（车辆工程专业论文）基于高卸状态下zl50g装载机工作装置作业运动特性研究.pdf

摘要 装载机是工程机械的重要机种之一，其性能的优劣对工程施工有着很大的影 响特别是随着工程运输车辆车厢高度的增加，其对装载机工作装置的卸载能力提 出了新的要求。因此对高卸状态下装载机工作装置进行运动特性与动态载荷研究， 采用先进的设计方法是提高设计水平的最有效手段。在本文，作者主要完成了以 下几项工作： 综合传统设计理论和现代设计方法，根据轮式装载机工作装置的工作理论 对装载机工作装置机构运动模型进行了数学分析，为轮式装载机虚拟样机的仿真 研究奠定了基础。 介绍多刚体系统理论以及本课题所运用的仿真软件a d a m s 。在进行高卸 状态下样机工作装置运动特性与动态载荷研究时，以z l 5 0 g 装载机为原型，运 用多体系统动力学软件a d a m s 建立样机三维模型，设定作业行程并进行动态仿 真。结合作业对象对工作装置的要求，从运动学的角度出发，对工作装置的自动 放平性，平移性、卸载性、卸载高度和各构件夹角变化进行分析；从动力学角度 出发，对对称工况和偏载工况下工作装置作业时各铰点所受载荷变化进行分析。 以z l 5 0 g 装载机为原型，运用多体系统动力学软件a d a m s 建立样机三 维模型以卸载高度为目标函数，以各构件铰点坐标为设计变量，以工作装置的工 作性能和结构要求为约束函数建立起合理的优化设计数学模型。深入分析z l 5 0 g 工作装置各铰点坐标变化对卸载高度的影响，首先选定工作装置运动模拟时各铰 点坐标变化的范围和变化量，最后得出各铰点位置发生变化时对卸载高度的影响。 利用现代c a e 软件a d a m s 对轮式装载机工作装置进行运动特性与动态载 荷研究，实践与理论分析相结合，为研究装载机的工作装置提供一种可靠的方法。 分析结果为工作装置设计提供依据，适用性强。 关键词：装载机；工作装置；高卸状态；作业运动特性；动态载荷；a d a m s a b s t r a c t w h e e ll o a d e ri sa l li m p o r t a n tt y p eo fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y t h eq u a l i t ya n d e f f e c to ft h ed e s i g nd e t e r m i n ei t s w o r k i n gm e c h a n i s m i nt h ep a s t ，a n a l o g ya n d c o n s t r u c t i o nm e t h o dh a v eb e e nu s e do nt h ed e s i g no ft h ew o r kd e v i c e ，w h i c hm a k et h e j o bt e d i o u s ，l o wa c c u r a c ya n dl o n g s ot h ek i n e t i c sa n dd y n a m i c sr e s e a r c ho nl o a d e r s w o r k i n gd e v i c e ，i ti st h em o s te f f e c t i v em e a n st h a ta d o p t i n gt h ea d v a n c e dm e t h o dt o r a i s ed e s i g nl e v e l 。m a i n l y ，ih a v ed o n et h ew o r k sa st h ef o l l o w i n g ： c o m b i n et h et r a d i t i o n a ld e s i g nt h e o r yw i t ht h em o d e md e s i g nm e t h o da n dt h e w o r k i n gt h e o r yo ft h ew h e e ll o a d e r s w o r k i n gd e v i c e t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h e w o r k i n gm e c h a n i s mo ft h ew h e e ll o a d e r s w o r k i n gd e v i c ea r eb u i l ta n dt h ef o u n d a t i o n o fs i m u l a t i o nr e s e a r c ho fv i r t u a lw h e e ll o a d e rp r o t o t y p ei se s t a b l i s h e d 。 i te l a b o r a t e ss y s t e m a t i ct h e o r yo fr i g i db o d y , t h e ni n t r o d u c e ss i m u l a t i o ns o f t w a r e a d a m s a c c o r d i n gt os t u d ya c t i o no b j e c tr e q u i r e m e n tf o rl o a d e r s w o r k i n gd e v i c e ， t h i sp a p e ru t i l i z e sa d a m ss o f t w a r et oe s t a b l i s ht h eo v e r a l ls p a c em o d e lo fr s c p m ， a n du t i l i z e so p t i m i z a t i o nt oc a r r yo u to p t i m i z a t i o ns i m u l m i o n i nt h ep r o c e s so ft h ed y n a m i c sa n a l y z eo ft h ew o r k i n ge q u i p m e n t ，u s et h e s o f t w a r ea d m a m st os i m u l a t et h e s y s t e m a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i s o f m e c h a n i c a li n c l u d e sm e c h a n i c a ls y s t e mk i n e m a t i c sa n a l y s i sa n dd y n a m i c s f i n do u t t h ed i s c i p l i n a r i a no ft h ew o r k i n ge q u i p m e n t a n a l y z et h ea c t i o no ft h ew o r k i n g e q u i p m e n t ，l i k et h ep a r a l l e lr e m o v ea n da u t o m a t i cf l a td o w n k n o wt h ea c t i o no ft h e u n l o a da n g l ea n dt h ed r i v ea n g l e s t u d ya n dc o m p u t et h ef o r c eo ft h eb u c k e t ，t h e c o n n e c t i n go fr o da n dr o c k e r u s i n gm o d e mc a e s o f t w a r ea d a m s ，t h i sp a p e ri su s e dt oc o n d u c tt h ek i n e t i c sa n d d y n a m i c sa n a l y s i so fl o a d e r s w o r k i n gd e v i c e 。c o m b i n et h e o r yw i t hp r a c t i c e ，t h i s o p t i m i z a t i o nm e t h o dw h i c hb a s e do nt h em o d e lo fv i r t u a lp r o t o t y p eh a sg e n e r a l a p p l i c a b i l i t yt ot h eo p t i m i z e dr e s e a r c ho fl o a d e r s w o r k i n gd e v i c e ， k e yw o r d s ：l o a d e r s ；w o r k i n gd e v i c e ；k i n e t i c s ；d y n a m i c s ；h i g h e r u n l o a d i n gl e v e l ； a d a m s 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。7 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：万燕波硅牡 日期：2 咖年4 月2 9 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、 复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：万燕波穗杠 日期：2 0 0 9 年4 月2 9日 指导教师签名：娠 日期：沁产牛月叩日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据 库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权 益。 学位论文作者签名：万燕菇 日期：2 0 0 9 年4 月2 9日 、 指导教师签名：垂y 2 双 吼易伊月 第一章引言 第一章引言 1 1 轮式装载机简介 轮式装载机是一种广泛应用于公路、铁路、港口、码头、煤炭、矿山、水利、 国防等工程和城市建设等场所的铲土运输机械，其主要功能是对松散物料进行铲 装及短距离运输作业。若换装相应的工作装置，还可以进行推土、起重、装卸木 料及钢管等作业，它对于减轻劳动强度，加快工程建设速度，提高工程质量起着 重要的作用，所以装载机在国内外不论是在品种或在产量方面发展的速度都十分 快。其生产企业己经由1 9 8 0 年的2 0 家增至现在的1 0 0 余家，初步形成了规格 0 8 t - 1 0 t 约1 9 个型号的系列产品，并己成为工程机械主力机种。 1 2 装载机国内外开发现状和发展趋势 1 2 1 国外发展现状 为了提高装载机的作业生产率，自9 0 年代以来，各生产厂商在广泛采用新技 术、新结构的同时，经过不懈的努力，相继研制出许多功能超强的系统，现列举 如下【。 动力电子控制管理系统一根据传动装置及液压系统的工作状态，自动调节 发动机输出功率，以满足不同作业工况的需要，提高燃料的经济性。 发动机自动控制系统一当装载机处于非作业工况时，自动降低发动机转速， 减少燃料消耗及发动机噪音。 关键信息显示管理系统一采用网络通讯技术，在办公室的控制中心实时陈 控装载机的作业状态，据此向司机提供基于文字提示的精确的故障诊断信息。 转向变速集成控制系统一取消传统的方向盘和变速杆，将转向与变速操纵 装置集成为一个操纵手柄，并采用简单的触发式方向控制丌发和选挡用的分装式 加速按钮。 销轴润滑系统一能为工作装置上的所有销轴提供为期2 0 0 h 的润滑服务，并 使销轴的润滑作业易于完成。 负载感应变速系统一根据负载状态，自动调节车速及发动机飞轮扭矩，实 现高速、小扭矩或低速、大扭矩的动力输出。 计算机故障诊断系统一通过控制面板上的指示灯、听觉与视觉相结合的报 警信号，提醒司机可能潜在的故障隐患。这样，司机只管全神贯注地工作而无需 不断查看仪表读数。 自动运输控制系统降低机器在凹凸不平路面上的振动，提高驾驶舒适性 和作业效率。j cb 公司4 5 6 b z xc1 8 t 安装此系统，最高车速达3 8 k m h 。 2第一章前言 监控管理系统一连续监控管理装载机数十项性能指标参数，在遇到突发 或紧急情况时，很容易通过液晶仪表显示、听觉与视觉相结合报警信号，提醒驾 驶人员注意。 1 2 2 国内发展概况 我国装载机行业的主导产品，基本上都是以柳工7 0 年代初开发的z l 5 0 为基 础发展起来的，属国际6 0 年代技术水平。进入8 0 年代消化吸收了美国c a t e r p i l l a r 、 日本小松等先进技术，逐步开发成功了我国第二代装载机产品。它与第一代显著 不同之处，主要是增设了空调系统、紧急制动系统、防滚翻及落物保护装置等。 采用了全液压流量放大转向系统，单摇臂“z 型连杆机构作业装置，密封、减 振、降噪的驾驶室，密封式销套结构等。还少量出现了液压先导操纵及电子监控 系统。另外，第二代产品在掘起力，作业循环时间等影响作业性能的主要技术参 数比第一代也有较大提高。我国的第二代产品与国际先进水平相比，在机电一体 化、操纵舒适性、作业效率等方面有较大差距，差距最大的是产品可靠性。目前 我国装载机行业己经出现了第三代产品，以柳工、徐工的z l 5 0 g 为代表1 2 1 。 第三代产品的显著特点有： 工作液压系统的系统压力与国际接轨，由原来普遍的1 6 m p a 提高到 2 0 m p a 以上。 机电一体化水平大大提高。变速操纵由原来的机械液压操纵改为电脑集成 控制系统( e s t1 7 t ) 控制的电液操纵，同时还采用了多种型式的电子监控系统。 采用了全密封内藏湿式多片式制动器及制动可靠、性能卓越的全液压制动 系统。 采用了当今世界上流行的流线形外观设计，并采用了前后玻璃分别为一体 的更加优美的空调密封驾驶室。 采用了大转向角，前后对中布置，基本上属单板结构的车架。具有转弯半 径小、结构合理、维护保养方便等优点。 普遍实现了液压先导操纵，使作业操纵轻便、灵活、快捷，大大减轻了司 机的劳动强度。 驱动桥上普遍装有限滑差速器，大大提高了恶劣条件下的通过性，从而提 高了作业效率等。 第三代产品的整机性能也有很大的提高，各主要性能指标基本上能与世界先 进水平接轨。但在可靠性、舒适性、作业效率及制造水平等方面和国外先进水平 还有相当差距。第四代产品在第三代的基础上也已出现，进一步优化了整机的性 能及配置，电控箱、湿式制动器等新技术得到了应用，并形成了各企业的专有技 术及专利技术，使产品以崭新的面目推向市场。这些都将进一步促进我国装载机 第一章引言 行业的技术进步。 1 2 3 装载机的发展趋势 未来装载机的发展趋势是：广泛应用微电子技术与信息、技术，完善计算机 辅助驾驶系统、信息管理系统及故障诊断系统；采用单一吸声材料、噪声抑制方 法等消除或降低机器噪音；通过不断改进电喷装置，进一步降低柴油发动机的尾 气排放量；研制无污染、经济型、环保型的动力装置；提高液压元件、传感元件 和控制元件的可靠性与灵敏性，提高整机的机一电一信一体化水平；广泛采用人 机工程学原理设计司机座椅，功能集成的操纵手柄、全自动换挡装置及电子监控 与故障自诊断系统，以改善司机的工作环境，提高作业效率【3 】。 1 3 多体系统动力学的发展及研究现状 1 3 1 多体系统动力学概述 多体系统动力学包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学，是研究多体系 统一般由若十个柔性和刚性物体相匀连接所组成运动规律的科学。多体动力学是 在经典力学与计算机技术相结合的基础上发展起来的，在发展过程中，结合了运 动生物力学，航天器控制，机器入学，车辆设计，机械动力学等领域学科，成为 一门具有广泛用途的新型力学分支1 4 j 。 在机器人、车辆、航天器、机械与兵器等工程领域中，系统的研究将面临两 大问题。一类是涉及这些复杂系统的结构强度分析。多少年来由于计算结构力学 的理论与计算方法的不断深入，加之有限元分析软件系统的成功开发并己应用于 工程结构的计算机辅助分析，因而大大地缩短了新产品开发和设计的周期。另一 类问题是要解决这类复杂系统的运动学、动力学与控制的性态问题。这类系统的 特征是系统的各部件存在大范围的相对运动，这些部件的相匀连接方式的拓扑与 约束形式多种多样，受力的情况除了外力与系统各部件的相匀作用外，还可能存 在复杂的控制环节，其共性是系统由存在相对运动的多个物体组成，故称为多体 系统。随着工业技术发展的需要，多体系统的构型越来越复杂，规模越来越庞大。 在运动学、动力学与控制的性态分析与优化中，如何面对不同的拓扑、不同的约 束、不同的受力与控制环节的多体系统，建立通用的程式化的动力学模型，研究 处理这些数学模型的计算方法，开发研究多体系统动力学通用的软件系统，充分 利用计算机的潜能是解决上述难题的唯一途径。 在本世纪6 0 年代中期，经过l i k i n g sh o o k e r 、m a r g a l i er o b e r s o 、w i t t e n b u r g 等人卓有成效的努力，多刚体系统动力学诞生了。它是在经典力学基础上产生的 新学科分支，它针对由多个刚体组成的力学模型，研究程式化的求解算法，以便 实现计算机自动建立方程并求解。多刚体系统动力学诞生以后发展很快，形成了 4 第一章前言 儿种风格不同的流派，代表性的方法有r w 方法，旋量方法，凯恩方法和第一类 拉格朗日方法等。1 9 7 7 年，国际理论和应用力学学会卞持召开的第一次多刚体系 统动力学研讨会，是这门学科发展的重要单程碑。它标志着多刚体系统动力学的 建模方法己基本得到解决。从此，原先从事多刚体系统动力学研究的学者纷纷转 向对带柔性的多体系统动力学的研究，于是，“多刚体系统动力学 的内涵得到延 伸，成为“多体系统动力学j p j i 。1 9 8 3 年，由n a t o n s f a r 在美国i o w a 大学联合 举办的机械系统动力学计算机辅助分析和优化高级讲习会及1 9 8 4 年i u t a m ， i f t o m n 卞办的多体系统动力学研究会可以充分看到这门学科从理论建模到面向 工程的计算机辅助仿真研究的大发展。短短儿年内，许多大型通用计算机软件不 断涌现，并在商业化方面取得巨大成功。这些软件的应用领域非常广泛，以致西 欧和北美的工程师们己习惯于在机械系统的设计过程中，通过多体系统的仿真软 件，对新设计的产品进行研究、分析和优化，大大缩短了设计周期，并降低了通 常研制中制造、调试样机所占用的成本消耗。所以，这个过程在计算机辅助工程 c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 被称为c a a ( c o m p u t e ra i d e da n a l y s i s ) ，并视 为一个必要的环节。同时，在车辆、航天器等领域不断举办多体仿真专题讨论会， 以交流多体软件的开发和应用的经验，传递信息并提出新的思想和研究方向。由 w s c h i e h l e n 编撰的多体系统手册( m u l t i b o d ys y s t e mh a n d b o o k ) 就是这种形式发 展下的产物，其中包括了全世界范围内近2 0 个研究团体的成果，如著名的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 机械系统的自动动力分析) 、 d a d s ( d y n a m i ca n a l y s i sa n dd e s i g ns y s t e m 动力学分析) 等。这些软件结构性强， 功用完备，操作方便，不但能够求解航天器和机器人等以丌环和低运动副为卞的 机构，而目能求解车辆等结构形式复杂的多闭环系统。 在国内，1 9 8 6 年在北京举行的多刚体动力学研讨会和1 9 8 8 年在长春举行的 多柔体动力学研讨会以来，多体动力学的研究进展很快。1 9 9 2 年多体系统动力学 一一理论、计算方法和应用学术会议在上海召开，展示了一批理论和应用的最新 成果1 9 9 6 年在山东召开的“全国多体系统动力学与控制学术会议”在理论与计算 方法研究、工程应用和实验研究二方面取得了更新的进展。它标志着我国多体系 统动力学的研究进入了一个新的阶段。 1 3 2 多体系统动力学研究方法 自多体动力学诞生以来，经过儿十年的研究与实践，己经形成了比较系统的 研究方法，其中包括多刚体系统研究方法和多柔体系统研究方法1 5 j 。 多体系统动力学的研究对象一般是比较复杂的多体系统，其结构和连接方式 也是多种多样。这给建立动力学方程式带来了很大困难，而目，系统的动力学方 程多为高阶非线性方程。因此动力学方程的建立和求解都必须由计算机去完成。 第一章引言 日前多刚体系统动力学的研究方法卞要有工程中常用的以拉格朗日方程为代表的 分析动力学方法、以牛顿一欧拉方程为代表的矢量力学方法、图论、凯恩、变分 法和旋量方法等。 拉格朗日方程方法 由于多刚体系统的复杂性，在建立系统的动力学方程时，采用系统独立的拉 格朗同坐标非常困难，而采用不独立的笛卡尔广义坐标则比较方便，对于具有多 余坐标的完整或非完整约束系统，用带乘了的拉格朗日方程处理是十分规格化的 方法。导出的以笛卡尔广义坐标为变量的动力学方程是与广义坐标数日相同的带 乘了的微分方程，还需要补充广义坐标的代数约束方程才能封闭。1 9 7 3 年美国密 歇根大学m a c h a c e 与n vo r l a n d e a 等人应用吉尔g e a r 的刚性算法并采用稀疏 矩阵技术提高了计算效率，编制了a d a m s 程序1 9 7 7 年，e d u a r dh a u g 等人研究 了广义坐标分类、奇异值分类等算法，编制了d a d s 程序。由此后来逐步形成了 两大著名多体动力学仿真软件。 牛顿一欧拉方法 处理由多个刚体组成的系统，原则上也可以利用传统的经典力学方法，即牛 顿一欧拉法为代表的矢量力学方法。但随着组成系统的刚体数同增多，刚体之间 绘系统内各个刚体之间的联系状况，这种联系状况被称作系统的结构。借助图论 工具可以将系统的结构引进运动学的计算公式。r o b e 联系状况的约束方式变得极 其复杂。对作为隔离体的单个刚体列写牛顿一欧拉方程时，大量铰约束力的出现 使未知变量的数日明显增多。因此，即使直接采用牛顿一欧拉方法，也必须加以 发展，制定出便于计算机识别刚体联系状况和约束形式的程式化方法，并致力于 自动消除铰约束力。早在一十世纪六十年代，有一批学者如f l e t c h e r ，h o o k e r ， m a r g u l i e s 提出的多刚体动力学的研究方法都是牛顿一欧拉方程的直接发展。近十 儿年来，r o b e r s o n 和s c hu e r t a s s e k 方法，s c h i e h l e n l ik r e u z e r 方法等则是牛顿一欧 拉方程的另p b j l 种表达形式。尤其是德国学者s c h i e h l e n 教授在这方面做了大量研 究。其特点是在列写出系统的牛顿一欧拉方程后，将不独立的笛卡尔广义坐标变 换为独立变量，对完整约束系统采用达朗伯原理消除铰约束反力，对非完整系统 用j o u r d i a n 原理消除约束反力，最后得到与系统自由度数日相同的动力学方程， s c h i e h l e n 教授等人编制了符号推导的计算机程序，并以牛顿一欧拉n e w t o n e u l e ： 的简名命名为n e w e u l 图论方法 1 9 6 6 年，r o b e r s o n 和w i t t e n b u r g 创造性地将图论引入多刚体系统动力学，使 这个学科分支跨入新阶段。他们利用图论的一些基本概念和数学工具成功地描 r s o n w i t t e n b u r gh o o k e r - m a r g u l i e s 独立地重新发现并发展了增广体概念。这一概念 6 第一章前言 是由作为多刚体系统动力学的先驱f i s c h e r 所创造的。利用增广体概念对 h o o k e r - m a r g u l i e s 或r o b e r s o n w i t t e n b u r g 的基本方程作出明确的物理解释。 r o b e r s o n w i t t e n b u r g 方法以十分优美的风格处理了树结构多刚体系统，对于非树 系统，则必须利用铰切割或刚体分割方法转变成树处理系统。w i t t e n b u r g 对多刚 体系统动力学作出了完整的阐述。r o b e r s o n w i t t e n b u r g 方法以相邻刚体之间的相 对位移为广义坐标，对复杂的树结构动力学关系给出了统一的数学模式，并据此 推导了系统微分方程，相应的程序有m e s av e r d e 。 凯恩方法 r o b e r s o n w i t t e n b u r g 的图论方法提出了解决多刚体动力学统一公式，而凯恩 方法则提供了分析复杂机械系统动力学的统一方法。凯恩方法是美国学者k a n e 创立，并由他的学生h o u s t o n 等人发展的。最先用于分析复杂航天器，以后发展 为使用范围更广泛的普遍性方法。这种方法源出于g i b b s 和a p p e l l 的伪坐标概念。 其特点是利用广义速率代替广义坐标描述多刚体系统的运动，并将矢量形式的力 与达朗伯惯性力直接向特定的基矢量方向投影以消除理想约束力，因而兼有矢量 力学和分析力学的特点。作为k a n e 方法的具体应用，h o u s t o np a s s e r e l l o 将k a n e 方法用于分析人体的多刚体模型，l i k i n s 则用于考虑弹性效应的多体航天器研究。 该方法没有给出一个适合于任何多刚体系统的普遍形式的动力学方程，广义速度 的选择也需要一定的经验和技巧，这是该方法的缺点。但这种方法不用推导动力 学函数，不需要求导计算，只需进行矢量点积、义积等计算。 变分方法 变分方法是经典力学的莺要部分。如果说在经典力学中，变分原理只是对力 学现象的抽象概括，则在计算技术匕速发展的今天，变分方法己成为可以不必建 动力学方程而直接借助数值计算寻求运动规律的有效方法。变分方法卞要用于工 业机器人动力学，它有利于结合控制系统的优化进行综合分析。由于变分方法不 受铰的约束数日的影响，因此尤其适用于带多个闭环的复杂系统。g a u s s 最小约 束原理是变分方法的基本原理，利用优化理论求泛函的极值，直接得到系统的运 动状况。这种方法的优点是可以避免求解微分方程组，并可以与最优控制理论结 合起来。 旋量方法 旋量方法是沿着另一条独立途径发展的动力学分析方法，早在1 8 0 9 年p o i n s o t 就建立的旋量概念，以后经过v o nm i s e s 、 y o u n g 、 a t 等人的努力，利用对偶 数作为旋量的数学工具，建立了旋量的算法，并在开链和闭链空间机构的运动学 和动力学分析中得到广泛应用。旋量形式的动力学方程实际上是牛顿一欧拉方程 的一种简练的表达形式，从事这种方法的研究学者卞要有德国的s c h i e h l e n 教授和 第一章引言 7 h i l l e r 等人。 我国学者上海交通大学的刘延柱教授将旋量的对偶数记法改为矩阵记法与图 论概念结合，并将这方法的范围扩大到任意结构的多刚体系统。 以上概括了从上个世纪六十年代开始，多刚体系统动力学朝独立的力学分支 发展进展中的几个重要的研究方法和研究派别。除此之外，还应提到a n d r e 和 k e s a v a n 的矢量网格方法，j e r k o v s l l y 的变换算了方法以及v u k o b r a t o b i c 在机器人 动力学方面的研究工作。虽然各种方法的风格迥然不同，但在多刚体动力学中的 共同同标是要实现一种高度程式化，适宜编制计算程序的动力学方程建立方法， 只要用最少量的准备工作就能处理任何特殊的多刚体系统【6 】。 1 4 本课题研究的主要内容 目前，工程机械设备市场有一个明显的趋势，就是运输设备车厢越来越高， 体积越来越大。其道理很简单，各种工程日趋大型化，工程建设速度同趋快速化， 在这种形势下，提高成本效益的有效方法之一就是提高运输设备的装运能力，这 就必须采用大吨位的运输设备【7 l 。 在我国，从载重角度来说，装载机机型主要集中在3 t 、4 t 、5 t 级三种机型上。 到2 0 0 5 年3 t 5 t 级机型市场占有率已达9 7 以上，其中尤以5 t 级机型最为集中， 市场占有率达到6 0 以上；从卸载高度看，市面上出售的各种吨位的装载机卸载 高度大都小于3 m 。 装载机主要的工作配合对象就是工程运输机械，这其中就产生一个矛盾，运 输机械日益增高的车厢( 3 3 m 一3 5 m ) 和市面上流通的装载机卸载高度之间的矛盾 ( 小于3 m ) 。 本课题研究的主要内容就是运用c a e 软件a d a m s 对装载机工作装置做作 业运动特性研究并对其进行优化，力争解决这个矛盾。 第二章轮式装载机t 作装置机构数学分析 第二章轮式装载机工作装置机构数学分析 2 1 轮式装载机系统简介 轮式装载机基本知识是研究其虚拟样机的基础，因此在本课题研究之前，有 必要简要介绍轮式装载机的构成以及设计要求。图2 1 为轮式装载机的构成简图， 按其功能轮式装载机一般可以分为行走系统、工作装置系统和液压系统【8 1 。 发动机 动臀前驱动辑传动轴髓车禁转向洼鹾缸后车鬃变速籍液力变矩嚣后驱动拼 图2 1 装载机系统简图 f i g u r e2 il o a d e rs y s t e m s 2 2 装载机工作装置分析 2 2 1 装载机工作装置类型 装载机工作装置是指装载机前部进行装卸作业任务并带液压缸的空间多杆机 构，一般由相互独立的连杆机构和动臂举升机构组成，包括铲斗、动臂、连杆、 摇臂、转斗油缸、动臂举升油缸等构件。按照组成工作装置连杆机构构件数的不 同，装载机工作装置可分为三杆、四杆、五杆和八杆机构；按输入和输出杆转向 不同，又可分为萨转和反转机构。输入和输出杆转向相同为i f 转，相反为反转1 9 】。 我们国家的转载机工作装置大部分采用六杆机构，六个杆件分别是车架，转 斗油缸，铲斗、动臂、连杆、摇臂。装载机六杆工作装置按照转斗缸布置位置的 不同有五种结构形式，其中转斗缸后置式反转六杆机构如图2 2 ( 又称z 型连杆 机构z b a rl i n k a g e ) 是目前使用最为广泛的一种f i o 】。 第二章轮式装载机工作装置机构数学分析 9 图2 2 转斗缸后置式反转六杆机构件图 f i g u r e2 2z b a rl i n k a g e 该机构具有下列优点：一是铲斗插入时转斗缸大腔进油。并且连杆机构的传 力比可以设计成较大值，故可获得教大的崛起力；二是合理设计连杆机构各构件 的尺寸，不仅可以得到良好的铲斗平移性能，而且可以实现铲斗的自动放平；三 是结构十分紧凑，前悬小，驾驶员视野好。缺点是摇臂和连杆布置在铲斗和车桥 之问的狭窄部位，各构件间容易发生干涉1 1 1 】。 2 2 2 装载机工作装置的基本参数 卸载高度h 和卸载距离l 卸载高度是指铲斗前倾卸载，铲斗斗底与水平面成4 5 度角时。铲斗切削刃距 地面的垂直距离；卸载距离指相应的卸载高度时，铲斗切削刃到装载机最前面一 点之间的水平距离【1 2 j 。 铲斗的倾角u 收斗角：指铲斗斗底由水平向上转动的角度，又称上翻角。一般指运输状态 时的收斗角和动臂举升到最高位置时的收斗角。 卸载角：指铲斗斗底由水平面向下转动的角度，有称下翻角，一般指最大卸 料高度时的卸料角。 三项时问和 提升时间：是指装有额定载荷的铲斗从地面水平位置提升到最高位置时所需 的时间。 下降时间：是指把空斗从最高位置下降到地面水平位置所需要的时间。 前倾时间：指将空斗从最高位置转到卸载位置所需的时间。 崛起力 指具有标准使用重量的装载机停放在坚硬的水平面上，铲斗斗刃底部平行于 地面，且在地面上下偏差不超过2 5 c m 的情况下，转斗或升臂时，后轮不准离地 l o 第二章轮式装载机- t 作装置机构数学分析 或即将离地，这时工作装置所产生的作用在铲斗斗刃后i o c m 处的最大垂直向上 的力。 传力比 装载机工作装置的动力比分为连杆机构的传力比和举升机构的传力比两大 类。连杆基构的传力比指单位转斗缸力所获得的铲斗崛起力；举升机构的传力比 是指单位动臂举升缸力所获得的铲斗崛起力，传力比越大，工作装置的铲掘性能 就越好。 自动放平性 铲斗自动放平指铲斗在某一位置卸料后，转斗缸闭锁不作收斗行程，当动臂 举升缸下放至地面位置时，由连杆机构自身运动来实现铲斗自动放平。 2 2 3 装载机工作装置的设计要求 铲运功能：铲斗运动轨迹符合作业要求并正常完成铲掘、装卸功能【”l 。 平移性：动臂提升过程中，铲斗保持平移运动，以免斗中物料撒落。 掘起力：希望铲掘力大，且铲掘时掘起力变化规律符合工作要求。 干涉性：工作机构各构件之间不允许发生运动干涉。 传动角：符合某限制范围，以保证工作装置的传力性能良好。 机构效率：机构传动省力，作业时消耗功率要尽量小。 自动放平性：从最高卸料位置到最低铲掘位置时，铲斗能自动呈插入料堆 状态。 卸载性：满足卸载高度l u f p 载距离要求，保证动臂在任何位置都能卸净铲 斗中的物料。 总体布置：要求工作装置的极限工作空间、最大卸料高度及最大卸料距离 等应满足整机性能要求。 辅助要求在满足作业要求的前提下，工作结构简单、自重轻、受力合理、 强度高；应保证驾驶员具有良好的工作条件，确保工作安全、视野良好、操作简 单和维修方便。 2 2 4 转载机工作装置的典型工况 地面插入工况：动臂下放至下限位置，铲斗插入地面，斗尖触地，开动装 载机，铲斗借助牵引力插入料堆i h l 。 下限收斗工况：铲斗水平插入料堆足够深度后，装载机停止运动，操作转 斗缸转动铲斗铲取物料，收斗，后转斗或提升动臂，以装满物料。 装载运输工况：转斗缸闭锁，举升动臂，将铲斗举高到适当的运输位置， 然后驱动装载机，载重驶向卸料点。 上限举升工况：保持运输工况时的转斗缸长度不变，操作举升缸，将动臂 第二章轮式装载机l ，作装置机构数学分析 升至上限位置。 高位卸载工况：在上限位置时，操作转斗缸翻转铲斗，向运输车辆或固定 料仓卸料。 收臂找平工况：卸料结束后，操作举升缸下放动臂，实现铲斗自动放平， 再次进入地面插入工况，进行下一工作循环过程。 2 3 工作装置连杆机构数学分析 工作装置连丰t 机构的设计任务是确定各连杆的尺寸和相互问的位置关系以 满足设计任务中规定的使用性能及技术经济指标。由于连卡t 尺寸以及销轴的相互 影响，连杆机构可变形很大，可变参数很多，无法用理论单纯计算出来，目前大 多采用图解法或类比法加以确定，本论文以装载机普遍采用的反转六连杆工作机 构为例进行分析”“。 23 1 机构分析 反转六连杆工作机构简图如图2 - 3 所示。 y 、 o c y 5 ) f ，” 饵! j ) ，。陋y 、 中三氟：r _ 一一 图2 3 反转六连杆工作机构简图 f i g u r e2 3 w o r k i n gd e v i c e 蔫 +l_。 1 2 第二章轮式装载机工作装置机构数学分析 i 插入工况；i i 一运输工况；i i i 一最高位置工况；i v 一最高位卸载工况；v i - 一 低位卸载工况。 它由转斗机构和动臂举升机构两一部分组成。转斗机构由转斗油缸c d 、摇 臂c b e 、连杆f e 、铲斗g f 、动臂g b a 图2 3 反转六连杆工作机构简图和机架 a d 六个构件组成。实际上，它是由两个反转四杆机构g f e b 和b c d a 所串联而 成。当举升动臂时，若假定动臂为固定杆，则可把机架a d 视为输入杆，把铲斗 g f 看成输出杆，由于a d 和g f 转向相反，所以把此机构称为反转六连杆机构。 2 3 2 设计要求 若将整个反转六连杆机构放到如图2 3 所示的直角坐标系x o y 中，从图中可 以看一出，此时只要设法确定出某一典型工况时的九个交接点a 、b 、c 、d 、e 、 f 、g 、h 、m 坐标值，则既可以求得工作装置连杆机构中各构件的尺寸参数值。 在运动学方面，必须满足铲斗举升平移性、自动放平性、最大卸载高度、最小卸 载距离和各个位置的卸载角等要求；在动力学方面，主要是在满足挖掘力( 铲取 力) 、举升力和生产效率的要求前提下，使转斗油缸和举升油缸的所需输出力及功 率尽量减少。各个位置必须保证工作机构正常工作，不得出现“死点 、“白锁” 和“机构撕裂 等机构运动被破坏的现象。 2 3 3 铰接点的确定 工作装置连杆机构尺寸参数的设计主要有两种方法，即图解法和解析法，由 于可变参数甚多，所以解析法很麻烦，大多数采用图解法并配合统计法和类比法 加以确定，下面采用图解法确定各铰接点的位置。 工作装置机构各铰接点的选择 把已经设计好的铲斗横截面图按比例画在x o y 坐标旱，斗尖对准坐标原点 o ，斗前壁与x 轴呈7 0 - 9 0 前倾角。此为工况i ，即铲斗插入料堆时的位置。 在此基础上选择下列各点 运输状态时g 点的选择：工况i 时的g 点选择，由于x 坐标值越小，铲斗 的铲取力就越大。所以g 点的选取尽可l l d , ，而y 的坐标值也尽可能的小，由于 受整机离地间隙和斗底的限制，一般根据坐标图上工况i 时的铲斗实际状况，y 轴值一般取2 5 0 3 5 0 m m ，x 轴值取尽可能不与斗底干涉的位置，把g 点确定下 来。 a 点的选择：一般a 点选择前轮的右上方，它的选择足在工况l l ，i v 时， g 点与g 连线的垂直平分线上，且般选择在与前轴水平距离为轴距的1 3 1 2 处。并且尽可能低一些，提高整机的稳定性，改善司机的视野。 b 点的选择：一般取b 点在a g 连线的上方，过a 点水平线的下方，并在 a g 的垂直平分线左侧尽量靠近工况时的铲斗处。相对前轮胎，b 点在其外廓 第二章轮式装载机工作装置机构数学分析 1 3 的左上部。b 点选择的好坏，对连杆机构的传动比、倍力系数、连杆机构的布置 以及转斗油缸的长度等都有很大的影响。 e ，f 点的选择：可在b ，g 两点已确定的情况下，除按k f 为最短杆、三w ， 为最长杆、而且满足k f + 三解 三e f + 三b f 的条件外，还应满足e 点不可与前桥或 前车架相碰，并有足够的离地高度；工况i 时，e f 杆尽量与g f 杆垂直，可以获 得较大的传动角和倍力系数；工况i i 时e f 杆与g f 杆的夹角必需小于1 7 0 0 ， 厶f + 三f f k f ，以免发生机构自锁、死点、撕裂；工况i v 时e f 杆与g f 杆的夹 角必须大于1 0 0 0 ，三r ，+ 三f f l b f 。 c ，d 点的选择：c 点和d 点的布置直接影响到铲斗举升平移性和自动放 平性能，对铲取力和动臂举升阻力有较大的影响。从力传动效果出发，显然摇臂 三耵段长一些有利，那样可以增大转斗油缸作用力臂，使铲取力相应增加，但增 加上甜，必将减少铲斗和摇臂的转角比，造成铲斗转角难以满足各个工况要求，转 斗油缸过长。初步设计时，一般应满足：，( 0 7 1 0 ) l 。f ，c 点一般取b 点 的左上方( 工况i ) ，并满足l c b e 在1 3 0 0 和1 8 0 0 之间、b c 杆与c d 杆尽量垂直， c 点不与铲斗干扰、不影响司机的视野。d 点是依据自动放平和平移性这两大要 求来确定的，在转斗油缸长度保持不变的条件下，从工况i v 下降到工况i 过程中 c 和几连线的垂直平分线和从工况i i 到工况i i i 过程中c 和g 连线的垂直平分线 的交点就是d 点。研究证明的d 点应在a 点的左下方为较好，这样平移性能好， 减小动臂举升外阻力矩，有利于举升油缸的设计。 h ，m 点的选择：一般动臂举升油缸都布置在前桥与前后车架的铰接点之 间的空间旱，h 一般选在a g 连线的l 。1 3 。不要取得太大，它还要受油 缸行程的限制，而m 点一般选定在靠近自i f 桥的地方i l6 。 2 4 工作装置连杆机构的运动学分析 反转六连杆工作装置机构的运动学和动力学参数都与铰接点的坐标位置有 关，都是坐标变量的函数。主要参数有t 铲斗的位置角、卸载角、平移性、自动 放平性、卸载高度、卸载距离和倍力系数等。通过对它们的分析，可定量评估连 杆机构的设计质量，并为进一步修改提供可靠依据。 运动学主要包括铲斗对地位置角、最大卸载高度、最小卸载距离、卸载角、 平移性、自动放平性等主要指标的分析。 。铲斗对地位置角 如图2 4 所示，因为g 点和f 点同为一个铲斗上的两个点，所以铲斗在直角 坐标系中的平面运动可用g f 杆的平面运动来描述，而在铲斗举升过程中的各瞬 间时对地面的倾角，即铲斗对地位置角，可用g f 与地面的夹角口j 来表示。 1 4 第二章轮式装载机r t 作装置机构数学分析