多功能裝載機(jī)工作裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)建模

多功能裝載機(jī)工作裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)建模

0虛擬樣機(jī)仿真中的應(yīng)用多功能加載載荷的最佳機(jī)動(dòng)性、能耗和施工適應(yīng)性用于所有小型土方工程。這是一個(gè)典型的變載和多場景的電氣工程。傳統(tǒng)的基于物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)試驗(yàn)規(guī)程使得多功能裝載機(jī)的設(shè)計(jì)周期漫長,無法適應(yīng)市場的變化,并且物理樣機(jī)的制造增加了多功能裝載機(jī)的設(shè)計(jì)成本,制約了裝載機(jī)質(zhì)量的提高。虛擬樣機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的問題,工程設(shè)計(jì)人員利用該技術(shù)可以直接利用CAD系統(tǒng)所提供的多功能裝載機(jī)各零部件的物理信息(如質(zhì)量、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等)及幾何信息,在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行虛擬裝配(定義零部件間的連接關(guān)系及其作用力、運(yùn)動(dòng)激勵(lì)),從而獲得多功能裝載機(jī)的虛擬樣機(jī)模型,并對其進(jìn)行仿真分析,進(jìn)而在裝載機(jī)物理樣機(jī)試制出來之前就對其性能有一個(gè)大體了解,并可把仿真結(jié)果作為對系統(tǒng)關(guān)鍵零部件有限元分析的依據(jù)。本研究應(yīng)用動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS對多功能裝載機(jī)中典型工作裝置進(jìn)行仿真分析:對工作裝置的機(jī)械及其液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模,并在此基礎(chǔ)上模擬實(shí)際工況和各種工作姿態(tài),并對裝載過程時(shí)的機(jī)械及其液壓系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。研究工作裝置在整個(gè)工作循環(huán)過程中的平移性、自動(dòng)放平性及其卸料性,為后期的優(yōu)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。同時(shí)應(yīng)用ADAMS中的Hydraulic模塊研究工作裝置液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,使得仿真結(jié)果更為準(zhǔn)確。1小型裝載執(zhí)行設(shè)備的理論模型1.1負(fù)載工作裝置的作業(yè)過程多功能裝載機(jī)工作裝置是實(shí)現(xiàn)鏟掘、裝載物料的連桿機(jī)構(gòu),其性能的好壞直接影響裝載機(jī)的工作效率和作業(yè)質(zhì)量,對整機(jī)的其它性能也有較大的影響。因此,工作裝置的性能分析是裝載機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)的重要組成部分,其性能好壞是評價(jià)裝載機(jī)設(shè)計(jì)成功與否的重要指標(biāo)。如圖1所示,裝載機(jī)的工作裝置主要由鏟斗、連桿、搖臂、轉(zhuǎn)斗油缸、動(dòng)力臂、動(dòng)臂舉升油缸和前車架等幾部分組成。裝載機(jī)工作裝置的作業(yè)過程通常由以下5種典型工況組成:①地面插入工況,動(dòng)臂下放至下限位置,鏟斗插入地面,開動(dòng)裝載機(jī),鏟斗借助機(jī)器的牽引力插入料堆;②下限收斗工況,地面插入工況以后,轉(zhuǎn)動(dòng)鏟斗,鏟取物料,操作轉(zhuǎn)斗油缸實(shí)現(xiàn)收斗作業(yè)過程;③重載運(yùn)輸工況,該工況轉(zhuǎn)斗油缸封閉,舉升動(dòng)臂,驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)駛向卸料點(diǎn);④上限舉升工況,保持轉(zhuǎn)斗油缸長度不變,操作動(dòng)臂舉升油缸,將動(dòng)臂升至上限位置;⑤上限卸料工況,在動(dòng)臂舉升到上限高度后,動(dòng)臂油缸保持不動(dòng),操作轉(zhuǎn)斗油缸翻轉(zhuǎn)鏟斗,向運(yùn)輸車輛或固定卸料點(diǎn)卸料。完成上述操作后,操作動(dòng)臂舉升油缸下放動(dòng)臂,實(shí)現(xiàn)鏟斗自動(dòng)放平,再次進(jìn)入地面插入工況,并進(jìn)行下一循環(huán)作業(yè)過程。1.2多功能吊裝工作裝置的幾何參數(shù)裝載機(jī)工作裝置是兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)開式鏈機(jī)構(gòu),它具有2個(gè)自由度,D-H坐標(biāo)系如圖2所示。裝載機(jī)工作裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)模型是根據(jù)Denavit-Hartenberg方法來建立的,其建模過程如下:首先,應(yīng)用D-H方法建立工作裝置的D-H坐標(biāo)系。在動(dòng)臂鉸點(diǎn)、轉(zhuǎn)斗鉸點(diǎn)和斗齒尖設(shè)置了3個(gè)局部坐標(biāo)系,分別為{x0,y0,z0}、{x1,y1,z1}、{x2,y2,z2}。另外,D-H坐標(biāo)系中描述相鄰連桿坐標(biāo)系之間關(guān)系的4個(gè)幾何參數(shù)定義如下:θi—繞Zi-1軸,按右手規(guī)則由Xi-1轉(zhuǎn)到與Xi軸平行時(shí)的轉(zhuǎn)角;di—Zi-1軸與Zi軸之間的垂直距離;ai—Zi-1軸與Zi軸的交點(diǎn)沿著Zi到坐標(biāo)系原點(diǎn)的距離;αi—繞Zi軸,按右手規(guī)則由Zi-1軸轉(zhuǎn)到Zi軸的偏角。多功能裝載機(jī)工作裝置的幾何參數(shù)表如表1所示。構(gòu)件i相對于構(gòu)件i-1的位置和方向?yàn)锳i:Ai=[cosθ-sinθcosαsinθsinαacosθsinθcosθcosα-sinαcosθasinθ0sinαcosαd0001](1)裝載機(jī)工作裝置有2個(gè)自由度,也就是說有2個(gè)構(gòu)件(不包括基座),則鏟斗相對于基座的位置和方向用0T2表示:0T2=A1A2(2)把裝載機(jī)工作裝置的幾何參數(shù)代入式(1)、式(2)可得:A1=[c1-s10a1c1s1c10a1s100100001];A2=[c2-s20a2c2s2c20a2s200100001];0Τ2=A1A2=[c1c2-s1s2-c1s2-s1c20a2c1c2-a2s1s2+a1c1s1c2+c1s2c1c2-s1s20a2s1c2+a2c1s2+a1s100100001]。其中,s1=sinθ1,s2=sinθ2,c1=cosθ1,c2=cosθ2。由此可得,鏟斗齒尖在基座坐標(biāo)系中的位置為:[xyz1]=0Τ2=[a2c1c2-a2s1s2+a1c1a2s1c2+a2c1s2+a1s101]1.3s12s13閥裝載機(jī)工作裝置由動(dòng)臂、轉(zhuǎn)斗兩個(gè)基本液壓回路組成,其原理基本相同,經(jīng)過簡化其基本回路如圖3所示。在圖3中由4個(gè)(Y1、Y2、Y3、Y4)液壓元件組成3個(gè)(V1、V2、V3)液壓容腔。液壓系統(tǒng)的建模采用集中參數(shù)法,則各液壓容腔的壓力和流量關(guān)系為:˙Ρ1=E0V1Q1˙Ρ2=E0V2+x1A1Q2˙Ρ3=E0V3+(Η-x1)A2Q3式中P1,P2,P3—3個(gè)封閉油腔的壓力,Pa;Q1,Q2,Q3—流入流出3個(gè)封閉腔的流量;V1,V2,V3—3個(gè)液壓容腔的體積;E0—油液有效體積彈性模量;A1,A2—液壓缸有桿腔和無桿腔活塞面積;x1—液壓缸活塞位移;H—活塞桿最大位移。且:Q1={Qpump-QΡA→四通閥位于下位Qpump-QΡB→四通閥位于上位Q2={QΡA-˙x1A1→四通閥位于下位˙x1A1-CdfBΤ√2ρ(Ρ2-ΡΤ)→四通閥位于上位Q3={˙x1A2A2-CdfAΤ√2ρ(Ρ3-ΡΤ)→四通閥位于下位QΡB-˙x1A2→四通閥位于上位其中:QΡA={CdfΡA√2ρ(Ρ1-Ρ2)??(Ρ1≥Ρ2)0??(Ρ1≤Ρ2)QΡB={CdfΡB√2ρ(Ρ1-Ρ3)??(Ρ1≥Ρ3)0??(Ρ1≤Ρ3)式中Qpump—泵輸出的流量;˙x1—液壓缸活塞速度;fPB—P口和B口之間的通流截面;fPA—P口和A口之間的通流截面;fAT—A口和T口之間的通流截面;fBT—B口和T口之間的通流截面;Cd—四通閥閥口流量系數(shù)。2工作設(shè)備的可視化模型2.1建立工作裝置各部件的cad模型本研究采用Pro/E、ADAMS軟件對HT25J多功能裝載機(jī)工作裝置建立虛擬樣機(jī)仿真模型。首先應(yīng)用三維建模軟件Pro/E建立工作裝置各部件的CAD模型,該模型帶有質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等物理特性。然后把各部件組裝成工作裝置整體模型,如圖1所示,應(yīng)用ADAMS軟件接口模塊Mechanical/Pro把工作裝置整體模型導(dǎo)入ADAMS中,為后續(xù)的仿真分析做好準(zhǔn)備。2.2工作裝置元件設(shè)計(jì)ADAMS/Hydraulics模塊是機(jī)械系統(tǒng)與液壓回路之間相互作用的模塊,并可以設(shè)置系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特征,進(jìn)行各種靜態(tài)、模態(tài)、瞬態(tài)分析。Hydraulics采用了ADAMSView相同的參數(shù)化功能和函數(shù)庫,可在液壓元件設(shè)計(jì)中運(yùn)用設(shè)計(jì)研究(DS)、試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)以及優(yōu)化(OPTIMIZE)等技術(shù)。在Hydraulics中應(yīng)用液壓框圖建模器進(jìn)行液壓回路圖形建模,采用開放式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),從液壓元件庫里選取所需的液壓元件,通過管路連接形成液壓回路。在求解算法中,液壓動(dòng)力學(xué)方程與系統(tǒng)機(jī)械方程組完全耦合,具有強(qiáng)大的求解功能,可以充分發(fā)揮積分器的解算效率。裝載機(jī)工作裝置有兩個(gè)液壓缸,分別為動(dòng)臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸。為了真實(shí)的模擬裝載機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)的工況,本研究利用ADAMS/Hydraulics模塊將動(dòng)臂回路和轉(zhuǎn)斗回路建立在同一壓力源下進(jìn)行仿真,其液壓模型如圖4所示。該模型由液壓油、油箱、壓力源、液壓缸、單向閥、方向控制閥、平衡閥、液壓缸和液壓管路組成。3工作裝置的工作循環(huán)模擬裝載機(jī)液壓系統(tǒng)會受到機(jī)械、控制、摩擦等多種因素的影響,為了更真實(shí)地模擬實(shí)際工況,本研究以粘土為鏟裝物料,對裝載機(jī)進(jìn)行一個(gè)工作循環(huán)的仿真分析。由于粘土的作業(yè)阻力是復(fù)雜多變的,而土壤阻力模型無論如何精確都會與實(shí)際值有差別。所以本研究采用step函數(shù)模擬裝載機(jī)工作裝置在鏟裝物料時(shí)的作業(yè)阻力以及物料的重力。其作用力變化如圖5所示。機(jī)械系統(tǒng)模型中液壓缸的位移和速度與液壓系統(tǒng)模型中計(jì)算封閉容腔壓力的壓力區(qū)體積以及流量公式關(guān)聯(lián)起來,從而實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)仿真與裝載機(jī)的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)保持精確一致。本研究液壓系統(tǒng)中有動(dòng)臂舉升回路及轉(zhuǎn)斗回路,通過控制兩回路中的三位四通換向閥,實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)臂舉升油缸及轉(zhuǎn)斗油缸換向,從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作裝置在一個(gè)工作循環(huán)中的精確控制。在ADAMSHydraulic中應(yīng)用step函數(shù)實(shí)現(xiàn)換向閥的控制,其函數(shù)如下:轉(zhuǎn)斗油缸控制函數(shù):STEP(time,2,0.0,2.1,-1)+STEP(time,4.1,0.0,4.2,1)+STEP(time,8.4,0.0,8.5,1)+STEP(time,9.8,0.0,9.9,-1)動(dòng)臂油缸控制函數(shù):STEP(time,4.3,0.0,4.4,1)+STEP(time,8.2,0.0,8.3,-1)+STEP(time,10,0.0,10.1,-1)+STEP(time,12.5,0.0,12.6,1)當(dāng)完成一個(gè)工作循環(huán)后,裝載機(jī)鏟斗底面與水平面之間的夾角變化曲線,如圖6所示。由圖6角度變化曲線可知,裝載機(jī)工作裝置的平移性能和自動(dòng)放平性能良好,到動(dòng)臂舉升到最高卸料高度時(shí),發(fā)現(xiàn)此裝載機(jī)的卸料角度只有17°,因此可知此裝載機(jī)的卸料性能較差,需進(jìn)一步改進(jìn)。鏟斗斗尖的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖7所示,可知鏟斗運(yùn)動(dòng)基本平穩(wěn)。裝載機(jī)工作裝置各鉸點(diǎn)的受力曲線如圖8～圖10所示。轉(zhuǎn)斗油缸和動(dòng)臂油缸的有桿腔和無桿腔的壓力變化曲線如圖11所示,可得