（机械制造及其自动化专业论文）基于多体理论的工程机械动态仿真研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 f 多体系统是指具有大范围相对运动的许多刚体通过一定方式相互连接构 成的系统。近年来，多体系统动力学的研究日益受到了广泛的重视。一 方面是由于在航天器、高速机构、机械人、车辆等工程领域得到了广泛 的应用。另一方面，其研究在学术和理论上也很有意义。在系统的运动 过程中彼此产生相对运动，不仅构件数多、且受力情况复杂。多年来对其 所进行的运动学和动力学分析还不够深入。一方面，实际工程中要求挖 掘机施工速度更快，功率更大。可靠性更高；另一方面，随着计算机技 术的发展，使对挖掘机千百个工作位置进行运动丰睃力分析并从中确定 影响挖掘机强度和刚度的最不利工况成为可能。 机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术是国际2 0 世纪8 0 年代伴随计算机技术的发展而发展进来的一种计算机辅助工程技 术。它代替了传统的机械系统实物试验方法。且工程师可以在计算机上 建立样机模型，对模型进行各种动性能分析， 然后改进样机设计方案这 可大大简化产品开发费用和成本。本论文利用美国m d i 公司所a d a m s 软 件的强大功能，对挖掘机的主要性能指标进行了校核，为改进设计获得 了重要的数据。并利用a d a m s 的后处理测量功能获得了对挖掘机的工作 装置进行强度分析所必须的载荷参数。 有限元法也是伴随着计算机的发展而出现的一种现代计算方法。它 作为采用计算机的数值分析方法，在各个领域得到了广泛的应用。近年 来，各国相继玎发了许多通用、大型有限元程序。尤其要数荚幽a n s y s 公司推出的a n s y s 有限元分析软件，功能最为强大。本论文利用a n s y s 提供的实体建模、网格划分、加载和求解以及后处理功能对挖掘机中受 力状态最为复杂、变形最大的动臂进行了强度和刚度分析，并对p c 2 2 0 挖掘机的动臂进行了强度和刚度校核。证明其原来设计尺寸和横断面形 状变化合理。借助于a n s y s ，本人弄清了挖掘机的动臂的压力分布情 况，为进行和改进设计获得了第一手资料。有着很大的实用价值。 关键词： 窆堡丕筮鋈五嵯和动力学，生型搓扭和毯盘红真盘沐，夏 限元法，a d a m s ，a n y s i s ) 。一 v 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t m u l t i b o d i e ss y s t e mm e a n st h es y s t e mi nw h i c hm a n yr i g i d b o d i e su n d e r g o i n gr e l a t i v em o t i o ni nal a r g es c o p ea r e j o i n e dt o g e t h e rb yc e r t a i naw a y i nr e c e n ty e a r s ，t h e r e s e a r c ho fm u l t i b o d i e ss y s t e md y n a m i c si st h o u g h t h i g h l yo fw i d e l ya n dg r a d u a l l y o no n eh a n d ，i ti sw i d e l y a p p l i e dt os p a c e c r a f i s ，r o b o t sa n dh i g h - s p e e dm e c h a n i s m s ， v e h i c l e sa n ds oo n o nt h eo t h e rh a n d ，t h er e s e a r c ho fi th a s ai m p o r t a n tm e a n i n gi nt h e o r ya n dl e a r n i n g ，p r o m o t i n gt h e f u r t h e rd e v e l o p m e n ta n dm u t u a lp e r m e a t eo fm a n y i n t e r r e l a t e ds u b j e c t s e x c a v a t o ri st h em u l t i b o d i e ss y s t e m o fr e l a t i v e l yt y p i c a lc a s ea sak i n do fe n g i n e e r i n g m a c h i n e r y m a n yb o d i e sa r em u t u a l l yj o i n e dt o g e t h e rb y t h em o t i o n - r e s t r a i n e r sa n dm u t u a l l yr e l a t i v em o t i v ei nt h e m o t i o nc o u r s eo fs y s t e m n o to n l ym a n ya r et h en u m b e ro f b o d i e sb u ta l s ot h en u m b e ro ff r e e d o ma r em a n ya n dt h e s t a t u so ff o r c e su n d e r w e n ti sc o m p l e x s o ，i nm a n yy e a r s ， t h ea n a l y s i so fk i n e t i c sa n dd y n a m i c so fe x c a v a t o ra l s oi s n o tv e r yd e e p - g o i n g o nt h eh a n d ，t h er e q u i r e m e n to f e x c a v a t o ri sm o r ef a s ti ns p e e da n dm o r ep o w e r f u li n e f f i c a c y o nt h eo t h e rh a n d w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g y t h ea n a l y s i so fl o t sa n dl o t so f w o r k i n gp o s i t i o no fe x c a v a t o r ，a n dt h ed e t e r m i n a t i o no f t h em o s td i s a d v a n t a 2 e o u sw o r k i n gs t a t u si m p a c t i n gt h e i n t e n s i t ya n ds t r e n g t ho fe x c a v a t o rb e c o m ep o s s i b l e t h ei n v e n t e ds a m p l em a c h i n et e c h n o l o g yi nm a c h i n e e n g i n e e r i n ga l s oi sc a l l e da st h ea n i m a t e ds i m u l a t i o n t e c h n o l o g yo fm e c h a n i cs y s t e m i tr e p l a c e st h et r a d i t i o n a l e x p e r i m e n tm e t h o d s 2 山东大学硕士学位论文 b ya c t u a lb o d i e si nm e c h a n i c a ls y s t e m e n g i n e e rc a l lb u i l d s a m p l em a c h i n em o d e lb yc o m p u t e ra n d c a l la n a l y z et h e a n i m a t ef u n c t i o n sm o d e lt h e ni m p r o v et h ed e v i c ep l a no f s a m p l em a c h i n e ，t h ee x p e n s e sa n dc o s t sc a nb er e d u c e db y d e v i s e db ya m e r i c a nm d ic o m p a n ya n da n a l y z e st h es i z e d e v i c ea n dt h em o t i o na n dt h es t a t u so fs t r e s sa n ds t r a i n a n dp r o o f r e a d st h ec h i e ff u n c t i o ni n d e xo ft h ep c 2 2 0 e x c a v a t o rp r o d u c e db yx i a o s o n g - s h a n t u i t h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o da l s oi sam o d e mc a l c u l a t i o nm e t h o dw i t h t h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r i th a sb e e nw i d e l ya p p l i e di n m a n ys c o p ea sa n u m e r i c a la n a l y s i s m e t h o db yc o m p u t e r i n r e c e n ty e a r s ，m a n yc o u n t r i e sh a v ed e v e l o p e di ns u c c e s s i o n m a n yu n i v e r s a la n dl a r g e s t y l ef i n i t ee l e m e n tp r o c e e d s i nw h i c ht h ea n s y ss o f tw a r ep r o d u c e db ya m e r i c a n a n s y sc o m p u t e ri sm o s tp o w e r f u l t h et h e s i st a k a d v a n t a g e o fa n s y sa c t u a lb o d ym o d e l b u i l d i n gm e s h d i v i d i n g ， l o a d a p p l y i n g ，s o l v i n g ，a n d ，p o s t p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ， a n a l y z i n ga n dp r o o f r e a d i n gt h es t r e s sa n ds t r a i no fm o t i v e a r mo fe x c a v a t o r b yv i r t u eo ft h ep r o o f r e a d i n go fi t ，t h e r e a s o n a b i l i t yo fo r i g i nd e v i c es i z ea n ds h a p ec h a n g eo f t r a n s v e r s es e c t i o ni sp r o v e d k e y w o r d s ：k i n e t i c sa n dd y n a m i c so f m u l t i b o d i e ss y s t e m i n v e n t e ds a m p l em a c h i n et e c h n o l o g y ， t h ea n i m a t e d s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ，t h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o da d a m sa n s y s - 3 山东大学硕士学位论文 1绪论 1 1 多体系统动力学发展概况 多体系统是指具有大范围相对运动的多个剐体或柔性体通过一定方式相 互连接构成的系统。多体系统动力学是研究该系统力学性态的工程应用 基础学科。它涉及连续介质力学、结构动力学、计算数学、现代控制理 论等众多领域。近十几年来，多体系统动力学的研究日益受到广泛的重 视，一方面，由于在航天器、高速机构、机器人、车辆等工程领域得广泛 的应用；另一方面，其研究在学术和理论上也很有意义，推动了多相关学 科的进一步发展和相互渗透。而计算机技术的进步爿真诈促进了该学科 的发展并使其具有实际应用价值。多体系统动力学已成为当今应用力学 方面最活跃的领域之一。多体系统动力学研究始于6 0 年代中期，首先主要 是针对多刚体问题进行研究。f l e t c h e r ( 1 9 6 3 ) 首先利用增广体概念 导出与欧拉方程形式类似的双刚体系统动力学方程。h o o k e r ”1 和 w r v g u l i e s 。”导出同样形式的几个刚体树形系统的普遍动力学方程。 r o b e r s o n “3 和w i t t e n b e r g ”1 利用图论的概念描述多体系统结构，以邻 接刚体的相对位移作为广义坐标，导出任意刚体系统的普遍动力学方 程。h 述这些研究被认为是具有开创意义的工作。1 9 7 7 年w 什t e n h e r g 的 多刚体系统动力学的出版以及由国际理论与应用力学学会主持召丌的第 一次国际性的多体系统动力学讨论会，标志着这门学科基础理论体系已经 形成。7 0 年代后期，由于航天器飞行稳定性。姿态控制，交会对接的需求 和失败的教训，以及高速轻质机器人，车辆等复杂机械系统的高性能，高 精度设计要求，多体系统动力学已由多刚体系统拓广到多柔体系统。 1 2 计算多体系统动力学的任务 工程中的对象是由大量零部件构成的系统。在对它们进行设计优化 的性念分析时可分为两大类，一类称为结构，它们的特征是在证常的工 况下构件白j 没有相对运动。如房屋建筑、桥梁、航空器与各种车辆的壳 体以及各种零部件的本身。人们关心的是这些结构在受到载荷时的强 山东大学硕士学位论文 度，刚度与和稳定，它是固体力学与结构力学研究的内容。另一类称为 机构，其特征是系统在运动过程中这些部件问存在相对运动。如航空航 天器，机车与汽车，操作机械臂，机器人等复杂机械系统，上述复杂系统 的力学模型为多个物体通过运动副连接的系统，称为多体系统”1 。对于复 杂机械系统，人们关心的问题大致有三类： 一是在不考虑系统运动起因的情况下，研究各部件的位茕与姿态及 其它们变化速度与加速度的关系，称为系统的运动学分析。平面与空间机 构的运动分析是这类问题的典型例子。由于系统各部件间通过运动副与 驱动装置连接在一起，上述关系的数学模型为各部件的位置与姿态坐标的 非线性代数方程以及速度与加速度的线性代数方程。运动学分析归结为 术解线性或非线性代数方程。 二是当系统受到静载荷时确定在运动副制约下的系统平衡位置以及 运动副静反力。这类问题称为系统的静力学分析。如机车或汽车中要有 大量的弹簧阻尼器，在整车的设计中必须考虑系统在静止状念下车身的位 置与姿态，为迸一步讨论车辆的平稳性与操纵稳定性的研究打下基础。 三是讨论载荷与系统运动的关系，即动力学问题。研究复杂机械系 统在载荷作用下各部件的动力学响应是工程设计中的重要问题。已知外 力求系统运动的问题归结为求非线性微分方程的积分，称为动力学币问 题。己知系统的运动确定运动副的动反力的问题是系统各部件强度分析 的基础，这类问题称为动力学的逆问题。现代的机械系统离不丌控制技术 因此，工程设计中经常遇到这样的问题，即系统的部分构件受控，当它们 按已知规律运动时，讨论在外载荷作用下系统其他构件如何运动，这类问 题称为动力学正逆混合问题。 1 3 虚拟样机技术 机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动念仿真技术。是国际上2 0 世t 5 8 0 年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工 程( c a e ) 技术”1 。工程师在计算机上建立样机模型，对模型进行各种动 态性能分析，然后改进样机设计方案，用数字化形式代替传统的实物样机 山东大学硕士学位论文 实验。运用虚拟样机技术，可以大大简化机械产品的设计开发过程，大 幅度缩短产品开发周期，大量减少产品丌发费用和成本，明显提高产品 质量，提高产品的系统性能，获得最优化和创新的设计产品。因此，浚技 术一出现，立即受到了工业发达国家有关科研机械和大学、公司的极大 重视。许多著名制造厂商纷纷将虚拟样机技术引入各自的生产中，取得了 很好的经济效益。 根据国际权威人士“3 对机械工程领域产品性能试验和研究丌发手段 的统计和预测，传统的机械系统实物试验的研究方法，将在很大程度上 会被迅速发展起来的计算机数字化仿真技术取代。虚拟样机技术的研究 对象是机械系统。在这里，机械系统可视为是由多个相互连接，彼此能 够相对运动的物件的组合。1 。 在机械系统设计中有3 种性质不同的分析“0 1 ： ( 1 ) 机械系统的静力学分析。在一定条件下，机械系统变成一个刚性系 统，系统中各构件之问没有相对运动，此时主要是分析在种种力作用下， 各物件的受力和强度问题。 ( 2 ) 机械系统的运动学分析“。主要涉及系统及其各构件的运动等分 析，而与引起运动的力无关，运动等分析中，系统中一个或多个构件的 何罱或相对位置与时间的关系是规定的，其余物件的位置、速度、加速 度与时间的关系待定。 1 4 发展中的有限元法 有限元法是以计算机为手段的电算方法，它以大型问题为对象，未知数 的个数可以成千上万，因而为解决复杂的力学问题提供了一个有效的工 具。掌握了这个工具，过去不得已采用的过于简陋的计算模型已经为更 加符合实际的复杂模型所代替。计算工作的高速度与高精度使某些实验 手段开始成为过时的东西。随着优化设计方法的发展，使结构设计从单 纯的验算过程变为真f 的设计过程。为了适应计算机特点，在有限元法 中广泛采用了矩阵方法1 。可以说，有限元法的发展借助于两个重要的 工具：在理论推导中采用了矩阵方法；在实际计算中采用了计算机。有 山东大学硕士学位论文 限元、矩阵、计算机三位一体。因此，有限元法有时又称为结构力学的 矩阵分析。有限元法的雏形是刚架位移法，刚架位移法的要点是：先把 刚架拆成多个杆件，再将杆件综合成整个刚架。在分一合，拆了再搭 的过程中，把复杂刚架的计算问题转化为简单杆件的分析与综合问题。 化整为零，化零为整，把复杂结构看成由有限个单元组成的整体，这就 是刚架位移法的基本思路，同时也是有限元法的基本思路”“。现代有限 元法的第一个成功尝试是将刚架位移法的解题思路推广应用于弹性力学 平面问题。这是t u r n e r 等人在分析飞机结构时于1 9 5 6 年得出的成果。用 有限元法分析时，先把图中的弹性连续体进行离散化，变为由有限个三 角形单元在角点铰结的组合体。然后对离散化的组合体进行拆了再搭的分 析，先从组合体中取三角形单元进行单元分析，再综合进来进行总体分析 由此求出离散体系的应力。这样就得出了连续体应力状态的近似解答。 由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题“，对拱堤、涡轮叶片 3 、飞机及船体等复杂结构进行了应力分析“，由平衡问题扩展到稳定 问题与动力学问题“，对结构在地震力与波浪力作用下的动力反应进行了 分析，出弹性问题扩展到弹塑性与粘弹性问题”、土力学与岩石力学问 题“，疲劳与脆性断裂问题”0 1 。由结构计算问题扩展到结构优化设计问 题”。如果从应用数学角度来看，有限元法的基本思想的提出可以追溯 至j 1 4 0 年代库朗等人的工作。 目前，有限元法作为一种离散化的数值解法，已经成为应用数学的一 个新的分支。经过三十多年的发展有限元法已成为一门同益成熟的学 科。近束研究较多的问题，可归结为下列几处方面： ( 1 ) 新型单元的研究1 2 ”( 2 ) 有限元法数学基础的奠定( 3 ) 向新领 域的扩展( 4 ) 通用程序的编制和设计自动化研究【22 1 。 1 5 挖掘机的发展概况 挖掘机械的最早雏形，远在十六世纪于意大利威尼斯用于运河的疏浚 工作。模拟人的掘土工作，随着工业发展，科学技术的进步，单斗挖掘 机也由于新技术、新工艺的采用而不断的发展改进。但它的基本工作原 山东大学硕士学位论文 理至今未变。动力装置以及控制方式的不断革新、基本上反映了挖掘机 发展的几个阶段。 ( 1 ) 蒸汽机驱动的单斗挖掘机【2 3 1 ，从发明到广泛应用，大约经历了1 0 0 年。当时主要用于丌挖运河和修建铁路。结构型式由轨道行走的半回转 式，发展到履带行走的全回转式。 ( 2 ) 挖掘机传动型式的液压化，是由挖掘机由机械传动型式的传统结构 发展到现代结构的一次跃进。 随着液压传动技术的迅速发展，四十年代至五十年代初挖掘机开始应用 液压传动，并且由半液压发展到全液压传动。产量日益增长，六十年代 初期液压挖掘机产量占挖掘机总产量1 5 ，发展到七十年代初期占总产 量9 0 左右，近年来，西欧市场出售的单斗挖掘机几乎已全部采用液压 传动。与此同时，斗轮挖掘机、轮斗挖沟机等工作装置和臂架升降等部 分也采用了液压传动。大型矿用挖掘机在基本传动型式不变的情况下， 其工作装置也改为液压驱动。 ( 3 ) 控制方式的不断革新，使挖掘机出简单的杠杆操纵发展到液压操 纵、气压操纵、液压伺服操作和电气控制，无线电遥控，最近又出现了 电子计算机综合程序控制【2 “，控制人员可在远离施工现场的集中控制室 内通过工业电视监视数台挖掘机工作。 1 ，6 单斗液压挖掘机的发展趋势 单斗液压挖掘机代问世以来，经历了探索、发展和提高等阶段，到目 前，在不少国家已经取代了建筑等部门所用的中小型机械传动挖掘机， 大功率采掘用全液压j l 铲挖掘机也在 i r 山上推广使用，并墩得醍j f _ f 结 果。随着工业生产技术水平的提高和国民经济对采掘工作要求的增长， 进一步改善和发展单斗液压挖掘机是生产和研制部门的重大课题。 近十多年来，国外单斗液压挖掘机产量急剧上升，结构逐步完善， 在工程和采掘行业中占有很重要的位置。液压挖掘机迅速发展的根本原 因，在于机械本身的优越性( 重量轻、挖掘能力大、生产率高) 、通用 性好、操纵轻便、容易贯彻“三化”) ，也由于下述几个因素：( i ) 重 视试验研究工作，液压挖掘机的研制除了保证机械技术性能以外，十分 重视挖机的使用经济性和工作可靠性，研制过程中，进行各种性能试验 和可靠性试验，包括构件强度试验、系统试验、操纵试验、耐久性试验 等等，并具备有相应的试验设备，例如有的耐久性试验台每秒钟作 2 5 0 1 0 0 0 次脉冲，对挖掘机模型进行任意波形的加载，作可靠性试验， 进行了二百万次反复脉冲以后基本上测定了机械的使用耐久性，并利用 电子计算机和磁带已录仪同时对三百个测点进行快速测试和分析1 2 5 1 。新 研制的机型，要通过严格的科学试验和用户评价，才进行定型生产： 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 重视电子计算机技术的引用，加快了新产品的发展速度，国外发展 有总体、工作装置、液压系统等的设计程序，出现了总体优化设计方法 和适合于计算机数据处理的数学模型描述液压系统和元件特性的程序 1 2 6 ，这样，就可以利用计算机在很短的时间内进行总体设计，新产品从 设计到批量生产的周期缩短到2 3 年左右。 当前单斗液压挖掘机的研制和改进【2 “，主要着眼于： ( 1 ) 发动机功率的充分有效利用，通过各种途径使机械多做有效的功，其 中包括动力装置与液压系统的最佳匹配，传动效率的提高，回转机构 功率的回收，高效液压系统( 如恒压恒功率调节等) 的研究等 ( 2 ) 铲斗挖掘力的充分发挥，挖掘力大小和有效作用范围是衡量各种液压 挖掘机工作能力的重要指标，大型矿用正铲挖掘机更为重要，目前是 通过工作装盖铰点最佳位置，采用高压与超高压技术，提高整机稳定 性和采用随动机构使铲斗随动做恒角切削等方面进行研究【z 酬；根据上 述发展要求，新研制的单斗液压挖掘机在整机、工作装置、液压系统 与元件、行走装置、操纵系统和材料作用等方面有下列动向： 1 6 1 整机 单斗液压挖掘机的整机发展，趋向于大型化、微型化、多能化和专用 化。 大型矿用全液压挖掘机在短短几年内已由1 0 0 吨级发展到4 2 0 吨级，功 率提高到2 3 5 2 马力，斗容达3 0 米3 ，目前发展仍是方兴未艾。大型机的 特征是动力源采用两台或多台柴油机联合驱动，采用了节省能源、回收 功率和积蓄能等功率有效利用的措施。 结合城市建设和农村建筑的需要，国外发展了微型挖掘机，斗容量一般 在0 2 5 米2 以下，最小的达0 0 1 米3 。微型机的特点是结构简单，轻便 灵活，零部件尽量提高标准化程度。 数量最庞大的中型机和小型机趋于一机多能的途径，有的国家统计，非 建筑用的中、小型机已占3 0 左右，主要是在冶金工业和林业中作物料 装卸和其他用途。中型机和小型机的特点是发展多种专业装置进行不同 的作业( 也有通过液压接头，带动装在工作装置旁的油马达，驱动另一 输送设备) ，不断提高性能，贯彻三化和提高单位机重的马力等。 发展专门用途的特种挖掘机，可以提高工作效率，解决特殊施工困难， 例如，目前发展有步履式、履带低比压式、低噪音、水下专用、水陆两 用等品种。配合水下资源的开发，对水下专用挖掘机更较重视，丌展了 无线电遥控，丌展了无线电遥控，丌展了无线电遥控、电液遥控和同步 显示控制技术在水下挖掘机中应用的研究。 山东大学硕士学位论文 1 6 2 工作装置 液压工作装置的型式进一步扩大，除了常用的正铲、反铲以外，发展了 起重、抓斗、平坡斗、装载斗、耙齿、破碎锥、麻花钻、电磁吸盘、振 捣器、推土板、冲击工具、集装叉、高空作业架、绞盘与拉铲等几十种 品种。工作装置的更换快速而简便，甚至在司机室内按动电钮，几秒钟 即可换好，并且通过挖掘过程的研究，来控制工作装置的挖掘轨迹【2 9 i ， 目前正在研究连秆式、仿形式、套筒伸缩式、斗杆追随式和具有运算输 入装黄的轨迹控制装置。 1 6 3 液压系统和元件 液压系统向高压和超高压发展。采用多泵多回路全功率或分功率变量系 统，进行系统和机体相结合的综合研究，还重视了系统发热，系统压力 和流量损失，液压功率利用等问题。 液压元件将逐步提高可靠性和效率，减少振动和噪音，提高油泵的转速 和压力，增大油马达的低速稳定性和调速范围，提高元件功率，延长寿 命，发展小型化组合阀，并逐渐发展结构紧凑的集成化液压元件。 1 6 4 行走装置 履带行走装置将进一步改善行走性能和增加速度档数，用变量马达代替 定量马达，与变量泵结合以后，实现两次变量，进一步扩大变量范围。 采用超宽超k 履带，接地比压减小到0 2 5 公斤厘米2 以下。此外，还广 泛引用工业拖拉机的通用底盘来代替专用底盘，通用化程度达到7 0 以 上。 轮胎式底盘将进一步提高行驶速度，采用多速车轮马达，扩大范围。 1 6 5 操纵系统 操纵系统趋向于轻便化，采用伺服机构，使操纵力减d , n0 2 公斤，实 现“手指”操纵。进一步发展为电液遥控、无线电遥控和电子计算机程 序控制，使司机实现按钮操纵，甚至可取消司机室，利用移动式控制台 进行操纵。操纵系统设置故障自动检测装置，自动指示故障并自动排除 故障。 司机室扩大司机视野，尽可能减少死角，装设冷暖和空调设备，尽量减 少司机的操作动作，逐渐发展用计算机和液压自动机构使机械根据作业 情况自动调整力和速度。 山东大学硕士学位论文 展望八十年代及更远，单斗液压挖掘机的进一步发展，可以设想 为： 1 、提高功率与机重的比率，这是最关键的内容。采用特种高强度钢材， 设计重量轻、强度商的挖掘机，并用用优化设计方法达到机械各项指标 的均衡。 2 、铲斗和斗齿引用振动技术，不用强力而增大贯入性，加大斗容量。矿 用挖掘机具有特种装噩【30 1 ，可以直接丌挖一般矿石，而毋需爆破。采用 功率可调的激光装嚣进行挖掘。 3 、用燃气轮机取代活塞式柴油机，燃气轮机直接与高压油泵相连。然 而，由于环境保护的原因，燃气轮机最后将被燃料电池所取代，由燃料 电池发电驱动液压挖掘机。 4 、液压系统将会简化，执行元件的运动直接由油泵控制，而不用换向操 纵阀。工作装置各铰点装以密封式摆动油马达，取代工作油缸。 5 、带行走装置增加行驶速度，重新设计行走传动，不用常规的刚性车 架。采用气垫行走支承装置代替履带，减少接地比压，便于定位。 2 虚拟样机技术在单斗液压控掘机设计中的应用 2 1 单斗液压挖掘机的基本组成和工作原理 是一种采用液压传动并以一个铲斗进行挖掘作业的机械。它是在 机械传动单斗挖掘机的基础上发展而柬的。是目前挖掘机械中重要的 晶种。它的作业过程是以铲斗的切h 0 刃( 通常装有斗齿) 切削土壤并 将土装入斗内。斗装满后提升，回转到卸土位置进行卸土。卸完后铲 斗再转回并下降到挖掘面进行下次挖掘。当挖完一段土后，机械移位， 以便继续工作。 单斗液压挖掘机为了实现上述周期性作业动作的完成，装备有下列 基本组成部分： 工作装置、回转机构、动力装置、传动操作机构，行走装置和辅助设 备。常用的全回转式挖掘机，其动力装置、传动机构的重要部分、回转 机构、辅助设备和驾驶室等都装在可回转的平台上。 液压挖掘机与机械挖掘机的重要区别在于： 山东大学硕士学位论文 机械传动的挖掘机采用齿轮，钢丝滑轮组等零件组成。液压挖掘机则 采用液压传动传递动力。它由油泵、油马达、油缸、控制阀及油管等 液压元件组成。由于传动装置不同，控制装冕也不同。 机械传动挖掘机采用各种摩擦传动和啮合传动，用制动器来控制各 个机构的起动、制动、逆转和调整等运动。柴油机驱动两个油泵，把 高压油输送到两个分配阀。借助分配阀，将高压油再送往有关液压执行 元件、( 油缸或油马达) 驱动相应的机构进行工作。 液压挖掘机的工作装置采用连杆机构原理，常用的反铲装置由铲 斗、斗杆、动臂、连秆以及相应的三组油缸组成( 动臂油缸、斗杼油 缸、铲斗油缸) 。动臂下铰点铰接在转台上，利用动臂油缸的伸缩，使 动臂绕动臂下铰点转动，依靠斗杆油缸使斗杆绕动臂的上铰点摆动。 而铲斗铰于斗杆前端，并通过铲斗油缸和连杆使铲斗绕斗杆前铰点转 动。 挖掘作业时，接通回转机构油马达，转动上部转台使工作装置转动 到挖掘地点。同时，操纵动臂油缸，小腔进油，油缸回缩，动臂下降 至铲斗接触挖掘面为止，然后操纵斗杆油缸和铲斗油缸，油缸大腔进油 而伸长，使铲斗进行挖掘和卸载工作。斗装满后，将斗杆油缸，铲斗 油缸关闭，动臂油缸大腔进油。使动臂升离挖掘面，随即接通回转马达 使斗转到卸载地点，再操纵斗杆和铲斗油缸回缩，使铲斗反转进行卸 土。卸完后，将工作装置转至挖掘地点进行第二次循环挖掘工作。 反铲装置是中小型液压挖掘机的主要工作装置。目前广泛应用的 斗容量在1 6 3 以下。它由动臂、斗杆、铲斗以及动臂油缸、斗市油 缸、铲斗油缸和连杆机构组成，其构造特点是各部件之间的联系全部 采用铰接，通过油缸的伸缩来实现挖掘过程中的各种动作。为增大铲斗 的转角通常以连杼机构与铲斗连接。反铲主要用于挖掘停机面以下土 壤( 基坑、沟壕等) 。其挖掘轨迹决定于各油缸的运动及其相互配合 情况。当采用动臂油缸工作束进行挖掘时( 斗杆和铲斗油缸不工作) ， 可以得到最大的挖掘半径和最长的挖掘行程。此时铲斗的挖掘轨迹系 山东大学硕士学位论文 以动臂下铰点为中心，斗齿至该铰点的距离为半径所作的圆弧线。其极 限挖掘高度和挖掘深度( 不是最大挖掘深度) 即圆弧线之起终点，分 别决定于动臂的最大上倾角和下倾角( 动臂与水平线之夹角) ，也即决 定动臂油缸的行程。由于这种挖掘方式时间长而且由于稳定条件限制 挖掘力的发挥，实际工作中基本上不采用。 当仅以斗杆油缸工作进行挖掘时，铲斗的挖掘轨迹为圆弧线，弧线的 长度与包角决定于斗杆油缸的行程。当动臂位于最大下倾角，并以斗杼 油缸进行挖掘工作时，可以得到最大的挖掘深度尺寸，并且也有较大的 挖掘行程。在较颦硬的土质条件下工作时，能够保证装满铲斗，故挖 掘机实际工作中常以斗孝t 油缸工作进行挖掘。圆弧线、包角及弧长决 定于铲斗油缸的行程。显然，以铲斗油缸工作进行挖掘时的挖掘行程 较短， 如使铲斗在挖掘行程结束时装满土壤，需要有较大的挖掘力以保证能 挖掘较大厚度的土壤。所以一般挖掘机的斗齿最大挖掘力都在采用铲 斗油缸工作时实现。 采用铲斗油缸挖掘常用于清除障碍，挖掘较松软的土壤以提高生 产率。因此，在一般土方工程挖掘中，转斗挖掘较常采用。在实际挖 掘工作中，往往需要采用各种油缸的联合工作。如当挖掘基坑时由于 挖掘深度较大，并要求有较陡而平整的基坑壁时，则需采用动臂与斗 杆两种油缸的同时工作，当挖掘坑底，挖掘行程将结束为加速将铲斗装 满土，以及挖掘过程需要改变铲斗切削角等情况下，则要求采用斗杆与 铲斗油缸同时工作。虽然此时挖掘机的挖掘轨迹是由相应油缸分别工 作时的轨迹组合而成。显然，这种动作能够实现还决定于液压系统的 设计。 当反铲装置的结构形式及结构尺寸已定时( 包括动臂、斗杆、铲 斗尺寸、铰点位置，相对的允许转角或各油缸的行程等) ，即可用作图 法求得挖掘机挖掘轨迹的包络图。即挖掘机在任一诈常工作位置时所 控制到的工作范围，图上各挖制尺寸即液压挖掘机的工作尺寸。对于 尔人学颁i j 。位沦义 反铲装置，主要i l ：j ：e f i ；尺i j 为最火挖掘深度干最人挖拥j t 。包络f 錾j t i j 可能有部分区m 靠近融至深入到挖掘机停机点以f ，这一范f 目的一l ： 壤且 可挖及，但l j j 能引起：i 二壤的j 0 jj 5 j i n 掳錾i 咖帆械的稳定和灾个 ：f 17 。 除彳条件的挖沟作业外一般刁i 使川，敞二f r 的往挖- i ) ；i y r j l j _ - f t - j i j - | 纠j 二柏：i j 有效工作范田。或以虚线表川此段挖妊i i 轨迹。 挖掘机反铲装胃的最火的挖掘，j 除决定：j 二液j r 系统的l 作堰j i l l 缸尺- j ，以及符_ ；f | l 缸m f l 0 i i 巾0 影| i n ( h 、动坩f i l l3 i i ：f i ，j 川锁压j 及 力臂) 外，还决定于整机的稳定和地丽附精情况。l 圈此工作裟胃不州能 在任何位置都能发挥最人挖掘力。反铲挖掘速度龙结构t i j 已定 况 下，决定于液压系统对： 作汕缸的供汕祜列动惜汕0 i i ； l i ? i 朴i i l l3 i l l 来 说，为丁提高其单独工作时的挖掘迷发，在液j 正系统t 旧r 采川合流f j 吲 施来保h e ，液压反铲都采f j 转斗卸二l ，卸载较准确、，卜稳，他1 ：装乍。： 鲮 1 l ，、匕老蘑霸 群 芝芝 i 一、卜 r r y 芦荆蓊 王受； u 逮 k f n r i 此：亳写满7 剑 斟 _ 、一 曲 一_ - r + 卜 彳 州 彳 ；，i，j f 一、 ， n计 r 一 图2 卜一1 挖掘机工作示意图 f l j 。液j - ：挖掘nj | j j c 的 ：f 1 ：毒2 肖：f ；rj f j 的仃反铲、i i i 铲、装拽、抓删 ，世匝装胃。1 丛本构造干工作特 一i 叙述蛐ii ： i i f l i ：广泛j 、v 川f | ：川窬竹n 6 米3 以f ? 。反自“专2 h 足一i ，小叫 液爪挖捌 j l l 的1 ：嘤t 和裴胃，如 i ? 周所d - ： 液j i 挖执f4 【反铲装肖：i ij 动v f 1 、斗朴2 、铲：i3 以及劫讨油 4 、，i 油缶【5 、铲? 胁：6 删迮 柑机陶7 等组成。j 构造特点足各挪什之m 的联系全部粟川饺接，迎过 油缸f 1 0 伸缩术实现挖掘过程t ，的符种动作。 动僻n 0 下饺点与吲转、卜台饺接，j f ：以动臂油缸_ ：曼，j ：= ：和。殳动动踏的 倾们，通过动臀汕缸的仲缩町使动侍绕i - 铰l i 转动i t l i 降。_ 铰接j ： 功臂的上端，斗杆与动臂的j | j 刈位置i ：i 阳吣1 托锄4 ，当：1 杆；l i j 缶i 仲缩 东人学硕1 ：学位沦义 时，- i 杆便可绕动臂上铰点转动。铲斗与斗，| ：l ：1 1 i 端铰接，- j l ：i r m 过铲 缸 i | j 缩使铲斗绕该点转动。为增大铲- i 的转角，通常以连朴机构与铲 连接。 2 2 运动分析 反铲装胃的具体结构型式虽多，似常见n 0 只一仃f 彩利按运动学分析， j 川，有实质差别的机构型式不过j l , l l ，m 匕f fj 之m 还仃柏! 竹n ：多j d 点。有些不同点在运动学i ：还能以通川的数产表达表示。现对最此j 诬 柏结构型式作较洋矧l 的运动分析，以便借助二j ：i 乜予汁算机进行方案比较 羽i 参数选择。 反铲装鬻实质上是一组5 卜丽连柑机构。它的臼i h 艘通常为3 。 反铲装簧的儿何位胃l 议决了：动恃油缸的i ! 度l i 、? l i ：f l l l ：l i l ；r 1 j 长度l 二 羽l 铲斗油缸的长度l 3 。鼹然，当l l 、l 2 和l 3 为菜一绑【确定值| 时反铲城 臀就榭应处于一个确定的几似化 戳。盘图j i 面直角坐标系，使x 轴与地平面重合，y 轴与挖抓f 机 旧转i i j 心线重合。则斗齿尖v 所 e n 0x 坐枷；值，就表力挖掘、i ! f 垒， y 性标位为一仙时就农j j 挖捌灌 度，为负值时表刀挖拥i 深度。必 须注意，当l i 、l 2 用ll 3 为一纰定 值时j l 有一组x v 和y v 值与j e 刈 应，反之对于x v 嗣jy v 的一组定 值上有许多组l l 、l 二和l 3 值与其 川应。 图2 2 1 反铲运动分析的直角坐标系 l i 东火学硕i ：学位论文 l j 囤 艟 l 乓 毒 嘿 剿 n n 囤 山东大学硕士学位论文 2 2 1 机构自身几何参数 机构自身几何参数有三类：第一类是决定机构运动特性的必要参 数，称原始参数，这里主要选择长度参数作为原始参数。 第二类是由第一类参数推算出为的参数，多为运算中需要的角度参 数；第三类是作方案分析比较所需要的其它特性参数。 反铲机构自身几何参数的计算图式及有关符号示于图2 1 1 。 反铲机构各部分原始参数、推导参数和部分特性参数见表2 2 1 所列。 反铲机构自身几何参数表2 2 1 推导参数 4 6 = l g f n o ，= a h q f 4 l = a n f q 睁鲁1 ， 皆 ，l ， k 3 = 粤，l 。 a l l 4 ，= l c z f ， 特性参教 口= l ，1 5 k 。= l 。i lz 一斗杆*l ，动臂长悬挂式4 l 。= a a c u 备注 a ，动臂弯角 各工作油缸运动参数的意义见下表。 山东大学硕士学位论文 各工作油缸运动参数的意义见表2 2 2 。 反铲工作油缸运动参数表2 2 。2 参数意卫 瞬时长度 垒鳢长度垒仲长度 油缸种类特性 参 数 时力臂 全缩力臂全坤力臂 投特 孽 l l l ；! ：1 2 动臂油缸 e i e l e l ： l l _ f l tl 1 l k = 当! ! !斗扦油赶 l ， p 2c ，- l ， u 1 一 l 3 碡鼍 铲斗油缸 p ，e e 2 2 2 动臂的运动 1 、动臂的摆角范围妒- i l ls g , zl 和各点瞬时坐标 妒- m n 。：是l i 的函数。动臂上任意一点在任一时刻的坐标值也都是l 的函数。 设特性参数p l l 。；。z5 。仃：，； 当l 1 2 l l m 一得： ，= z a c b o = c o s “ ( f ，2 “2 一z l m m2 ) 2 ，i = c o s “阽2 + 1 2 2 盯) 】 2 2 2 1 当 l t l t m 。 时得： o t , , , 。z a c b ：= c 。s “，2 鹄2 - 2 2 l ， 。一峙：小印一) z d l 动臂摆角范围为： p 删= 毋。一目川。 2 2 2 2 一s 一，峙：+ l - 2 ，2 ) ，z 口 - c o 。一l 峙：+ 1 - 92 ) j2 。 z n ， 山东大学硕士学位沦文 ：。善动储的瞬l 时转角为： 。舶= 伽一p ：+ l p ：( 厶l 。) 2 】2 盯 - - c o y - i 帖：+ i p ：) 2 盯】2 2 2 4 不难列出动臂上任意一点的坐标方程，脱j i 射| i 婶f 点的坐振疗程。 山一f 图得：口。：z b c u ：只一口。，= f 舢+ 【( ，2 十7 ，! 一l i z ) 2 1 ，f ，】一口。2 2 2 5 令岱2 l = u c f = 口”一口2 当f 点在水平线c u 之一f l w , fa z l 负，7 i 则为i n 图2 2 2 1f 点坐标计简简图 x | 杯办氍为 c t i 的y f 标位为： r 图2 2 2 2 动臂摆角范围计算