（机械设计及理论专业论文）地下铲运机工作装置动态仿真与满意优化研究.pdf

摘要 地下铲运机工作装置设计的合理性直接影响整机性能，对提高井 下装载效率及自动化程度具有重要的现实意义。 本文在p r o e 软件中建立了工作装置的三维实体模型，并对工 作装置进行了虚拟装配、三维可视化干涉检查、运动轨迹和运动学分 析。 在a d a m s 软件中，建立工作装置的多刚体模型并迸行仿真研 究。在此基础上，建立了刚性体和弹性体耦合的工作装置模型，并对 两种模型的仿真结果进行了比较，结果表明含有弹性体的工作装置模 型更接近真实机型。 利用满意优化方法，对工作装置进行满意优化设计，借助b p 神 经网络和遗传算法进行优化求解，优化结果表明该优化方法正确实 用。 关键词：地下铲运机；工作装置；满意优化；仿真 a b s t r a c t t h er a t i o n a l i t yo ft h ew o r ke q u i p m e n to ft h es c r a p e rw i l la f f e c td i r e c t l yt h e p e r f o r m a n c eo fw h o l em a c h i n ea n di ti sv e r yi m p o r t a n tt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c y a n dt h el e v e lo fa u t o m a t i z a t i o no fm i n i n gl o a d i n g t h e3 dm o d e l i n go ft h ew o r ke q u i p m e n ti s a c c o m p l i s h e di n t h ep r o e s o f t w a r e ，t h ev i r t u a la s s e m b l yo ft h ew o r ke q u i p m e n ta n d3 dv i s u a l i z a t i o n i n t e r f e r e n t i a lc h e c k i n ga n dt h ek i n e t i cl o c u sa n a l y s i sa r ec o m p l e t e d b ym e a n so ft h es o f t w a r ea d a m s ，t h em u l t i r i g i db o d i e sv i r t u a lp r o t o t y p e m a c h i n ei sb u i l tf o rt h ew o r ke q u i p m e n t c h a r a c t e r i s t i cc u r v e so ft h ew o r k e q u i p m e n t a r eo b t a i n e d b a s e d0 1 1t h e s ei n v e s t i g a t i o n s ，t h ev i r t u a lp r o t o t y p e m a c h i n ec o u p l i n gr i g i db o d i e sw i t hf l e x i b l eo n e si se s t a b l i s h e de v e n t u a l l y ，b y c o m p a r i n gt h ec o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o nr e s u l t sf r o mt h el a t t e rw i t ht h o s eo ft h e f o r m e r , i ti ss h o w nt h a tt h ev i r t u a lp r o t o t y p em a c h i n ew i t hf l e x i b l eb o d i e si sm o r e a c c o r d a n tw i t ht h ep h y s i c a lp r o t o t y p em a c h i n et h a nt h ef o r m e r t h et h e o r yo fs a t i s f a c t o r y - o p t i m i z a t i o ni su s e di nt h ed e s i g no ft h ew o r k i n g d e v i c e ，g e t t i n gt h er e s u l t so fo p t i m i z a t i o nw i t ht h ea i d so fb pn e u r a ln e t w o r ka n d g e n e t i ca l g o r i t h m ，a n dt h ev a l i d i t yo ft h eo p t i m i z a t i o ni sv e r i f i e db yt h eo p t i m i z e r e s u l t k e yw o r d s ：s c r a p e r ；w o r k i n gd e v i c e ；s a t i s f a c t o r y o p t i m i z a t i o n ；s i m u l a t i o n 创新点声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行 的研究工作及取得的研究成果： 本论文建立了含有弹性体地下铲运机工作装置模型，并 对其进行了弹性体动力学仿真；采用满意优化理论对地下铲 运机工作装置进行优化设计，给出了集神经网络、遗传算法 为一体的铲运机工作装置满意优化设计方法。 尽我所知，到目前国内外文献未见报道。 作者：起嫠堡日期：4 堑2 坷 辽宁工程技术大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 课题研究的背景和意义 地下铲运机是以柴油机或以拖曳电缆供电的电动机为原动机、液压或液 力一机械传动、铰接式车架、轮胎行走、前端前卸式铲斗的装载、运输和卸 载设备，机身低矮、驾驶室横向布置、采用光面或半光面地下矿用耐切割工 程轮胎且装有柴油机尾气净化装置，适用于地下采矿和隧道掘进作业的一种 机械，它可以用来铲装、搬运、卸载物料，也可以对岩石、硬土等进行轻度 的铲掘工作”。 由于工作装置是铲运机上直接实现铲装物料的机构，是铲运机的主要组 成部分，它的结构和性能对整机的工作尺寸、发动机功率、生产效率、生产 成本及市场竞争力等都有显著影响。因此，它的设计在整机设计中占有十分 重要的地位。 1 2 工作装置的运动原理、工作过程及基本要求1 2 l 1 2 1 工作装置的基本组成及工作原理 图1 - l 地下铲运机工作装置简图 卜一前车架；2 转斗油缸；3 播臂：4 一连杆；5 铲斗；6 动臂； 7 一举升油缸( 两个) 工作装冠是地下铲运机铲装物料的装置，它的结构和性能直接影响整机 的工作尺寸和性能参数。因此，工作装置的合理性直接影响地下铲运机的生 产效率、工作负荷、动力与运动特性、不同工况下的挖掘效果、工作循环时 间( 包括铲取、举升、卸料和铲斗返回到原位的时间) 、外形尺寸和发动机 功率等，不同类型的工作装置其组成是不同的。图1 1 所示的工作装置为z 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 型反转六杆机构，由铲斗、动臂、连杆、摇臂、转斗油缸和举升油缸组成。 整个工作装置铰接在车架上，铲斗通过连杆和摇臂与转斗油缸铰接，用 以装卸物料，动臂与车架及动臂举升油缸铰接，用以升降铲斗，铲斗的翻转 和动臂的升降采用液压操纵。 1 2 2 工作装置的工作过程 地下铲运机是一种装运卸一体化的自行式设备，它的工作过程由五种工 况组成： 1 )插入工况：动臂下放，铲斗放置于地面，斗尖触地，斗底板与地 面呈3 。5 。倾角，开动地下铲运机，铲斗借助机器的牵引力插入料堆。 2 )铲装工况：铲斗插入料堆后，转动铲斗铲取物料，待铲斗口翻至 近似水平为止。 3 )重载运输工况：铲斗装满物料后举升动臂，将铲斗举升至运输位 置( 即铲斗斗底离地高度不小于机器的最小允许离地间隙) ，然后驱动机器 驶向卸载点。 4 )卸载工况：在卸载点，举升动臂使铲斗至卸载位置翻转铲斗，向 溜井料仓或运输车辆卸载，铲斗物料卸净后下放动臂，使铲斗恢复至运输位 置。 5 )空载运输工况：卸载结束后，地下铲运机再由卸载点空载返回装 载点。 1 2 3 工作装置的基本要求 地下铲运机由于其特定的工作条件，其工作装置在设计时应满足以下要 求： 1 )角度要求：卸料角3 8 。一5 0 。，达到所要求的卸载高度与卸载距离； 铲斗最低工作点应低于停车与行车面，以完成平整作业与溜井采矿；铲斗在 运输位置时，后倾角为4 5 。；铲斗放平时，斗底与地平面的后角为3 。5 。 2 ) 运动要求：在工作状态和工作结束位鼍速度与加速度变化合理；油 缸活塞行程具最佳值；工作装置运动平稳无干涉、无死点、无自锁；动臂从 最低位置到最大卸载高度的举升过程中。保证铲斗中物料不撤落( 铲斗平移 角小于1 0 。) ；在卸料后，动臂下放至铲掘位置铲斗能自动放平。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 ) 结构要求：结构要求简单紧凑，承载元件数量( 包括油缸) 尽量少， 前悬小。 4 )动力性要求：要求工作装置连杆机构产生较大的插入力和铲取力， 也就是要求连杆机构具有较高的力传递效率。斗杆机构在铲掘位置时，力传 递角( 连杆线与斗铰线夹角) 应接近9 0 。，使有效分力大，以便有较大的掘起力； 运输位置时，斗铰线与连杆线之间的夹角应小于1 7 0 。这个角太大会使铲斗 收不紧，以致运输途中使物料撤落；在最高位置时，传动角也必须大于1 0 。， 以免机构运动时发生自锁；斗摇臂应尽量短。反之，虽然增加斗摇臂长度能 够增加一定的掘起力，但势必使连杆尺寸增大，翻斗油缸行程较长，造成卸 料时间过长，影响工作效率。 1 3 国内外研究的现状和存在的问题 对于工作装置的设计方面国内外研究的情况大致是： 1 )图解设计法：最早采用的设计方法是图解设计法，它将工作装置的 连杆机构看成是由斗杆机构和缸杆机构两部分组成。其关键是确定摇臂在动 臂上的铰点位置和转斗油缸在机架上的位置h 。其大致的做法是这样的：首 先根据作业物料的性能要求，设计出铲斗的结构，确定斗铰线的长度和位置， 并将其作为掘起力的计算位置，在满足卸载高度、卸载距离的前提下，根据 总体结构的要求，确定动臂的长度和位置。 然后，将六连杆机构分为斗杆机构和缸杆机构两个四连杆机构，运用作 图法分别设计出斗杆机构和缸杆机构。最后，将设计好的斗杆机构和缸杆机 构组合成一个完整的工作装置连秆机构。很显然这种方案只是一种可行方 案，但是并不是最优的方案。在这个基础上，经过几次分析和改进还可以继 续提高其性能。但是这种方案比较费事，要想同时满足多个约束的要求比较 困难。这种方式基本属于一种。类比试凑法”州。 2 ) 解析法：解析法是根据平移性、卸料性、动力性的要求作出连杆机 构的近似特性曲线，并根据近似特性曲线确定一组杆件方程组。然后再根据 已知数据和杆件方程组计算出其它杆件的长度”。最后作出连杆机构的实际 特性曲线，根据实际特性曲线和近似特性曲线之自j 的差值作出一些修正。解 析法设计连杆机构较作图法来说省去了反复试凑作图的过程。特别是根据连 辽宁工程技术大学硕士学住论文 4 杆机构的特性曲线，用杆件方程组设计出合乎预定性的方案，减少了设计过 程的盲目性，从而利于提高设计的质量和效率。这比起作图法来说是一个进 步。 3 )优化设计方法：它是以数学规划为理论基础，以计算机为工具，来 寻找工作装置的最优参数。优化设计方法不像图解法那样把约束条件都表示 在图纸上，而是将约束条件都用方程边界条件，编成计算机程序，通过计算 机计算得出结果州。其中吉林工业大学的杨成康建立了工作装置的正、反转 六连杆机构铰点位置优化设计的数学模型，编制了内点惩罚函数法优化设计 程序，使工作装置动力性能提高了4 0 。太原重型机械学院的迟泳滨在1 9 9 7 年开发出了一个装载机工作装置设计c a d 系统。他对工作装置的优化设计 过程大概是这样的：首先利用专家系统技术构造一个初始的设计方案。然后， 有了初始方案以后，再根据优化设计的目标函数选择合理的目标函数加权系 数，并且根据各个约束函数，采用复合形法对目标函数进行优化。这套系统 对于现有机型的改进设计和相似机型的设计还是比较理想的。如果优化设计 的结果不能够满足设计者的要求，还可以修改各个构件的参数再进行新一轮 的优化，直到满足设计者的要求为止。 总之，这些方法都是基于二维平面上进行的。对于工作装置干涉问题、 运动学、动力学等问题不可能很好的解决，也不可能直观的表现出来。近年 来随着计算机技术的发展，在工作装置设计上出现了基于仿真技术的工作装 置设计。例如吉林工业大学、大连理工大学和厦门工程机械厂等利用仿真技 术不但研究了工作装置的运动学、动力学特性，而且对其进行了优化设计， 但是他们不是对模型进行了大量的简化，而且只是局限于对刚体情况下工作 装置的研究。本文建立了工作装置的实体模型，在仿真软件环境下模拟工作 装置的运动状况，快速分析各种设计方案，进行辅助设计和参数化设计，并 对弹性体工作装置进行动力学分析。为设计人员提供了有效的设计方案，降 低了产品设计的成本。 总结以上的优化方法可以看出，采用的仍然是传统的优化理论，追求目 标函数的最优值，虽然经过优化以后，设计变量满足了目标函数和约束条件 的要求，但付出的代价是很大了，降低了产品设计的效率。在优化算法的选 辽宁y - 程技术大学硕士学位论文 取上，可以看出且前比较普遍的优化算法主要有两种：复合形法和惩罚函数 法”1 。但是这两种优化方法均存在一定的缺陷：复合形法对于强约束问题产 生初始复合形法的效率较低，所以要求所给的设计空间尽可能小且包含可行 域。这对于创新设计难于做到，因此它适用于己经有初始可行点或者接近可 行域的初始点的情况，例如老机型的改进。而外点惩罚函数法对于多极值问 题常常难于得到全局最优解。本文将经济学中满意度原理应用到工作装置的 优化设计当中，以满意代替最优，并借助b p 神经网络和遗传算法进行优化 求解，极大的改善了传统优化理论和优化算法不能克服的缺点。 1 4 课题研究的主要内容 本课题对以下几个方面进行了研究和探讨： 1 )在p r o e 中建立工作装置特征参数化三维实体模型，并对其进行 三维干涉检查、轨迹规划和运动学分析。 2 ) 分析a d a m s 环境下工作装置的多刚体运动学和动力学特性曲线。 3 ) 建立含有弹性体的工作装置模型，并对其进行了运动学和动力学研 究。 4 ) 对a d a m s 中多刚体和含有弹性体的工作装置模型进行比较分析。 5 )采用满意优化对铲运机工作装置进行优化设计，借助b p 神经网络 和遗传算法对其进行优化求解。 辽宁工程技术大学项士学位论文 6 2 工作装置的参数化特征建模与运动学仿真 2 1 工作装置零件参数化特征建模过程 基于特征的参数化建模是将特征造型技术与参数化技术有机地结合起 来，实现对多种设计方式( 自顶向下或白底而上等) 和设计形式( 初始设计、 相似设计和变异设计等) 的支持的一种建模方法。 在传统的工程设计中，设计人员首先在头脑中形成产品的三维轮廓，然 后在图纸上利用二维工程图表示，其他设计人员以及工艺生产等不同部门的 人员再通过二维图纸将产品还原为三维影像。由于图纸问题和理解偏差，生 产人员总不能很好的实现设计人员的意图，加之设计时间周期较长等许多因 素，使得三维实体模型设计成为必然趋势。尤其对于地下铲运机工作装置， 采用三维实体模型设计能更好的表达它的三维实体结构，因此采用这种方法 是工作装置快速设计的重要途径。 在p r o e n g i n e e r 软件中进行零件设计时，就是利用了该软件参数化 建模手段，其步骤如图2 1 所示。在开始生成零件之前，应做好充分的准 备工作，明确设计意图，认真考虑设计的关键尺寸、可以变动的尺寸、尺寸 之间的关系和装配时与其他零件的装配关系等。 创建零件特征 l 、基础特征：拉伸、旋 转、扫描、混合。 l 创建三维实体零件 =2 、放置特征：孔、倒角、 = 纠草绘截面 圆角等。 u i 生成特征 图2 1 创建三维实体的一股过程 出于在p r o e n g i n e e r 中实体模型可以有多种不同的生成方法，采取 何种方法更为合理、高效，需要有一个经验积累过程。一般来说，要根据图 形的形状选择生成模型的方式。草图绘制尽量简化，最好不要绘制过渡圆角、 倒角等非关键性信息。如果像绘制二维工程视图那样绘制草图，效率会很低， 实践证明也没有这个必要。因为在p r o e n g i n e e r 软件中可以对生成的实体 辽宁工程技术大学项士学位论文 进行各种放置特征编辑操作，如倒圆角等。同时如果草图绘制过于精细，在 生成模型时会耗尽计算机资源，使得三维模型生成速度很慢且易出现问题”。 本研究工作主要是利用p r o e n g i n e e r 中的拉伸、旋转、扫描等基本操 作建立工作装冕三维实体模型。对于像工作装簧中动臂、铲斗等复杂的零件， 选择合理的生成方法是尤其重要的，选择不正确的生成方法不但效率低，而 且有些情况根本就不能成生实体模型或在以后的分析和装配中不能分析和 装配。因此，在设计实体模型之前，必须要考虑好模型的生成方法和步骤。 这就要求设计人员要有较好的空间想象力和抽象思维能力，这也是三维建模 同二维图形绘制最大的不同点之处。其中建模难点在于辅助平面和辅助点的 建立，只有建立好辅助平面和辅助点，才能保证零件模型的精确性。由于铲 运机工作装置一般是对称分布的，所以建模过程中要充分利用好镜像的建模 方法。以下是对s t - 31 2 型铲运机工作装置进行的建模。由于篇幅所限仅列 出动臂和铲斗这样复杂零件的三维实体模型。 1 )图2 2 为动臂三维实体的模型 图2 - 2 动臂三维实体的模型 2 ) 图2 3 为铲斗三维实体的模型 幽2 - 3 铲斗三维实体模璎 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 2 2 工作装置的虚拟装配 工作装置零件的三维实体模型完成后，为了建立模型需要对其各个零件 进行虚拟装配。在p r o e n g i n e e r 的装配模块中，通过确定零件之间的位 置约束关系，可以把工作装置中的各个三维实体零件装配成工作装鼍，并检 查零件之间是否有干涉以及装配体的运动情况是否合乎设计要求。如果出现 问题，可以根据需要对生成的零件和特征进行修改，直到达到工作装置设计 要求为止。 图2 4 由底向上的设计方法 本文铲运机工作装置虚拟装配采用了由底向上的设计方法，如图2 4 所 示这主要是由于工程机械中的工作装置设计在技术上比较成熟。采用这种方 法可以有效的控制工作装置各杆件之间的约束关系，可以从工作装置的整体 对各个杆件进行观察，可以根据设计的需要对装配件中的零件进行修改，来 满足工作装置的设计要求。完成的这种基于参数化的工作装置装配体，称为 基于p r o e n g i n e e r 参数化的工作装置装配体。 对于像铲运机工作装置这样的多杆件机构，有些文献采用骨架模型的装 配方法，尽管骨架模型装配法可以保证铲运机的装配精度，但效率不高。对 于一般p r o ，e n g l n e e r 的工程设计人员来说，难以掌握其要点，往往使装 配精度降低。本文采用p r o e n g i n e e r 提供的易于掌握的一般装配方法， 铰接点的约束均使用“销轴”约束，移动副约束使用“圆柱”和“销轴”两 种约束。采用这种装配方法完成的铲运机工作装置，不需要移动铲斗和动臂 拼凑装配，工作量小，效率高，也易于达到装配要求，而且符合工作装置的 辽宁工程技术大学硕士学住论文 9 装配特点，并可以在p r o e n g i n e e r 环境中进行动态仿真。s t - 31 2 型铲 运机工作装置虚拟装配完成后如图2 5 所示。 图2 5 铲运机工作装置装配图 2 3 工作装置工作过程运动学仿真 2 3 1 工作装置的动态模拟 在p r o e n g i n e e r 软件中设定的铲运机工作装置运动环境，是根据工 作装置一个工作循环运动工况确定的。本文的工作装置设定了六个伺服电动 机，用来控制工作装置一个工作循环的六个运动工况，并把六个伺服电动机 分别设置到铲斗与动臂、动臂与机架的铰接点上，由于工作装置是对称型机 械系统，故而伺服电动机只在一面施加，不考虑另外一面。对于伺服电动机 运动时间的设定，初步根据铲运机工作装置工作循环时间经验计算公式1 ： t 2 t 1 + t 2 + t 3 + t 4 ( 2 - 1 ) 其中t 为装满铲斗时间，包括铲斗插入、翻转和举升到运输位置的各段 时间；t ，为铲斗重载运行时白j ；t ，为铲斗卸载时间；t 。为铲斗空载时问。由 于本文只限于对工作装置的研究，因此不考虑运输时间，即不考虑t ，、t ， 故而工作装置一个工作循环时日j 为： t = t l + t 3 = 2 0 ( s ) ( 2 - 2 ) 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 0 由于是为了研究工作装置的运动特性以及为在a d a m s 中建立动力学 模型做准备工作，因此仅设定了基于p r o e n g i n e e r 软件环境中工作装置 模型的载荷为重力。 通过对所建立的p r o e n g i n e e r 软件下工作装置控制仿真，使工作装 置整个工作循环动态仿真可以很好接近真实的运动情况。根据铲运机工作装 置的工作情况，工作装置的铲斗铲掘后翻斗、运输工况、动臂举升、铲斗卸 料、动臂下降及动臂下降到铲掘位置时铲斗自动放平的工况分别如图2 - 6 中( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 、( e ) 、( f ) 所示。 ( a ) 工作装置收斗过程 ( b ) 运输工况 ( c ) 动臂举升过程 ( d ) 铲斗卸料过拌 辽宁工程技术大学硕士学位论文 ( e ) 动臂下降过程 ( f ) 铲斗自动放平过程 豳2 - 6 工作装置各种工况 2 3 2 工作装置的干涉检查 干涉是铲运机工作装置设计中的一个重要问题，也是工作装置设计中的 难点之一。铲运机工作装置是多杆件机构，其干涉问题尤显突出、复杂。一 般可将其干涉问题归纳为三大类： 1 ) 连杆机构本身运动协调性，如工作装置在作业过程中出现的极限位 置而引起机构构件间的干涉问题； 2 ) 连杆机构与工作装置其它构件间的干涉问题，如摇臂和横梁、前车 架等之间的干涉； 3 )动臂举升油缸与转斗油缸间的干涉问题等。 于涉检查的目的是分析铲运机工作装置连杆机构可能出现的运动“死 点”、“碰撞”和“撕裂”等位置，这是保证工作装置能正常工作的先决条件。 传统的干涉检查是通过各个杆件的长度，利用各杆件的运动关系计算并画图 检查，效率低且准确度不高。也有很多工作者虽然采用了计算机编程和计算 机辅助设计手段进行干涉检查，但一般都是在二维平面或处于相对静止状态 下进行的。 利用p r o e n g i n e e r 软件动态检测工作装置各杆件干涉问题，使丁涉问 题的解决变得十分容易。它不仅效率高，准确度好，而且能直观的表现出干 涉部位。如果杆件在运动中出现干涉，p r o e n g i n e e r 软件就会提示，并将 干涉区加亮显示，设计者就可以利用软件的参数化建模特点，方便的进行修 辽宁工程技术大擘硕士学位论文1 2 改直到没有干涉为止。图2 - 7 给出了p r o e n g i n e e r 环境中s t - 31 2 型铲 运机工作装置干涉结果。 从这个图中，可以看出该工作装置在进行干涉检查后没有加亮区域，即 该铲运机工作装置在整个运动过程中没有干涉问题。 图2 7 干涉检查结果 2 3 3 工作装置的运动分析 p r o e n g i n e e r 软件环境提供了工作装置的运动仿真功能，可以帮助设 计者更好地完成工作装置的设计，使原来在二维图纸上难以表达和设计的多 杆件机构运动变得更为直观和易于修改，并且能够大大简化工作装置的设计 开发过程，缩短其开发周期，减少开发费用，同时提高了它的设计质量。本 文对s t - 3i 2 型铲运机工作装置的运动分析，为地下铲运机的生产提供了可 靠的参考依据。 1 )工作装置模型中各杆件的运动轨迹 在工作装鹭动臂摆动角范围内，绘制出铲运机工作装置上各杆件、各点 的运动轨迹，对于干涉检查和掌握杆件有效工作区是十分重要的。本文以工 作装置铲斗齿尖的运动轨迹为例，在p r o e n g i n e e r 环境中形成斗齿齿尖 的运动轨迹，得到铲斗齿尖的有效作业范围。生成的轨迹为分析工作装置作 业过程、实际运动状况、检验工作装置结构参数设计是否合理和判断杆件是 辽宁工程技术大学硕士学位论文 否与其它秆件发生干涉等问题，提供了可靠的依据。 如图2 8 所示，给出了基于p r o e n g i n e e r 环境中工作装置的铲斗斗 齿齿尖的空间三维孰迹。 图中轨迹弧线a b 、b c 、c d 、d e 分别为翻转、 动放平时的情况。从这个轨迹中可以看出a 点和e 铲斗自动放平时，铲斗进入下一个铲掘位置所形成的。 举臂、卸载和降臂自 点不重合，这是因为 翻2 8 斗齿齿尖轨迹 2 )铲运机工作装置各铰接点的运动分析 在p r o e n g i n e e r 中对铲运机工作装置进行仿真分析是从事工作装置 机构设计的工程技术人员非常关心的问题，仿真分析有助于理解和分析实际 机械装置运动产生的结果，并提供相应的改进机械设计的信息。这里是在 s t - 31 2 型铲运机工作装置动态模拟的基础上，利用p r o e n g i n e e r 的 m e c h a n i s m 模块对其进行仿真分析的。由于p r o e n g i n e e r 软件对动力学 仿真效果不理想，本文在此仅对工作装置进行运动学的仿真，为探讨在 p r o e n g i n e e r 环境中工作装置的运动学和其它机械设备的仿真提供一个 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 4 思路。 根据铲运机工作装置设计特点，一般以图2 5 所示的8 个关键铰接点 a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 、h 作为研究对象，创建机构运动曲线，进行运动 学仿真分析，由于篇幅所限及创建方法相同，以下仅给出连杆与摇臂铰接点 a 点、摇臂与转斗油缸铰接点b 点和动臂与前车架铰接点c 点这三个关键点 的运动仿真分析结果。 匠 卫 墓 加速度曲线( m d s 2 ) t i m e ( s e c ) 一一一一速度曲线( r o d s ) 一位移曲线( r a d ) 图2 - 9 连杆与摇臂铰接点分析 连杆与摇臂铰接点a 点：从图2 - 9 中可以看出该铰接点的位置、速度 及加速度在工作装置整个运动中的情况。这些曲线与所设定的初始条件吻 合，整个曲线与各个工况运动情况一致。从图中曲线可以看到，连杆与摇臂 铰接点在开始铲掘及翻斗卸载时发生一定的突变，这是因为工作装置实际运 动时铰接点a 点在这两个位置位移量了发生变化，而翻斗卸载的变化最大。 开始铲掘、翻斗卸载时速度和加速度也有一定的突变，表明此时连杆运动突 变性大、受到铲斗铲掘时的冲击力作用较大。在动臂举升与下降过程中，该 辽宁工程技术大学硕士学位论文 点的位移曲线、速度曲线和加速度曲线基本平稳，此时a 点基本保持相对 静止状态。 加速度曲线( r a d s 2 ) t i m e ( s e c ) - 速度曲线( t a d s ) 位移曲线( t a d ) 图2 1 0 摇臂与转斗油缸活塞杆铰接点运动分析 摇臂与转斗油缸铰接点b 点：从图2 1 0 中分析可知，铰接点b 点在运 动过程中只有在铲斗收斗、翻斗运动时才有速度和加速度产生，而在其它工 况下基本为零。其中位置曲线表明，转斗油缸在举升和下降运动中基本保持 锁定状态。另外曲线在一定程度上的倾斜，是为了保证铲斗在举升和下降时 保持水平，给连杆一定的补偿。位置曲线的不断上升趋势，与工作装置举升 过程摇臂的实际情况是相同的。这些都表明这组曲线与s t - 31 2 型铲运机工 作装置实际运动状态相吻合。 动臂与前车架铰接点c 点：从图2 1 1 中分析可知，动臂在举升和下降 时，位移曲线是直线型的而且基本上是对称分布的，并且可以得到动臂的运 动范围为8 0 r a d 。其速度和加速度在铲掘和翻斗卸载过程中有一些微小波 动，主要是因为铲斗翻转铲掘和卸载时对动臂产生相互作用力引起的。其中 ：le(，ad 辽宁工程技术大学硕士学位论文 动臂的速度和加速度在整个运动过程中基本不变。这些都与实际工作装置相 符合。 么 - 051 0 一加速度曲线( r a d s 2 ) 位移曲线( r a d ) - 速度曲线( r a d ，s ) 1 5 2 0 t i m “s e c ) 图2 1 1 动臂与前车架铰接点分析 但从这里的工作装置模型仿真分析中，也可以观察到在完成一个工作循 环后，c 点位移和加速度都恢复为零，但依然保持速度。这与实际工作装置 运动情况不符合。出现这个问题的原因是由于仿真条件设定问题，这表明此 工作装置模型不能完全的替代真实工作装置，即p r o e n g i n e e r 软件难以 提供复杂的控制函数尤其在对仿真模型施加载荷时，这个问题显得更为突 出。为了进一步精确研究铲运机工作装置的运动学、动力学特性分析，就必 须采用经典动力学分析软件a d a m s 。 a d a m s 软件能根据所建立的三维实体模型自动的建立起多体系统运 动学、动力学数字化模型，能基于多领域仿真技术、信息管理技术、交互式 用户界面技术和虚拟实现技术的综合应用技术。 2 4 本章小结 1 ) 通过p r o e n g i n e e r 软件的参数化建模和对工作装置模型的控制， 成功的解决了传统设计中无法直观观察工作装置空间运动的情况。 啪 加 印 柏 加 。 珈 ng趸基一 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 7 2 ) 在对模型分析中可以方便的得到工作装置的运动轨迹，所得到轨迹 对分析工作装置作业过程、实际运动状况，检验工作装置结构参数设计是否 合理和判断杆件是否与其它杆件发生干涉具有重要的现实意义。 3 ) 三维可视化干涉检查，解决了传统设计中工作装置干涉检查的难题。 让像工作装置这样多杆件机构干涉问题变得更为直观和易于修改。 4 ) 通过仿真所得到的工作装置运动学曲线大大简化了工作装置的设计 开发过程，为研究工作装置运动情况和试制地下铲运机提供了参考依据。 5 )为进一步的分析工作装置多体运动学、动力学问题，导入动力学专 用分析软件a d a m s 建立了三维实体模型。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 8 3 基于a d a m s 工作装置动力学仿真 机械系统动力学仿真是利用计算机对机械系统实际工作中的运动和受 力等情况进行模拟，作为优秀的动力学仿真软件a d a m s 就是一种可以为 研究人员对设计方案进行检验和考核的有效工具。a d a m s v i e w 是 a d a m s 系列产品的核心模块之一，它是以用户为中心的交互式图形环境， 可以进行交互式图形建模、仿真过程控制、仿真结果输出控制l l u j 。 m e c h a n i s m p r o 是连接p r o e 与a d a m s 的接口模块，两者采用无缝连 接的方式，不需要退出p r o e 应用环境，就可以将装配完毕的装配体根据 其运动关系定义为机械系统模型，进行系统的运动学或动力学仿真，并进行 干涉检查、确定运动锁止的位置，计算运动副的作用力等等”“。本文就是使 用m e c h a n i s m p r o 模块在p r o e 中定义刚体和施加约束后，将s t 31 2 型铲运机工作装置模型传送到a d a m s v i e w 中，进行全面的动力学仿真 的。 3 1a d a m s 环境中工作装置模型的建立 3 1 1p r o e 环境下工作装置装配模型的导入 图3 - ls t - 31 2 玳铲运机i ：作装置模型 一般来说，对于较简单的几何模型，可以直接在a d a m s v i e w 中建立。 对于像工作装置这样复杂的产品，其三维几何模型的建立、产品预装配通常 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 9 在c a d 软件( 如u g 、p r o e 和s o l i d w o r k 等) 中完成，然后利用 m e c h a n i s m p r o 模块导入到a d a m s 环境中。m e c h a n i s m p r o 模块是采用 p r o d e v e l o p 工具创建的，因此p r o e 用户可以在其熟悉的c a d 环境中 精确建立三维机械系统模型，并对其运动性能仿真分析。通过简单操作，就 可将数据传送到a d a m s 中，进行全面的动力学分析。这就弥补了a d a m s 软件建模不精确的缺陷，为a d a m s 软件进行更为精确、逼真的仿真模型 提供了有力的保障。通过m e c h a n i s m p r o 模块，s t - 31 2 型铲运机工作装置 导入到a d a m s 中形成的模型如图3 1 所示。 3 1 2 定义铲运机工作装置的约束和驱动 导入到a d a m s 中工作装置模型需要给各个零件施加约束和驱动。 a d a m s v i e w 提供了1 2 种常用的运动副工具( 转动副、移动副、圆柱副、 球形副、平面副、恒速副、螺旋副、固定副、万向副、齿轮副和关联副) 和 5 种常用的指定约束工具( 点线、点面、方向、平行和垂直) 。用户可以灵 活应用这些约束工具，组成不同的约束。a d a m s v i e w 提供了两种类型的 运动：( 1 ) 运动副运动：定义运动副的移动或转动，每一个运动副运动限制 一个自由度。( 2 ) 点运动：点运动可以应用任何类型的运动副。通过点运动 可以在不增加额外约束或构件的情况下，构建复杂的运动。由于研究的日标 是铲运机工作装置的运动学和动力学，作为运动的轨迹点不可能作为运动约 束类型。本文铲运机工作装置的运动副均属于低副，所以运动副约束只能采 用了转动副和移动副。根据实际工作装置的运动情况，工作装置运动是由液 压缸产生的，故而其驱动放置在移动副上。 在p r o e 环境中使用m e c h a n i s m p r o 模块对铲运机工作装最进行运 动学和动力学分析时，按以下步骤进行： 1 )载入在p r o e 中创建的铲运机工作装置装配模型。 2 )定义刚体：根据设计意图，将不同的运动部件定义为不同的刚体， 同时定义地基( g r o u n d ) 作为其它刚体运动的参考基准，以装配模型中的机 架代表地基。在铲运机工作装置中定义1 1 个刚体：机架、铲斗、动臂、摇 臂、连杆、2 个动臂举升液压缸缸筒、2 个动臂举升液压缸活塞杆、转斗液 压缸缸筒、转斗液压缸活塞杆。定义刚体的过程就是建立a d a m s 运动学、 辽宁工程技术大学硕士学位论文 动力学数字化方程的过程。 3 )创建约束副：根据部件间的运动关系，定义刚体间的约束副。在铲 运机工作装置中有两种运动，即活塞杆与缸筒间的移动及其它各刚体间的转 动。由于工作装置的对称性，故而可以将所有的运动副定义在对称面上( 举 升液压缸除外) 。这样就在转斗液压缸和动臂举升液压缸上各定义了3 个移 动副，在工作装置的对称面上各铰接点位置定义了1 1 个转动副。 4 ) 添加驱动：液压缸产生的力是铲运机工作装置运动的原动力，故在 液压缸缸筒和液压缸活塞杆问添加驱动。运动学驱动以时间函数的形式确定 刚体问平动的运动学方程。在运动工具箱中，选择创建直线运动工具，在动 臂举升油缸和转斗油缸的圆柱副上施加直线运动，运动学驱动以时间函数的 形式确定刚体间的平动运动学方程。油缸的活塞杆和缸筒相对运动规律是先 加速，再匀速，后减速，利用s t e p 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。 转斗油缸的运动规律： s t e p ( t i m e ，3 0 ，0 ，3 2 ，一4 0 ) + s t e p ( t i m e ，9 3 ，0 ，9 5 ，4 0 ) + s t e p ( t i m e ，1 2 ，0 ，1 4 1 ，1 2 0 ) + s t e p ( t i m e ，1 5 9 ，0 ，1 6 1 ，1 2 0 ) 动臂举升油缸的运动规律： s t e p ( t i m e ，9 5 ，0 ，9 7 ，1 6 0 ) + s t e p ( t i m e ，1 3 7 ，0 ，1 3 9 ，- 1 6 0 ) 十 s t e p ( t i m e ，1 6 1 ，0 ，1 6 3 ，- 2 4 0 ) + s t e p ( t i m e ，1 8 9 , 0 ，1 9 1 ，2 4 0 ) 液压缸上的驱动函数图象如图3 2 所示。其中实线代表动臂举升液压缸， 虚线代表转斗液压缸。这些函数的给出是以铲运机工作装置实际运动驱动为 主要依据的，在工作装置的运动中，它的动力源就是液压缸的活塞杆。工作 装置的运动是通过液压缸活塞杆的运动控制的，其中转斗液压缸的行程控制 着工作装置中铲斗的装料和卸料，举升液压缸的行程控制着动臂的升降。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 1 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 o 5 0 一1 0 0 - 1 5 0 _ 2 0 0 2 5 0 图3 - 2 油缸驱动函数 3 1 3 对工作装置施加载荷 t i m e ( s e c ) 铲运机工作装置在插入料堆时的阻力l 、铲取物料和提升转斗作业过程 中要克服切削物料的阻力r 、物料与铲斗间的摩擦力和物料的重力e ，这些 力构成了铲运机的作业阻力。这些作业阻力都被看成工作装置的外载荷。在 实际工作中，作用在铲斗刃口上的外载荷可分为两种情况：一是对称载荷， 外载荷沿切削刃均匀分布，计算时可以用作用在斗刃中部的集中力来代替； 二是偏心载荷，由于铲斗偏铲或物料的不均匀性而使得载荷不均匀分布，形 成偏载情况，假设其作用点在铲斗边缘的刃口上。下文对工作装置在对称载 荷工况和极限偏载工况分别进行仿真分析。 3 2a d a m s 环境中工作装置的仿真 3 2 1 对称载荷工况 铲运机典型工作过程包括插入、铲装、重载运输、卸载和空载运输工况。 不考虑运输工况和摩擦力，工作装置所受的载荷有插入阻力f m 、铲取阻力瓦 和物料重力e ，如图3 3 所示。 分析典型的作业过程可知，铲斗的插入和铲装是顺序进行的，插入阻力 和铲取阻力也依次达到最大值，各构件的自重不发生变化。定义重力加速度 g 的大小和方向，在各个刚体上设定材料属性，系统能自动计算出各刚体的 veocty一暑暑oo_) 辽宁工程技术大擘项士学位论文 图3 - 3t 作装置载荷示意图 质量、质心和转动惯量，并在仿真中自动给刚体施加重力。用s t e p 函数模拟 工作装置在一个循环中的受力情况，瓦、瓦和e 的函数图象如图3 - 4 所示， 其中力的单位为k n 。 e 。的函数表达式为： s t e p ( t i m e ，0 ，0 ，2 8 ，4 3 ) + s t e p ( t i m e ，2 8 ，0 ，3 ，一4 3 ) k 的函数表达式为： s t e p ( t i m e ，2 8 ，0 ，3 ，4 0 ) + s t e p ( t i m e ，3 ，0 ，5 5 ，4 0 ) e 的函数表达式为： s t e p ( t i m e ，2 ，0 ，3 ，1 5 ) + s t e p ( t i m e ，1 3 9 ，0 ，1 6 1 ，- 1 5 ) ，一一j 一一一一一一一5 一一一一一一一一一一、 ! ； ： ： ； 二 、 幽3 - 4 】：作装置受载荷变化曲线 t i m e ( s e e ) qorcof_kn_) 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图3 5 工作装置典型工况 仿真条件分析：设定仿真分析类型为运动学分析( k i n e m a t i c ) ，仿真时 间可设为2 0 秒，仿真步数为5 0 0 步，仿真结束后，查看仿真结果。典型运 动工况如图3 5 所示，分别为地面插入工况( 左1 ) 、下限收斗工况( 左2 ) 、 上限举升工况( 右2 ) 和上限卸料工况( 右1 ) 。启动干涉检测( c o l l i s i o n c h e c k ) 功能，发现工作装置在整个运动过程中没有干涉现象。这与p r o e 环境中 检查的干涉情况一样。利用测量工具，测量得到最大卸载高度为3 8 m 和卸 载距离0 9 m ，以及最大卸载高度时的卸载角为4 5 。这些测量值均满足煤 矿井下环境中铲运机工作装置的作业要求。 仿真结果分析： 1 )动臂举升油缸和转斗油缸的受力情况 动臂举升油缸受力t i m e ( s e e ) - 转斗油缸受力 幽3 - 6 油缸受力变化曲线 q o r c o f k z _ ) 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 生 量 5 。 三 暑 暑 g ： 8 一举升油缸加速度t i m e ( s c c ) - 转斗油缸加速度 图3 7 油缸活塞移动加速度变化曲线 启动a d a m s 中的求解后处理器( a d a m s p o s t p r o c e s s o r ) ，观察动臂举 升油缸和转斗油缸在工作过程中的受力情况，如图3 - 6 所示，可以看出举升 油缸和转斗油缸的受力变化趋势基本一致，负载随着铲斗插入深度的增加而 增加，铲掘完成后作用力迅速下降，但在开始铲掘时达到最大，之后在动臂 举升油缸重载举升过程中，作用力基本平稳，受力随着传力比的增大而减小， 最后随着卸载减小到最小值，而且基本上举升油缸受力比转斗油缸受力大。 动臂举升油缸受力在9 6 s 和1 9 o s 处出现局部峰值，分别是因为其加速拉伸 和减速收缩的缘故，在1 3 8 s 和1 6 2 s 处出现