【图文】现代设计方法学_百度文库
两大类热门资源免费畅读
续费一年阅读会员，立省24元！
现代设计方法学
大小：1.65MB
登录百度文库，专享文档复制特权，财富值每天免费拿！
你可能喜欢【图文】现代设计方法概述_百度文库
两大类热门资源免费畅读
续费一年阅读会员，立省24元！
现代设计方法概述
大小：3.51MB
登录百度文库，专享文档复制特权，财富值每天免费拿！
你可能喜欢君，已阅读到文档的结尾了呢~~
扫扫二维码，随身浏览文档
手机或平板扫扫即可继续访问
【论文】六自由度串联机械手运动仿真分析
举报该文档为侵权文档。
举报该文档含有违规或不良信息。
反馈该文档无法正常浏览。
举报该文档为重复文档。
推荐理由：
将文档分享至：
分享完整地址
文档地址：
粘贴到BBS或博客
flash地址：
支持嵌入FLASH地址的网站使用
html代码：
&embed src='/DocinViewer-4.swf' width='100%' height='600' type=application/x-shockwave-flash ALLOWFULLSCREEN='true' ALLOWSCRIPTACCESS='always'&&/embed&
450px*300px480px*400px650px*490px
支持嵌入HTML代码的网站使用
您的内容已经提交成功
您所提交的内容需要审核后才能发布，请您等待！
3秒自动关闭窗口基于虚拟样机的挖掘机工作装置的设计与仿真_甜梦文库
基于虚拟样机的挖掘机工作装置的设计与仿真
西南交通大学 硕士学位论文 基于虚拟样机的挖掘机工作装置的设计与仿真 姓名：郑家坤 申请学位级别：硕士 专业：驱动技术与智能系统 指导教师：于兰英
西南交通大学硕士研究生学位论文第１页摘要液压挖掘机是一种应用广泛、功能多样、结构复杂的建设施工机械。随 着挖掘机市场竞争的不断加剧，其产品的开发速度及其可靠性日益成为最具 挑战性的因素。由于新产品开发周期长、成本高、设计手段落后而导致我国 传统工程机械行业缺乏市场竞争力。逐渐成熟的虚拟样机技术为实现新产品 的快速开发，提高我国工程机械产品的设计水平和市场竞争力提供了强有力 的手段。本文将虚拟样机技术引入到液压挖掘机的设计开发过程中，并主要 从以下几个方面进行研究： １．首先介绍了虚拟样机技术的基本理论，回顾了虚拟样机技术和液压挖掘机一在国内外的研究现状和发展趋势，论述了将虚拟样机技术应用于液压挖掘机设计的必要性。２．在分析了液压挖掘机整机系统组成以及工作装置的设计要求与方法的基础上，依据虚拟样机技术的基本理论，利用ＵＧ、ＭＡＴＬＡＢ、ＡＤＡＭＳ软 件对液压挖掘机进行设计和仿真。３．探讨了ＵＧ软件与ＡＤＡＭＳ软件之间的数据传输途径以及应用ＡＤＡＭＳ 软件建立了液压挖掘机的运动学与动力学仿真模型。通过对挖掘机在复合 动作作业方式下的力学特性分析，建立了对称载荷工况下的动力学模型，进行了仿真分析。４．基于现代设计方法，利用ＡＤＡＭＳ软件对液压挖掘机工作装置的连杆机构进行优化设计。在铲斗液压缸闭锁力一定的情况下，分析得出了铲斗发 挥最大挖掘力的最佳传动比。关键词：虚拟样机；液压挖掘机工作装置；仿真；优化西南交通大学硕士研究生学位论文第１Ｉ页ＡｂｓｔｒａｃｔＨｙｄｒａｕｌｉｃ ｅｘｃａｖａｔｏｒ ｉｓａｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ，ｖｅｒｓａｔｉｌｅ，ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅ ｇｒｏｗｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ．Ｗｉｔｈｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎｉｎｔｈｅｍａｒｋｅｔ，ｉｔ ｉｓｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ ｂｅｃｏｍｉｎｇ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｃｈａｌｌｅｎｇｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．Ｂｅｃａｕ∞ｏｆ ｌｏｎｇ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｃｙｃｌｅ ｏｆ ｎｅｗ ｐｒｏｄｕｃｔｓ，ｈｉｇｈｃｏｓｔ，ｂａｃｋｗａｒｄｎｅｓｓｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｉｔ ｉｓ ｌａｃｋ ｏｆ ｍａｒｋｅｔ ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｃｈｉｎａ’Ｓｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｍａｔｕｒｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔ ｆａｓｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｅｎｈａｎｃｅｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｌｅｖｅｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｒｋｅｔ ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｖｅｎｅｓｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒｆｕｌｏｆｏｕｒｃｏｕｎｔｒｙ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ｐｒｏｄｕｃｔｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｖｉｒｔｕａｌｈａｓｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｗｉｌｌｐｒｏｔｏｔｙｐｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎｔｏａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄａｓｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｅｘｃａｖａｔｏｒ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｒｅａ，ｍａｉｎｌｙ ａｓｐｅｃｔｓｆｏｌｌｏｗｓ：Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｖｉｒｔｕａｌ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ’Ｓｂａｓｉｃｔｈｅｏｒｙ，ｒｅｃａｌｌｅｄｔｈｅｖｉｒｔｕａｌ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｅｘｃａｖａｔｏｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｉｔｕａｔｉｏｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄｓ ａｎｄ ｗｉｌｌ ｂｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈａｔ ｉｔ ｉｓ ｎｅｅｄ ｏｆ ｕｓｉｎｇ ｖｉｒｔｕａｌｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｅｘｃａｖａｔｏＬＳｅｃｏｎｄｌｙ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｔｈｅｏｒｙ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄｏｆｖｉｒｔｕａｌ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ，ｐｒｏｃｅｅｄｅｄ ｔｏ ｂａｓｅｄＯｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｈｙｄｒａｕｌｉｃｅｘｃａｖａｔｏｒＭＡＴＬＡＢ，Ｕ１３Ｉ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｎｄＡＤＡＭＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．ｅｘｃａｖａｔｏｒａｌｌＴｈｉｒｄｌｙ，ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｃｈａｎｎｅｌｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ＵＧ ａｎｄＡＤＡＭＳｓｏｆｔｗａｒｅ，ｗｏｒｋｅｄｏｕｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｍｏｄｅｌｕｓｉｎｇＡＤＡＭＳａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅ，ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｈｅｏｎｄｙｎａｍｉｃｓ ｍｏｄｅｌ ｉｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｌｏａｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｂａｓｅｄａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｃａｖａｔｏｒ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ ｉｎｔＯｔｈｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ Ｆｉｎａｌｌｙ，ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃｅｘｃａｖａｔｏｒａｎａｌｙｓｉｓ．ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｌｉｎｋａｇｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅＡＤＡＭＳ ｂａｓｅｄｏｎｍｏｄｅｍ ｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｒａｔｉｏｅｘｅｒｔｉｎｇ ｔｈｅ ｂｉｇｇｅｓｔ ｄｉｇｇｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｂｕｃｋｅｔ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ａｔｒｅｓｉａ ｃｅｒｔａｉｎｃｉｒｃｕｍｓｔａｎＣｅＳ．Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｖｉｒｔｕａｌ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ；Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｅｘｃａｖａｔｏｒ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ； Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ西南交通大学 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于１．保密口，在年解密后适用本授权书；２．不保密ｄ使用本授权书。（请在以上方框内打“√＂）菩曩嚣；弹讲第铂西南交通大学学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： １．将虚拟样机技术应用到液压挖掘机反铲工作装置的分析中，并建立了 挖掘机的运动学和动力学仿真模型。 ２．在ＭＡＴＬＡＢ软件中，利用ｍ文件建立了液压挖掘机反铲工作装置的 数学模型，并利用所建立的方程组求得了挖掘机的作业范围，并绘图输出。 ３．建立了基于ＡＤＡＭＳ软件的铲斗连杆机构的优化模型。西南交通大学硕士研究生学位论文第１页第１章１．１虚拟样机技术概述绪论随着２１世纪世界经济和科学技术的飞速发展，全球性的市场竞争日益激 烈，产品的消费结构日趋向多元化、个性化方向发展。面对持续发展、风云 变幻的市场需求，企业为了提高自身竞争力，必须尽快推出新产品，更新设 计，缩短产品的研发周期，提高产品质量，降低研发成本，进行创新性设计， 这样才能对瞬息万变的市场需求做出敏捷反应，从而在竞争中获得相当的市场份额和利润。虚拟样机技术就是在这种迫切市场需求的驱动下产生的【１】【２ｌ。１．１．１虚拟样机的基本概念虚拟样机（Ｖｉｒｔｕａｌ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ，简称ＶＰ）技术是当前设计制造领域的一项新技术，又称为机械系统动态仿真（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）技术【３１，是国际上８０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（ｏ墟）新技术。一种新产品的开发和研制需要考虑诸多因素，因此对传统设计方法提出 了挑战，虚拟样机技术从分析解决机械系统整体性能及其相关问题的角度出发，研究解决采用传统的机械产品设计方法学所带来的弊端的一项高新技术手段１４ｊ１５Ｊ【６ＪＩ‘刀。利用该技术，工程设计人员可以直接利用ＣＡＤ系统所提供的各零部件的物理信息（如质量、质心位置、转动惯量等）及几何信息，在计 算机上进行虚拟装配（定义零部件间的连接关系及其作用力、运动激励），从而获得产品的虚拟样机模型，并对其进行仿真分析，进而在产品物理样机试制出来之前就对其性能有一个大体了解，并可把仿真结果作为对系统关键零部件有限元分析的依据ｐＪ。目前虚拟样机的概念从机械工程研究领域的角度出发，Ｅｄ ＥＡｎｄｅｒｔ等人 认为ｐＪ虚拟样机是一种针对测试对象和物理原形进行的一个虚拟制造和仿真 过程，基于虚拟样机技术建立的工程化制造开发模型可以使设计人员访问一 个实际物理模型的所有关于机械、物理、外观和功能特性的有关信息。１．１．２虚拟样机技术的核心理论工程中的研究对象大多是由大量零部件构成的系统，根据设计优化与性西南交通大学硕士研究生学位论文第２页态分析的要求可以将其分为两大类【１０】：一类称为结构，它们的特征是在正常 的工况下构件间没有相对运动，研究中只关心这些结构在受到载荷时的强度、 刚度与稳定性。另一类是系统在运行过程中部件间存在相对运动的机构。如 航空航天器、操作机械臂、机器人等复杂机械系统。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。 对于复杂的机械系统，研究其在载荷作用下各部件的动力学响应是产品 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，称为动力学正问题。已知系统的运动确定运动副动反力的问题称为动 力学的逆问题，它是系统各部件强度分析的基础。 虚拟样机技术的核心理论是多体系统动力学。多体系统动力学是由多刚 体系统动力学与多柔体系统动力学组成的。 １．多刚体系统动力学的研究对象是由任意有限个刚体组成的系统，刚体 之间以某种形式的约束连接，这些约束可以是理想完整约束、非完整约束、定常或非定常约束。研究这些系统的动力学需要建立非线性运动方程、能量 表达式、运动学表达式以及其他一些量的公式。多刚体系统动力学主要解决 多个刚体组成的系统动力学问题，各个构件之间可以有较大的相对运动。２．多柔体系统动力学的研究对象是由大量刚体和柔体组成的系统。多柔体系统动力学可以看作是多刚体动力学的自然延伸。根据多柔体系统组成的 特点，一般以多刚体系统动力学的以研究为基础，对系统中柔性体进行不同的处理，在机械系统中常用的处理方法有离散法、模态分析法、形函数法和 有限单元法等。将柔性体的分析结果与多刚体系统的研究方法相结合，最终得到系统的动力学方程。１．１．３虚拟样机技术的特点传统的产品开发步骤通常分为：产品设计、试验室试制、制造物理样机和产品生产等四个阶段。这种基于物理样机的设计研发模式的致命缺点是成 本高、周期长，因此它不能适应现代化制造业中的柔性化、快捷化以及高质 量的要求。同传统的基于物理样机的设计研发方法相比，虚拟样机设计方法具有以下特点１１１】：１．全新的研发模式。传统的研发方法从设计到生产是一个串行过程，它 存在很多弊端。而虚拟样机技术真正实现了系统角度的产品优化，它基于并行工程，无需建立物理模型，在产品的概念设计阶段就可以迅速地分析、比较多种设计方案，确定影响产品性能的敏感参数，并进行优化和改进，通过 可视化技术仿真分析产品在各种真实工况下的行为特征以及所具有的响应，西南交通大学硕士研究生学位论文直至获得最优工作性能。第３页２．更短的研发周期、更低的研发成本、更高的产品质量。虚拟样机的设 计方法是通过计算机技术建立产品的数字化模型（虚拟样机），摆脱了对物理 样机的依赖，从而可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验，有时这些 试验是破坏性的，因此大大减少了物理样机的数量，而且缩短了研发周期、提高了产品质量。３．＋实现动态联盟的重要手段。为了适应快速变化的全球市场，克服单个 企业资源的局限性，出现了在一定时间内，通过Ｉｎｔｅｒｎｅｔ＆Ｉｎｔｒａｎｅｔ临时缔结成 的一种虚拟企业，即目前被世界广泛接受了的动态联盟（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ） 的概念。参盟的企业为了实现并行设计和制造，信息的快速交流尤显重要， 而虚拟样机是一种数字化模型，通过网络可以快速、准确的传输，从而为动 态联盟活动的高度并行性提供了基础。１．１．４虚拟样机技术的发展及应用现状虚拟样机技术源于对多体系统动力学的研究。２０世纪６０年代，古典的 刚体力学、分析力学与计算机相结合的力学分支――多体系统动力学产生了，其主要任务是【加】【１ｌ】：１．建立复杂机械系统运动学和动力学程式化的数学模型，开发实现这个数学模型的软件系统，自动进行程序化处理。２．开发和实现有效的处理数学模型的计算方法与数值积分方法。３．实现有效的数据后处理，采用动画、图表或其他可视化显示方式提供 数据处理结果。 经过了４０多年的发展，多体系统动力学理论框架已经建成，并编制了相应的计算机程序，使理论研究成果商品化，开发了多种多体动力学软件。但 一种优秀的虚拟样机分析软件除了进行机械系统运动学和动力学分析，还应 包含以下技术１１２ｌ【１３Ｊ：１．ＣＡＤ软件和技术。为机械系统建模服务，并用来展示分析结果。 ２．有限元分析（Ｈ＇Ａ）软件和技术。可以利用运动学和动力学分析的结果，确定进行机械系统有限元分析所需的外力和边界条件，对构件应力、应变和强度进行进一步的分析。３．利用实验装置的实验结果进行某些构件的建模并模拟各种各样的作用力对样机进行仿真分析。４．系统优化分析、控制系统设计与分析软件和技术。虚拟样机软件可以 运用传统的和现代的控制理论，进行机械系统的运动仿真分析，并运用虚拟西南交通大学硕士研究生学位论文第４页样机分析技术进行机械系统的优化设计和分析。通过分析获得机械系统的最佳综合性能。目前国外虚拟样机技术软件的商品化过程已经完成，在这个日益增长的 市场上竞争的有二十多家公司，其中比较有影响力的产品包括美国ＭＳＣ公司的ＡＤＡＭＳ、比利时ＬＭＳ公司的ＤＡＤＳ以及德国航天局的ＳＩＭＰＡＣＫ。虚拟样机技术在一些较发达国家，如美国、德国、日本等已经广泛地应 用，应用领域从汽车制造业、工程机械、航天航空业、造船业、机械电子工 业、国防工业、通用机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等很 多方面。 基于一些客观因素，虚拟样机技术在我国还没有被广泛的应用。但作为 一项适用于各种产品的设计过程的通用技术，只要找对市场切入点，组织得 当并加强与国外的交流，定会使虚拟样机技术为中国的工业发展服务。 虚拟样机技术是一门新兴的技术，它有着广阔的发展前景及市场。１．２液压挖掘机工作装置的发展动态及研究现状最早在液压挖掘机工作装置设计时，往往通过类比法、查表、理论计算 初步确定性能参数以后，再花大量的时间对设计的合理性进行分析，计算量 大，而且在设计过程中，大多选取几个关键位置进行检讨计算，其精度较低。当今计算机广泛应用于机械设计中，挖掘机工作装置的设计得到了快速发展。针对液压挖掘机工作装置的ＣＡＤ技术也已经有了不少的研究。１．２．１国外发展动态及研究现状从２０世纪５０年代生产第一台全液压挖掘机至今，挖掘机工作装置已经 发展到了相当成熟的阶段【１４１。随着液压挖掘机市场的增大、产量的提高和使 用范围的扩大，世界著名的挖掘机生产商纷纷采用新技术、新手段来提高产 品质量，提高产品的市场竞争力。．液压挖掘机作为工程机械的产品代表，它具有重量轻、结构紧凑、挖掘 力大、传动平稳、操纵简便、易实现无级变速和自动控制等系列优点，被广 泛应用于水利电力工程、建筑工程、市政工程、矿山采掘以及国防等工程的施工中。它具有很高的生产效率和可靠的安全稳定性，对于保证工程质量、加快建设速度，有着重要作用。据建筑施工部门统计，一台斗容为１．０ｍ３的 液压挖掘机挖掘Ｉ～Ⅳ级土壤时，每班生产率大约相当于３００－－４００个工人一天的作业量Ｉｌ引。因此，一般工程施工中约有６５％．７０％的土方量、露天煤矿中８０％的剥离量和采掘量都是用挖掘机完成的１１６１。因此使得挖掘机在现代西南交通大学硕士研究生学位论文 “挖土改水＂的建设中发挥中越来越重要的作用。第５页随着建筑施工和资源开发规模的扩大，各种作业环境的不同，使得国际 上液压挖掘机工作装置的生产向多功能化和专业化方向发展。从２０世纪６０ 年代开始，发展了正铲、反铲、起重、钻机等，７０年代液压破碎锤开始应用 于液压挖掘机。７０年代中期，根据需求，利用液压挖掘机底盘开发了钻机、 ＦＰ螺旋钻井机、履带起重机等设备。到７０年代后期，又开发出全回转叉式 液压机、碎石机、道路破碎机、汽车拆除机及伸缩式斗杆、橘瓣式铲斗等。 此后经不断改进并系列化发展。８０年代广泛发展的主要是专用附件、拆除机 械等。进入９０年代，各种特殊的附加设备相继被开发，如泥地工作机、拆除 专用机、可伸缩式履带起重机的系列化及隧道专用机、钢材搬运机。工作装 置在实现多种功能的同时，大多采用快换装置，仅用２ｍｉｎ的时间就可以完成作业装置的更换。随着计算机辅助设计技术的日益推广，机械设计及制造技术发生了革命 性的变化，而作为一个重要分支的液压挖掘机行业，应用现代计算机辅助设计技术势在必行。在国外很多科研机构和一些大型企业，都已经对挖掘机工作装置的设计进行研究，并开发了一些专业软件，并将疲劳损伤累积理论、 断裂力学、有限元法、结构优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验 技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用于液压挖掘机的强度研究方面，提 高了产品质量，增强了竞争力。１．２．２国内发展动态及研究现状我国从１９５８年开始研制液压挖掘机，逐步开发了１―２．５ｍ３系列产品；８０ 年代初从德国ＬＩＥＢＨＥＲＲ公司与Ｏ＆Ｋ公司引进技术生产斗容量１～１．５ｍ３中 型规格产品，但质量和数量与国外相比均存在较大差距【切，在故障时间、经 济性、燃油消耗率、施工成本等方面差距明显。 到了８０年代末、９０年代初，世界各工业发达国家液压挖掘机技术水平 得到迅速的提高，在追求高效率（同一机重的挖掘功率普遍提高，液压系统 流量增大，作业循环时间减小，作业效率大大提高）、高可靠性、司机操作的舒适性方面表现尤为突出。 当前，国际上液压挖掘机的生产正向大型化、微型化、多能化、专用化和智能化的方向发展Ｉｌ引，应用新技术、新工艺、新结构和新材料，加快了向 标准化、系列化、通用化发展的步伐，相对而言，虽然国内液压挖掘机行业 近年来有很大发展，但总体水平与发达国家相比还有一定差距，可喜的是国内众多的研究人员和单位对液压挖掘机工作装置设计进行了不少研究，开发西南交通大学硕士研究生学位论文第６页了设计软件，为工作装置设计参数分析和在ＣＡＤ上自动设计提供了基础和 参考。为了使挖掘机设计人员从繁忙的计算中解脱出来，将计算机辅助计算 和优化设计应用于液压挖掘机工作装置的设计中是目前研究的重点。 随着我国加入ＷＴＯ，在国际化合作变得日益密切之际，对国内液压挖 掘机行业来说，充分利用国际化配套、积极引进先进的生产技术和积极采用 先进的设计开发技术迫在眉睫。１．３本文的主要内容及研究方法本文在基于虚拟样机技术理论、机械动力学理论以及挖掘机相关设计理论的基础上，提出了将虚拟样机技术应用于液压挖掘机的研究开发上。本课题针对某厂生产的液压挖掘机样机建立起虚拟样机模型，对挖掘机 进行运动学、动力学仿真分析，并进行了优化设计。 １．在阅读了大量资料的基础上，概述了虚拟样机技术的概念、特点及其 应用现状，阐述了多体动力学仿真软件ＡＤＡＭＳ建模仿真的基本流程，分析 了它与常用三维ＣＡＤ软件之间的数据交换问题。 ２．利用ＵＧ软件绘制了液压挖掘机三维实体模型，并对虚拟样机模型进 行前处理，然后将模型导入ＡＤＡＭＳ中，建立了虚拟样机的运动学和动力学模型，并进行了复合动作作业方式下仿真分析。 ３．在ＡＤＡＭＳ软件中对挖掘机虚拟样机机械系统运动轨迹及整机的工 作范围进行了仿真，并与在ＭＡＴＬＡＢ中绘制的包络曲线进行比较，对比验 证了参数化设计的优点。 ４．在ＡＤＡＭＳ中对关键零部件重新建立三维实体模型，并对设计关键 点进行参数化，在此基础上借助ＡＤＡＭＳ中的参数化分析方式（设计研究、 试验设计、优化设计），对工作装置的铲斗连杆机构进行了优化。西南交通大学硕士研究生学位论文第７页第２章工作装置的运动学及动力学分析基础工作装置是液压挖掘机的主要组成部分之一、是液压挖掘机直接用来进 行挖掘作业的施工工具。根据不同的用途，工作装置种类繁多，其中最主要 的有反铲装置、正铲装置、挖掘装载装置、起重装置和抓斗装置等【１引。反铲 装置是中小型液压挖掘机的主要工作装置，也是工程施工中运用最广泛的工 作装置。本文主要以反铲液压挖掘机作为虚拟样机技术实现的研究对象。２．１工作装置的结构及工况分析２．１．１液压挖掘机的组成图２－１整体式动臂反铲液压挖掘机ｌ―动臂２―动臂油缸３一斗杆４一斗杆油缸５―铲斗６―铲斗油缸７―摇杆８―连杆９―上部转台 １０―下车部分单斗反铲液压挖掘机是以一个铲斗进行挖掘作业的工程机械，它由工作 装置、上部转台和行走装置三大部分组成。反铲装置主要用于挖掘停机面以 下的土壤（基坑、壕沟等），其挖掘轨迹取决于液压缸的运动及相互配合的情 况。斗容量小于１．６ｍ３的中小型液压挖掘机通常选用反铲装置，它分为整体 臂式和组合臂式。其中长期作业条件相似的挖掘机反铲装置大多采用整体式弯动臂结构。采用这种动臂有利于加大挖掘深度，且结构简单，价格低廉。刚度相同时，其重量比组合式动臂轻，是目前应用最广泛的挖掘机工作装置西南交通大学硕士研究生学位论文结构形式。第８页整体式弯动臂反铲挖掘机工作装置采用连杆机构原理，而各部分的运动 则通过液压缸的伸缩来实现；它主要由动臂、动臂油缸、斗杆、斗杆油缸、 铲斗、铲斗油缸、摇杆、连杆、销轴等组成，如图２．１所示。 液压挖掘机反铲工作装置各运动部件之间全部采用销轴铰接，以动臂油 缸来支撑和改变动臂的倾角，通过动臂油缸的伸出与缩回可使动臂绕下铰点 转动实现动臂的上升与下降。斗杆铰接于动臂的上端，由斗杆油缸控制斗杆 与动臂的相对角度。当斗杆油缸伸缩时，斗杆可绕动臂上铰点转动。铲斗与 斗杆前端铰接，并通过铲斗油缸伸缩使铲斗转动。为增大铲斗的转角，通常 采用摇杆连杆机构来和铲斗连接。２．１．２挖掘机的工况分析对液压挖掘机来说，反铲装置是中小型液压挖掘机的主要工作装置，也 是工程施工中运用最广泛的工作装置。反铲装置的作业工况较复杂，但总体来说分为以下几个典型工况： １．典型的挖掘工况挖掘机在清除障碍、挖掘较松软的土壤时，主要采用铲斗液压缸进行挖 掘作业，即铲斗挖掘工况。此种作业方式有利于提高生产率，因此，在一般 土方工程挖掘中（Ｉｌｌ级土以下土壤的挖掘）铲斗挖掘最常用闭ｌ。在挖掘较坚 硬的土质时，为了能够装满铲斗，挖掘机在实际工作中常以斗杆液压缸进行 挖掘，即斗杆挖掘工况。在实际工作中，为了提高效率、节约作业时间，经常是两种工况联合作用，有时为了轨迹的控制需要，还配以动臂液压缸的动 作。 ２．满斗举升回转工况 挖掘结束后，动臂油缸将动臂顶起，满斗举升，同时回转液压马达使转台转向卸载处，此时主要是动臂和回转马达的复合动作。动臂抬升和回转马 达同时动作时，要求二者在速度上匹配，即回转到指定卸载位置时，动臂和 铲斗自动提升到合适的卸载高度。在回转和动臂提升的同时，斗杆要外放， 有时还需要对铲斗进行调整。这时是回转马达、动臂、斗杆和铲斗进行复合动作 ３．卸载工况工作装置回转至卸载位置时，转台制动，用斗杆调节卸载半径和卸载高 度，用铲斗油缸卸载。为了调整卸载位置，还需要动臂配合动作。卸载时，主要是斗杆和铲斗复合动作，间以动臂动作。西南交通大学硕士研究生学位论文 ４．空斗返回工况第９页当卸载结束后，转台反向回转，同时动臂油缸和斗杆油缸相互配合动作， 把空斗放在新的挖掘点。５．整机移动工况挖掘机一般不作长距离行走，只在工地范围行走，作业时用来调整整机 位置。履带式挖掘机在大距离工地转移时，一般是借助其它运输工具转移。６．姿态调整工况挖掘机在合适的停放、保证运输尺寸与姿态和特殊的检查姿态时，工作装置及其它功能运动制动与锁定，并满足接地比压要求。２．２工作装置的设计原则所谓设计１２¨，就是尽可能少地消耗以材料、能源、劳动力、资金等形态 存在的资源，而创造出满足预先陈述的功能要求的物质实体，以实现对某一 设计对象潜在要求的过程。它在本质上是多学科的交汇集和综合优化创新的 结果。机械设计是机械产品研制的第一道工序，设计工作的质量和水平，直接关系到产品质量、性能、研制周期和技术经济效益【２２１。对液压挖掘机反铲 工作装置进行设计时，所遵循的设计原则为【２３ｌ： １．满足主要工作尺寸及作业范围的要求，在设计时应考虑与同类机型相比时的先进性，性能与主参数应符合国家标准之规定。 ２．满足整机挖掘力大小及分布情况的要求。３．理论工作循环时间短，功率利用情况好。 ４．确定各铰点布置，结构形状应尽可能使受力状态有利，在保证刚度和强度 的前提下，重量越轻越好。 ５．应考虑到通用性和稳定性要求。 ６．运输或停放时应有合理的姿态。７．液压缸设计应考虑到“三化＂，即零件标准化、部件通用化、产品系列化，采用系列参数。 ８．工作装置应安全可靠，拆装维修方便。９．满足特殊使用要求。２．３工作装置的运动学及动力学分析２．３．１动臂机构液压挖掘机反铲工作考虑到主要作业区域在地面以下，为有利于挖深，西南交通大学硕士研究生学位论文第１０页一般常选用整体式弯动臂，考虑到动臂强度，动臂弯角一般不宜太小，推荐 取１２０。一１４０。。但弯角一般不小于４５。，同样有利于地面以下作业。为了 结构的宜于实现，动臂的仰角一般不大于４５。，俯角一般不小于．５２。，由 此来保证几何参数在运动过程中均成立。动臂与斗杆的长度比瓦，可在很大 范围内变化，一般为墨＞２称为长动臂短斗杆方案；瓦＜１．５称为短动臂长斗杆方案；墨＝１．５―２时称为中间方案。．在设计动臂机构及选用动臂油缸时，应考虑到动臂液压缸作用力的要求，要求应保证反铲作业过程中在任何位置上都能提起带有满载斗的工作装置到达最高和最远的位置。计算时，可选用下述三个位置：从最大挖深处提起满 载斗；从最大挖远处提起满载斗；从最大卸高处提起满载斗。动臂液压缸应 有足够的闭锁力，保证斗杆或铲斗挖掘力充分发挥。本文采用动臂缸置于动 臂下方，且动臂为整体式弯动臂的方案。２．３．２斗杆机构在反铲工作装置作业时，斗杆起着将铲斗拉近的作用，因此对挖掘机的 挖掘性能影响很大。斗杆相对越长，其作业范围也越广，但挖掘力相对愈小， 不仅如此，考虑到车体的稳定性，长斗杆一般装的是小容量的铲斗；斗杆短时虽然作业范围变小，但是斗杆的切削力增大，故可在硬地面或用大容量铲斗进行高效快速的挖掘、装载作业。斗杆与动臂的长度比值一般在Ｏ．４２加．５５ 之间，比值小时，则会造成装土不足或近前挖掘困难，太大则会使斗杆在回扣装土时碰撞驾驶室或行走部分。确定斗杆液压缸铰点位置、行程及力臂比时应当考虑以下因素： １．保证斗杆液压缸产生足够的斗齿挖掘力。一般来说希望液压缸在全行程中产生的挖掘力始终大于正常挖掘阻力；液压缸全伸全缩时的作用力都应 足以支撑满载斗和斗杆静止不动；液压缸作用力臂最大时产生的挖掘力应大 于要求克服的最大挖掘阻力。２．液压缸应有必要的闭锁能力。要求在主挖区内铲斗挖掘力能够得到充分的发挥。３．保证斗杆的相对摆角范围。对于通用式挖掘机构，斗杆的摆角范围大 致为１００。一２００。，在满足工作范围和运输要求的前提下，此值应尽可能的小些。一般来说，斗杆越长摆角范围也越小。当斗杆、铲斗液压缸全伸时， 斗前壁与动臂之间的距离应大于１０ｃｍ。考虑到作业范围，在结构强度满足的 前提下，应保证在运动过程中几何结构相关性的成立。西南交通大学硕士研究生学位论文第１１页２．３．３铲斗连杆机构反铲铲斗机构通常采用六连杆机构。铲斗在挖掘时的转角大致为９０。～ １００。，为了满足开挖和最后卸载及运输状态的要求，铲斗总的转角往往要达 到１５０。～１８０。。当铲斗缸全缩时，齿尖可能在斗杆的延长线上，或者，在 其上侧０。＂－＇３０。处，在个别情况下，为了适应挖掘深沟及垂直侧壁的作业 要求，为不使斗底先于斗齿接触土壤，常采用大仰角机构，此时，仰角可达２５。＂－＇４５。。铲斗机构挖掘力的要求：要求铲斗最大理论挖掘力应与铲斗最大挖掘阻 力相适应，当铲斗以１５。＂－＇２０。的仰角开挖时，最大挖掘力一般应出现在斗杆的延长线下ｉ受Ｊ２５。＂－＇３５。处，也即铲斗挖掘时转角行程的一半处，此时，挖掘土壤的厚度最大，挖掘阻力也最大。 此外，要求连杆机构在液压缸的全行程中均能成立，当铲斗液压液压缸 闭锁力一定的条件下，连杆机构传动比的大小，直接影响挖掘机构挖掘力的 大小，因此在保证斗杆挖掘力正常发挥时，应对连杆机构进行优化设计，找出最佳传动比，使得挖掘力最大发挥。本文在ＡＤＡＭＳ中对连杆机构进行优化分 析。２．３．４挖掘机的理论挖掘阻力计算挖掘阻力是指铲斗在挖掘过程中所遇到的土壤阻力。挖掘阻力由于其对 液压挖掘机可靠性和挖掘能力影响比较显著，因此对挖掘机的挖掘阻力作以分析和计算。在进行挖掘机的动力学分析时，挖掘阻力是涉及到的外载荷之 一。 通常挖掘阻力可近似地认为作用在铲斗的斗齿尖上，并可将其按挖掘轨迹的切线方向和法线方向分解为切向挖掘阻力职和法向挖掘阻力职，它们的经验计算公式如Ｉ驯： 切向阻力：％一Ｋｏｂｈ（２―１） （２―２）法向阻力：％－ｖ，ｗ，式中Ｋ――－挖掘比阻力，是铲斗挖掘装置每挖一个单位面积的土壤所需克服的阻力，它综合反映了铲斗挖掘时，土体破裂、装土、摩擦等阻力的总和。单位：Ｎ／ｒａｍ２。ｂ――切削宽度（斗宽），单位：ｍｍ西南交通大学硕士研究生学位论文第１２页Ｊ｝Ｉ――挖掘深度，一般ｈ＝（Ｏ．１－－一０．３３）６，单位：１１１１１１妒――挖掘阻力系数 根据参考文献［２０１９知，小型挖掘机通常在一般土壤下进行挖掘作业， 即Ⅲ级土壤（普通粘土、松湿的重质粘土、坚实的亚粘土），因此假设挖掘土壤类型为Ⅲ级。则选取挖掘比阻力Ｋ＝０．１５５Ｎ／ｍｍ２，切削宽度，即本文所建立的虚拟样机的液压挖掘机斗宽ｂ＝６７０ｍｍ，挖掘深度ｈ取切削宽度ｂ的Ｏ．３３ 倍，即ｈ＝２２１．１ｍｍ，挖掘阻力系数缈＝０．４２，则根据公式（２―１）、（２－２），挖 掘机工作时的挖掘阻力计算如下： 切向阻力：眠一Ｋ。ｂｈ＝０．１５５Ｘ６７０Ｘ ２２１．１?２２９６１．２４Ｎ法向阻力：职８１１妒形一０．４２Ｘ２２９６１．２４。９６４３．７２Ｎ在进行动力学仿真时，设定挖掘阻力的作用点在铲斗斗齿的中间位置，切向阻力形沿挖掘轨迹的切线方向指向斗齿尖，法向挖掘阻力职沿挖掘轨迹的法线方向指向斗齿尖，并且，在挖掘机整个挖掘过程中，挖掘阻力的方 向相对于铲斗不变，而相对于地面是在不断变化的。２．３．５挖掘动作分析本节对两种挖掘方式进行分 析，其中所采用的油缸型号分别如 下，油缸表示形式为：Ｄ×ｄＸｆ； 如图２．２所示： 式中Ｄ一液压缸直径，单位：咖ｄ一活塞杆直径，单位：１１１１１１卜一活塞杆行程，单位：ｍｍ 图２－２油缸见图斗杆油缸：９０×５５×８６０ 铲斗油缸：９０×５５×６００ １．斗杆油缸挖掘方式斗杆挖掘时，斗齿的路径以动臂与斗杆的铰点为中心，该铰点至斗齿尖 的距离为半径所作的弧线，挖掘过程由斗杆油缸单独驱动。如图２．３，依据 力矩平衡原理，对Ｆ点取矩、斗杆的理论挖掘力可表示为：Ｂ一鼍乎（２－３）西南交通大学硕士研究生学位论文?式中第１３页Ｂ――斗杆油缸的工作压力，单位：Ｐａ如――斗杆油缸大腔面积，单位：ｍｍ２￡艘――两铰点Ｅ、Ｆ之间的距离，单位：触如――三铰点Ｆ、Ｑ、Ｖ连成一条直线时的长度，单位：ｍｉｌｌ代入数据计算可得：昂一半一三』茎尘生坚蓦｛｝茬菩苦Ｓ笔与暑篆占萨?３２１７２．８５ＦＩＮ图２－３斗杆挖掘示意图图２４铲斗挖掘示意图２．铲斗油缸挖掘方式铲斗挖掘时，斗齿路径是以铲斗与斗杆的铰点为中心，该铰点至斗齿尖的距离为半径所作的弧线，挖掘过程由铲斗油缸单独驱动铲斗的动作。如图 ２．４，依据力矩平衡原理，分别对Ｎ、Ｑ点取矩，铲斗的理论挖掘力可表示为：西南交通大学硕士研究生学位论文第１４页昂一警×毕／＂ａＬＢ（２－４）式中昂――铲斗油缸的工作压力，单位：Ｐａ如――铲斗油缸大腔面积，单位：咖２Ｌ――两铰点Ｍ、Ｎ之间的距离，单位：ｍｍｋ――铰点Ｎ到两铰点连线ＭＫ之间的距离，单位：栅 ￡ｃ――敏点Ｑ到两铰点连线ＭＫ之间的距离，单位：咖ｋ――两铰点Ｑ、Ｖ之间的距离，单位：ｍｍ代入数据计算可得：Ｂ。警×警＿‘‘。。。。。。。。。。’’。‘‘。。。‘’。。。’。。‘。。―――１。’。。。’’‘。。。。。。’。’。。４。。――’。。。。―１’。――’１‘。。。。＿。。‘。’。。。。。。。。。。－一２．６５ｘ１０７×万Ｘ（９０ｘｌＯ。３）２ｘ３５０ｘ１０‘３Ｘ２５６．７ｘｌＯ句４×１０２０ｘ１０一’×３２３．３Ｘ１０―３ －４５９３１．３１Ｎ２．３．６挖掘机工作循环时间对于挖掘机来说，当机型一定时，决定挖掘机生产率的基本因素是工作 循环时间。表示为：ｔ。一ｔ。＋ｔ，＋ｔ，＋ｔ，（２―５）式中ｔ。――挖掘时间ｔ．――－抬臂回转时间ｆ，――卸料时间 ｔ，――回转降臂时间挖掘时间取决于铲斗挖掘速度的高低，过高的挖掘速度将增加操作人员 的紧张和疲劳程度。为减少运行时间和返回时间，应在允许的情况下尽量减少回转角。回转角的合理范围一般为７０。一１８０。，最佳角度为９０。。卸料 时间主要取决于铲斗的结构和土壤的性质。不同斗容量与不同土质条件下的 挖掘机的自由卸料时间有所差异，土壤的粘性高和斗容量大，卸料时间会相 对增加。 对于熟练的操作工，在充分利用了挖掘机复合动作，并且动作间衔接紧西南交通大学硕士研究生学位论文第１５页密，挖掘土壤类型为ⅡＩ级时，表２－１给出了本文所研究的液压挖掘机的理论 作业循环时间表。该时间表依据“流量法＂从理论上计算出了各动作所需作业时间。 计算条件如下：?１．系统采用Ａ１０Ｖ０７１ＤＦＬＲ变量柱塞泵。 ２．。液压系统的工作压力为２．６５×１０１Ｐａ。３．本机土壤容重Ｖ＝Ｉ．８×１０６ｋｇ／ｍｍ３。４．挖掘范围取动臂缸与铲斗缸夹角从１２４。。１５２。，卸载高度取 ４５００ｍｍ，转台转角为９０。。 ５．挖掘时，斗杆缸主动挖掘，铲斗装满后动臂提升与转台回转同时进行， 当转台转到９０。位置时斗杆缸和铲斗缸缩回卸料，卸料完毕转台反转、动臂 下降，回置于挖掘的初始位置。表２－１理论作业循环时间表 动作 名称 执行元件工况１ ２单位：ｓ作业循环时间３４５６７８９ｌ Ｏ １ １ ｌ ２１３１１ ４ １５ １ ６斗杆缸伸 挖掘 铲斗缸伸 动臂缸伸 铲斗缸伸 回转马达正转 卸料 回转 降臂 斗杆缸缩 铲斗缸缩 回转马达反转 动臂缸缩钐箩勿钐呖；亏孑夕乡／＂．／／＂多／勿∥３：ｉ６钥／／／／／／＾抬臂 回转场；乒朔ｘ／／／，／既：§彳多怛／－／宅／７／／’髟多二咧荔歹萝纠根据上表，液压挖掘机在复合动作方式下作业，总的理论作业时间是 ｔｗ＝１５．２Ｓ，每个分动作都是总的工作循环时间的分段函数。干涉检查是分析液压挖掘机工作装置连杆机构可能出现的运动“死点’’、“碰撞＂和“撕裂一等位置，保证工作装置能正常工作，以各动作理论作业时间在虚拟样机模型 中建立函数方程，可对工作装置的杆件间有无干涉做出分析判断。２．３．７物料重力和挖掘机各构件的重力西南交通大学硕士研究生学位论文１．物料的重力第１６页挖掘机在挖掘过程中，物料是逐渐增多的，因此物料的重力也是逐渐增 大的。而且，从挖掘开始到卸料结束，随着铲斗的移动其位置在不断的改变，但物料重力的方向始终是垂直向下的。物料的重力（ＧＳ）是根据液压挖掘机的铲斗容量得到的，本文机型的铲斗 容量为２．８ Ｘ １０ａｔｏｍ３，取一般土壤（ＨＩ级土壤）的密度为１．８×１０６ｋｇ／ｍｍ３， 重力加速度为９．８×１０３ｍｍ／ｓ２，则由公式（２－６）可得挖掘机的物料质量为５０４ｋｇ，由公式（２－７）可得其物料重力为４９３９．２Ｎ。ｍｌｉｒａｐＶ（２―６）式中Ｐ――密度，单位：ｋｇ／ｍｍ３ ｙ――体积，单位：ｍｒｌｌ３ＧＩｍｇ（２―７）式中ｍ――质量，单位：ｋｇ ｇ――重力加速度，单位：ｍｍ／ｓ２２．各构件的自重及重心位置根据液压挖掘机的设计尺寸，建立虚拟样机模型，在三维样机模型中得到挖掘机各构件的自重，其重心位置可从导入到ＡＤＡＭＳ中的挖掘机虚拟样机得到。在仿真时，将ＡＤＡＭＳ中相应构件的重力数值进一步确认，即可真实正确进行挖掘机的动力学仿真。表２．２即为液压挖掘机各杆件质量和重力设计值。表２－２各杆件质量和重力 杆件名称 动臂 斗杆 铲斗 连杆 摇杆 动臂油缸 斗杆油缸 铲斗油缸 回转机构（含配重、驾驶室） 行走机构（含回转支撑） 质量（ｋｇ）４４８．１２ ３９５．２５ ２４９．１３ １６．１３ ２１．４２ ９６．５４ ６５．３３ ５５ ２９４２．２３ ２７１０．８５重力（Ｎ）４３９４．５２ ３８７６．１１ ２４４３．１６ １５８．１６ ２１０．０３ ９４６．７６每幻．６８５３９．４ ２８８５１．５１ ２６５８４．１４西南交通大学硕士研究生学位论文第１７页２．４本章小结在对挖掘机整体结构介绍的基础上，分析了挖掘机各工况的作业特点； 根据工作装置的设计原则，分析了动臂机构、斗杆机构、铲斗连杆机构的结 构约束条件；计算得出了挖掘机的理论挖掘阻力与挖掘机的工作循环时间， 分析并确定了挖掘过程中的物料重力及工作装置各机构自身的参数。本章是 工作装置的运动学和动力学分析的前提，为后面章节的仿真分析提供了基础。西南交通大学硕士研究生学位论文第１８页第３章挖掘机工作装置虚拟样机的建立３．１虚拟样机三维建模及仿真模型前处理３．１．１ＵＧ软件的特点及建模方法Ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓ（简称ＵＧ）软件为美国ＥＤＳ公司的五大主要产品（ＵＧ、Ｐａｒａｓｏｌｉｄ、ｉＭＡＮ、ＳｏｌｉｄＥｄｇｅ、ＰｒｏｄｕｃｔＶｉｓｉｏｎ）之一，以ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ一体化而著称。它广泛应用于航空、航天、汽车、通用机械、模具和家具电器等领域。在虚拟样机建模过程中用到该软件以下特州２４Ｊ：数据交换的自由切换，可实施并行工程。１．具有统一的数据库，真正实现了㈨Ｑ墟删等各模块之间的无２．用基于特征（如孔、凸台、型腔、沟槽、倒角等）的建模和编辑方法作为实体造型的基础，形象直观，类似传统的设计方法，为工程师设计提供方便，并能用参数驱动。４．出图功能强，可十分方便的从三维实体模型直接生成二维工程图。能按ＩＳＯ标准和国家标准标注尺寸、形位公差和汉字说明等。并能直接对实体 做旋转剖、阶梯剖和轴测图挖切生成各种剖视图，增强了绘制工程图的实用 性。 ５．以ＰＡＲＡＳＯＬＩＤ为实体建模核心，实体造型功能处于领先地位。为不同软件间的转换提供了支持。目前著名ＣＡＤ／咄洲软件均以此作为实体造型基础。对现在我们所使用的ＵＧ（Ｎｘ４．Ｏ）版，其零件的三维建模方法目前主要 是基于实体特征的建模方法。从技术基础上看，有参数化技术和变量化技术两种。产品的建模方法基于装配建模瞄］１２６］。１．实体建模方法（ＳｏｌｉｄＭｏｄｅｌｉｎｇ）实体造型技术能够精确地表达零件的全部属性，可以表达和处理模型的 质量、重心、转动惯量等物理特性，在理论上有助于统一ＣＡＤ、ＣＡＥ、ＣＡＭ各应用模块的模型表达，使ＣＡＤ／删㈨的一体化成为可能。关性。实体造型技术是用点、曲线和曲面来创建模型，不同的实体之间没有相西南交通大学硕士研究生学位论文第１９页２．参数化建模方法（Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ） 参数化（基于历史的）建模方法是基于特征（Ｆｅａｔｕｒｅ）的实体建模方法， 参数化的轮廓及路径被称为草绘。所生成的轮廓和路径一般用于零件的实体 造型。零件的大部分尺寸是在草绘过程中产生的。这些尺寸在产品设计的各 个阶段都能修改，尺寸修改后，零件的形状将随之改变。设计人员可咀在草 绘模块中体现自己的设计思想。草绘是先进ＣＡＤ系统的基本功能，草绘与 零件造型往往是密不可分的。 参数化建模具有基于特征、全尺寸约束、尺寸驱动、全数据相关等主要 优点，因此在三维建模中得到成功的应用，节约了设计时间和设计过程，极 大地提高了生产率。３．１．２工作装置三维实体模型的建立及仿真模型的前处理挖掘机工作装置的三维实体模型没有涉及到特别复杂的曲面、曲线，基 本上零件的建模方法是：先建立二维草图，然后进行拉伸等操作。对于钣金 件，在ＵＧ ＮＸ中有专门模块进行钣金件设计，方便快捷，如图３－１所示；下 车中的部分零件采用先建立基本的特征体，例如圆柱、圆锥、立方体、球等， 然后利用交、并、差等布尔运算实现：对于工作装置、上车、下车中的液压 管路的设计布置，在ＵＧ ＮＸ中有专门的机械布管模块，它将复杂管路的空 间走线操作变得简单方便。模块如图３．２所示。Ｅ口日口口Ｅ■ｇ日口！Ｚ，口口口＝日＝＝■■■■■目≈黜躲＝… 一１……￡‘。ｔ，一一一ＨⅢ＾…、十…￡４ ｚ一｝＊ｂ…。一｜』 ！也，＾‘一一ｉ，ｔ，图３－Ｉ钣金模块图西南交通大学硕士研究生学位论文第２０页。聃－叫。一ｎｂ．Ｆ一７７ ｏ、ｏＪＨ ４；，＿ｂ，ｏｑ一’．―■霜瀚熏、芒ｒ阵函ｌＬ障卜ｈ―ｐＬ蔓ｂ图３－２机械布管模块对于在挖掘机虚拟样机建模中用到的标准件，ＵＧＮＸ中可以外挂中国国 家标准件库，在ｃ：＼Ｐｒｏｇｒａｍ Ｆｉｌｅｓ下安装了Ｕｔ３ＮＸ４．０后，继续安装中国国家标准件库，安装目录为ｃ：、Ｐｒｏｇｒａｍ Ｆｉｌｅｓ＼ＵＧＳ、ＮＸ ４．ｏ＼，然后运行ＵＧ ＮＸ， 这样就可以将国家标准零件库导入到ＵＧＮＸ４．０菜单中。导入的标准件库的 菜单条如图３－３所示，在挖掘机虚拟样机建模过程中，需要用到标准零件时， 直接调用即可，方便、准确、快捷。毫凹一亩首 冒孽可 冒可口 ａｏ一 卓＠ －宙 日口强 懵审弗渺图３－３中国国家标准件库菜单嗲图３＿４左右摇杆三维模型工作装置各主要组件在ＵＧ中所建立的三维模型分别如图３．５、图３－６、西南交通大学硕士研究生学位论文 图３．７、图３．８所示。第２１页ＵＧ里装配是指虚拟装配（ＶｉｒｔｕａｌＡｓｓｅｍｂｌｙ），所谓的虚拟装配是指通过 零件之间的应用和连接关系，形成装配模型。装配模型在结构上表现了一种 层次关系，最顶层是装配体，其余的有子装配和部件组成，如图３－９所示。ｆ◇ｉ穆●图３－５连杆三维模型一＿．。“，●图３－６铲斗三维模型．‘Ｎ ｊ、？，’’二；一’．．“’．●‘，．’’ｊ图３－７斗杆三维模型图３｛动臂三维模型装配（Ａｓｓｅｍｂｌｙ）：包含有部件对象的一个文件，它有指向各子装配和零 件的指针。 子装配（Ｓｕｂ．Ａｓｓｅｍｂｌｙ）：包含有自己的部件对象，有指向各子装配的指 针，但必须有父指针指向自己。 部件零件（Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｐａｒｔ）：零件以一定的位置和方法接入到装配体中 就成了部件，在装配体中的每一个部件文件的指针。当几何部分修改后，装 配体相应的部件自动更新。部件文件包含有几何信息（即用户设计的曲线、 曲面、实体等） 在ＵＧ里，未被装入到装配中的一个零件，称为单一零件（ａｐｉｅｃｅｐａｒｔ），西南交通大学硕士研究生学位论文第２２页若该零件被装入到装配体中，就称为部件（Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ），部件是一定包含了 被引用的关系，它是装配体中不可分割的一部分。 图３．１０所示为挖掘机工作装置的装配层次。鏊配导羹暑描迷部件名口“装配耐日Ｂｏｎ４日ｉ＿ｒｏｄ 一日由＿ｏｒ好ｕｔ一▲铺－２一?ｎａ 日臼Ｄｏｎ扣ｔ一姐ｄ日日“一ｄ 日￡，ｃｈａＩ‘Ｄ＂ｎｄ日￡，Ｌｉ－“一ｄ 日￡，Ｔ４０Ｇ…ａ』部件一 部件二日日Ｂｏｕ＠扎ｙＧ－１一ｅｎｄ 日ｏ ＤｏｕＧ卟ｒｏｄ 日￡｝ｃｈ＾ｎＤｏ们ｔｌ―ｅｎｄ日日Ｃｈ砌ｏｕ＿ｒｏａ＋吕２麓。。。子装配一日凸…ｒｘ ３ｎ醇ｈｏｕＢ廿ｅ“＃日日ｚｈｉ‘Ⅷ１＊ｔｏｕｌ４ 日日ｚｈｉ‘Ⅷ１ｅｔｏｕｌ４日ｏ ｚ，ｚｈｏｎｄ一 日ｏ ｚｌｚｈｏｎｍｎ日臼…Ｊ㈨ｉＢ蛆 日日…』，ｎ‘Ｊ● ，时臼ＴｕｏＬ／ｕｄ～部件三部件四日由ＴｕｉＴＵＢ＾ｄＧ一一 材臼ＴｕｌＴ曲甜６＿ｐ１日臼Ｄ帅ｓｔｏ日臼ＴｕｉＴｕＢ姐ＹＧ＿ｒｏｄｉｉｉｉｊｉｉｊｉＩｌｉＩⅢｉｉｉ五吣｛鸽圉３－９装配结构 图３．１０装配模型树 图３．儿工作装置模型图 图３．１２整机模型图甍等暑骨东芎亨墨｝曩暑●．：＝。―一ＵＧ中装配建模的方法有自顶向下的方法、自底向上的方法、上下文设计 的方法三种，在产品设计中，根据零件的复杂情况经常要对以上三种方法混西南交通大学硕士研究生学位论文第２３页合使用。在挖掘机的装配中，分别建立动臂缸、斗杆缸、铲斗缸的子装配， 然后进行动臂总成、斗杆总成、铲斗总成的装配，接着再进行整个工作部件 的总装配，在下车、平台及司机室装配完成后最后进行整机的装配。本文最 后装配好的工作装置模型与整机模型分别如图３．１１、图３．１２所示。ｉｍＤ＿∞●ｔ∞姒∞●ｔ∞Ｉ＾∞峨∞圳＃＊∞剐∞％∞Ｊ删ｒ删－，ｕ十’曩ｎ峙．＝＝＿＝嗣一ｏ，ｏ釜辫。，兰｝童窒√埘椎∞１：／、西。ｍ、≮’一护《：，ｏ?８＇．Ｉ，砖’∥≯如…巴‰。－ｉ■粼≯自ｍ∞ｍ…ｌｍ●■｜＊Ｉ蜜鹭罾ｊ桊 …，…●”‘：嚣ｈ＊＊瓶４’ｃ…ｕ＊ｔ■州∞～…ｃ”Ｉｍ‘：：懋㈣∞ ．ｔｍ∞ｔｔ∞曩毫日■■―ｌ’；№“∞¨■＾■酣ｏ㈣∞ ｍ＆■●岬∞图３―１３运动仿真模块鱼墓西南交通大学硕士研究生学位论文第２４页在ｕＧ／ｏ墟模块中，运动仿真功能作为模块的主要部分，它能对任何二维或三维机构进行复杂的运动学分析、动力分析和设计仿真。通过 ＵＧ／Ｍｏｄｅｌｉｎｇ的功能建立一个三维实体模型，利用ＵＧ／Ｍｏｔｉｏｎ的功能给三维 实体模型的各个部件赋予一定的运动学特性，再在各个部件之间设立一定的 连接关系既可建立一个运动仿真模型。ＵＧ／Ｍｏｔｉｏｎ的功能可以对运动机构进 行大量的装配分析工作、运动合理性分析工作，诸如干涉检查、轨迹包络等，得到大量运动机构的运动参数。通过对这个运动仿真模型进行运动学或动力学运动分析就可以验证该运动机构设计的合理性，并且可以利用图形输出各 个部件的位移、坐标、加速度、速度和力的变化情况，对运动机构进行优化。表３－１仿真模型的约束分配 部件１ 动臂 动臂 动臂 动臂 动臂液压缸 动臂液压缸 斗杆 斗杆 斗杆 斗杆 斗杆液压缸 铲斗 连杆 左右摇杆 铲斗液压缸 上部转台 部件２ 上部转台 动臂液压缸活塞杆 斗杆液压缸活塞杆 斗杆 上部转台 动臂液压缸活塞杆 斗杆液压缸活塞杆 铲斗液压缸 左右摇杆 铲斗 斗杆液压缸活塞杆 连杆 铲斗液压缸活塞杆 铲斗液压缸活塞杆 铲斗液压缸活塞杆 大地 约束类型 旋转副 圆柱副 球面副 圆柱副 球面副 滑动副，平动驱动（位移函数为Ｏ） 旋转副 球面副 圆柱副 圆柱副 滑动副，平动驱动（位移函数为Ｏ） 旋转副 球面副 旋转副 滑动副，平动驱动（位移函数为０） 转动副，转动驱动（函数为Ｏ）’运动仿真功能的实现步骤为： １．建立一个运动分析场景；２．进行运动模型的构建，包括设置每个零件的连杆特性，设置两个连杆间的运动副和添加机构载荷； ３．进行运动参数的设置，提交运动仿真模型数据，同时进行运动仿真动 画的输出和运动过程的控制；西南交通大学硕士研究生学位论文第２５页４．运动分析结果的数据输出和表格、变化曲线输出，人为的进行机构运 动特性的分析。 在ＵＧ／Ｍｏｄｅｌｉｎｇ下打开装配好的挖掘机模型，进入ＵＧ／Ｍｏｔｉｏｎ模块下， 界面如图３．１３所示，建立运动仿真模型，如图３．１４所示，其中，各个构件 的约束关系如表３．１所示。３．２虚拟样机在ＡＤＡＭＳ中的实现 ３．２．１虚拟样机的在ＡＤＡＭＳ中的设计流程图矮褫罐攒；鬟囊裁鬻麓■■■刨涿胞 建拥加 以。约绒 ¨糸摘ｉ ７ｉ丫誊缓蘑稳驺ｙ一■■一测＝耋功绘 键真㈣剖 特分精阳 ¨拆放线◆●■；Ｅ用户｛乞设计■擘图３．１５产品的设计流程图ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ的设计流程如图３．１５所示，它主要解决机械复合系统的 设计问题，并能减少研制时间和降低研制费用，从而提高质量、增加效益和西南交通大学硕士研究生学位论文改善产品。主要有以下过程：第２６页１．创建（Ｂｕｉｌｄ）模型 在创建机械系统模型时，首先要创建构成模型的物体（Ｐａｒｔ），它们具有 质量、转动惯量等物理特性。创建物体的方法有两种：一种是使用 ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ中的零件库创建形状简单的物体（Ｐａｒｔ）；另一种是使用 ＡＤＡＭＳ／Ｅｘｃｈａｎｇｅ模块从其他ＣＡＤ软件（如ＵＧ、Ｐｒｏ／Ｅ等）输入形状复杂的物体。创建完物体（Ｐａｒｔ）后，需要使用籼叫ｕⅥＳ厂Ⅵｅｗ中的约束库创建两个物体之间的约束副（Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ），这些约束副（Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ）确定物体之间的连接情况以及物体之间是如何相对运动的。最后，通过施加力（Ｆｏｒｅ．）和力矩（Ｔｏｒｑｕｅ），使模型按照设计要求进 行仿真。２．测试（Ｔｅｓｔ）和验证（Ｖａｌｉｄａｔｅ）模型创建完模型后，或者在创建模型的过程中，都可以对模型进行运动仿真，通过测试整个模型或模型的一部分，以验证模型的正确性。在对模型进行仿真过程中，川ＤＡＭＳ朋ｅｗ会自动计算模型的运动特性，如：距离、速度信息等。使用ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ可以测量这些信息以及模型中物 体的其他信息，例如：施加弹簧上的力、两个物体之间的角度等。在进行仿真时，ＡＤＡＭＳ朋ｃｗ可以通过测量曲线直观地显示仿真的结果。将机械系统的物理试验数据输入到ＡＤＡＭＳ肿ｅｗ中，并且以曲线的形式叠加在ＡＤＡＭＳＭｅＷ的仿真曲线中，通过比较这些曲线，就可以验证创建的模型的精确程度。３．完善（Ｒｅｆｉｎｅ）模型和迭代（ｉｔｅｒａｔｅ）仿真 通过初步的仿真分析，确定了模型的基本运动后，就可以在模型中增加 复杂因素，以细化、完善模型。例如：增加两个物体之间的摩擦力、将刚体 改变为弹性体、将刚体约束副替换为弹性连接等。为了便于比较不同的设计方案，可以定义设计点（Ｄｅｓｉｇｎ Ｐｏｉｎｔ）和设计变量（Ｄｅｓｉｇｎ Ｖａｒｉａｂｌｅ），将模型进行参数化，这样就可以通过修改参数自动地修改整个模型。 ４．优化（Ｏｐｔｉｍｉｚｅ）设计ＡＤＡＭＳ朋ｅｗ可以自动进行多次仿真，每次仿真改变模型的一个或多个设计变量，帮助找到机械系统设计的最优方案。 ５．用户化设计（Ａｕｔｏｍａｔｅ）为．了使ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ符合设计环境，可以定制ＡＤＡＭＳ厂Ⅵｅｗ的界面，西南交通大学硕士研究生学位论文第２７页将经常需要改动的设计参数定制成菜单和便捷的对话窗，还可以使用宏命令 执行复杂和重复的工作，提高工作效率。３．２．２数据传输问题的解决尽管ＡＤＡＭＳ软件中提供了三维几何建模的工具，但其功能较弱，对于 复杂的三维模型需要花大量的时间来完成建模工作，有的模型甚至难以准确 建立，且模型的尺寸精度和装配位置精度难以保证。鉴于此，本文利用ＵＧＮＸ三维软件建立液压挖掘机虚拟样机实体模型，把建好的样机几何模型转换和 析。导入到ＡＤＡＭＳ厂ｖｉｅｗ环境中，并在ＡＤＡＭＳ厂ｖｉｅｗ环境下对样机进行仿真分 要将ＵＧ中创建的挖掘机虚拟样机模型导入到ＡＤＡＭＳ环境中，必须先匆将ＵＧ的数据转换成中性（不依赖ＵＧ系统），然后将中性数据通过几何数据模块转换成ＡＤＡＭＳ能够识别的数据，对于ＵＧ软件，优先采用Ｐａｒａｓｏｌｉｄ格式，因为对以Ｐａｒａｓｏｌｉｄ格式为内核的ＵＧ软件来说，以Ｐａｒａｓｏｌｉｄ格式转换图形文件有以下优点：１．Ｐａｒａｓｏｌｉｄ能够对整个模型一次性输入，而其他格式只能一次输入一个零件； ２．Ｐａｒａｓｏｌｉｄ格式的图形文件不遗漏或删除任何建立的几何形体，而且ＡＤＡＭＳ／Ｅｘｃｈａｎｇｅ会为每一个实体创建单独的零件； ３．在ＡＤＡＭＳ中输入的Ｐａｒａｓｏｌｉｄ格式的图形文件，不仅保存了构件的质量和转动惯量等主要信息，而且自动标示质心的ＭＡＲＫＥＲ点；４．对于输入到ＡＤＡＭＳ中的Ｐａｒａｓｏｌｉｄ格式的图形文件允许做进一步的布尔运算操作。 ＵＧ与Ｐａｒａｓｏｌｉｄ格式的转换：（１）在ＵＧ／Ｍｏｔｉｏｎ模块下，在建立好的运动场景ｍｏｔｉｏｎ １下，右键单击， 选择“导出’’到“Ａｄａｍｓ…一，选择Ｐａｒａｓｏｌｉｄ格式，选择“ＯＫ’’。（２）共有三个文件导出，其中两个分别为?．ａｎｌ和?．ｘｍｔ ｔｘｔ文件，现在将后 缀ａｎｌ改为后缀为ａｄｍ文件，本课题需要的文件为＊．ａｄｍ和宰．ｘｍｔａｔｘｔ。Ｐａｒａｓｏｌｉｄ格式输入到ＡＤＡＭＳ中的步骤： （１）在进入ＡＤＡＭＳＮｉｅｗ时选择Ｉｍｐｏｒｔ Ｆｉｌｅ命令，也可以在ＡＤＡＭＳ／Ｆｉｌｅ菜单中，选择Ｉｍｐｏｒｔ命令。 （２）在ＦｉｌｅＴｙｐｅ栏中，选择ＡＤＡＭＳ／Ｓｏｌｖｅｒ Ｄａｔａｓｅｔ（?．ａｄ柚，Ｆｉｌｅ Ｔｏ Ｒｅａｄ栏中，选择ＵＧ导出并改过的文件。输入模型名，并“Ａｐｐｌｙ’’； （３）接着再Ｆｉｌｅ Ｔｙｐｅ栏中，选择Ｐａｒａｓｏｌｉｄ（＊．ｘｍｔ ｔｘｔ，?．ｘ ｔ，＊．ｘｍｔ ｂｉｎ）格式，西南交通大学硕士研究生学位论文再ＦｉｌｅＴｏ第２８页Ｒｅａｄ栏中选择后缀为｝ｘｍｔ―ｔｘｔ的文件，输入相同的模型名，点击 “ＯＫ＂。此时在ＵＧ中所建立的挖掘机虚拟样机模型，完全导入到ＡＤＡＭＳ中，并等待进行仿真分析。３．３本章小结本章结合ＵＧ三维建模软件的特点及建模方法建立了液压挖掘机工作装 置虚拟样机模型，并在ＵＧ软件的运动仿真模块对仿真模型进行了前处理， 建立了液压挖掘机工作装置各关节处的约束关系；介绍了动力学仿真软件数据传输的方法。ＡＤＡＭＳ的设计方法和设计流程，分析了经前处理后的模型与ＡＤＡＭＳ软件西南交通大学硕士研究生学位论文第２９页第４章工作装置运动学及动力学仿真４．１ ＡＤＡＭＳ中仿真模型的检查与处理 虚拟样机导入ＡＤＡＭＳ，Ⅵｃｗ后，可以用模型校验工具来检查错误，如零 件约束不当，产生过约束等。所校验的重要信息包括移动的零件和运动副的 数量，同时列出模型的自由度数，并说明模型是否校验成功。此外，还可以 用对象测量和交互式仿真分析对模型进行校验。对所建立好的挖掘机虚拟样 机模型检测，ＡＤ』ＬＭＳ显示的检测结果如图４－１所示：＂舡，Ｙ型！ｌ竺型些型竺！Ｉ：！！！！竺ＨＯＤＥＬ：．一ｉｏｈ ０汛ｅｂｌｅｒＰａｒｔｓ ４ Ｓ ４ ３ １ ４ Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ Ｚ １３Ⅱｏｖｉｎｇ塑！ｌ竺竺竺ｃｏｕｎｔ“忡……ｄｅｇ…ｓ Ｃ…ｍｃｌｕｄｉ“ｇｇｒ口吼帅Ｊｏｉｎｔｓｏｆｆｒｅｅｄ０１）Ａ…１仳ｅＦｉｘｅｄ ＨｏｃｉｏｎｓＪ０ｉ址ｓＪｏｉｎｔ５Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ＿３０ｉｎｔｓＴｒ衄５１ａ＝ｉｏｎａｌＪｏｉ＂ｃｓＴｈ………ｅ她ｄ…ｃｏｎｓｔ 帅ｅ …ｓ．０Ｄｅｇ…ｉｏｆＦ…ｄ。ｍｆｏｒ一１ｎ。ＬｚＭｏｄｅｌ…ｉ“ｔｄ…一ｆｕｌｌｙ图４－１模型校验信息模型校验结果说明：虚拟样机模型包含１３个零件，４个圆柱副，５个转 动副，４个球面副，３个移动副，１个固定副，４个运动驱动，整个模型有４ 个自由度。模型没有多余约束，校验结果正确。４．２工作装置的运动学仿真４ ２１运动学仿真在ＡＤＡＭＳ中的实现西南交通大学硕士研究生学位论文第３０页运动学研究的是物体的位移、速度和加速度的关系，因此对挖掘机工作 装置运动学的仿真分析任务是对已建立的工作装置虚拟样机模型，按主动件 的位置、速度和加速度来确定从动件或从动件上指定点的位置、速度和加速 度。 在运动学仿真中，ＡＤＡＭＳ／Ｓｏｌｖｅｒ只解最少的代数方程，因此，对于运 动学仿真系统的自由度必须为零。 对于挖掘机的运动仿真，为了能够使模型真实反映实际机构的运动规律， 必须精确地描述驱动件的运动规律。如动臂缸收缩到一定位置后不动，斗杆 缸和铲斗缸运动到一定位置，并开始挖掘作业，然后提升、卸载等运动。对 于这类多自由度问题，可以分为多个运动过程，每个过程只有单个自由度， 每个过程最后的运动状态均作为下一个过程的初始条件，这种分割的办法虽 然繁琐但运动形式清晰明了，对需要重点研究某一运动过程很方便。 反铲工作装置的几何位置取决于动臂液压缸的长度Ｌ１，斗杆液压缸的长 度Ｌ２和铲斗液压缸的长度Ｌ３。因此，当Ｌ１、Ｌ２和Ｌ３某一组确定的值时工 作装置就相应处于一个确定的几何位置，相应地斗齿尖的运动轨迹也随之确 定。本虚拟样机反铲工作装置各液压缸运动参数如表４―１所示：表４．１各工作液压缸运动参数表液压缸种类 动臂液压缸 斗杆液压缸 铲斗液压缸 全缩长度Ｌｍｉｎ１２２０ １２８５ １０１５单位：ｍｍ 最大行程７６０ ８６０ ６００全伸长度Ｌｍａｘ１９８０ ２１４５ １６１５对于液压挖掘机来说，一般有两种挖掘工作方式：顺序动作方式和复合 动作方式。顺序动作方式是指在挖掘机工作的时候各个油缸是依次按顺序动 作收缩或伸出。而复合动作方式是指在挖掘机工作的时候，各个油缸是同时 动作的，同时动作的有两个或三个油缸。这种工作方式极大的利用了发动机 及油泵的功率，节约了工作时间，极大地提高了工作效率。所以在一般正式 挖掘作业中使用较多。 对于顺序动作方式，一般用来检验挖掘机的挖掘范围，测定挖掘机的主 要作业尺寸如最大挖掘半径、最大挖掘深度、最大卸载高度、最小旋转半径 等参数。 最大挖掘半径是指挖掘机的回转中心到铲斗斗齿尖所能伸出的最远点间 的距离：停机面最大挖掘半径是指挖掘机的回转中心到停机面上铲斗斗齿尖西南交通大学硕士研究生学位论文第３１页所能伸出的最远点间的距离；最大挖掘深度是指铲斗在停机面以下所能达到 的最低点到停机面的距离，此时，动臂、斗杆、铲斗的三个油缸活塞杆全部 收回：最大挖掘高度是指工作装置处于最大举升高度时，铲斗斗齿尖端至停 机面的距离，此时，动臂油缸活塞杆全伸出，而斗杆与铲斗油缸的活塞杆全 部收回；最大卸载高度是指工作装置位于最大举升高度，翻转后的铲斗齿尖 与停机面间的距离，此时，动臂与铲斗油缸活塞杆全伸出，而斗杆油缸的活 塞杆全部收回；最小旋转半径是指动臂、斗杆、．铲斗油缸的活塞杆全伸出时， 挖掘机进行回转的最小半径【１４１１２０１１２７１。 对于反铲型挖掘机来说，主要用于挖掘停机面以下的土壤（如建筑基坑、 沟渠等），因此最大挖掘深度和最大挖掘半径是其主要的作业尺寸，也是工程 设计中所要优先考虑的设计参数。 以下主要针对液压挖掘机虚拟样机，采用顺序动作方式来计算检验挖掘 机的挖掘工作范围，测定挖掘机的主要作业尺寸如最大挖掘半径、最大挖掘 深度、最大挖掘高度、最大卸载高度、最小旋转半径等参数。ｈｌｘＯｘｌ图４．２ＳＴＥＰ函数示意图各个油缸间的驱动方程，以ＡＤＡＭＳ中提供的阶跃函数ＳＴＥＰ函数来表 示，其中阶跃函数的设置格式为【冽： ＳＴＥＰ（Ａ，ｘ０，ｈ０，ｘｌ，ｈｉ） 式中 Ａ＿一函数自变量。一般以时间（ｔｉｍｅ）作为自变量。（４―１）ｘ卜函数自变量的初始值。 ｈ卜函数的初始值。ｘ１――函数自变量的最终值。 ｈ１――函数的最终值。图４．２为ＳＴＥＰ函数的示意图。首先在ＡＤＡＭＳＮｉｅｗ中，在铲斗齿尖部位创建一个ＭＡＲＫＥＲ标记点，如图４．３所示，并在此标记点上建立一个测量（ｍｅａｓｕｒｅ），定义测量特征为西南交通大学硕士研究生学位论文第３２页［ＭＡＲＫＥＲ４０４３影＇ｉ图４－３齿尖测量点示意图对于顺序测量，在ＡＤＡＭＳ中的仿真思路是：对于动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸驱动分别建立不同的ｓⅡＰ函数表示，来调节油缸的伸缩行程，以获得挖掘机的工作范围。在油缸移动副约束处添加移动驱动（Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎａｌ ｊｏｉｎｔ ｍｏｔｉｏｎ），运动方式为位移（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ），运动函数输入为相应的ＳＴＥＰ 函数。根据公式（４－１），各个油缸的ＳＴＥＰ函数的具体设置如下：定义动臂油缸上的驱动方程ＳＴＥＰ函数为： ＳＴＥＰ（ＴＩＭＥ，０．０，０．０，５．０，７６０）＋ＳＴＥＰ（ＴＩＭＥ’５，０，６，０）＋ ＳＴＥＰ（ＴＩＭＥ，６，０，１０，ｏ）＋ＳＴＥＰ（ＴＩＭＥ，１０，０，１３，０）十 ｓＴＥＰ（１＂ＩＭＥ，１３，０，１６，?７６０）＋ＳＴＥＰ（ＴＩＭＥ，１６，０，１９，０）＋ ＳＴＥＰ（ＴＩＭＥ，１９，０，２２，０）＋ＳＴＥＰ（ＴＩＭＥ，２２，０，２５，ｏ）定义斗杆油缸上的驱动方程ＳＴＥＰ函数为：ＳＴＥＰ（ＴＩＭＥ，０，８６０，５，８６０）＋ＳＴＥＰ（ＴＩＭＥ，５，０，６，０）＋ ＳＴＥＰ（ＴＩＭＥ，６，０，１０，一８６０）＋ＳＴＥＰ（ＴＩＭＥ，１０，０，１３，０）＋ＳＴＥＰ（ＴＩＭＥ，１３，０，１６，０）＋ＳＴＥＰ（Ｔ１ＭＥ＇１６，０，１９，ｏ）＋ＳＴＥＰ（ＴＩＭＥ，１９，０，２２，８６０）＋ＳＴＥＰ（ＴＩＭＥ，２２，ｏ＇２５，ｏ）定义铲斗油缸上的驱动方程ＳＴＥＰ函数为：ＳＴＥＰ（１＂ＩＭＥ＇０，５４８，５，５４８）＋ＳＴＥＰ（＂１７Ｍ Ｅ，５，０，６，－８３）＋ ＳＴＥＰ（ＴＩＭＥ＇６，０，１０，ｏ）＋ＳＴＥＰ（ＴＩＭＥ，１０，０＇１３，一２５４）＋ＳＴＥＰ（ＴＩＭＥ，１３，０，１６，０）＋ＳＴＥＰ（ＴＩＭＥ，１６，０，１９，一２１１）＋西南交通大学硕士研究生学位论文第３３页ＳＴＥＰ（ＴＩＭＥ，１９，０，２２，０）＋ＳＴＥＩ＇（ＴＩＭＥ，２２，０，２５，６００） 以上ＳＴＥＰ函数表述中，各项定义的依据是挖掘机各个油缸的理论行程、 仿真过程避免发生构件的干涉原则以及获得最大工作范围原则等。为了得到 准确的运动参数，在进行顺序工作方式仿真的时候，不考虑回转动作。ｆｕｎｄ幻ｎＢ■●，―ｂ■ｍ 厂｜ｌ，ｘｒｒ酬ｌｆ｜ 、 、｛｜｜ ｜｜ ｌｌ 、、｜ｌ ｜ ｜ 、ｌ｜ ｜ ／１０ｍ｜ ｜；＼∞ｍＴ－呻＇１）动臂油缸函数曲线ＦｕＨ珊ａ■Ｉ●＿■■Ｉ●■啪ｌ、Ｉ“ｒ毒ｒ‘Ｉｌ ｒｌ、： Ｘ；、 ；、 ；、 ， ， ｉ，……。℃ｒ， ，｜ｆ｜ 、ｆ７ ， ｜ｌ 羹，： …ｔ５０…一。一＼１００！一．｜！ ｊＴｈ唾时ｂ）斗杆油缸函数曲线西南交通大学硕士研究生学位论文第３４页ｃ）铲斗油缸函数曲线图４．４顺序动作方式各液压缸驱动函数曲线对以上所建立的各油缸驱动函数在ＡＤＡＭＳ中曲线表示如图４－４所示。 这些函数的给出是以挖掘机工作装置实际运动驱动和挖掘机油缸的理论行程 为主要依据的。“……ＩＩ‘７、■Ｉ●墨蠹函在设置好驱动后，运行ＡＤＡＭＳ软件的仿真模块ＡＤＡＭＳ／Ｓｏｌｖｅｒ，进行仿 真运算。仿真结束后，在动画回放Ａｎｉｍａｔｉｏｎ中观看仿真结果，并跟踪铲斗 齿尖标记点ＭＡＲＫＥＲ＿４０４３３，即可在ｘ―ｙ平面内绘制挖掘机工作范围，如图 ４－５所示。西南交通大学硕士研究生学位论文第３５页在利用标记点得到挖掘机工作范围后，利用ＡＤＡＭＳ的添加曲线功能获 得挖掘机的主要作业尺寸。根据挖掘机在ｘ．Ｙ平面内工作范围，分解出斗齿 上标记点在ｘ、Ｙ方向上的位移，图４―６所示为斗齿尖标记点在ｘ方向、Ｙ方 向上位移变化曲线。从图上可以得出最大挖掘半径、停机面最大挖掘半径、 最大挖掘深度、最大挖掘高度和最大卸载高度等挖掘机特殊作业尺寸值。如 表４．２所示。ｒ椭， ｌ―Ｍｗ∞４。４３３ Ｔｒａｎ＊ｉｍＨ“睡私自＊“ＸＩ一一螂悯＝＿ｏ啪ｍｍ蝴脚呻删．’ｌＩ 、 、，一。∞∞Ｏｒ、１、／，、 、＇薹’雪¨ＬＬＹ方向位移ｊ 、．。∥乡／一、 、―７”＿．，，一＿‘．／７。，／／。’、厂，－，―、－’＿＿．５∞ＯＯ、＼． ．７７ｚ么ｊ／ｊ力｛＼纩＼～．．／ｒＸ倘铲斗齿尖标记点ｘ和Ｙ方向位移曲线图１０００．０Ｉ．，，ＤｏｅｊＴ聊铆柱∞ｒ吲ｊ嘶酣材ｔｘ７…『～夕１５００．０２０００且捌Ｄ最小同转半释虚卜］；彳 Ｌ…’’’…’一Ｊ／ｉ｛Ｌ ＼／＇－３０００。３鄙０Ｄ旧∞且．翮Ｏ囊”最小回转半径仿真曲线图于最小旋转半径的仿真测量是在斗杆上建立标记点，然后测量此标记的ｘ方向上的位移，在整个顺序动作方式的仿真过程中，斗杆上建立的标西南交通大学硕士研究生学位论文第３６页记点的位移曲线如图４－７所示。图示中的最小回转半径标记即为最小旋转半 径的仿真值。表４＿２液压挖掘机特殊作业尺寸测量值测量项目 半径 仿真值６４９９．１３单位：ｍｍ最大卸载最大挖掘停机面最大最大挖掘最大挖掘最小回转半径１６９７．５４挖掘半径６３７８．０７深度４１１５．６２高度６８９５．０９高度４８７０．１３无论动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸，在实际操作中均能根据需要实现 复合动作。因此对于高效挖掘作业，主要运用挖掘机的复合动作工作方式， 一般运用两个和两个以上的运动部件在动作，这样不但可以节约作业循环时 间，还可以提高工作效率。 以表２．１所示的液压挖掘机理论作业循环时间表为依据，通过设置动臂 油缸驱动、斗杆油缸驱动、铲斗油缸驱动和回转马达驱动的ＳＴＥＰ函数，以 达到控制油缸的动作过程的目的，来实现挖掘机的复合动作。同样，在油缸 移动副约束处添加移动驱动（Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎａｌ ｉｏｉｎｔ ｍｏｔｉｏｎ），对于回转旋转副添加 转动驱动（Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｊｏｉｎｔ ｍｏｔｉｏｎ），运动方式为位移（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ），运动函数输入相应的ＳＴＥＰ函数。各个油缸和旋转驱动的ＳＴＥＰ函数的具体设置如下。总的工作时间为１６．２ｓ（由２．３．６节计算得到），其中准备时间ｆ挖掘机从停机 位进入挖掘地点）为１ｓ，总的理论作业循环时间为１５．２ｓ。定义动臂油缸上的驱动方程ＳＴＥＰ函数为：ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，０，０，１，１５０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１，０，５．０，０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，５．ｏ，ｏ，８．８，－３９０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，８．８，０．０，１０．３，０．０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅｌ １０．３，０．０，１３．１，０）＋ ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１３．１，０．０，１４，－４０）＋ｓＴＥｅ（ｔｉｍｅ，１４，０．０，１６．２，４３０）如图４．８ａ所示。定义斗杆油缸上的驱动方程ＳＴＥＰ函数为：ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，０，０，１，?１００）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１，０，５．０’－４００）＋ ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，５．０，０．０，８．８，ｏ）＋ｓＴＥＰ（ｔｉｍｅ，８．８，０．０＇１０．３，０．Ｏ）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１０．３，０．０，１３．１，２５０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１３．１，０．０，１６．２，１５０）如图４―８ｂ所示。定义铲斗油缸上的驱动方程ＳＴＥＰ函数为：ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，０，０，１，１００）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１，０，１．９，０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１．９，ｏ，５．０，－３４０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，５．０，０．０，８．８，－１５０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，８．８，０．０，１０．３，Ｏ．０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１０．３，０．０，１１．１，０．０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１１．１，０，１３．１，４９０）＋西南交通大学硕士研究生学位论文 ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１３．１，０．０，１６．２，０．０）如图４－８ｃ所示。第３７页定义回转运动副上的驱动方程ＳＴＥＰ函数为ｇ ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，０，０，１．０，０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１．０，０．０，５．０，０．ｏ）＋ ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，５．０，０．ｏ＇６．８，０．０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，６．８，０．０，１０．３，９０ｄ）＋ ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１０．３，０．０，１３．１，０．０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１３．１，０．０，１６．２，一９０ｄ）如图４．８ｄ所示。御Ｄ 佃Ｄ瓤Ｄ。Ｄ ＾■‘如―＾●●州■■―珥●ｆ、’＼｜｜ ， ｜ ｜ ．》ｕｒⅢＩ｜１ｆ ｜、 ｌ ｝ ，，瓤ＯＩＩ｜暑Ｉ已３｜｜ ，， ｌ ，ｍＤ恤Ｄ；｛ ｌ｜！／孤Ｄ拗口 瑚Ｄｊ≮＼ｊ，｜，｜）动臂油缸函数曲线ｆＵ■重口ｔＵｋｂｎ知■Ｈｎ‘｛；ｌ――＿ｃｗｔＩ＼硼Ｄ／、｛ｌ ； ｌ ｌ｛｝／！／，／－４００Ｄ｛７＼８＇ ｔｒｅｅ（．｝棚ｎ／ｂ）斗杆油缸函数曲线西南交通大学硕士研究生学位论文ｎ，Ｅ－■ｔｈ■ｂ―＾■■ｎ第３８页｝。、ｌ――‰ｔ州ｌ｛ｆ．；ｌ ｝ ｜ ｆ、 ｆ｜ｌＪ｛Ｌ、＼｜ ｜ ＼＼乏 ｉ｜Ｔｌ喇８Ｊ４Ｊ皓ｃ）铲斗油缸函数曲线ＦｕｒｄｏｒＩＢｄｋ㈨ｍ回转驱动函数曲线图４－８复合动作方式各液压缸驱动函数曲线各个液压缸和回转副的驱动函数的给出是以挖掘机工作装置实际挖掘动 作和理论作业循环时间表为主要依据的，循环周期为１６．２ｓ。复合动作工作方 式下，斗齿尖的运动轨迹如图４＿９所示。 复合动作方式仿真的顺利完成，实现了挖掘机的挖掘―提升一回转一卸 料一反回转一降臂等一系列动作，并且在１６．２ｓ内完成了所有动作，说明了 挖掘机设计的合理性，验证了理论作业循环时间的正确性。西南交通大学硕士研究生学位论文第３９页图４．９复合动作下斗齿尖的工作轨迹示意图在复合动作仿真中，挖掘机进行挖掘作业，同时工作油缸的驱动列表如下：表４．３液压挖掘机的复合动作方式 作业动作 动臂油缸驱动 降臂 挖掘√驱动名称 斗杆油缸驱动０ ０ ＿ √ ｔ √ －铲斗油缸驱动－ ４ √ √ √回转马达驱动提臂回转 卸料 反回转√√从上表可以看出，一个完整的复合动作方式挖掘过程中，同时动作的驱 动数目至少有２个，最多有３个。这样不仅可以大大缩短工作时间，而且对 于发动机及液压油泵的功率利用来说，也是非常有利的。所以，复合动作方 式在高效的挖掘作业中应用极为普遍。４．２．２工作装置运动轨迹在ＭＡＴＬＡＢ中的绘制在液压挖掘机工作装置确定了几何参数，而没有绘制三维虚拟样机模型 时，可以利用解数学方程式的方法，编写计算机程序，对工作装置做详细的 运动分析。本节利用ＭＡＴＬＡＢ工程计算语言，编写程序，对工作装置做运西南交通大学硕士研究生学位论文第４０页动分析。ＣＡ图４－１０反铲机构自身几何参数计算简图ＭＡＴＬＡＢ语言有两个最显著的特点，即其强大的矩阵运算能力和完善的 图形可视化功能，使其成为优秀的工程计算语言。另外ＭＡＴＩ＿ＡＢ语言还具 有极高的编程效率。因此，在本节中利用ＭＡＴＬＡＢ语言进行编程仿真。 对于液压挖掘机反铲工作装置，实质上是一组平面连杆机构。它的自由 度通常为一－－１２０１。三个自由度分别由三个液压缸控制，在反铲机构自身结构参 数简化时，三个液压缸在仿真过程中由函数驱动。在仿真过程中，反铲工作装置各结构参数的表示按图４．１０所示。在挖掘机工作装置机构参数确定后，分别建立动臂运动方程、斗杆相对于动臂的运动方程、铲斗相对于斗杆的运动方程，最后综合求解，得出斗齿尖的运动方程，并计算主要作业尺寸值。图４―１１为整体式动臂计算简图；图 ４－１２为斗杆相对于动臂运动计算见图；图４－１３斗齿尖运动方程计算见图。、Ｌ２ｎＱ× ［１×图４－１１ Ｆ点坐标计算简图图４－１２斗杆机构摆角计算简图西南交通大学硕士研究生学位论文 由图４―１１，并根据数学推导可得：Ｆ点的Ｘ坐标方程为：Ｘ，Ｉ工ｃ＋１３×ｃｏｓ口ｌ （４―２）Ｆ点的Ｙ坐标方程为： 耳Ｉ Ｙｃ＋Ｚ３ ｘ ｓｍａｌ（４―３）。ｃ弋心心兰 ―Ｄ＿Ｌ＿２ Ｅ心Ｇ二图４＿１３斗齿尖坐标方程推导简图第４１页导可得斗杆相对于动臂的摆角范围为：办一－ｃｏｓ以ｃ生铮一ｃｏｓ－１壬甜…ｅ卿／二理： ｒ一矿心＼＼由图４－１２，并根据数学推（４―４，藜 Ｐ姚 二｝徽手…歹。ｒ…Ｆ１、：??水平地面｛．－．．…＜。…罐一７／图４＿１４在凇ＴＬＡＢ中绘制的包络曲线由图４．１３，斗齿尖Ｖ的坐标值Ｘｖ和Ｙｙ是动臂油缸、斗杆油缸、铲斗 油缸长的函数。只要推导出Ｘｖ和Ｙｖ的函数表达式，那么整机的作业范围就西南交通大学硕士研究生学位论文 可以确定。最后推导出的Ｖ点方程式为：第４２页Ｘｙ?ｚｃ＋ｋ×ｃｏｓ（ａ１一口２一口３）（４―５）（４―６） Ｋ―Ｙｃ＋ｋ×ｓｉｎ（ａ１一口２－－ａ３） 在各关键点建立了方程后，即可在ＭＡＴＬＡＢ中进行编程计算，图４－１４为挖掘机工作范围曲线。表４．４为计算得出的液压挖掘机工作装置特殊作业尺寸。表４４液压挖掘机特殊作业尺寸计算值 测量项目 仿真值 最大挖掘 半径６４９９．３单位：衄最大卸载 高度４８７０．４停机面最大 挖掘半径６３８２最大挖掘 深度４１１５．１最大挖掘 高度６８９４．８最小回转 半径１６９６．７４．２．３运动学仿真对比分析以上分别在ＡＤＡＭＳ中和ＭＡＴＬＡＢ中对液压挖掘机工作装置进行了运 动学仿真分析，通过对中间过程的操作和对仿真结果的分析可得以下几点结论：１．从对两种仿真结果的对比可以看出，结果输出几乎完全一致，其中的微小差别是由建模误差和程序舍入误差引起的，这是由不同计算工具引起的， 由此可得两种仿真途径都是可以得到同一结果的。 ２．在现代设计要求对市场的快速性、准确性方面，两种仿真过程都具有这种优势，在ＡＤＡＭＳ中进行的仿真，只需要对模型作不同的尺寸驱动，就可以变换模型，进行不同的仿真分析：在ＭＡＴＬＡＢ中，对关键尺寸的更改， 即可在程序中得到体现，利用对程序参数的重新赋值，重新进行计算，即可得到另一组仿真数据，并对其进行仿真分析，得出合理的结构设计，缩短了 设计时间、提高了设计的快速性、对市场的响应更快、更准。 ３．两种仿真虽然都可以得到相同的结果，但在有无模型建立方面，ＭＡＴＬＡＢ无需虚拟样机模型的建立，只需给出关键设计尺寸，即可进行运动仿真；ＡＤＡＭＳ则必须给出虚拟样机模型。 ４．在ＡＤＡＭＳ中进行仿真，只需在三维模型的基础上建立测量，建立驱动，并设定工作循环时间即可进行仿真分析，得出结果输出；而在ＭＡＴＬＡＢ 中，则必须对整个工作装置进行编程计算，并对每个所关心的内容进行数学计算并编写程序，这在操作上比ＡＤＡＭＳ中繁琐。４．３工作装置的动力学仿真西南交通大学硕士研究生学位论文第４３页在对挖掘机虚拟样机进行动力学分析时，需要加载挖掘过程中挖掘机所 受的各种载荷。由于挖掘机在实际工况中载荷分布情况是十分复杂的，受时 间和篇幅限制，故而本章根据挖掘机实际工作情况的不同载荷分布特点，仅 对其中影响挖掘机可靠性和挖掘能力比较显著的载荷，比如挖掘阻力、物料 的重力、各构件的重力等，在动力学仿真时进行了加载，而其他载荷并未考虑。通过动力学分析，本文拟得到挖掘机的动臂、斗杆、铲斗等的铰接点的 力学特性曲线，以便揭示各构件在挖掘机挖掘作业过程中的动力学特性规律， 并为进一步分析挖掘机的结构特性和受力分析提供了结构件的载荷分布情况。由于复合动作方式在实际挖掘过程中应用最为广泛，因此在一个完整的 挖掘工作周期内，以复合动作挖掘方式对挖掘机进行动力学特性分析是合理 可靠的。在挖掘机实际工作中，作用在铲斗刃口上的挖掘阻力可分为两种情况：１．对称载荷，外载荷沿切削刃均匀分布，分析时可以用在铲斗斗刃中部的集中力来代替；２．偏心载荷，由于铲斗在作业过程中挖偏或物料装载的不均匀性而使得载荷不均匀分布。在复合动作方式下，对称载荷是最常见的作业工况，也是最理想的作业 状态，但有时在挖掘机挖掘过程中，由于地质原因或者其它外界因素影响会 使挖掘过程出现偏载状态。考虑到单斗液压挖掘机铲斗宽度相对于整机宽度相对较小，在铲斗强度和刚度保证的情况下，偏心载荷对整机的影响相对子对称载荷差别不大，因此本论文只对对称载荷做仿真分析。 针对一个作业循环，在ＡＤＡＭＳ软件中对对称载荷的作用仿真如下：４．３．１添加驱动挖掘机在复合工况作业下，作业动作分为挖掘、抬臂回转、卸料和回转 降臂四个环节，而在挖掘环节，挖掘阻力对于铲斗来说情况复杂，完全真实 的描述比较困难，因此在进行动力学分析时，要进行简化处理。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：西南交通大学硕士研究生学位论文第４４页ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，０，０，１，１５０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１，０，５．０，Ｏ）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，５．０，０，８．８，－３９０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，８．８，０．０＇１０．３，０．０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１０．３，０．０，１３．１，０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１３．１，０．０＇１４，舶）＋ｓＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１４，０．０＇１６．２，４３０）定义斗杆油缸上的驱动方程为：ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，０，ｏ，１，－１００）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１，０，５．０，一４００）＋ ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，５．０，０．０，８．８，０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，８．８，０．０，１０．３，Ｏ．０）＋ｓＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１０．３，０．０，１３．１，２５０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１３．１，０．０，１６．２，１５０）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．ｏ’－３４０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，５．０，０．０，８．８，一１５０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，８．８，０．０，１０．３，０．０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１０．３，０．０，１１．１，０．０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１１．１，ｏ＇１３．１，４９０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１３．１，０．Ｏ，１６．２，０．ｏ）定义回转运动副上的驱动方程为：ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，０，０，１．０，０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１．０，０．０，５．０，０．０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，５．０，０．０，６．８，０．０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，６．８，０．０，１０．３，９０ｄ）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１０．３，０．０，１３．１，０．０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１３．１，Ｏ．０，１６．２，－９０ｄ）各个液压缸和回转副上的驱动函数曲线如图４．８所示。４．３．２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２．３．４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Ｗｌ的函数表达式为：ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１．０，０．０，４．０，２２９６１）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，４．０，０．０，５．ｏ＇－２２９６１）法向阻力Ｗ２的函数表达式为：ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１．０，０．０，４．０，９６４４．０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，４．０，０．０，５．０，－９６４４．０）挖掘机在挖掘过程中，物料重力是逐渐增加的，在卸载过程中又逐渐减少，并在卸载结束，物料全部卸掉，重力减为零，根据２．３．７节计算得到的物料重力数值，在仿真过程中，将物料重力写成函数表示如下：物料重力Ｇｓ的表达