（机械设计及理论专业论文）矿用铲运机前后机架的优化设计.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 矿用铲运机前后机架的优化设计 摘要 矿用铲运机是一种由蓄电池提供动力，前后机架铰接，集装、运、卸 于一体的矿用机械设备。 鉴于井下巷道路面的复杂性，故需要对铲运机前后机架的力学性能进 行校核，同时根据校核结果进行必要的优化。其力学性能的校核主要考虑 结构的应力、变形和应变是否满足材料的安全性能，并针对危险区域进行 必要的优化，直到满足材料的安全性能。 针对该项目的大体思路，就c l x 3 型胶轮矿用铲运机进行了如下内容 的研究： l 、建立铲运机虚拟样机。结合铲运机原始结构尺寸，运用c a d 设计 软件p r o e n g i n e e r 5 0 建立原始结构的三维模型，并对模型进行适当简化。 然后将虚拟样机导入仿真分析软件a d a m s 中，添加轮胎、路面和必要的 约束，完成虚拟样机的建立。 2 、通过动力学仿真分析得出铲运机各项动力学参数。结合煤矿井下工 作路面，模拟七种不同路况( 平整路面空载、平整路面满载、三角凸台路面、 矩形坑路面、搓板路面、1 0 。爬坡路面、转弯路面) ，对该铲运机进行了全面 的动态仿真和分析，得出各项动力学参数，如起动转矩、稳定转矩、各铰 接处受力情况、转弯半径等。 3 、对优化前后的铲运机前后机架进行有限元分析。将仿真得到的动力 学参数进行整理，根据这些数据在p r o e n g i n e e r 5 0 中对铲运机前后机架进 行应力、变形和应变分析，找出危险区域，对危险结构进行优化，对优化 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 后的铲运机前后机架进行应力、变形和应变分析，分析优化后的铲运机前 后机架是否满足材料的安全性能。 通过该项目的研究，为铲运机的虚拟机械系统动态仿真和优化设计提 供了理论依据，参考本课题的研究思想，可以提高零件设计精度和铲运机 的工作效率，降低能源消耗。同时使用本课题中介绍的虚拟样机仿真分析 法弥补了传统的机械实物系统设计、试验、修改的循环周期长，开发费用 高的缺陷。 关键词：铲运机，前后机架，虚拟样机，优化设计，有限元分析 i i t h eo p t i m a ld e s i g no nf r o n t f r a m ea n db a c kf r a m ef o r m i n e u s e df o rk i 。i f t a b s t r a c t m i n e - u s e df o r k l i f ti sm i n e u s e dm a c h i n e r ye q u i p m e n t ，w h i c hh i n g e db y f r o n tf r a m ea n db a c kf r a m e ，a n ds e tl o a d i n g ，c a r r i a g ea n d u n i n s t a l l i n gt o g e t h e r , a n di t sm o t i v a t i o np r o v i d e d b yr e c h a r g e a b l eb a t t e r i e s i nv i e wo ft h ec o m p l e x i t yo ft h eu n d e r g r o u n dr o a d ，w en e e dt oc h e c kt h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ff r o n tf r a m ea n db a c kf r a m e ，a tt h es a m et i m e ， a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，ic o n d u c ts o m en e c e s s a r yo p t i m i z a t i o n t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e sm a i n l yc o n s i d e rt h es t r e s s ，d e f o r m a t i o na n ds t r a i no ft h es t r u c t u r e w h e t h e rm e e tt h es a f e t yp e r f o r m a n c eo ft h em a t e r i a l ，a n dt h ed a n g e r o u sa r e a s a r eo p t i m i z e du n t i lt h e ym e e tt h es a f e t yp e r f o r m a n c eo f t h em a t e r i a l a c c o r d i n gt og e n e r a li d e a so ft h i sp r o j e c t ，ih a v ed o n et h ef o l l o w i n g r e s e a r c hc o n t e n tf o rc l x 3 r u b b e r - t y p em i n e - u s e df o r k l i f t ： f i r s to fa l l ，e s t a b l i s h i n gf o r k l i f tv i r t u a lp r o t o t y p e c o m b i n e dw i t ho r i g i n a l s t r u c t u r es i z eo ft h ef o r k l i f t ，ie s t a b l i s hs o l i dm o d e l i n go ft h e o r i g i n a ls t a t eu s i n g c a d d e s i g ns o f t w a r ep r o e n g i n e e r 5 0 ，a n ds i m p l i f yt h em o d e lp r o p e r l y a n d t h e ni i m p o r tt h ev i r t u a lp r o t o t y p ei n t os i m u l a t i o na n a l y s i ss o f t w a r ea d a m s ， a d dt i r e s ，r o a ds u r f a c ea n dt h en e c e s s a r yc o n s t r a i n t ，c o m p l e t et h ee s t a b li s h m e n t o ft h ev i r t u a lp r o t o t y p e n e x t ，d r a w i n gp o w e rp a r a m e t e r so ff o r k l i f tb yt h ed y n a m i cs i m u l a t i o n t i t 奎堕燮堂堡主堕窒竺兰垡笙壅 a n a l y s i s c o m b i n i n gw i t hc o a lm i n eu n d e r g r o u n dw o r k i n gr o a d , ih a v ec a r r i e d o no v e r a l ld y n a m i cs i m u l a t i o na n d a n a l y s i st ot h i sf o r k l i f tu n d e rs e v e nk i n d so f r o a d c o n d i t i o n s ( f l a ta n dn o l o a d e dr o a d ，f l a ta n df u l l l o a d e d r o a d ，t r i a n g l e c o n v e xp l a t f o r mr o a d ，r e c t a n g u l a rp i tr o a d ，h e m i - l a t e r a lp a nr o a d ，l 0 。c l i m b i n g m a d ，t u m i n gr o a d ) ，d r a w np o w e rp a r a m e t e r s ，s u c ha s s t a r t i n gt o r q u e ，s t a b l e t o r q u e ，f o r c eo fe v e r yj o i n t ，t u m i n gr a d i u se t c f i n a l l y , c a r r y i n go nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st of r o n tf h m ea n db a c k f r a m e o f 。f o r k l i f t a r r a n g i n gt h ed y n a m i cp a r a m e t e r s ，a i l da c c o r d i n gt ot h ed a t a ， t h es t r e s s ，d e f o r m a t i o na n ds t r a i no ff r o n tf r a m ea n db a c k 纳m e o ff o d d i ra r e a n a l y z e d u s i n gt h ep r o e n g i n e e r 5 0 ，a n d f i n d i n go u tt h ed a n g e rz o n ea n d o p t i m i z i n gt h e m ，a tt h es a m e t i m e ，a n a l y z i n gt h es t r e s s ，d e f o 姗a t i o na n ds t r a i n o ft h eo p t i m i z e df r o n tf r a m ea n db a c kf r a m eo f f o r k l i f ta n dw h e t h e rt h e vm e e t t h es a f e t yp e r f o r m a n c eo ft h e m a t e r i a l 。r h i s s t u d yp r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s i sf o rv i r t u a lm e c h a n i c a l s y s t e m d y n a m i c ss i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o n d e s i g no ft h ef o r k l i f t ，w ec a ni m p r o v et h e p r e c l s l o no fp a r t sd e s i g na n dw o r k e f f i c i e n c yo ft h ef o r k l i f tb yr e f e r e n c i n gt h i s r e s e a r c ht h o u g h t ，a n dr e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o n a tt h es a m e t i m e ，t h ev i r t u a l p r o t o t y p es i m u l a t i o na n a l y s i sm e t h o d si n t r o d u c e d ：i nt h i s t o p i cc a nm a k eu p s o m ed e f e c t s ，s u c ha st h el o n g c y c l ea n dt h eh i g hc o s tf o rt h et r a d i t i o n a l m e c h a n i c a lp h y s i c a ls y s t e m d e s i g n ，t e s ta n dm o d i f y 邺yw o r d s ：f o r k l i f t ，f r o n tf l a m ea n db a c kf l a m e ，v i r t u a l p r o t o t y p e ， o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s i v 太原理：l ：大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 1 7 c o o c l x 3 型胶轮矿用铲运机主要用于煤矿开采工作面中，是连续采煤机辅助设备 之一。其特点是能够较好地发挥连续采煤机的回采能力，较大幅度地提高生产效率，减 轻工人的劳动强度。该型号铲运机集装载、运输、卸载三种作业于一体，是目前煤矿井 下理想设备之一。 在国外，矿用铲运机已有3 0 余年的历史。近年来，我国也先后研制出了几种矿用 铲运机，然而矿用铲运机的设计仍然存在诸多局限。矿用铲运机的研制一直处于传统模 式，一种新设备通常要经过设计、样机试制、工业性试验、改进定型和批量生产几个步 骤，才能投入使用。由于这种样机开发模式的局限性，往往不能充分地对物理样机进行 试验，加之研发人员不愿修改局部以免为整机带来不可欲知的结果，使投放市场的产品 具有先天的不足，严重制约了产品质量的提高，这就使我国自行研制的矿用铲运机结构 和功能严重老化，在市场上缺乏竞争力。 另外，铲运机在整个循环作业过程中其前后机架的受力比较复杂，除了受自重、物 重的影响还受到其行走工况的影响。对于研发人员来说，由于对先进设计思想认识不足， 不能准确地测出零部件的力学性能。 一 鉴于此，迫切需要应用先进的设计方法和软件模拟实际工况进行仿真测试，对铲运 机前后机架进行动态仿真和静态仿真。通过动力学仿真与分析，可以比较准确地得出各 种工况下铲运机的动力参数，如各铰接处受力、驱动转矩、转弯半径等。最后，根据动 力学仿真分析结果单独对铲运机前后机架进行静态仿真，通过静态仿真分析可以让设计 人员对铲运机的强度、变形、刚度和稳定性有一定的了解。根据分析所得到的应力、变 形和应变的分析，对矿用铲运机前后机架结构适当优化，提高设计质量，降低整机的重 量和成本，最终使铲运机的尺寸、受力、结构更合理，在一定程度上提高矿用铲运机的 研发水平。 太原理：l ：大学硕士研究生学位论文 1 2 矿用铲运机国内外研究动态 1 2 1矿用铲运机国内外发展状况 2 0 世纪六十年代以来，世界煤炭工业的竞争同益加剧，各经济大国先后将先进的 露天矿开采技术运用到地下矿开采中，使劳动生产率成倍甚至十几倍的提高，地下矿用 铲运机就是在这种国际化大背景下，由露天矿前端式装载机发展起来的一种集装载、运 输、卸载三种作业于一体的新型的地下煤矿开采设备。 我国地下矿用铲运机始于1 9 7 5 年，第一台铲运机是寿王坟铜矿使用的从波兰引进 的l k 1 型、斗容2 m 3 的地下内燃铲运机。由于它显示出的优越性和高效性，很快得到 了全国许多矿山的认可和推广，继而拉开了我国矿用铲运机应用的序幕。 我国自行研制的井下矿用铲运机开始于2 0 世纪7 0 年代中期，是由长沙矿山研究院 分别与厦门工程机械厂和柳州工程机械厂( 天津工程机械研究所) 合作，在z l 4 0 型和 z l 5 0 型地面装载机基础上，改型研制成功的d z l 4 0 型和d z l 5 0 型地下内燃铲运机。 随后，从7 0 年代后期到9 0 年代初，在对国外铲运机核心技术深入理解的基础上， 长沙矿山研究院、北京矿冶研究总院、马鞍山矿山研究院、南昌矿山研究所等院所与国 内制造厂家合作，先后研制了约3 0 余种型号。其中，国内研制的机型和中外合作生产 的机型大多通过鉴定和验收，但在矿山生产中得到连续使用和认可的，只有为数不多的 几种类型。 9 0 年代中期以来，为了尽可能填补国产大中型矿用铲运机几乎空白的局面，有关单 位和企业又研制了一批与同时期的国外铲运机水平相当的大中型铲运机。这种铲运机的 共同特点是：采用克拉克液力机械传动装置、依茨风冷低污染柴油机、全封闭湿式多盘 制动器、工作装置液压系统采用双泵合流、n o s p i n 防滑差速器和先导控制等技术，较 之前的矿用铲运机研发技术有所提高。 1 2 2 铲运机前后机架的国内外发展状况 铲运机的工作机构是铲装、运输和卸载的联合机构，主要由铲斗、举升油缸、动臂、 转斗油缸、转斗杆件以及操纵液压系统等组成。整个工作机构铰接在前机架和后机架上。 铲运机的工作机构通常由液压操纵。铲斗通过铲斗升降油缸和前机架铰接，前机架通过 转向油缸与后机架铰接，后机架通过蓄电池升降油缸与蓄电池组铰接，组成完整的铲运 机】：作机构卜【2 】。 2 太原理l ：大学硕十研究生! 学位论文 传统上矿用铲运机前后机架设计基本沿用类比法和作图法，设计精度低、工作烦琐、 周期长，其设计方案不够完善。尽管在长期的铲运机设计中积累了一定的设计经验，但 由于对现代设计理论与方法认识不足，设计时存在较多盲目性。为了得到一组较为完善 的设计方案，常需要进行大量的手工作业。这样，不仅对样机的依赖性较强，难以创新， 投入成本较高，而且设计效率低1 3j | 5 | 。 近2 0 多年来出现并迅速发展起来的集优化设计、可靠性设计、有限元分析、动态 设计及c a d 等于一体的现代设计方法学，己开始应用于铲运机工作机构设计当中，对 于提高中国铲运机的设计水平与产品质量，具有十分重要的理论意义与现实意义1 6 j - 1 5 。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题针对矿用铲运机设计中存在的问题，以虚拟样机技术为支持，将17 c 0 0 c l x 3 型胶轮铲运机前后机架作为研究对象，应用a d a m s 和p r o e 等工程应用软件对其进行 动态仿真分析与优化。其主要内容如下： 1 ) 建立铲运机原始结构模型。使用三维c a d 设计软件p r o e 依据二维图纸创建该 矿用铲运机零部件结构三维模型，并进行整车装配，同时进行干涉检测。 2 ) 建立铲运机的虚拟样机模型。将适当简化后的铲运机模型导入a d a m s 软件中， 根据铲运机在煤矿井下的实际路况添加轮胎文件、路面文件、各种约束、油缸和质量， 完成虚拟样机的创建。 3 ) 通过仿真分析实验得出铲运机各项动力学参数。结合煤矿井下工作路面，模拟 七种不同路况( 平整路面空载、平整路面满载、三角凸台路面、矩形坑路面、搓板路面、 1 0 0 爬坡路面、转弯路面) ，对该铲运机进行了全面的动态仿真和分析，得出各项动力学 参数，如起动转矩、稳定转矩、各铰接处受力情况、转弯半径等。 4 ) 对优化前后的铲运机前后机架进行有限元分析。将仿真得到的动力学参数进行 整理，根据这些数据在p r o e n g i n e e r 5 0 中对铲运机前后机架进行应力、变形和应变分析， 找出危险区域，对危险结构进行优化，对优化后的铲运机前后机架进行应力、变形和应 变分析，分析优化后的铲运机前后机架是否满足材料的安全性能。 3 太原理：i ：大学硕十研究生学位论文 1 4 本章小结 本章首先阐述了对铲运机前后机架优化设计的重要意义；然后介绍了铲运机和铲运 机前后机架在国内外的发展研究成果以及其设计中存在的问题；最后给出研究思路和优 化设计方案。 4 太原理j ：大学硕士研究生学位论文 第二章铲运机虚拟样机模型的建立 本章应用三维c a d 建模软件p r o e n g i n e e r 建立铲运机三维模型，并对其进行适当 简化，最终建立了铲运机的虚拟样机。 2 1 铲运机三维模型的建立 p r o e n g i n e e r 三维实体建模设计系统是美国参数技术公司p t c ( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ) 公司出品的专业c a d 建模软件，其模块较多，主要由工业设计( c a d ) 模块、数据管理( p d m ) 模块、机械设计( c a d ) 模块、功能仿真( c a e ) 模块、制造 ( c a m ) 模块、数据交换( g e o m e t r yt r a n s l a t o r ) 模块等六大主要模块组成【1 6 】。 p r o e n g i n e e r 系统的核心技术具有以下特点： 1 、基于特征的参数化建模 参数化设计就是将零件结构的尺寸用参数来描述，通过修改参数数值来达到改变零 件结构的目的。即将实体中某些具有代表性的平面几何定义为特征，并将其所有尺寸定 义为可变参数，以此为基础构建更为复杂的几何形体。 2 、全数据相关性【】7 】 全数据相关性是指所有p r o e n g i n e e r 的功能都相互关联。如果允许多个学科的工程 师同时研发同一个产品，就能缩短研发时间，加快研发效率。p r o e n g i n e e r 数据管理功 能可以管理并行工程要求的并行作业程序，并通过全数据相关性达到并行工程的目的。 3 、全尺寸约束 将形状和尺寸结合起来，通过修改尺寸实现对几何形状的控制。 4 、装配管理 p r o e n g i n e e r 具有匹配、插入、对齐、相切等直觉式指令，使用户可以轻松装配零 部件，保证设计意图，最终达到设计目的【体1 。 2 1 1铲运机原始结构模型的建立 建立铲运机虚拟样机必须首先建立铲运机原始结构建模。铲运机原始结构模型的建 立对于虚拟样机的仿真和分析十分重要，必须充分了解铲运机各个零部件的外形及其相 对位置和装配关系，严格按照实际尺寸建立铲运机实体模型，才能提高系统仿真时的可 气 太原理1 ：大学硕+ 研究生学位论文 靠性和准确性。 本模型由p r o e n g i n e e r 5 0 建立，在尺寸和各种物理几何关系上均有效地反映了机构 的实际情况。这样就保证了本文能够比较真实地完成机构的运动模拟和动态仿真。 零部件设计完成之后，按照一定的配合关系将它们组合起来，构成一个装配体，来 实现铲运机特定的功能。 装配功能的实现具有一定的层次，一般的装配层次有三种分法：自顶向下，自底向 上，混合装配。本课题研究的铲运机采用的是自底向上的装配方法，装配时将铲斗、前 机架、后机架、回转盘、驾驶室、蓄电池组、液压系统、驱动桥作为一级子装配，前机 架由油箱、电控箱、泵电机、操作箱、压力表、司机椅等7 个二级子装配组成；后机架 由牵引电机、减速器、断路器3 个二级子装配和部分零部件组成；蓄电池组由蓄电池架、 蓄电池等4 个二级子装配和零件组成；液压系统由两个铲斗升降油缸、两个转向油缸和 两个蓄电池升降油缸组成。 按照铲运机二维装配图进行整车装配，最终铲运机整车装配图如图2 1 所示。 图2 1 矿用铲运机整车装配图 f i 9 2 - 1e n t i r ec a ra s s e m b l yd i a g r a mo fm i n e - u s e df o r k l i f t 2 1 2 铲运机简化模型的建立 1 7 c 0 0 c l x 3 矿用铲运机是一个较为复杂的机械系统，考虑到从p r o e n g i n e e r 所建立 的三维实体模型到虚拟模型的建立，需要在a d a m s 环境中添加大量的约束，特别是考 虑到a d a m s 对整车动态仿真分析的便捷性，在铲运机原始结构模型中略去了一些与仿 真分析没有直接关系的零部件几何模型，而是在仿真分析实验中用质量块代替。这样就 减少了模型零件的数量，同时减少了零件间约束副的量数，从而减少了a d a m s 仿真所 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 需的时间，适当地提高了仿真分析实验的成功率。 本研究中，主要考察前后机架的动力学特性及其优化设计，车辆上很多和仿真无关 的零件比如照明灯、电铃等，以及车辆上很多没有产生相对运动的零部件比如前机架驾 驶员的操作台、蓄电池、蓄电池架和电控箱部件等，都可以整合到一起，用质量块代替。 更重要的是，可以对铲斗、前机架和后机架模型进行简化处理。 通过以上综合考虑，将铲运机模型简化为：铲斗、前机架、后机架、蓄电池架、回 转盘、油缸( 3 对) 、驱动桥以及各部件上代表简化模型的质量块。铲车简化后对应实体 模型如图2 2 所示。 图2 2 铲运机简化后实体模型图 f i g 2 - 2s i m p l i f i c a t i o ns o l i dm o d e lo ff o r k l i f t 2 2 铲运机虚拟样机的建立 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 ) 软件是对机械系统的运 动学与动力学进行仿真计算的虚拟样机仿真分析软件，专门用于机械产品虚拟样机丌发 方面的工具，通过虚拟试验和测试，在产品丌发阶段就可以帮助设计者发现设计缺陷， 并提出改进的方法。a d a m s 研究复杂系统的运动学关系和动力学关系，它以计算多体 系统动力学为理论基础，结合高速计算机来对产品进行仿真计算，得到各种试验数据， 帮助设计者发现问题并解决问题【1 9 】 2 1 1 。 a d a m s 的核心软件包括交互式图形环境a d a m s v i e w 和仿真求解器a d a m s s o l v e r ，二者之间形成无缝连接。 a d a m s v i e w ( 界面模块) 是以用户为中心的交互式图形环境，它提供丰富的零件几 何图形库、约束库和力库，将便捷的图标、菜单、鼠标点取与交互式图形建模、动画显 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 示、仿真计算等功能集合在一起。 a d a m s s o l v e r ( 求解器) 是a d a m s 软件最重要的模块之一，是求解机械系统动力学 和运动学问题的程序。该软件可以自动形成虚拟样机的动力学方程，提供静力学、运动 学和动力学的解算结果。该求解器还有各种建模和求解选项，以便精确有效地解决各种 问题【2 2 】。 因为本课题主要是使用a d a m s v i e w 建立虚拟样机的模型，并对模型进行动力学 和运动学分析，对其他模块就不一一赘述了。 2 2 1将铲运机模型转换至a d a m s 环境 正确处理铲运机几何模型在p r o e 与a d a m s 之间的传递是确保仿真分析效果的一 项关键技术。尽管a d a m s 软件提供了多种几何建模的菜单和工具，但其功能仍不够完 善，对于较复杂的几何模型的建立也很不便捷，且不能保证模型的尺寸精度和装配精度。 本课题采用三维c a d 实体设计软件p r o e n g i n e e r 来完成该铲运机的三维实体的建模工 作，并把模型导入a d a m s v i e w 环境下，然后添加轮胎文件、路面文件、必要的约束 和载荷等，最终完成对铲运机虚拟样机的建立。 将p r o e n g i n e e r 中创建的三维实体模型导入a d a m s v i e w 中，优先使用a d a m s 与p r o e n g i n e e r 的专用接口程序m e c h p r o ，即p r o e - - a d a m s 联合仿真。 m e c h p r o ( 即m e c h a n i s m p r o ) 是m d i 公司开发的a d a m s 与p r o e 的专用接口程序， 挂接在p r o e 的菜单管理器上，以p r o e 下的一个子菜单形式存在，可以实现简单的仿 真，如图2 3 所示。 鼬蕾j l ；王一 i | 鲥酽。 “”。 - 。i v v e f h k ? j 二一f ih 。1 d 1 ：。 r e ；i e ：“日 _ 日口n t e e t r n x + 。、一：一”、， 、j 燕黧薹i 峨豢鬣；i 荔誊 ic c 口10 10 f f 二oli ，n ! 。丘：i j as p 图2 - 3 专用接口窗口 f i g 2 - 3s p e c i a li n t e r f a c ew i n d o w 8 太原理_ ：人! 学硕士研究生学位论文 该接口具有如下优点： 1 增加模型的仿真精度； 2 提高工作效率； 3 准确体会设计意图； 4 削减设计费用。 p r o e a d a m s 联合仿真的基本步骤： 结束 按照如上p r o e a d a m s 联合仿真的基本步骤将p r o e n g i n e e r 中创建的三维几何模 型导入a d a m s v i e w 环境下。 打开装配体模型文件，此时，接口模块就会挂接在p r o e 菜单管理器上，利用 m e c h p r o 接口将装配体中各零件设置为刚体。在p r o e 的m e c h p r o 菜单选择“s e tu p m e c h a n i s m r i g i db o d y c r e m e b ys e l e c t i o n ”选取要生成刚体的子装配体或零件。 在接口中创建参考坐标及简单约束，为了在a d a m s 中施加约束更加方便，有必要 在接口中完成这项工作。在接口菜单管理器中单击“s e tu pm e c h a n i s m ”一“m a r k e r s ” 一“c r e a t e ”命令，系统打开属性栏。可以给所建参考点命名、选择参考点位置及方向。 将建立好参考坐标系的三维模型导入a d a m s 中，单击接口菜单中“m e c h p r o ”一 “i n t e r f a c e ”一“a d a m s v i e w ”并输入转换几何角度。 模型导入a d a m s 后，可利用该软件提供的各种工具，除可添加各种约束外，还可 9 太原理jl 大学硕士研究生学位论文 加入诸如碰撞力、特殊力、函数、子过程等较为复杂的模型特征，使仿真模型中必要的 元素完备起来。 在添加约束之前，需要将轮胎和路面文件添加到铲运机模型中。轮胎和路面是影响 铲运机操作稳定性的重要因素，因此，在铲运机动力学仿真分析中轮胎模型和路面模型 的选择是至关重要的。 2 2 2 编辑轮胎文件 在铲运机动力学仿真过程中，通过编辑合适的轮胎文件可以使仿真更接近于实际工 况，得到更真实的仿真结果。a d a m s 中自带有多种轮胎模型，主要有以下五种：u a 轮胎模型、f i a l a 轮胎模型、u s e rd e f i n e d ( 用户自定义) 轮胎模型、d e l f t 轮胎模型和s m i t h e r s 轮胎模型。 u a 轮胎模型是由轮胎各方向的力和力矩由耦合的滑移率、侧偏角、外倾角及垂直 方向的变形等参数显式表达。该模型考虑了纵向和侧向综合滑移，因而较为准确、全面。 f i a l a 轮胎模型将纵向滑移和横向滑移分开考虑，在该模型中，内倾角不是主要因素， 对于一般的操纵性分析问题来说，可以得到合理的结果。 d e l f t 轮胎模型是利用t i e m o r b i t 标准规范来建立的，其特性文件包括十一块，每一 块确定轮胎的一种特征属性。这十一个属性分别是模型类型、单位属性、尺寸( 轮胎的 自由半径、宽度等) 、垂直向属性( 垂直刚度、垂直阻尼等) 、纵向滑移率范围、滑移角范 围、垂直力范围、比例系数、纵向力系数( e h 试验获得) 、横向力系数( 由试验获得) 、回 正力矩系数( e h 试验获得) 。 s m i t h e r s 轮胎模型只计算侧向力和回正力矩，其它所有力和力矩由f i a l a 解析模型 算出。这种轮胎模型的计算精度较高，但是必须有轮胎试验数据作为基础【2 3 1 。 通过以上比较，本课题中我们选用u a 轮胎模型，轮胎文件特性参数及参数值如 表2 1 所示。 按照轮胎的特性参数，编辑虚拟样机轮胎文件。文件编辑完成后，以“u a t t i r ”为 名称保存在工作目录下。编辑好的轮胎特性文件如图2 4 。 2 2 3 编辑路面文件【2 4 】【2 6 】 在a d a m s 软件中，将每个车轮对应的路面都看成是由一系列三角形单元组合成的 三维表面。路面模型结构如图2 5 所示。 它是由4 个三角形单元构成的，1 6 为单元所对应的节点号。对每一个单元通过改 变节点的坐标值可定义路面等级，如路面不平度等。 10 太原理一火学硕十研究生学位论文 表2 1 轮胎文件参数表 t a b 2 1 t i r ef i l e sp a r a m e t e rt a b l e 自由半径胎冠i 卜径 径向刚度 参数类型 r l m mr ，m mc z ( n m m ) 参数值4 5 015 03 5 0 0 0 0 0 纵向滑移刚度侧偏刚度外倾刚度 滚动阻力矩系数 c 。( n r a d )c 。( n t a d ) c ，( n r a d ) c r 8 0 0 0 06 0 0 0 03 0 0 00 1 静摩擦系数动摩擦系数轮胎宽度轮胎质量 肚0p ib m m m k g 1 10 83 6 02 4 8 转动惯量，( k g m m 2 ) 1 7 4 e + 0 0 6 ，1 7 4 e + 0 0 6 ，2 9 8 e + 0 0 6 i 一l 蕊l f a l 0 嗡 文件理1 蝙辑哩) 楮式垃) 查看姓) 帮助q ) s h d lh f n d f r 【h d l h e 仙e r 】 f ll e1y p et i | f il fu 【r s l 0 h一2 0 f ilef o r h a ia s c l i 。 ( c 0 h h e h is ) c o i _ l l l e n t5 t r in 9 ) 1 ir px x x x x x 。 + p r e s 5 u r px x x x x x 1 p t0 a tp x x x x x x 。1 p 5 t t j r p h e f i l ef o r i 帖tu 2 1 su n i t 5 l e h g l ht n p tp t - r0 r ce= n p u t o n 。 nr 岷le = 。a d h a s s= k q 。 1 l h = 。s e c sp m d e l 1uspn o d pi23 7 7r e l a x a t i o n1 e n q t h 5x ? s m o t h i n q x t p r o p 【r i yf llef o r at，u n t l r e u s e1 4 0 d e；2 sd i m n s i o n u h l o f l d e dr a d lu s= 0 “5 0 w i p l x t 0 3 6 0 n s p f c tr r t l0- 0 7 s p a v a n e t e r v er 1 1c n ls 1 if f h e s s3 5 0 0 0 0 0 u e l 4 1 lc n ld r p i i c= “0 0 0 r o ll 】h cr es i s 1n t i c e0 1 c s l i p- 8 0 0 0 0 c a l p h a= 6 0 0 0 0 c c r h h 日= 3 0 0 0 l i h l i , i= 0 8 u h n x 一1 1 r f iie hl o h0 6 r e lte hlnt= 0 5 s 3 h a p e r a d ja 1w i d t h ) 1 00 0 1 00 2 1 00 1 0o 6 1 日0 8 0 91 0 图2 4 轮胎特性文件 f i g 2 - 4c h a r a c t e r i s t i cf i l eo f t h et i r e s 太原理：1 ：人学硕+ 研究生学位论文 本课题利用a d a m s 软件中提供的路面实例，编写了以下松散路面文件。 ( 1 ) 平整路面 该路面为平整路面，长1 0 0 m ，宽3 m ，文件名为m i d2 df l a t r d f 。路面文件如图 2 - 6 所示，对应的路面模型如图2 7 所不。 h | ， 1 图2 5 路面模型的结构 f i g 2 5s t r u c t u r eo fr o a dm o d e 堕翌! ! 堕堡l 堕墨旦! 兰妻嫂曼塑粤 【m l h e a d e r 】 f l l et v p e t r d f f 1l eu e r s i f i n = 5 0 0 f il ee o r h n t t 。a s c lj c o l i v e n l s ) c o n - 畸n ts t r i n g ) f l a t2 dc o n t a c tr o a d f o rt e s t i n 9p u r e p o s e s 。 s 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 h d l1 4 e n d e r i u h l l s 】 l e h c l h f o r c e a n g l e f 晌s s t i h e s 一 l m o d e l 】 h 1 x o d f u h c l1 0 h 帅h e r o a d 1 y p e z 。m = n e w t o n = r a d i a l r l s = k 9 =5ec s 一一一 lg r a p h i c s 】 l e h c t h ”l d t h 。2 d 。 = n r c 9 9 l = f l a t h u hl e n g l hc r i d s h u h u i d l hc r l d s l e 惦t s h 】f 1 ”l d l hs h l f t s 一一= 一一 lp a r a h e t e r s 】 h u = 1 日口d 0 0 0 = 3 口0 0 0 = 2 口0 = 1 d 口 - 2 口尊0 0 0 - 0 尊 s 一一 io f f s e t 】 z - 口 u h l l s 啪d l c r a p h i c s p a r 日h e t r s 0 f f s et 图2 - 6 平整路面文件 f i g 2 6f l a tr o a ds u r f a c ef i l e 图2 7 平整路面模型 f i g 2 7f l a tr o a ds u r f a c em o d e l 1 2 太原理l ：人! 学硕十研究生学位论文 f 2 ) - - 角凸台路面 该路面为三角凸台路面，在平整路面上有一个高1 0 0 m m ，宽8 0 0 m m 的凸台。铲运 机分别经过4 0 m 平路，高1 0 0 m m 、宽8 0 0 m m 的凸台，最后再经过6 9 m 平路，文件名 为m d i 一2 d r o o f r d f 。路面文件如图2 8 所示，对应的路面模型如图2 - 9 所示。 图2 8 三角凸台路面文件 f i g 2 8t r i a n g l ec o n v e xp l a t f o r mr o a ds u r f a c ef i l e 图2 - 9 三角凸台路面模型 f i g 2 - 9t r i a n g l ec o n v e xp l a t f o r mr o a ds u r f a c em o d e l ( 3 ) 矩形坑路面 该路面矩形坑路面，是在平整路面上挖一个长16 0 0 m m ，深10 0 m m 的矩形坑。铲 运机左前轮和左后轮先后经过2 5 m 平路，再经过长1 6 0 0 m m ，深1 0 0 m m 的矩形坑，最 后经过2 0 m 平路。该路面文件名为m d i2 d 。路面文件如图210所示，对_potholer d f 应的路面模型如图2 1 1 所示。 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 一1 0 矩形坑路面文件 f i g 2 10r e c t a n g u l a rp i tr o a ds u r f a c ef i l e 图2 1 】壬i 形坑路面模型 f i g 2 11r e c t a n g u l a rp i tr o a ds u r f a c em o d e l ( 4 ) 搓板路面 该路面为搓板路面，是由一个波长为3 1 4 m m ，振幅为1 0 r a m ，长1 0 m 的正弦路1 和波 长为1 2 5 6 m m ，振幅为4 0 m m ，长l o m 的正弦路2 和平路组成。铲运机先后经过长2 5 m 平路，正弦路1 ，长l o m 的平路和正弦路2 ，最后经过2 0 m 平路。该路面文件名为s i n e r d f 。 路面文件如图2 1 2 所示，对应的路面模型如图2 1 3 所示。 ( 5 ) 1 0 0 爬坡路面 该路面是爬坡路面，是