陳露豐，寧曉斌

（浙江工業(yè)大學(xué) 車輛工程研究所，浙江 杭州 310014）

0 引 言

液壓挖掘機(jī)工作裝置是完成液壓挖掘機(jī)各項(xiàng)功能的主要構(gòu)件，是直接參與工作的部分，承受的載荷巨大且變化頻繁，其結(jié)構(gòu)的合理性直接影響到液壓挖掘機(jī)的工作性能和可靠性。國內(nèi)外學(xué)者通過動(dòng)力學(xué)分析［1-3］和結(jié)構(gòu)有限元分析［4］來驗(yàn)證工作裝置的工作性能及可靠性。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性能分析通常是采用在典型工況的狀態(tài)下來確定關(guān)鍵參數(shù)，計(jì)算載荷，在有限元中進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度分析［5-6］，這種分析方法不能完全地分析出挖掘機(jī)在工作循環(huán)中應(yīng)力應(yīng)變的變化。利用剛?cè)狁詈夏Ｐ蛣t能更真實(shí)地反映系統(tǒng)本身的運(yùn)動(dòng)特性，精度往往更加符合要求的特點(diǎn)［7-11］。

本研究運(yùn)用ADAMS和ANSYS建立挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)模型，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，并對(duì)其結(jié)果加以分析。

1 建立工作裝置虛擬樣機(jī)模型

正鏟挖掘機(jī)的工作裝置可以在水平面上施加較大的力，主要應(yīng)用于挖掘停機(jī)面以上土壤和裝載爆破后的巖石或其他散裝物料，相較于反鏟挖掘機(jī)而言，其斗容與噸位大。下面建立其工作裝置模型。

虛擬樣機(jī)模型的建立主要分為兩個(gè)系統(tǒng):機(jī)械系統(tǒng)以及液壓系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)部件包括動(dòng)臂、動(dòng)臂液壓缸及其活塞桿、斗桿、斗桿液壓缸及其活塞桿、鏟斗、鏟斗液壓缸及其活塞桿等。機(jī)械系統(tǒng)建模，首先按照?qǐng)D紙尺寸建立工作裝置的三維模型，將斗桿、動(dòng)臂在ANSYS中生成模態(tài)中性文件；然后鏟斗部件導(dǎo)入ADAMS中，成為剛性體部件，液壓缸在ADAMS中建模，并導(dǎo)入斗桿、動(dòng)臂的模態(tài)中性文件，形成柔性體部件，并添加約束施加作用力，機(jī)械模型如圖1所示。

圖1 工作裝置機(jī)械模型

工作裝置的液壓系統(tǒng)則在ADAMS中利用Hydrau?lics模塊建立，挖掘機(jī)工作裝置液壓模型如圖2所示。

圖2 工作裝置模型液壓模型

2 挖掘力性能分析研究

2.1 工作裝置挖掘力

挖掘機(jī)工作裝置挖掘力，是工作裝置性能最重要的衡量指標(biāo)，正鏟液壓挖掘機(jī)的挖掘力是指工作液壓缸伸長(zhǎng)時(shí)體現(xiàn)在斗齒尖上的、沿斗齒運(yùn)動(dòng)切線方向的主動(dòng)作用力。液壓挖掘機(jī)的挖掘力一般包括以斗桿液壓缸為主動(dòng)力挖掘時(shí)產(chǎn)生的挖掘力和以鏟斗液壓缸為主動(dòng)力挖掘時(shí)產(chǎn)生的挖掘力兩種，在這里，將其稱為斗桿挖掘力（crowd force）和鏟斗挖掘力（break force）。而正鏟液壓挖掘機(jī)，通常以斗桿液壓缸挖掘?yàn)橹鳎欢褂苗P斗液壓缸挖掘是為了撕裂或撬動(dòng)物料、調(diào)整切削角、裝滿鏟斗及卸料，不是主要挖掘方式。斗桿挖掘力是指斗桿液壓缸工作時(shí)體現(xiàn)在斗齒尖上的、沿斗齒運(yùn)動(dòng)切線方向的作用力。

挖掘機(jī)工作裝置斗桿挖掘時(shí)的受力分析如圖3所示，在不計(jì)傳動(dòng)效率、回油壓力、及物料自重的假設(shè)前提下，斗桿挖掘力r分析如下。

圖3 斗桿油缸理論挖掘力計(jì)算簡(jiǎn)圖

首先，隔離斗桿和鏟斗，對(duì)F點(diǎn)取矩建立的力矩平衡方程為:

式中:F2—斗桿液壓缸推力（kN），其值等于缸徑乘以系統(tǒng)壓力；e2—斗桿液壓缸對(duì)F點(diǎn)的作用力臂，m；—鏟斗液壓缸閉鎖狀態(tài)下所受的壓力，kN，其最大值取決于鏟斗液壓缸閉鎖壓力和大腔作用面積；鏟斗液壓缸對(duì)F點(diǎn)的作用力臂，m；Fa—斗桿挖掘力，kN；r2—斗桿挖掘力Fa對(duì)F點(diǎn)的作用力臂，m；G1—鏟斗自身的重力，N；G2—斗桿自身的重力，N；L1—鏟斗重力對(duì)F點(diǎn)的作用力臂，m；L2—斗桿重力對(duì)F點(diǎn)的作用力臂，m。

進(jìn)一步隔離鏟斗，對(duì)Q點(diǎn)建立的力矩平衡方程為:

式中:r3—圖示平面內(nèi)Q、V之距，m；γ—鏟斗斗刃（斗底前部）與QV連線的夾角，（°）；L'1—鏟斗重力對(duì)Q點(diǎn)的作用力臂，m。

合并式（1）和式（2），消去F3'，可得出斗桿挖掘力Fa（單位為kN，其數(shù)值等于斗桿液壓缸的挖掘阻力）的計(jì)算公式為:

同理，計(jì)算正鏟挖掘機(jī)工作裝置鏟斗挖掘力的工況如圖4所示，理論鏟斗挖掘力可通過隔離鏟斗對(duì)Q點(diǎn)建立力矩平衡方程求得。其計(jì)算公式為:

式中:F3—鏟斗液壓缸推力，kN，其值等于缸徑乘以系統(tǒng)壓力；e3—鏟斗液壓缸對(duì)Q點(diǎn)的作用力臂，m。

圖4 斗桿油缸理論挖掘力計(jì)算簡(jiǎn)圖

2.2 斗桿最大挖掘力的普查

斗桿最大挖掘力是工作裝置在液壓系統(tǒng)作用下，能夠?qū)ξ锪袭a(chǎn)生最大的挖掘力。本研究模擬實(shí)際的挖掘工況，挖掘過程中的巖石設(shè)為彈簧，彈簧剛度設(shè)定為巖石剛度，來分析挖掘阻力。

如圖3所示，斗桿挖掘時(shí)，動(dòng)臂液壓缸和鏟斗液壓缸閉鎖不動(dòng)，其閉鎖壓力為40 MPa，斗桿液壓缸以32 MPa的主動(dòng)液壓力往外推，受到彈簧力的限制，鏟斗挖掘力與彈簧拉力形成相互作用力，工作裝置會(huì)逐漸穩(wěn)定于某一個(gè)位置。此時(shí)獲得的彈簧力數(shù)值可以認(rèn)為等于斗桿油缸的挖掘力。斗桿挖掘力受鏟斗油缸、動(dòng)臂油缸最大閉鎖力限制，調(diào)節(jié)鏟斗油缸長(zhǎng)度，找出斗桿在這個(gè)位置的最大挖掘力。由于工作裝置機(jī)構(gòu)在各個(gè)位置產(chǎn)生的最大挖掘力各不相同，將動(dòng)臂油缸的行程范圍（4.3 m～7.2 m）中等分地取11個(gè)位置，對(duì)每個(gè)位置完整地進(jìn)行斗桿挖掘力普查，測(cè)得工作裝置主要工作范圍內(nèi)各個(gè)位置的斗桿最大挖掘力。當(dāng)動(dòng)臂油缸長(zhǎng)度固定在某個(gè)位置的時(shí)候，對(duì)斗桿挖掘力進(jìn)行的普查結(jié)果如表1所示。

表1 最大斗桿挖掘力普查結(jié)果

3 工作裝置動(dòng)態(tài)強(qiáng)度仿真分析研究

斗桿最大挖掘力是挖掘機(jī)重要的性能指標(biāo)，工作裝置的強(qiáng)度首先需要滿足斗桿以最大挖掘力挖掘時(shí)的要求；其次，斗桿挖掘以一定的效率工作，在挖掘過程中，工作裝置機(jī)構(gòu)所收到的應(yīng)力、應(yīng)變，在不同的位置發(fā)生變化，需要考查工作裝置機(jī)構(gòu)以一定的效率挖掘時(shí)，機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度情況；最后，工作裝置舉升過程中，機(jī)構(gòu)需要快速克服物料重力，將鏟斗舉升到一定高度，也需要考查機(jī)構(gòu)舉升過程的強(qiáng)度情況。為此，下面對(duì)工作裝置機(jī)構(gòu)的斗桿、動(dòng)臂進(jìn)行強(qiáng)度分析。

3.1 工作裝置斗桿最大挖掘力工作時(shí)強(qiáng)度分析

挖掘機(jī)工作裝置的強(qiáng)度，首先，需要滿足斗桿以最大挖掘力挖掘時(shí)的要求，根據(jù)表1，選取斗桿挖掘力最大的第3組數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析。首先觀察挖掘力曲線的變化（如圖5所示），開始挖掘時(shí)，隨著斗桿油缸向前推進(jìn)，挖掘力不斷變大，0.8 s到達(dá)峰值，隨后在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，在4.8 s之后穩(wěn)定在1 178 kN的位置，此時(shí)的斗桿挖掘力為1 178 kN。觀察工作裝置上節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力變化情況，從斗桿上應(yīng)力最大節(jié)點(diǎn)node-588（如圖6所示）自開始就迅速變大，隨后一直在較高的應(yīng)力范圍內(nèi)波動(dòng)，在4.6 s時(shí)應(yīng)力達(dá)到峰值，為2.057 85e2 MPa，動(dòng)臂上應(yīng)力最大的節(jié)點(diǎn)node-1458在0.8 s時(shí)達(dá)到峰值如圖7所示，為1.033 81e2 MPa。節(jié)點(diǎn)應(yīng)力最大時(shí)刻工作裝置應(yīng)力云圖如圖8所示。

3.2 工作裝置以一定效率進(jìn)行挖掘舉升的強(qiáng)度分析

圖5 挖掘力變化曲線

圖6 斗桿node-588應(yīng)力變化曲線

圖7 動(dòng)臂node-1458應(yīng)力變化曲線

圖8 以最大斗桿挖掘力挖掘4.62 s時(shí)應(yīng)力分布

筆者對(duì)挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行具有一定效率挖掘舉升的仿真研究，即動(dòng)臂下放至固定位置，鏟調(diào)整鏟斗姿態(tài)，鏟斗插入物料；斗桿油缸閥門打開，進(jìn)行挖掘，至斗桿油缸與鏟斗油缸的上限；閉鎖鏟斗與斗桿油缸，動(dòng)臂油缸閥門打開舉升至動(dòng)臂油缸上限。參照斗桿挖掘力普查中得到的最大挖掘力數(shù)據(jù)，經(jīng)過多次試驗(yàn)，將最大挖掘力乘以一個(gè)相應(yīng)的系數(shù)作為挖掘阻力時(shí)，可以使得挖掘過程控制在10 s之內(nèi)，是具有較高效率的挖掘過程。同時(shí)，對(duì)鏟斗質(zhì)心處添加隨著時(shí)間線性增加物料的重力，挖掘過程結(jié)束認(rèn)為鏟斗滿載，之后物料重力并保持不變至舉升過程結(jié)束。

圖9 挖掘過程應(yīng)力云圖

圖10 舉升過程應(yīng)力云圖

挖掘工況下工作裝置的應(yīng)力云圖如圖9所示，舉升工況下工作裝置的應(yīng)力如圖10所示。觀察工作裝置處于高應(yīng)力分布區(qū)域節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力變化情況，挖掘過程開始時(shí)，斗桿與鏟斗鉸接處節(jié)點(diǎn)node-1141如圖11所示，斗桿墻板處節(jié)點(diǎn)node-2192如圖12所示，斗桿耳板處節(jié)點(diǎn)node-990如圖13所示，動(dòng)臂耳板處節(jié)點(diǎn)node-5527（如圖14所示）都受到了挖掘阻力帶來的瞬間沖擊載荷，應(yīng)力迅速變大，斗桿node-990在0.04 s時(shí)達(dá)到整個(gè)挖掘過程的峰值（如圖15所示）。隨著挖掘的深入，鏟斗內(nèi)物料的增加，斗桿node-1141與2192，動(dòng)臂node-5527應(yīng)力逐漸增大。挖掘過程結(jié)束，挖掘阻力消失，動(dòng)臂油缸打開，工作裝置在離開地面的瞬間受到來至物料重力的沖擊載荷，所以各個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力都在4.3 s～4.6 s發(fā)生了明顯的波動(dòng)，動(dòng)臂節(jié)點(diǎn)node-5527應(yīng)力在此期間達(dá)到峰值（應(yīng)力云圖如圖16所示），舉升過程中各處的應(yīng)力在波動(dòng)中逐漸變小至舉升結(jié)束。

圖11 斗桿node-1141應(yīng)力變化曲線

圖12 斗桿node-2192應(yīng)力變化曲線

圖13 斗桿node-990應(yīng)力變化曲線

圖14 動(dòng)臂node-5527應(yīng)力變化曲線

圖15 斗桿node-990峰值時(shí)應(yīng)力云圖

工作裝置工作過程中也有節(jié)點(diǎn)一直處于低應(yīng)力狀態(tài)，如位于動(dòng)臂上翼板區(qū)域節(jié)點(diǎn)node-3321（應(yīng)力變化曲線如圖17所示）。

圖16 動(dòng)臂node-5527峰值時(shí)應(yīng)力云圖

圖17 動(dòng)臂node-3321應(yīng)力變化曲線

從以上仿真結(jié)果可以看出在挖掘以及舉升的工況下，工作裝置動(dòng)臂和斗桿各個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力變化趨勢(shì)。不管是以最大挖掘力進(jìn)行挖掘還是以一定的效率挖掘，最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)都位于斗桿的耳板處，舉升工況時(shí)最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)位于動(dòng)臂的耳板處，并且存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象。應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在與耳板相連接的斗桿與動(dòng)臂根部（如圖15、圖16所示），在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)加大該位置倒角及鉸接孔的尺寸。斗桿的墻板，斗桿與鏟斗鉸接處的節(jié)點(diǎn)在不同的時(shí)間段都出現(xiàn)了高應(yīng)力，對(duì)于這些部分，需要調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)（如增加材料厚度）對(duì)結(jié)構(gòu)加以強(qiáng)化，以減小應(yīng)力，或者對(duì)材料表面作噴丸、輥壓、氧化等處理，以提高材料表面的疲勞強(qiáng)度。在挖掘以及舉升工況下，動(dòng)臂的部分區(qū)域（如上翼板區(qū)域）一直處于一個(gè)相對(duì)較低的應(yīng)力分布狀態(tài)，出現(xiàn)了應(yīng)力上的富余，可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，以節(jié)約成本。

4 結(jié)束語

液壓挖掘機(jī)工作裝置在非線性挖掘阻力、油缸壓力的作用下，部件的應(yīng)力都是一個(gè)復(fù)雜的變化過程。挖掘機(jī)工作裝置的剛?cè)狁詈?、機(jī)液耦合仿真模型，更為真實(shí)地模擬了工作裝置的實(shí)際工作情況，通過分析其在重力與負(fù)載作用下工作循環(huán)的動(dòng)力學(xué)性能，提高了計(jì)算精度和效率，比典型工況分析方法更能全面反映工作裝置的受力及其強(qiáng)度狀況。通過對(duì)其工作裝置的挖掘，舉升過程的仿真分析，得到各個(gè)部件上詳細(xì)的應(yīng)力分布情況及其數(shù)值變化情況，特別是不同的工況下節(jié)點(diǎn)應(yīng)力的峰值，從而明確了應(yīng)力集中分布區(qū)域以及應(yīng)力富余區(qū)域，提出了相應(yīng)的解決辦法。

該研究為進(jìn)一步優(yōu)化工作裝置零件結(jié)構(gòu)提供了可靠依據(jù)，對(duì)提高挖掘機(jī)工作裝置可靠性和改善其工作性能有著積極的意義。

（References）:

［1］FRIMPONG S，HU Y，INYAN H.Dynamic Modeling of hy?draulic shovel excavators for geomaterials［J］.Internation?al Journal of Geomechanics，2008，8（1）:20-29.

［2］ZWEIRI Y H，SENEVIRATN L D.A generalized Newton method for identification of closed-chain excavator arm Pa?rameters［C］.Procedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation，2003:103-108.

［3］FRIMPONG S，LI Y.Virtual prototype simulation of hydrau?lic shovel kinematics for Spatial characterization in surface mining operations［J］.International Journal of Surface mining，Reclamation and Environment，2005，19（4）:238-250.

［4］CONETZEE C J，BASSON A H，VERMEER P A.Discrete and continuum modeling of excavator bucket filling［J］.Journal of Terramechanics，2007，44（2）:177-186.

［5］薛彩軍.結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)的若干關(guān)鍵問題研究［D］.杭州:浙江大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，2003.

［6］季炳偉，潘雙夏，馮培恩.面向CAD/CAE集成的虛擬樣機(jī)建模方法［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，37（3）:95-99.

［7］黎業(yè)飛，邱清盈，馮培恩.基于剛?cè)峄旌辖５臅r(shí)變結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2007，41（2）:311-314.

［8］寧曉斌，徐進(jìn)永，王國彪，等.裝載機(jī)工作裝置機(jī)械-液壓耦合系統(tǒng)仿真［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38（3）:7-9.

［9］祖 旭，黃洪鐘，張 旭.虛擬樣機(jī)技術(shù)及其發(fā)展［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2004，20（2）:168-171.

［10］紀(jì)偉江.基于VB2OSL行駛性能綜合測(cè)試儀的挖掘機(jī)檢驗(yàn)應(yīng)用［J］.機(jī)電技術(shù)，2011（6）:101-102.

［11］寧曉斌，孟 彬，王 磊，等.裝載機(jī)虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及展望［J］.有色金屬，2006，58（2）:90-98.