裝載機(jī)工作裝置動(dòng)臂和搖臂的動(dòng)力學(xué)仿真分析

裝載機(jī)工作裝置動(dòng)臂和搖臂的動(dòng)力學(xué)仿真分析

在加載終端上，動(dòng)臂和搖臂斷裂是工作設(shè)備中常見(jiàn)的失敗形式，動(dòng)臂和搖臂也是影響載機(jī)長(zhǎng)度的重要因素。動(dòng)臂和搖臂應(yīng)力計(jì)算的方法,常采用靜力學(xué)的典型工況方法,沒(méi)有考慮工作裝置在工作過(guò)程中的動(dòng)載荷,從而造成計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工作裝置破壞情況不相符的情況。隨著裝載機(jī)提高性能、降低消耗的要求不斷提高,裝載機(jī)行業(yè)逐漸采用仿真技術(shù)研究工作裝置的動(dòng)載荷和動(dòng)態(tài)應(yīng)力,以降低工作裝置的重量。如美國(guó)Caterpillar公司、瑞典Volvo公司等都建立了包括控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的裝載機(jī)虛擬樣機(jī)仿真模型,在仿真模型上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[2~3]。本文采用ANSYS和MSC.ADAMS軟件,以山東臨工工程機(jī)械有限公司的ZL50型裝載機(jī)為原型機(jī),建立其工作裝置的虛擬樣機(jī)仿真模型,對(duì)工作裝置在不同載荷情況下進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)力研究。1工作裝置機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模采用Pro/E、ANSYS、MSC.ADAMS,對(duì)ZL50型裝載機(jī)建立包括鏟斗、動(dòng)臂、連桿、搖臂、轉(zhuǎn)斗缸、動(dòng)臂舉升缸和前車(chē)架的工作裝置仿真模型,建模包括CAD三維造型和機(jī)構(gòu)模型兩階段。在模型的CAD三維造型階段,首先按照Z(yǔ)L50型裝載機(jī)工作裝置的二維工程圖,用三維特征造型軟件Pro/E建立工作裝置的帶有質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等物理特征的各個(gè)部件模型;其次對(duì)于本文研究的動(dòng)臂、連桿和搖臂3個(gè)零件,在Pro/E中用IGS格式圖形文件分別導(dǎo)入有限元軟件ANSYS,在ANSYS中通過(guò)模態(tài)縮減后分別生成每個(gè)零件的模態(tài)中性文件,把3個(gè)零件的模態(tài)中性文件分別導(dǎo)入MSC.ADAMS,生成能夠分析動(dòng)態(tài)應(yīng)力的柔性體零件;最后在Pro/E中用STL格式圖形文件將鏟斗和前車(chē)架導(dǎo)入MSC.ADAMS生成只能分析所受外力的剛體零件;對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)斗缸、動(dòng)臂舉升缸,在ADAMS/View中直接建立為剛體部件。機(jī)構(gòu)模型建立階段,首先在MSC.ADAMS虛擬樣機(jī)環(huán)境中,把剛體零件和柔性體零件準(zhǔn)確地安裝至合適的位置,并將CAD模型的重心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等精確地傳遞給動(dòng)力學(xué)仿真機(jī)構(gòu)模型,使生成的工作裝置虛擬樣機(jī)符合實(shí)際產(chǎn)品的外觀形狀和力學(xué)特征。然后在仿真軟件MSC.ADAMS中,利用其運(yùn)動(dòng)約束、力以及數(shù)值建模與求解函數(shù),建立工作裝置機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型,形成了工作裝置在MSC.ADAMS環(huán)境下具有真實(shí)外觀特征和力學(xué)特性的剛?cè)狁詈蠙C(jī)械模型。工作裝置機(jī)械仿真模型見(jiàn)圖1,鏟斗、動(dòng)臂、連桿、搖臂、轉(zhuǎn)斗液壓缸、動(dòng)臂舉升液壓缸和前車(chē)架之間用18個(gè)RevoluteJoint約束連接,轉(zhuǎn)斗缸、2個(gè)動(dòng)臂舉升缸的活塞桿與液壓缸之間用3個(gè)TranslationalJoint約束連接,前車(chē)架與地面用1個(gè)FixedJoints連接,鏟掘阻力施加在鏟斗上。物理樣機(jī)的鏟斗、動(dòng)臂、搖臂、連桿和前車(chē)架之間是通過(guò)銷(xiāo)軸連接的。虛擬樣機(jī)剛體零件之間的銷(xiāo)軸連接,在ADAMS中可以視為1個(gè)marker點(diǎn),通過(guò)marker點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)剛體之間的連接。柔性體把實(shí)體通過(guò)單元離散化后,無(wú)法用marker點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與其它零件的連接,傳遞零件之間的受力。銷(xiāo)軸與各構(gòu)件的力傳遞是通過(guò)接觸面實(shí)現(xiàn)的,柔性體在ANSYS中用solid45單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格后,在接觸面上生成若干節(jié)點(diǎn),可以假設(shè)接觸面之間力的傳遞是通過(guò)這些節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在銷(xiāo)軸的中心位置生成1個(gè)節(jié)點(diǎn),將此節(jié)點(diǎn)與接觸面上的各節(jié)點(diǎn)用beam4單元相連,就會(huì)形成一系列的桿單元束,這些桿單元束即可等效銷(xiāo)軸,柔性體通過(guò)等效的銷(xiāo)軸中間點(diǎn)就可以與其它零件連接,并傳遞力和力矩。ANSYS中的beam4單元既可以傳遞變形與位移,又可以傳遞力和力矩,符合實(shí)際受力情況。圖2為連桿柔性體及其等效銷(xiāo)軸中心節(jié)點(diǎn)。裝載機(jī)工作裝置機(jī)械系統(tǒng)中的主動(dòng)力,是由液壓系統(tǒng)通過(guò)舉升液壓缸和轉(zhuǎn)斗液壓缸作用在工作裝置上的。主動(dòng)力引用液壓系統(tǒng)中的液壓力,同時(shí)液壓系統(tǒng)的壓力和流量則與機(jī)械系統(tǒng)的速度、位移等動(dòng)力學(xué)參數(shù)有關(guān),所以在仿真模型中,需要把機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)集成,將上述相關(guān)的狀態(tài)參數(shù)相互傳遞、引用,產(chǎn)生機(jī)械與液壓系統(tǒng)間的有機(jī)關(guān)聯(lián)。液壓系統(tǒng)模型采用液壓模塊ADAMS/Hydraulics建立,見(jiàn)圖3。仿真模型通過(guò)施加在工作裝置轉(zhuǎn)斗液壓缸和舉升液壓缸活塞上的液壓力,實(shí)現(xiàn)液壓仿真與機(jī)械仿真相互耦合。工作裝置工作時(shí),鏟斗受到物料的鏟掘阻力,以及舉升物料需要克服的慣性力。本文在裝載機(jī)仿真過(guò)程中,插入阻力近似按線性增加,鏟斗最大插入阻力為裝載機(jī)的最大牽引力,而鏟斗的最大鏟起阻力,采用修正的土方基本方程(FundamentalEarthmovingEquation)的公式進(jìn)行計(jì)算。式中:d——鏟斗斗尖到物料表面的距離;w——鏟斗寬度;γ——鏟裝物料密度;Vs——進(jìn)入鏟斗物料的體積;g——重力加速度;Ny、Nc、Nq——計(jì)算因子式中:α——物料與水平面夾角;β——物料破壞面與物料表面的夾角;δ——鏟斗與物料之間的摩擦角;φ——物料內(nèi)摩擦角;ρ——鏟斗表面與物料表面的夾角。2運(yùn)行裝置的模擬研究2.1工作裝置動(dòng)態(tài)特性仿真結(jié)果假設(shè)物料對(duì)鏟斗的插入阻力和鏟起阻力(二者之和簡(jiǎn)稱(chēng)為鏟斗阻力)均勻作用在鏟斗上,對(duì)工作裝置的1個(gè)工作循環(huán)進(jìn)行仿真。開(kāi)始時(shí)動(dòng)臂下放至下限位置,鏟斗插入物料,然后轉(zhuǎn)斗液壓缸回縮,鏟斗回收鏟裝物料;忽略運(yùn)輸工作過(guò)程,轉(zhuǎn)斗液壓缸回縮結(jié)束,舉升液壓缸伸長(zhǎng),鏟斗舉升到上限位置后,翻轉(zhuǎn)鏟斗卸料,卸載結(jié)束后,下放動(dòng)臂,鏟斗自動(dòng)放平,完成一次循環(huán)作業(yè)過(guò)程。仿真模型轉(zhuǎn)斗液壓缸和舉升液壓缸的開(kāi)啟時(shí)間按實(shí)際操作時(shí)間設(shè)定。模型仿真的結(jié)果,既可以得出工作裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性,同時(shí)還可以得出顯示工作裝置柔性體零件在1個(gè)工作循環(huán)過(guò)程中的應(yīng)力和應(yīng)變。工作裝置工作循環(huán)過(guò)程中,在轉(zhuǎn)斗下限收斗2.14s時(shí),工作裝置各個(gè)零件的應(yīng)力達(dá)到一個(gè)較高值,工作裝置的應(yīng)力分布見(jiàn)圖4,其中動(dòng)臂的應(yīng)力分布見(jiàn)圖5。裝載機(jī)工作裝置在上限舉升位置,操作轉(zhuǎn)斗液壓缸翻轉(zhuǎn)鏟斗,在即將卸料完畢的11.7s時(shí),搖臂的應(yīng)力分布見(jiàn)圖6,這時(shí)搖臂應(yīng)力達(dá)到一個(gè)較大值。從上述仿真結(jié)果可見(jiàn),裝載機(jī)工作裝置零件的應(yīng)力,僅分析典型工況是不全面的,典型工況不能完全反映工作裝置的受力情況。2.2搖臂的應(yīng)力分析假設(shè)鏟斗阻力非均勻地作用在鏟斗上,即裝載機(jī)偏載工況。ZL50型裝載機(jī)鏟斗寬2.8m,在仿真模型中,把鏟斗阻力每隔0.35m向鏟斗邊緣移動(dòng),每移動(dòng)一次進(jìn)行相應(yīng)載荷情況下的仿真,直到鏟斗阻力移動(dòng)到鏟斗邊緣。仿真結(jié)果表明,鏟斗阻力越靠近鏟斗邊緣,工作裝置零件局部應(yīng)力越大。在不同偏載情況下,觀察動(dòng)臂上“熱點(diǎn)”的應(yīng)力情況。取動(dòng)臂上應(yīng)力最大的1個(gè)熱點(diǎn):節(jié)點(diǎn)1648(位置見(jiàn)圖5),節(jié)點(diǎn)1648的應(yīng)力變化情況見(jiàn)圖7。圖中點(diǎn)劃線是鏟斗阻力作用于鏟斗中點(diǎn)時(shí),節(jié)點(diǎn)1648的應(yīng)力變化;虛線是鏟斗阻力作用于距離鏟斗邊緣0.7m處,節(jié)點(diǎn)1648的應(yīng)力變化;實(shí)線是鏟斗阻力作用于鏟斗邊緣時(shí),節(jié)點(diǎn)1648的應(yīng)力變化。從圖中可以看到,鏟斗阻力越靠近鏟斗邊緣,在鏟斗阻力作用期間,動(dòng)臂局部應(yīng)力越大。觀察搖臂上“熱點(diǎn)”的應(yīng)力變化。取搖臂上應(yīng)力最大的1個(gè)熱點(diǎn):節(jié)點(diǎn)120(位置見(jiàn)圖6),節(jié)點(diǎn)120的應(yīng)力變化情況見(jiàn)圖8。圖中3條曲線由下至上分別為鏟斗阻力作用在鏟斗中點(diǎn)、作用在距離鏟斗邊緣0.7m處和作用在鏟斗邊緣處的應(yīng)力變化。鏟斗阻力從鏟斗中點(diǎn)移動(dòng)到邊緣時(shí),節(jié)點(diǎn)120的應(yīng)力也相應(yīng)變大,但變化幅度較小。從以上分析可以看出,鏟斗阻力作用在鏟斗不同的位置時(shí),引起工作裝置動(dòng)臂應(yīng)力和搖臂應(yīng)力變化趨勢(shì)不同,動(dòng)臂隨著鏟斗阻力從中點(diǎn)移動(dòng)到邊緣,局部應(yīng)力有較大幅度增加;搖臂隨著鏟斗阻力從中間移動(dòng)到邊緣,局部應(yīng)力略有增大,鏟斗阻力作用點(diǎn)的位置對(duì)動(dòng)臂的應(yīng)力影響比搖臂要明顯得多。3工作裝置仿真分析裝載機(jī)工作裝置的剛?cè)狁詈?、機(jī)液耦合仿真模型,表明了工作裝置機(jī)械系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的相互作用,不僅可以分析其運(yùn)動(dòng)學(xué)性能,而且可以全面分析其在任何工作循環(huán)下的動(dòng)力學(xué)性能,比典型工況分析方法更能全面反映工作裝