装载机工作装置的仿真研究

装载机工作装置的仿真研究

随着计算机技术的发展，模拟分析的方法被广泛使用，但模拟分析的缺点是需要限制的假设。考虑到计算速度和成功率，需要简化模型，以容易使模拟结果与实际结果混淆。因此，模拟模型需要反复验证，以评估模拟方法是否可以执行，模拟的精度是否满足所需的要求。多次实验以真实反映实际工作的条件，获得实验数据，并将实验数据与模拟结果进行比较，以评估模拟的合理性和可行性。为了减少模拟误差，提高模拟精度，真正指导模拟分析的方法实际上是建筑设计的一部分。本文以山东临工工程机械股份有限公司生产的ZL50G装载机工作装置为研究对象,在多体动力学仿真软件ADAMS中建立了机液耦合的仿真模型,结构件采用刚柔耦合模型,应用ADAMS/Hydraulics模块,建立了工作装置液压系统模型.分别在3种工况下对实验样机进行了动态结构强度实验和系统油压实验.实验结果证明装载机工作装置采用机液耦合的仿真模型和仿真方法是可行的.1模拟模型的构建1.1柔性体模型建立在装载机工作装置的各零件中,铲斗的结构相对于动臂、摇臂和连杆的结构而言,较为复杂,在实际工作中,因铲斗的失效损坏情况相对较少,故在仿真模型中为减少计算量,将其按刚体考虑,而动臂、摇臂和连杆则按柔性体分析.柔性体的建模在ANSYS中进行.实体模型在ANSYS中首先需要进行前处理.ZL50G工作装置的各零件材料均采用了Q345A钢,其弹性模量为206GPa,泊松比为0.25~0.30,在材料属性中,设置材料的密度为7800kg·m-3,弹性模量为206GPa,泊松比为0.29.进行网格划分后,通过模态中性文件将模型导入ADAMS中,图1为在ADAMS中最终形成的刚柔耦合仿真模型,柔性体模型单元总数为22730个,施加约束的铰接节点有11个.1.2基于adams/hyraolity的复杂液压系统建模液压系统(ADAMS/Hydraulics)模块是ADAMS扩充模块之一,能够同机械系统模块很好耦合,模拟包括液压系统回路在内的复杂液压机械系统的动力学性能.应用ADAMS/Hydraulics模块,建立了工作装置与其液压系统之间相互作用的模型,如图2所示.2最大入线阻力px的计算工作装置所受到的载荷有插入阻力Px,收斗阻力Pz,物料的重力Pg和工作装置自身的重力,如图3所示.铲斗的插入阻力随着铲斗插入物料深度的增大而逐渐达到最大值,收斗阻力在开始收斗瞬间为最大,随着收斗角度的增大逐渐减小,物料重力则在收斗开始阶段达到最大,3个力可用ADAMS提供的阶梯函数(STEP函数)来模拟.最大插入阻力Px与最大牵引力有关,其计算公式为Px=Mtimηm/Rk−GΨ(1)Ρx=Μtimηm/Rk-GΨ(1)式中:Mt为液力变矩器在传动比i=0(发动机最大供油位置,低速档前后桥均驱动且车轮打滑)时的输出扭矩;im为传动系总成传动比(从发动机到驱动轮);ηm为传动系总效率;Rk为前轮动力半径;G为整车质量;Ψ为滚动阻力系数.最大收斗阻力pz可用铲取时最大收斗阻力矩换算而得.最大收斗阻力矩发生在开始转斗的一瞬间,其值可用下列公式计算:Mmax=1.1Px[0.4(X−13Lcmax)+Y](2)Μmax=1.1Ρx[0.4(X-13Lcmax)+Y](2)式中:Lcmax为铲斗插入料堆的最大深度;X,Y分别为铲斗斗刃到铲斗回转轴A的水平和垂直距离.则Px=Mmax/X(3)Ρx=Μmax/X(3)3应变片测量根据仿真分析结果中各构件最可能发生失效的“热点”及工程师以往的经验,以各构件最容易发生失效的位置作为测点选择的依据.由于实际测量条件的限制,不可能选取太多的测点,如图4所示,在动臂左右侧板上下侧各取2个对称点,在摇臂靠近中间连接孔的前侧取4个点,连杆取2个点,一共取10个测点.图5为实验样机上应变片实际贴片位置.表1为10个测点在仿真模型中对应节点号及坐标值.采用CS-1A型动态电阻应变仪,采样频率1000Hz,可同步采集4个通道的数据;通过YJ-26型静态应变仪读取应变根据一定的标定值获得牵引力值.3.1实验结果分析样机水平停置于坚硬水泥路面上,用钢丝绳连接铲斗斗齿中部与样机后方的地锚,中间串联一个最大可承载40t的拉压传感器以记录牵引力,一挡逐渐增大油门,模拟铲掘工况,2s后轮胎打滑,整个过程自动记录测点动态应变值.如图6为正载水平插入实验示意图.分别进行了5次测试,最大牵引力的平均值为125.4kN,仿真结果为140.27kN,有一定差距,这可能是因为路面摩擦系数不够,引起轮胎过早打滑,导致发动机没有发挥出最大的牵引力.对所选10个节点实测应力进行分析,取5次测试的平均值生成ADAMS可读的test文件;修改仿真模型,将最大牵引力Fx设置成与实验所测一致的125.4kN,其他条件不变,仿真时间2s.在后处理阶段,如图7所示为989节点的仿真模型动态主应力结果和实验所测应力结果对比,由图可以看出,实验曲线与仿真曲线重合度并不是很好,但达到最大牵引力时应力值却很接近,实验过程中,牵引力不是光滑平稳逐渐增大的,而仿真模型中为模拟牵引力的逐步增大,采用了STEP函数,是一种理想化的加载,这是造成误差偏大的主要原因.3.2本过程自动记录测点应力同正载水平插入工况一样,样机水平停置于坚硬水泥路面上,所不同的是钢丝绳连接的是铲斗最左侧斗齿与地锚,一挡逐渐增大油门,模拟偏载铲掘工况,2s后轮胎打滑,整个过程自动记录测点动态应变值.分别进行了5次测试,最大牵引力的平均值为115kN.对所选10个节点实测应力进行分析,取5次测试的平均值生成ADAMS可读的test文件;修改仿真模型,将最大牵引力Fx设置成与实验所测一致的115kN,其他条件不变,仿真时间2s.在后处理阶段,将989节点的仿真模型动态主应力结果和实验所测应力结果进行对比,如图8所示.由图可以看出,实验曲线与仿真曲线重合性比较好,达到最大牵引力时应力值很接近.3.3模型求解结果根据实验现场条件,在铲斗内放置一3100kg的重物块代替物料,完成收斗并动臂举升到上限位置.分别进行5次测试,对所选10个节点实测应力进行分析,取5次测试的平均值生成ADAMS可读的test文件;修改仿真模型,将物料重力Pg设置成与实验所测一致的3100kg,其他条件不变,仿真时间5s,其中收斗阶段1.5s,举升时间3.5s.在后处理阶段,将989节点的仿真模型动态主应力结果和实验所测应力结果进行对比,如图9所示.从实验曲线看出,在收斗末,由于动臂板与铲斗限位块发生碰撞,测点应力突然增大,并由于弹性作用,应力明显波动,随着举升过程的进行逐渐降低;在举升到上限位置时,举升油缸长度迅速达到最大值而停止,由于重物块及工作装置惯性力作用使得工作装置在上限位置发生摆动,测点应力突然增大,并发生波动现象.实验曲线和仿真曲线在收斗和举升末所表现出的应力突然增大及波动现象是吻合的,应力值也比较接近.4血压曲线图采用国家工程机械质量监督检验中心的VRVP8振动压路机测试系统,采样频率为600Hz,它具有漂移低、精度高、可靠性好等特点,采用压阻式量程为0~50MPa油压传感器.分别在举升油缸和转斗油缸无杆腔进油管串联油压传感器.在做动态强度实验的同时进行油压实验,保持同步性.每种工况均取5次测试结果的平均值.在正载水平插入工况中,牵引力达到最大的同时,转斗油缸无杆腔进油管油压也逐渐增大到最大4.8MPa,仿真分析结果最大值为5.04MPa,误差率为5%.在偏载水平插入工况中,牵引力达到最大的同时,转斗油缸进油管无杆腔油压也逐渐增大到最大2.62MPa,仿真分析结果最大值为2.69MPa,误差率小于5%.图10为收斗举升工况实验中,测试软件自动绘制的实时油压曲线图,取5次测试的平均值生成ADAMS可读的test文件,在ADAMS后处理中与仿真数据曲线进行了对比,如图11所示,由图看出,在收斗末,油压发生了波动,实验曲线与仿真曲线都有表现,数值略有差异,举升阶段油压平稳增大,在举升到上限位置时,举升油缸长度达到最大值,油压突然增大,实验结果为26.1MPa,仿真结果为27.8MPa,随后由于惯性作用,工作装置发生微摆,油液被压缩和回弹的过程中,油压曲线表现为波动.5实验验证和分析为验证仿真分析结果可靠性优劣,在3种工况下,有针对性地对ZL50G工作装置做了动态强度实验及液