基于Adams和edem联合仿真的挖掘机工作装置的设计

山东科技大学学士学位论文0所有凸台都是从草图开始的。与凸台相反，切除用于在模型上去除材料。和凸台一样，切除也是从二维草图开始的，通过拉伸、旋转或其他建模方法去除模型材料。一般来说，内圆角和外圆角是添加到实体而不是草图上的。根据所选的边和表面连接的情况，系统将自动判断圆角的过渡类型，创建外圆角或者内圆角。设计意图决定模型如何创建与修改。特征之间的关联和特征创建的顺序都会影响设计意图。使用 SolidWorks 绘制反铲挖掘机工作装置中的各个零部件，图 3-5 到图 3-7 分别为在 SolidWorks 中创建的部分三维模型。所有模型经过装配即可形成反铲液压挖掘机的整体三维模型。图 3-5 基台图 3-6 动臂图 3-7 铲斗山东科技大学学士学位论文0图 4-6 动臂油缸的速度曲线图 4-7 动臂油缸的加速度曲线4.1.4 斗杆液压缸工作仿真斗杆液压缸工作方式即保持动臂和铲斗的姿态不变，使斗杆围绕着动臂和斗杆的铰接点来转动。此工作方式经常在挖掘坚硬的土质是应用。通过测量点在y和z 方向上的位移图线可以可得到最大的挖掘深度尺寸。在各液压缸移动副处的函数设定如下：动臂液压缸处的函数设定为step(time,0,0,0.6,0.254)，函数表示的意义就是在0到0.6秒之间，操作液压挖掘机调整动臂液压缸从初始位置至全缩状态。山东科技大学学士学位论文1铲斗液压缸处的函数设定为step(time,0.6,0,2,0.681)，就是在0.6秒到2.0秒时来调整铲斗的液压缸，在1.0秒时使斗杆与动臂的铰接点、铲斗与斗杆的铰接点三个点和标记点成一条直线。在斗杆液压缸的移动副处的运动函数step(time,2,0,3,1.313) + step(time, 3,0,5,-1.313)，就是在 2秒到 3秒时先调整斗杆液压缸，使斗杆收缩，3秒到5秒时再调整斗杆液压缸，使斗杆液压缸伸长。应用Adams后处理分析得到斗杆液压缸的仿真结果，如图4-8所示。图 4-8 斗杆油缸的加速度曲线4.1.5 铲斗液压缸工作仿真当挖掘机的挖掘工作只使用铲斗液压缸（动臂和铲斗液压缸此时不进行工作）来进行时，其挖掘轨迹的圆心是铲斗与斗杆的铰接点，挖掘轨迹的半径为铲斗与斗杆的铰点到铲斗中齿齿尖的距离。弧的长度决定于铲斗的转角。因为铲斗挖掘方式和挖掘行程比在以前的两个方法要短，为了使铲斗可以挖掘过程中填充满，需要有相对大的挖掘力量来对厚度大的土壤进行挖掘。山东科技大学学士学位论文2在铲斗液压缸的移动副处的驱动函数：step(time,0.6,0,1,0.724)+step(time,3,0,3.2,-0.045)+step(time,4,0,5,-0.681)+step(time,7,0,9,0.724)就是在 0 到 0.6 秒时来调铲斗的液压缸，使铲斗液压缸全缩，在 3 秒到 5 秒时来调整铲斗液压缸至全伸，在 7 秒到 9 秒时来调整铲斗液压缸至全缩。应用 Adams 后处理分析得到动臂液压缸的仿真结果，如图 4-9 所示。图 4-9 铲斗油缸的加速度曲线挖掘机工作装置仿真结果如表4-1所示。表 4-1 工作参数仿真值基本参数 最大挖掘半径最大挖掘深度最大卸载高度最大挖掘高度最小回转半径仿真值 10287mm 6955mm 7231mm 10145mm 3394mm山东科技大学学士学位论文34.2 工作装置的动力学仿真4.2.1 添加驱动对于对称载荷来说，假设外载荷沿切削刃均匀分布，此时用在铲斗斗齿中央的集中力代替。液压缸的液压力是挖掘机工作装置运动的原动力，故在液压缸筒和活塞杆之间添加驱动，各个油缸和旋转驱动驱动函数设置如下：定义动臂油缸上的驱动方程为：STEP(time,0,0,1,150)+STEP(time,1,0,5.0,0)+STEP(time,5.0,0,8.0,-390)+STEP(time,8.0,0,10.3,0)+STEP(time,10.3,0,8,11.3,0)+STEP(time,11.3,0,14,-40)+STEP(time,14,0,11.3,-40)定义斗杆油缸上的驱动方程为：STEP(time,0,0,1,-100)+STEP(time,1,0,5.0,-400)+STEP(time,5.0,0,8.0,0)+STEP(time,8.0,0,10.3,0)+STEP(time,10.3,0,8,11.3,250)+STEP(time,11.3,0,14,150)定义铲斗油缸上的驱动方程为：STEP(time,0,0,1,100)+STEP(time,1,0,1.9,0)+STEP(time,1.9,0,5.0,-340)+STEP(time,5.0,0,18.0,-150)+STEP(time,8,011.3,0)+STEP(time,11.3,0,11.1,0)+STEP(time,11.3,0,13.9,490)+STEP(time,13.1,0,13.2,0)4.2.2 施加载荷挖掘机在复合动作作业方式下，挖掘阻力可以分为切向挖掘阻力和法向挖掘阻力，根据 2.2 节分析并计算得到的切向挖掘阻力和法向挖掘阻力数值，在仿真过程中，将两种挖掘阻力写成函数表示如下：切向阻力 W1 的函数表达如下：STEP(time,1.0,0.0,4.0,22961)+STEP(time,4.0,0.0,5.0,-89801)山东科技大学学士学位论文4法向阻力 W2 的函数表达如下：STEP(time,1.0,0.0,4.0,9644.0)+STEP(time,4.0,0.0,5.0,-37716)仿真结果如表 4-2 所示。表 4-2 个铰接点受力仿真值铰接点位置 连杆与斗杆液压缸铰接点连杆与铲斗铰接点动臂与斗杆铰接点斗杆与铲斗铰接点最大受力 186KN 204KN 179KN 217KN4.3 基于 EDEM 的工作装置离散元仿真4.3.1 EDEM 软件介绍EDEM 是多用途的离散单元法软件,通常用来模拟分析工业粒子的处理及其相关过程。EDEM 软件主要包括前处理、求解、后处理三大模块,其中创建模型和后处理是最重要的过程。前处理模块的主要作用是创建模型;求解模块的主要功能是计算；后处理模块的主要作用是对仿真后的数据进行存储、分析、处理等。EDEM 软件具有以下特点如下：第一，强大的建模功能，利用前处理器 Creator 进行颗粒定义和颗粒环境设置。所谓定义颗粒,即是定义颗粒的几何形状和物理性质等,既可以通过添加力学和物料属性建立颗粒模型,也可以通过导入真实颗粒的 CAD 模型来准确描述它们的形状。建立颗粒模型后,再使用 Particle Factory 工具定义颗粒所在的环境。第二，通过利用 DEM 求解器 Simulator 可以快速、有效地监测离散颗粒间的碰撞；并且还能够选用动态时间步长。第三，利用后处理器 Analyst 进行仿真数据分析和处理，生成各种具有良好可视化的结果图，可以详细地研究模型结果。4.3.2 定义材料属性在利用 EDEM 软件进行仿真之前，需在其前处理器模块设置相应仿真山东科技大学学士学位论文5模型与参数，包括颗粒与几何体的材料属性，颗粒之间，颗粒与几何体之间的接触属性，颗粒粒径分布，工作装置工作条件等。本次仿真对象为矿石，平均直径设置为 250mm。在 EDEM 中建立颗粒模型，颗粒属性及工作装置材料钢的属性如下表4-3 所示。建立颗粒模型如图 4-10。表 4-3 材料属性表属性 矿石 钢泊松比 0.25 0.3剪切模量 G/MPa 16 70000密度 kgm-3 3948 7800图 4-10 颗粒模型材料之间的接触参数如表 4-4 所示。表 4-4 材料之间的接触参数参数 矿石之间 砂石与钢之间静摩擦系数 s 0.49 0.