s 模块并设置液压工作环境【3 1 3 3 1( 1 ) A D A M S H y d r a u l i c s 是A D A M S 的内置插件，选择A D A M S V i e w 菜单中的T o o l s P l u g i nM a n a g e r ，在出现的插件管理器中，将H y d r a u l i c s 前面的方框选上，单击O K 按钮，即可导入A D A M S H y d r a u l i c s 模块。此时主菜单中出现了H y d r a u l i c s菜单。( 2 ) 液压环境设置在H y d r a u l i c s 下拉菜单中，选择D e f a u t s 选项中的S e t 命令，显示如图4 8 所示的工作环境设置对话框，J u n c t i o nV o l u m e 表示液压系统中最小的流量，E n v i r o n m e n tP r e s s u r e 是指环境压力，在这里是一个标准大气压，XP e n e t r a t i o nT o l e r a n c e 指的是阀体之间的渗透精度，H y s t e r e s i sL i m i t 是各种阀门的启闭延迟。2 4第四章拉惯车T 作装簧虚拟样H 【建模圜圈霉墨富窭墨譬翟嗣圈黼黼戳馘赫甄剖J u m v R 蟊茸一E 一“t m e 阿；i = j i 一x P H m tT 一阿最百一一而葡r 一R 一互世I 型I图4 8 菠压环境设置对话框4322 液压元件的创建及参数设置A D A M S 用y & a u l i c s 使用图形化建模方式，每个元件都由特定的符号表示，非常方便，本文使用的液压符号如表4 5 所示1 3 4 - 3 5 l 。表4 5 藏压元件判表序号图形符号名称1臼F l u i d2T a n kL U3pP u m p4T q A 峰C h e c kV a l v e5二目_C o u n l e rB a l a n c eV a l v ec ：。：D i r e c l i o n a lC o n t r o l6_ 羔m f 仅卜V a l v e7啦C y l i n d e r青岛太学硕学位论文在A D A M S H y d r a u l i c s 中，每个元件都有一个或多个端口，有的端口只能输入压力信号，有的端口只能输入流量信号，液压回路的连接也必须基于端口的正确匹配，即输出流量的端口只能与输入流量的端口连线，输出压力的端口只能与输入压力的端口连线。( 1 ) 工作介质( F l u i d )在液压系统中，流体是以液态或液气混合态的形式出现。且在H y d r a u R c s 环境中，流体具有可压缩性、低压非线性、粘度随温度变化的特点。A D A M S H y d r a u l i c s 对于流体做了如下假设：在流体状态方程中，根据他A1 3 = 0 流体的压力、密度、温度三者之间的关系是唯一确定的；流体的密度和压力必须是正数；系统中气体的含量可以被定义为能溶解的和不能溶解的气体的总和；气体溶解到液体中和从液体中分离出来这两个过程没有时间上的滞后；流体的粘度仅与温度有关：溶解在流体中的气体的含量不影响流体的体积空气从标准温度和压力的状态( S T P ) 到饱和压力腑和系统温度丁的压缩过程和膨胀过程是非常缓慢的：在分析过程中。空气从饱和压力向当前工作压力的转变过程不是唯一的。在H y d r a u l i c s 菜单中，依次选取G r e a t f l u i d 命令，弹出创建工作介质对话框，如图4 9 所示。在F l u i dN a m e 输入框中输入工作介质的名称。在L o c a t i o n 输入框中E q s t i o n s _ eI瓜云蔬一臣菘面一世】! 型I图4 9 工作介质设置对话框一一一一一口第四章拉臂车T 作装置m 拟样机建模输入工作介质图标的位置。该图标放在何处并不影响计算，只是用于表示系统中已经创建了必需的工作介质。在T e m p e r a t u r e 输入框中输入工作温度，用绝对温度来表示默认值是2 9 31 5 K 。在E q u a t i o n o f S t a t e 页面中输入一些参数目的是为了得到工作介质在其他工作状态下的参数值。目前H y d r a u l i c s 唯一的状态方程近似换算公式是A D A M S 集成的M e m t 方程，其中R e f D e n s i t y 是参考密度，R e f T e m p e r a t u r e 是参考温度，R e f p r e s s u r e是参考压力，B u l kM o d u l u s 是体积弹性模量，表示理想液体的压缩性，1 h e r m a lE x p a n s i o nC o e 茄c i e n t 是热膨胀系数，表示温度每爿高一个单位理想液体的膨胀体积。A i rC o n t e n t 页面是用来确定工作介质中容积气体的参数。A i rD e n s i t ya ts T P 是在标准温度和压力下的气体密度，S a t u r a t i o nP r e s s u r e 是可溶性气体完全溶解到流体中时的最低压力，也就足当处于饱和压力下的流体与空气接触足够长的时间，以使空气的溶解度最大的压力，S o l u b i l i t yC o e 肺c i e n t 是卒气的溶解度系数，U n d i s s o l v a b l eA i rC o n 【e n t 足在标准压力和温度下流体中未溶解气体的体积，P o l y t r o p i cE x p o n e t 是气体在压缩过程中的多变指数1 3 6 - 3 7 I 。V i s c o s i t y 确定工作介质的粘性。H y d r a u l i c s 中对粘性的确定是在给定的温度一粘性曲线上，用插值法获得某一点处的粘度值。( 2 ) 油箱( T a n k )在A D A M S H y d r a u l i c s 液压环境下，油箱被假设成为一个具有无限容积的液体储蓄容器，因此其压力是恒定的，而不受流入、流出油箱流体流量的限制。执行菜单命令H y d r a u l i c s C r e a t V o l u m e T a n k ，显示如图41 0 所示的油箱设置对话框，在T a n k P r e s s u r e 里输入标准大气压力，单击O K 按钮便完成了油箱的设置。油箱输入的是标准状态下的流量信号，输出的足压力信号。T “N 畸赢：r 一L o e n 曲n 际西百再鬲茅一T “P f 6 。s t , h - e 陌稻i 一F | u 日H 际i 一亟型Jj 塑图4J 0 油箱设置对话框( 3 ) 动力7 i 件( P u m p )动力元件包括再种各样的泵，奉史选择的是压力泵，选择菜单青岛大学磁学位论文H y d r a u l i c s C r e a t e P u m p P r e s s u r eS o u r c e ，弹出压力泵的创建对话框，如图4 1 1 所示，压力泵可咀提供任意大小的流体压力，其压力不受流入流出油液压力的影响，只由= 尝；淼盏熙罴嚆黑掣作为初始压力，p r e s s u r eF u n c t i o n中输入压力函数。压力泵的初始压力及压力函数在仿真过程中跟据具体情况进行设定。压力泵输入的是标准压力和温度下的流量信号，输出的是压力信号。E 丽而r 一一l “一瓜面百一n r 一阿矿一- JM H 一际玎一到互剑剑图t I I 压力泵设置对话框( 4 ) 单向阀( C h e c kV a l y e )圈4 1 2 所示为单向阀的结构示意图，在A D A M S H y d r a u l i c s 环境下单向阀内的容积为零，阀芯是没有质量的，阀的通流截面积与阀芯的位置成线性关系。端【JA 的输入信号是端u 处的压力，输出信号是端口处的流量，端口占的输入信号是端u 处的压力，输出信( + l_卜图 1 2 单向阔结构示意圈号是端口处的流量。单向阀在液压系统中起到正向通过、反向截至的作用。图4 1 3所示为创建单向阀的对话框。图4 1 3 单向阀设置对话框2 8第四章拉臂车工作装置虚拟样机建模G e n e r a l 页面中的I n i t i a lP o s i t i o n 是阀芯在阀体中的相对位置，用x 表示，取值范围是0 自c , A 1 ，x 取O 表示阀芯全闭，取l 表示阀芯全开。9 砜d p ) 是为了确定流量与压力之间的关系。主要参数如表4 6 所示，由于其流量一压力是线性关系，所以知道任意两点处的流量和压力值，就可以绘制流量一压力曲线，那么就可以确定系统工作时每个点处的流量和压力了。表4 6 单向阀压力流量参数R e s p o n s e 考虑的是阀芯的响应因素，首先是时间响应，其次是压力响应，即每次压力变化的增量值。H y s t e r e s i s 是对阀门开闭滞后参数的控制，H y s t e r e s i sR a t i o 是x = 0 处的压力面积比，用符号裱示，其值的大小由A D A M S 内部函数A R A T I O 计算得到。( 5 ) 换向阀( D i r e c t i o n a lC o n t r o lV a l v e 4 w 3 )图4 1 4 所示为换向阀的结构示意图。端口彳、丑、尸、丁的输入信号都是各端口处的压力，输出信号是端口处的流量。一，一mo闷蕊燃瀚蝌蕊蕊沁圳 II = Il_-IIlI n n n 界：-IIII卜沁测测测闷-|图4 1 4 换向阀结构示意图换向阀用来控制执行元件的往返工作。在A D A M S H y d r a u l i c s 环境下，换向阀与单向阀类似，假设阀体内的容积为零，阀芯没有质量，两个方向的流体运动特性相同，在无外部控制信号时，阀芯停在阀体的中心位置，开度与阀芯位置成线性关系。换向阀的主要参数及说明如表4 7 示。青岛大学硕士学位论文表4 7 方向控制阀的主要参数及说明( 6 ) 背压阀( C o u n t e rB a l a n c eV a l v e )背压阀的结构示意图如图4 1 5 所示。“1-丁“X图4 1 5 背压阀结构示意图对于背压阀的使用，H y d r a u l i c s 做了如下假设：A 端、X 端的作用面积的和与曰端、丁端的面积和相等；阀体内部容积为零；阀芯的质量为零；通流截面积与阀芯位置成线性相关；么、B 端的输入信号是压力，输出信号是流量，瓜丁两端只有压力输入信号，并且作为内部控制信号，对外没有信号输出。其流量压力设置及其他参数设置与单向阀类似。( 7 ) 液压缸( C y l i n d e r 2 )液压缸的作用是使液压系统与机械系统相互联结在一起。如图4 1 6 所示为液压缸的结构示意图。第四章拉臂车工作装置虚拟样机建模f + M图4 1 6 液压缸结构示意图彳、曰端口处的输入信号是工作介质压力，此外，两端各有一个M a r k e r 与机械部分相连，输出信号有流量、油缸力只摩擦力凡、缓冲力足、活塞杆伸出压力刃和收缩压力m 。A D A M S H y d r a u l i c s 模块对液压缸的模拟做了如下假设：1 ) 液压缸计算的油缸作用力包括压力、摩擦力和缓冲力；2 ) 在液压缸两端点处的缓冲力大小相同；3 )缓冲力的存在使得液压缸达不到最小长度和最大长度，即液压缸工作行程介于两个长度之间；4 ) 液压缸的质量为零，如有需要，可考虑在机械模型部分添加；5 ) 液压缸的缸体是柔性的；6 ) 液压缸活塞杆是刚性的，如果需要考虑柔性体，可在机械模型中描述；7 ) 液压缸中的液体具有可压缩性，但没有质量；8 ) 液压缸的整体运动及加速度并不影响其内部液体的流量和流体的运动。对于油缸内的摩擦力做了如下假设：1 ) 密封摩擦力由密封处的压力差确定；2 )活塞运动速度为零时产生库伦摩擦力：3 ) 活塞运动速度较低时，摩擦力是逐渐减少的，直到运动速度达到了某一个特定值，在这个过程中摩擦力完成了由库伦摩擦力向粘滞摩擦力的转变：密封处有预压缩力时会产生一个摩擦力，该摩擦力与液体压力没有关系；4 ) 摩擦力的参数是在标准温度和压力下测定的。液压缸的参数设置对话框如图4 1 7 所示。IM a r k e r ，JM a r k e r 之间的距离定义了液压缸的设计长度；BD e a dV o l u m e 定义了液压缸在最小长度下B 腔的物理容积；AD e a dV o l u m e 定义了液压缸在最小长度下彳腔的物理容积；P i s t o nD i a m e t e r 是活塞的直径，即液压缸的内径；A 、BC h a m b e rI n i t i a lP r e s s u r e 是A 、B 腔的初始压力；A 、BO r i f i c eD i a m e t e r 是彳、B 两个通流口处最大的通流直径：A 、BD i s c h a r g eC o e f f i c i e n t 是彳、曰两端口处的卸载系数，该系数通常是由液压缸制造商决定，本文取典型的卸载系数C a = 0 6 。F l e x i b i l i t y 是考虑液压缸的柔性建模，W a l lT h i c k n e s s 是液压缸的壁厚，Y o u n g sM o d u l u s 是液压缸壁所用材料的弹性模量，P o i s s o n sR a t i o 是液压缸壁所用材料的泊3 l青岛太学顿十学位论文松比。L o s s e s 是液压缸的损失情况。C o u l o m bF r i c t i o nF o r c e 表示由密封预压缩引起的库伦摩擦力。P i s t o nS e a lF d c f i o nC o e f f i c i e n t 是活塞的密封摩擦系数，该系数是单位压力下的摩擦力。“m i tV e l o c i t yf o rD y n a m i cF r i c t i o n 是由静摩擦完全变为动摩擦的滑动速度。D a m p i n gC o e f f i c i e n t是阻尼系数。( 8 ) 连接液压元件所有的液压元件创建园皿皿皿团田墨E 正墨懿盛黔i剖j“l 图4 1 7液压缸设置对话框完毕后，将液压元件按指定的液压回路连接。在H y d r a u l i c s 菜单中选择C o n n e c t 命令，或点击液压工具条中的C o n n e c t 按钮，将选定的端口连接在一起。重复该指令，将液压元件连接成完整液压回路。虽然拉臂车工作装置的液压系统很复杂，但是具体分到每个工作回路，其工作原理除了执行元件的不同( 液压缸) 外部是相同的。本文根据需要对液压油路进行了简化，并按功能划分为结构相似的装载箱体，箱体平移，举升卸载、卸下箱体4 个工作回路。图41 8 为简化的装箱时液压系统回路模型，其它几个回路与此类似。装箱时，换向阀由中位移年左位( 下) 时，液压油直接进入液压缸t 腔，使活塞向r图41 8装箱时液压系统回路模型运动，从液压缸下腔流出的油通过背压阀回到油箱，如达到一定压力刚向液压缸上腔补油；当换向阀由中位移至右位( 上) 时，压力油经单向阀进入液压缸底部，液压缸上腔里的液压油回到油箱，活塞向上运动，举5 1 箱体倾卸垃圾【”l 。一一一一一一一一一一一一第四章拉臂车工作装置虚拟样机建模4 4 本章小结( 1 ) 根据拉臂车车载工作装置结构参数，在P r o E 软件中创建了三维实体模型，并将其导入到A D A M S 环境中，在A D A M S N i e w 中分别建立了吊装和卸料两种虚拟样机模型；( 2 ) 利用A D A M S H y d r a u l i c s 建立了拉臂车工作装置的液压系统虚拟样机，为进一步的机械液压联合仿真做准备。青岛大学硕士学位论文第五章拉臂车工作装置联合仿真及优化利用虚拟样机提供的集成环境，对机械系统和液压控制系统进行联合仿真分析，是一种全新的设计方法。在传统的设计过程中，对于复杂的机械系统，机械工程师和控制工程师虽然在共同设计开发一个系统，但是他们都需要各自建立一个模型，然后借助于不同的分析软件，分别调试机械系统和控制系统。本章采用的是A D A M S软件提供的集成化环境，将机械系统仿真分析工具同液压系统设计仿真软件有机地连接起来，实现机液一体化系统地联合仿真分析。打破了单纯机械设计的局限性，仿真结果为物理样机的试制及其它型式机一液复合系统的设计和研究提供参考 3 9 - 4 Ho在A D A M S ，V i e w 中，将液压系统和机械系统通过液压缸相连接，利用参数关联技术，将液压系统与机械系统模型虚拟结合到一块，对工作装置进行动态特性仿真分析。5 1 仿真分析5 1 1 拉臂车工作装置运动学仿真分析5 1 1 1 拉臂车工作装置吊箱过程运动学仿真分析 4 2 1图5 1 图5 2 分别为举升油缸和拉臂的转角、角速度、角加速度变化曲线。由图5 1 可看出，在将垃圾箱装载至车架过程中，拉臂从3 7 5 0 转到1 5 2 5 0 ，转过图5 1 拉臂转角、角速度、角加速度变化曲线口量葛暑一|妻知晕D口D 口DODDDOOO篇侣5o 估为葛镐墨墨嚣目-；耄暑葛玉至h孝第五章拉臂车工作装置联合仿真及优化1 1 5 0 ；角速度从O 1 0 s 增至到最大值9 8 0 S ，之后下降至0 ；角加速度整体变化比较平稳，只是在拉臂钩提升垃圾箱时、箱体与车架接触时及将垃圾箱拉至车架水平面时迅速增大，这些地方会产生较大的惯性力。由图5 2 可看出，在将垃圾箱装载至车架过程中，举升油缸从8 5 0 转到1 8 2 0 ，转过9 7 0 ，然后再从1 8 2 0 转到l O 2 0 ，转过8 0 ；角速度从0 2 0 s 变化到3 2 6 ，然后返回到静止；角加速度变化很小，只是在拉臂钩提升垃圾箱时及将垃圾箱拉至车架水平面时迅速增大，前者增至3 9 0 s z ，后者增至7 8 0 S 2 。图5 2 举升油缸转角、角速度、角加速度变化曲线图5 3 图5 4 分别为垃圾箱体质心水平方向、垂直方向的位移、速度、加速度变化曲线。由图5 3 和图5 4 可以看出，垃圾箱体质心的水平方向和垂直方向的速度是随垃圾箱装载至车架的过程而发生变化的。当垃圾箱体被拉至导向轮时，水平方向速度迅速增加，然后下降；垂直方向速度呈下降趋势。当垃圾箱体被拉上导向轮至水平位置时，水平方向速度呈上升趋势，垂直方向速度呈下降趋势。箱体在水平方向、垂直方向的加速度在拉臂钩接触箱体和垃圾箱体被拉至导向轮时产生两次波动，这是因拉臂钩与垃圾箱箱体接触、箱体底部与导向轮接触冲击而产生的。DDDDDDD葛g驴哥扩。毒青岛大学硕士学位论文图5 3 箱体质心水平方向位移、速度、加速度变化曲线图5 4 箱体质心垂直方向位移、速度、加速度变化曲线5 1 1 2 拉臂车工作装置卸料过程运动学仿真分析图5 5 ( a ) 所示为垃圾倾卸时箱体质心垂直方向的位移、速度、加速度曲线，图5 5 ( b ) 所示为箱体质心水平方向的位移、速度、加速度曲线。角速度与角加速度变化不大，只是在开始举升时角加速度产生了一个较大的冲击。口卫i要詹萋拈幅Li量一暑鼍至口工暑曼萱多峙R乙Ji曼E鼍J至第五章拉臂车工作装置联合仿真及优化T _ ( a ) 箱体质心垂直方向位移、速度、加速度变化曲线( b ) 箱体质心水平方向位移、速度、加速度变化曲线图5 5 箱体质心位移、速度、加速度变化曲线5 1 2 拉臂车工作装置动力学仿真分析仿真分析时，假定垃圾集装箱满载质量为1 6 0 0 0k g ，液压系统压, J J p = 3 5 M p a ，液压缸活塞直径D = 1 4 0 m m ，活塞杆直径d = 7 5 m m ；箱体滚轮与地面和箱体与副车架导向轮接触处的静摩擦系数为0 1 5 ，动摩擦系数为0 0 5 ；等效接触刚度为2 1 0 6 N m m ，等效阻尼为1 8 0 k g m s ，接触点处法向穿透深度为0 1 m m ，幂指数为2 2 。油缸作用力、油腔压力及拉臂钩作用力分别如下：3 7口ji薹皇多0DO口DDD口n雏施伸n帆孤付乙熏一巨鼍J8文口J叠里盎多雠舯m恤撇拗-3J叠重E，J8置青岛大学硕士学位论文蚤R歌世增震蚕、R旺世增舞( a ) 起吊箱体Ol O加柏举升角a 。( b ) 倾卸垃圾图5 6油缸作用力变化的曲线图5 6 为举升油缸作用力变化的曲线。起吊阶段( 图5 6 a ) ，举升油缸活塞杆收缩，油缸作用力在起吊箱体瞬间迅速增大，随着箱体逐渐脱离地面被吊起，油缸作用力开始下降；当箱体被吊至与车架上滚轮相接触时，油缸作用力突然增加( 拉臂转角为1 0 6 0 ) ，之后又开始下降；当拉臂转角为1 4 1 7 0 时，在箱体重力作用下油缸作用力方向开始变化，增大到另一个峰值。举升倾卸垃圾阶段( 图5 6 b ) ，在换向阀芯打开的瞬间，油缸作用力迅速增加，随着箱体被举起，油缸作用力开始下降。鳓姗枷姗抛瑚。第五章拉臂车工作装置联合仿真及优化图5 7 为举升油缸无杆腔和有杆腔压力的曲线。起吊阶段( 图5 7 a ) ，油缸活塞杆收缩，无杆腔油液受压，随着吊箱阻力的不断增大而增大。举升倾卸垃圾阶段( 图皇A幽热3 53 02 5曳加A出1 5震l O50( a ) 起吊箱体( b ) 倾卸垃圾图5 7油缸压力变化的曲线5 7 b ) ，油缸活塞杆伸出，无杆腔压力刚开始突然增大，随后逐渐减弱，无杆腔压力始终大于有杆腔压力，差值逐渐减小：油缸力也逐渐减小( 图5 7 b ) 。图5 8 所示为起吊过程中拉臂钩头的作用力曲线。从图5 8 可看出，起吊开始瞬间，由于需克服箱体与地面的摩擦阻力，拉臂钩头的作用力迅速增大：当箱体的前部脱离地面后( 拉臂转角为3 3 6 0 ) ，拉臂钩头的作用力减小，但下降幅度较小；当箱体3 9青岛大学硕士学位论文与车架上的导向滚轮相接触时( 拉臂转角为1 0 6 0 ) ，由于箱体与滚轮之间产生接触冲击，而使拉臂钩头的作用力产生波动，最大作用力出现在箱体后部脱离地面时( 拉臂转角为1 0 6 9 0 ) ；随着箱体逐渐被放置到水平位置，拉臂钩头作用力不断减小。蚤、瓯穴霉口o k世誊肇黛02 0加6 08 01 0 0l 加1 4 01 6 0拉臂转角a 图5 8起吊时拉臂钩头作用力与拉臂转角的关系为了充分显示油缸力、拉臂钩力与负载之间的关系，本文分别在箱体满载质量为8 0 0 0k g 、1 2 0 0 0k g 、1 6 0 0 0k g 时进行了仿真分析，结果如下。图5 9 为装箱时举升油缸作用力变化的曲线。由图5 9 可以看出，当换向阀的阀芯突然打开的瞬间，举升油缸活塞杆收缩，有杆腔进油，无杆腔回油，油缸作用力瞬间迅速增大；当箱体刚脱离地面时，由于需克服箱体滚轮与地面的碰撞接触力、摩擦阻力和惯性力，油缸作用力发生震荡：随着箱体逐渐脱离地面被吊起，油缸作用力开始下降；当箱体被吊至与副车架上导向轮相接触时，油缸作用力突然增加( 拉臂转角为1 0 5 9 0 ) ，之后又开始下降；同时由于箱体与导向轮之间产生碰撞接触冲击，而使油缸作用力产生波动；当拉臂转角为1 4 1 1 0 时，在箱体重力作用下油缸作用力方向开始变化，增大到另一个峰值。由图5 9 还可看出，随着箱体质量的增加，在起始阶段油缸作用力的波动逐渐减小，而箱体被吊至与副车架上导向轮相接触时的油缸作用力波动增大。柏oll工第五章拉臂车工作装置联合仿真及优化玺、R硬世增票02 0柏8 01 0 01 2 01 4 01 6 0拉臂转角口图5 9 装箱时油缸作用力变化曲线图5 1 0 为举升倾卸物料时举升油缸作用力变化的曲线。由图5 1 0 可以看出，当换向阀的阀芯突然打开，举升油缸活塞杆伸出，无杆腔进油，有杆腔回油，油缸作用力瞬间迅速增大；随着箱体被举起，油缸作用力开始下降。油缸作用力的震荡，是由于箱体在举升过程中的惯性力引起的。由图5 1 0 还可看出，随着箱体质量的增加，在起始阶段油缸作用力的波动逐渐减小。对比图5 9 和图5 1 0 可知，举升倾卸物料时油缸作用力大于装箱时油缸作用力。蚤、kR旺世目囊举升角口。图5 1 0 举升卸料时油缸作用力变化曲线4 lO 毫瑚啪。瑚瑚姗枷啪如o5 ，44332211_青岛大学硕士学位论文图5 1 l 所示为装载过程中拉臂钩作用力曲线。从图5 1 1 - I 看出，装载开始瞬间，由于需克服箱体与地面的摩擦阻力和惯性力。拉臂钩作用力迅速增大；当箱体的前部脱离地面后( 拉臂转角为3 3 6 0 ) ，拉臂钩作用力减小，但下降幅度较小；当箱体与副车架上导向轮相接触时( 拉臂转角为1 0 6 0 ) ，由于箱体与导向轮之间产生碰撞接触冲击，使拉臂钩作用力产生较大波动；随着箱体逐渐被放置到水平位置，拉臂钩作用力不断减小。从图5 1 1 还可看，随着箱体质量的增加，在起始阶段拉臂钩作用力的波动逐渐减小，而箱体被吊至与副车架导向轮相接触时拉臂钩作用力波动增大；拉臂钩最大作用力出现的位置也随箱体质量而发生变化。l 柏哆1 2 0盘、l 穴霪8 0零笙翱柏2 0OO2 04 06 08 0l l l 柏l 拉臂转角口图5 1 l 装箱时拉臂钩作用力变化曲线图5 1 2 和图5 1 3 分别为装箱过程中拉臂与活塞杆、和拉臂与副车架连接铰链点作用力曲线。从图5 1 2 和图5 1 3 可看出，装箱开始瞬间，铰链点作用力迅速增大；当箱体的前部脱离地面后，铰链点作用力迅速下降，当箱体与副车架上导向轮相接触时，铰链点作用力有所增加，随后逐渐减小；当拉臂转角为1 3 9 9 0 时，铰链点作用力又开始增加；铰链点最大作用力出现在装箱开始瞬间。由图5 1 2 和图5 1 3 还可看出，随着箱体质量的增加，铰链点作用力在起始位置和箱体与副车架上导向轮接触碰撞波动变化与油缸力和拉臂钩作用力相同。4 2第五幸拉臂车工作装簧联合仿真及优化3 囊R硬2 0 0警摧韶1 03 童k长蟹摹2 0 0塞1 0 0002 04 06 08 01 1 2 01 4 01 6 0拉臂转角口图5 1 2 装箱时拉臂与活塞杆连接铰链作用力变化曲线02 0加8 01 0 01 2 01 4 01 6 0拉臂转角口o图5 1 3 装箱时拉臂与副车架连接铰链作用力变化曲线5 2 优化设计分析为了顺应快速设计的需求，提高工作效率，在现代设计过程中通常对结构采用参数化处理办法，建立设计变量，通过对设计变量的修改，可以调整零部件的形状尺寸、拓扑结构、材料属性等重要数据，以获得最优的设计方案。青岛大学硕士学位论文5 2 1 机械优化设计随着计算机运算速度的提高和计算方法的发展，产生了一种新的最优化设计方法，即通过建立数学模型，将机构、零件甚至整个系统的结构参数和性能参数转化为数学问题，根据数学模型的性质，选择适当的优化算法，利用计算机自动寻优功能，求得最优解。其数学模型一般包含三个要素：即设计变量、目标函数和约束条件1 4 3 1 。( 1 ) 设计变量。在优化求解的过程中常常需要修改某些设计参数，通过对设计参数的多次迭代，最后求得一个最优值，每一个这样的独立的设计参数就称为一个设计变量。一个系统中，所有设计变量的个数就决定了优化设计问题的维数。( 2 ) 目标函数。目标函数表达了设计变量之间的相互关系，可以直接用来评价方案的好坏。根据其数目，优化设计问题可分为单目标优化问题和多目标优化问题。( 3 ) 约束条件。约束条件是设计变量本身或者设计变量之间应该维持的限制条件，按表达方式不同，有不等式约束和等式约束；按性质来看，有边界约束和性能约束。5 2 2A D 削S 优化方法介绍在对模型的主要设计变量进行参数化设置之后，利用A D A M S 自带的优化工具就可以比较方便的对模型进行优化。在A D A M S 优化过程中，通过对参数设定取值范围，并设置相应的约束条件，软件可以自动进行优化计算仿真，以满足定义的优化目标函数。在A D A M S V i e w 中共有3 种优化方法：设计研究( D e s i g ns t u d y ) 、试验设计( D e s i g no fE x p e r i m e n t s ，D O E ) 和优化分析( O p t i m i z a t i o n ) 1 4 4 。设计研究是当只有一个设计变量，或设计变量中只有一个变量在其变化范围内取不同值时，通过修改该设计变量，研究其对目标函数的影响。如果设计变量在设计研究过程中指定了某几个特定值，那么计算时会按照指定的值逐一研究，如果选择的设计变量没有定义其值的变化序列，则设计变量在其取值范围内均匀地取值进行一系列的仿真分析，计算后会得到一组目标函数与设计变量的关系曲线，通过对比分析，确定较为合适的取值。设计研究后，设计者可以得到以下内容：设计变量的变化对虚拟样机模型性能的影响：设计变量的最佳值；设计变量的灵敏度，即样机性能变化对该设计变量变化的敏感程度m J 。试验设计是研究多个设计变量同时发生变化，且将多个设计变量的取值组成组，研究设计变量在不同的组合下对目标函数的影响。用户可以针对多个变量进行取值范围设定，如果选择的设计变量在定义时没有指定其值的变化序列，则设计变量在其变化区间内均匀地取值。每种变量组合是通过数据的索引实现的，变量中心值的索引为O ，左边第一个变量值的索引为1 ，右边第一个变量值的索引为l ，往左往右第五章拉臂车工作装置联合仿真及优化索引绝对值依次逐一递增。优化是指在系统变量满足约束条件时使目标函数取最大值或者最小值。实验设计的作用在于确定哪些变量对目标函数的影响比较大，并且研究这些变量之间的关系；而优化分析主要是为了获得最佳目标值。实验设计在对多个设计变量进行实验分析后，确定了主要影响因素后，利用优化分析的功能对这些因素进行优化，获得最佳的变量组合。5 2 3 优化算法的选择A D A M S V i e w 集成T O P T D E S S Q P 算法和O P T D E S G R G 算法，用于求解带有约束的优化问题。目前，在求解一般的非线性优化问题时，O P T D E S G R G 算法被认为是效果最好的算法之一。O P T D E S S Q P 算法被认为是目前最先进的非线性规划计算方法，因此本文选择了O P T D E S S Q P 算法，该算法又被称为约束变尺度法，它是利用了拟牛顿法( 变尺度法) 来近似构造海赛( H e s s i a n ) 矩阵，以建立二次规划子问题，通过求解二次规划子问题得到迭代的搜索方向，沿搜索方向进行一维搜索，找到合适的迭代步长，通过迭代最终求得问题的最优解。O P T D E S S Q P 算法优化的数学模型为：M i I lF ( X ) X E R 一5 - 0 )S t g A x ) s o产1 ，2 ，M5 - ( 2 )h k 郢k = - 1 ，2 ，三5 - ( 3 )砰X i 剧- - 1 ，2 N5 ( 4 )对应的拉格朗日函数为：L ( X ，，a 2 ) = F ( x ) + g ( x ) + 2 2 h k ( X )5 ( 5 )在F 点展开的二阶泰勒近似式为：L ( X h l ，鬈”，篇“) = 三( x ，钟，麓) + ( V ( x ，钙) ) 7 S + 去( s ) 7 1 【例( s )5 ( 6 )二式中妒是优化问题的搜索方向；御是拟牛顿法的变尺度矩阵；，驴V 2 L ( X k , 钟，篇) 。拉格朗日函数的一阶导数为：V L ( X k , 省，麓) = V F ( X ) + ( v g j ( x ) ) 7 前+ ( V h j ( X ) ) 7 麓5 - ( 7 )不等式约束白 o ，函数舯0 列点处展开的二阶泰勒近似式为：g j ( X + 1 ) 2 9 j ( X ) + ( V g j ( X 七) ) 丁s = o5 ( 8 )等式约束办= O 在F 点处展开的二阶泰勒近似式为：4 5青岛太学砸学位论文k ( 。“) = h d x ) + ( v h d x 。矿r = o5 - ( 9 )把式5 - ( 7 ) 、式5 ( 8 ) 、式5 ( 9 ) 代入式5 - ( 6 ) 中，得到二次规划子问题m i n g 回= ，( x ) + ( V ，( x 1 ) ) 7 S + s r B I Ss tg 。L x 、十g ? t x i r s 9风( ) 4 - V h 。( x ) 7 S = 05 - 0 0 )求解上述二次规划子问题，得到搜索方向S ，沿搜索方向进行一维搜索，确定了步长m ，并按J = x k 咆r 的格式进行迭代，最终得到原问题的最优解。求解式在每次选代中应对不等式约束进行判断，保留其中起作用约束，除掉不起作用的约束，将起作用的约束保留在等式约束中，使不等式约束的子问题和只具有等式约束的于问题保持了一致”q 。5 3 拉臂车工作装置优化实现5 3 1 优化目标工作装置的优化目标为拉臂机构在有效的运动范围内液压油缸作用力最小。因工作装置有装箱、卸箱、卸料、从卸料位置收回车箱4 种工况。显然，液压系统最大压力出现在垃圾箱满载的情况下，而一般情况下不会有卸下满载箱体或从卸料位置收回满载箱体的工况，所以设计时只考虑满载装箱和卸料的工况。满载装箱和卸料时，均由举升油缸完成，因此，该目标函数要求举升油缸在拉臂机构的有效的运动范围内最大作用力最小，即：m i n 删。执行菜单命令S i m u l a t e D e s i g n O b j e c t i v e N e w 后，如图5 1 4 所示，弹出定义目标园圃窭墨墨墨墨墨丑量圈溢蕊繇：一一到。r j ：i i T 一2 I 。【。际二k _ H - F _ _ 自r e r “：jpe e。一m - h 耳；i 磊忑蕊回二_ J d 型图51 4 定义优化目标对话框第血罩# 臂车工作装盟胜台仿真世优化函数对话框，对目标函数进行定义。532 定义设计变量为达到液压油缸作用力最小的目的，需要对工作装置进行尺度综合优化设计。通过改变关键点的位置和各构件的长度，模型对象的几何R 寸则随之改变，从而自动进行一系列的分析，完成设计研究、实验设计、优化设计。根据优化目标确定优化设计变量为举升油缸与副车架连接铰链点A 、举升油缸活塞杆与拉臂连接铰链点8 和拉臂与副车架连接铰链点c 的，、：坐标( 见图51 5所不) ，共6 个设计变量。霞+ A l l-。携。一、y图5 1 s 拉臂式垃圾车工作装置简图5 33 设计约束条件根据工作装置的工作情况，在A D A M S 环境下，从以下两个方面对优化模型进行约束。即设计变量取值范围的边界约束和箱体平稳放平在副车架上的位置约束。( 1 ) 变量取值范围约束根据工作装置尺U 和布置要求，设计中耍给出各设汁变量的允许变化范围。各变量取值范围如表5l 所永。丧5 I 设计变量的变化范围设变量挑标值m m变化范用r a m青岛大学碗上学位论文( 2 ) 箱体平稳放平位置约束为保证箱体能自动平稳放平在副车架上，其约束条件为使箱体底部两个点的纵坐标( z 坐标) 相同日0 C O N S T R A I N T ：D Y ( M A R K E l ( _ 3 8 ，M A R K E R 一3 6 ) 0 。5 4 优化计算与结果分析5 4 1 设计研究设计研究是当设计变量中只有一个变量在其变化范围内取不同值时，目标函数的变化情况，此时日标函数是只有一个设计变量的函数，其他设计变量不产生变化。通过设计研究，可以观察到哪一个设计变量对目标函数影响最丈，从而挑选出对目标函数起主要作用的几个设计变董，然后对模型进行多因素优化分析H 5 _ 6 】。为了掌握每个设计变量对优化目标的影响规律，本文利用设计研究功能，以液压油缸作用力最小为分析目标，对各个变量依次进行单因素分析。为了使仿真结果尽可能准确，为每一个变量选择五个水平进行仿真分析。每个设计变量对油缸力的影响如图5 1 6 - 5 ，2 1 所示。根据信息窗口提供的设计研究报告，可以获得所有设计变量的设计研究结果，如表5 2 所示。图5 1 6 油缸力相对O V _ l 的变化曲线圈5 1 7 油缸力相对D r _ 2 的变化曲线司图5 1 8 油缸力相对D V _ 3 的变化曲线圈5 1 9 油缸力相对D V4 的变化曲蛙苹拉臂f T 作装置联合真世忧化圈5 2 0 油缸力相对D v _ 5 的变化曲线图s 2 1 油缸力相对D v _ 6 的变化陆线表5 2 设计研究汇总表结合图5 1 6 5 2 1 及表52 可以看出：改变变量值D V2 、D V6 对油缸力的影响不足很大说明改变这两个变量的值无法有效的降低油缸的力；改变变量D VI 、D V3 、D V4 、D V5 时，其初始值的敏感度分别为7 5 2 79 、7 2 9 83 、7 3 1 2 4 、7 4 1 3 6 ，说明改变这几个变量的值时能非常明显地影响油缸力，因此可以着重对这四个变量进行调整，来改变油缸力的大小，以获得进一步的优化设计结果。5 42 优化分析( 1 ) 仿真脚本仿真脚本包括确定优化仿真的类型或是仿真起始状态、仿真步长、仿真起始的频率、仿真终止的频率。对拉臂车丁= 作装置的优化采剧的起始状态为静平衡状态，起始频率为00 】H z ，终止频率为00 1 6 H z ，仿真步长为1 0 0 0 步，自I 圈52 2 所示。( 2 ) 优化设揖有了设汁变量、目标酌数和约束方程后，就，叮以进行优化分s 阿西丽西一竺竺匹亟里三三二二巨罴i 麓墨瓮。一i ：= i F = = = = 五忑：= 一【l c z ，0 R ，I D l T I 删g I I n ，一1 30 3 ，s T I p n I o o ol图52 2 仿真脚本设置青岛大学颈学位抱文斩。单击S i m u l a t e D e s i g nE v a l u a t i o n 后，弹出图5 2 3 所示对话框选择o l ，t i m i z a t i o n项表示要进行优化计算然后在D e s i g n V a r i a b l e s 里选巾D V l 、D V _ 3 、D V _ 4 、D V 一5 ，在C o n s t r a i n t s 里选择约束条件，在设定的仿真脚本下进行仿真优化。目曩血田啊面曩田l 睇躬j 。捌M F 一m 晴而w 百一FM0 k 女*耳= 1 厣磊而蔷鬲F I - ；瓦矿F 面鬲磊磊磊i F 面；：i i 一h ：而了惴：na ! ! ! _ 【! ! 一I o _m z m 口v 。一一匮蕙感丁一图5 2 3 优化设置选择5 A 3 优化结果分析优化前后油缸作用力和拉臂钩作用力曲线见图52 4 、图52 5 。优化后装箱时油缸作用力最大值由3 5 49 4 k N 降为3 1 52 1 k N ，减少了1 l9 ；举升卸料时油缸作用力最大值a j 5 0 98 5 k N 降为4 8 6 9 5 k N 减少3 45 ；装箱时拉臂钩作用力由1 2 14 4 k N 降为1 1 47 5 k N ，减少了5 5 。各变量优化后的值也有所变化，如表5 3 所示表5 3 优化结果汇总表设计变量敏感度( N ，m m )优化前m mD VI ( A x )7 5 2 7 91 0 01 3 0D V2 ( A z )2 1 1 0 35 3 755 4 75D V3 ( B x )7 2 9 831 1 428 0D V4 ( 出)7 3 1 2 4- 1 8 7 2 3一1 9 2 0D V5 C x )7 4 I3 64 0 154 3 15D V 一6 ( )一6 75 3 6- 2 5 3 3- 2 5 2 3第五章拉臂车工作装置联合仿真及优化玺、R职挚增馨玺、穴匪警捌舞- 3 _ 4 02 0加6 0l 1 2 01 柏1 拉臂转角口o( a ) 装箱过程O1 02 03 04 05 0举升角口o( b ) 举升过程图5 2 4 优化前后的油缸作用力曲线5 1舯o加32l1刀啪湖枷瑚撕瑚。青岛大学硕士学位论文蚤、瓯农罡避霹簦辅1 5 0l 7 55 02 5OO5 5 本章小结2 04 0卯l l l 柏I 拉臂转角a o图5 2 5 优化前后拉臂钩作用力曲线( 1 ) 对拉臂车工作装置虚拟样机进行了运动学仿真分析，得到了举升油缸和拉臂的转角、角速度、角加速度变化曲线及垃圾箱体质心的位移、速度、加速度曲线。( 2 ) 拉臂车工作装置在装箱过程中，油缸作用力，拉臂作用力随拉臂转角而变化。油缸作用力、拉臂与活塞杆连接铰链作用力和拉臂与副车架连接铰链作用力，在装箱开始瞬间最大；拉臂钩最大作用力出现的位置随箱体质量而发生交化。( 3 ) 拉臂车工作装置在卸料过程中，油缸作用力随举升角而变化。最大作用力出现在举升瞬间，而且其最大作用力大于装箱过程中油缸最大作用力。( 4 ) 利用A D A M S 集成环境，采用O P l r I ) E S 非线性二次规划计算方法，以工作装置液压缸最大作用力最小为优化目标，对机构中各铰接点位置进行了优化计算，实现了工作装置机一液复合系统的联合动态优化仿真设计。5 2全文总结1 全文工作总结全文总结虚拟样机技术应用于产品设计和分析己成为机械制造业和汽车制造业的发展方向。虚拟样机技术可以在产品设计完成后不必制作物理样机，仅通过计算机建立的虚拟样机模型就可对产品的部分性能进行分析和评估，为产品的设计改进和实际制造提供参考依据。本文主要针对某公司研制开发的拉臂车车载工作装置，通过采用多体动力学方法，建立了拉臂车工作装置的虚拟样机模型，对其工作性能进行了机械液压联合仿真，并在优化分析的基础上确定了工作装置合理结构。主要研究工作及结论如下：( 1 ) 针对拉臂车工作装置变负载、多工况的工作特点，利用机械系统动力学仿真分析软件A D A M S 建立了拉臂车工作装置机械子系统、液压子系统模型，在A D A M S 环境中利用参数关联技术，将两个子系统模型集成，建立了拉臂车工作装置液压与机械一体化的虚拟样机模型，并对工作装置作业过程进行了运动学、动力学仿真分析。( 2 ) 拉臂车工作装置运动学分析结果表明：拉臂车工作装置在装箱过程中，拉臂、举升油缸、箱体质心的速度变化平稳，加速度在全过程中基本保持不变，只是在起始、结束及在箱体与车架接触时有波动；拉臂车工作装置在卸料过程中，速度变化比较平稳，加速度变化较大。( 3 ) 拉臂车工作装置动力学分析结果表明：拉臂车工作装置在装箱过程中，油缸作用力，拉臂作用力随拉臂转角而变化：油缸作用力、拉臂与活塞杆连接铰链作用力和拉臂与副车架连接铰链作用力，在装箱开始瞬间最大；拉臂钩最大作用力出现的位置随箱体质量而发生变化：拉臂车工作装置在卸料过程中，油缸作用力随举升角

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