挖掘机反铲工作装置性能分析

2002年 MSC.Software中国用户论文集挖掘机反铲工作装置性能分析Performance Analysis of Excavator Backhoe Mechanism于硕 (中国一拖技术中心)摘 要: 在进行挖掘机工作装置的设计时，评估设计方案合理与否是至关重要的环节，但由于相关的性能指标众多，计算量很大，往往不能达到满意的效果。在设计某小型挖掘机的工作装置时，我们使用MSC.ADAMS软件进行分析、评估和改进，取得了良好的效果。Abstract: When a excavator backhoe mechanism being designed, it is important to evaluate the reasonability of the scheme. But for numerous parameters and computational workload, it is difficult to obtain a satisfying result. Now with MSC.ADAMS，We can easily analysis, evaluate and improve the scheme of a small excavator backhoe mechanism, and finally a satisfying scheme is accomplished.1、概述对于挖掘机的工作装置来说，设计的目标是充分发挥整机的效能，达到最大的生产率，具体可以表述为在满足一些基本作业要求的前提下尽量加快挖掘速度、扩大挖掘范围、提高挖掘力。很显然，这三个目标是相互矛盾的，比较而言，挖掘力是主要方面，挖掘力如果不能克服挖掘阻力，动作速度就等于零，就需要减薄切土厚度，实际降低了挖掘速度。而挖掘力太富裕不但没有实际意义而且影响液压缸动作速度，同样降低生产率。由于实际作业环境及挖掘工况的复杂性，模拟真实的挖掘阻力情况是很困难的，本文主要通过分析挖掘机在作业范围内可发挥的铲斗挖掘力情况，来评估工作装置设计的合理性。2、工况分析如图1所示，液压挖掘机的工作装置由动臂、斗杆和铲斗组成，三个构件分别铰接于回转平台、动臂和斗杆，并由三组油缸驱动。铲斗挖掘工况下，不考虑偏载，整个系统可以看作平面机构，主动力由铲斗缸GH产生，产生的挖掘力作用于点V， 并与QV垂直。挖掘机可能实现的挖掘力与许多因素有关，主要包括：1）、铲斗液压缸推力；2）、动臂液压缸闭锁能力；3）、斗杆液压缸闭锁能力；4）、整机前倾稳定性；5）、整机后倾稳定性；6）、整机与地面的附着力；7）、土壤阻力；8）、工作装置的结构强度。图 1在此不考虑工作装置的结构强度，并假定土壤阻力不会限制挖掘力的发挥，经过初步计算，挖掘力远小于整机与地面的附着力，故此项条件也不考虑。对于稳定性条件，可以用挖掘机的前后支重轮所受的反力表示，当反力小于零时即认为挖掘机失稳，这样，在作业范围内，所有挖掘力限制条件可用反力表示，并可分为与结构重力有关的部分和与挖掘阻力有关的部分。这样，在作业点（x,y）处限制条件i的反力可以写作：式中：f 挖掘阻力ki 条件i的传力比函数，Gi 结构重力形成的条件i反力部分既然假定土壤阻力不会限制挖掘力的发挥，实际挖掘力即为挖掘阻力的反力，由限制反力Condi决定的挖掘力为由此可知，在该点可发挥的最大挖掘力为：3、模型建立在MSC.ADAMS中，把工作装置的各铰点定义为回转副(revolute)，油缸的活塞杆和缸筒间定义为滑动副(slide)，为获得前后支点的支反力，在前后支重轮处各定义一个球铰。为获得传力比，在V点施加一个垂直于QV、与阻力方向相同、固定大小的力，在铰点A、D、G处分别定义沿油缸运动方向力的测量（measure）。为取得挖掘范围内所有点的最大挖掘力，须以三组油缸的长度为变量定义三重循环来计算，由于工作装置在每一挖掘点有任意多种挖掘姿态（挖掘边界除外），即不存在从某一挖掘点V（x,y）到某一组油缸长度的一一映射，同时由于循环步长不可能无限小以及运算精度的限制，实际上以此方法无法判定在某一挖掘点的最大挖掘力。为解决这个问题，作一些简化。首先对工作装置的转斗机构单独进行分析，得到传力比曲线如图2所示，可以看出，传力比曲线只有一个峰值，且当铲斗缸行程为215mm时，转斗机构有最大传力比0.344。显然，最大铲斗挖掘力应在此行程附近产生，因此，可以把铲斗缸的行程固定为215mm，以此条件计算可以得到近似的最大挖掘力结果。需要注意的是前面的公式推导都是在静力平衡条件下，为减小惯性力的影响，有意降低油缸的速度，验算表明此时误差极小，可以忽略不计。行程 (mm)图 2传力比 4、数据处理和结果分析在MSC.ADAMS中计算得到的结果是以时间为横坐标，挖掘力为纵坐标的二维曲线，为更直观地观察结果，把时间坐标转换为位置坐标（x,y），并以挖掘力值为z坐标，将计算结果以空间点的形式传送到Pro/E中并拟合成曲面，并绘出等值线图，分别如图3a、4a、5a所示。用同样方法可以得到挖掘力受限条件图。综合图4a和图5a可以看出，由于动臂缸和斗杆缸闭锁力不够，铲斗缸在大部分范围内无法发挥全部推力，而在小范围内，最大挖掘力却超过了设计要求。这说明机构和油缸的配置不甚合理，根据以上分析，适当地加大动臂缸直径，减小铲斗缸直径，重新计算结果如图3b、4b、5b所示，对比两结果，虽然修改后的方案最大挖掘力有所降低，但在大部分范围内都可以产生较大的挖掘力，这正是希望得到的结果。以上分析表明，适当修改油缸参数后，挖掘机的铲斗挖掘性能有大幅度改善，整个机构趋于合理。需要说明的是，本文只是针对最大铲斗挖掘力作了分析，除此之外，对挖掘机工作装置还有许多其他性能要求，但都可用同样方法进行分析，限于篇幅，不再赘述。 (a)(b)图 3(a)(b)图