基于多体动力学的大型正铲液压挖掘机工作装置的动载特性研究

摘要

目前，我国挖掘机行业存在的主要问题是:挖掘机品种不齐，缺少大型液压挖掘机，特别是用于矿山开采的大型正铲液压挖掘机几乎没有。为了填补我国大型正铲液压挖掘机的国内空白，某挖掘机生产企业欲研制7～50m3的大型正铲液压挖掘机与国外同类型产品品牌竞争。本文结合与该企业的合作项目，应用虚拟样机技术，进行“基于多体动力学的大型正铲液压挖掘机工作装置动载特性的研究”，包括正铲液压挖掘机工作装置各种工况下运动性能的可视化研究、整个工作范围内斗杆挖掘力的可视化计算、正铲工作装置工作范围、最大斗杆挖掘力和液压系统参数的试验设计与分析及正铲工作装置整体动态强度的研究，旨在解决设计不合理所导致的大型液压挖掘机动臂或斗杆开裂失效、挖掘区域不合理、机体干涉、挖掘力不足、液压系统工作效率低下等问题，为大型液压挖掘机的设计提供理论依据和实用手段。具体研究内容如下:
　　应用D-H法推导正铲工作装置的运动轨迹方程，分析正铲工作装置的主要作业参数和挖掘包络图的绘制方法，然后利用多体动力学软件，建立正铲工作装置的运动学虚拟样机模型，完成正铲工作装置在挖掘、举升、平推工况下运动性能的可视化分析，并绘制出正铲工作装置的挖掘包络图。通过对正铲工作装置运动性能进行可视化仿真分析，可以在没有物理样机的情况下，对设计方案能否满足正铲工作装置工作范围方面的要求进行有效的分析和判断，为企业的设计工作提供参考依据。
　　利用力矩平衡法和空间矢量法建立了正铲挖掘机斗杆挖掘力的理论计算公式。应用牛顿-欧拉法推导正铲工作装置的动力学方程，同时以此为基础建立正铲工作装置机液耦合的虚拟样机模型。通过在铲斗斗尖施加随油缸压力变化的弹簧力的方法仿真计算正铲工作装置的斗杆最大挖掘力，并运用正铲挖掘机斗杆挖掘力的理论公式计算相应工作姿态下的斗杆最大挖掘力，将两者数值进行对比，验证采用铲斗斗尖施加弹簧力模拟计算挖掘力方法的正确性。最后绘制出斗杆挖掘工况下的挖掘力图。
　　利用ADAMS/Insight的试验设计功能，完成对正铲工作装置工作范围、最大斗杆挖掘力、工作效率的试验设计研究。通过正铲工作装置虚拟样机的多次试验仿真，分析研究多组设计变量同时发生变化对样机性能的影响，优选出使样机性能最佳的设计方案。在ADAMS软件中，建立正铲工作装置的参数化样机模型，运用蒙特卡罗方法研究分析正铲工作装置9个关键铰接点空间位置的变化对正铲工作装置工作范围、最大斗杆挖掘力的影响及举升和斗杆油缸的流量、油管长度和直径等参数对正铲工作装置举升、挖掘时间的影响。从试验结果中优选出工作性能较优对应的设计变量值，并应用层次分析法对工作装置运动性能和挖掘力性能均较优的设计方案进行综合选优。
　　为了更加真实准确的模拟正铲工作装置在工作过程的动态特性，将工作装置的斗杆和动臂视为柔体，建立正铲工作装置刚-柔、机-液耦合的虚拟样机模型。在ADAMS中模拟分析正铲工作装置在自身重力与物料重力作用下，以最大挖掘力挖掘和以高工作效率进行挖掘举升过程中，工作装置各部件的动态应力分布，为更深入研究挖掘机工作装置的力学特性以及动态设计提供理论依据。
　　综上所述，本文对正铲工作装置的运动性能、挖掘性能、工作效率和动态强度进行了深入系统的研究。并对正铲工作装置的运动性、挖掘性能和工作效率进行了试验设计分析。试验结果为该企业的大型液压挖掘机设计提供了有效的技术参考。本研究对推动我国挖掘机行业的科技进步也具有重要的现实意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 虚拟样机技术

1．2．1 虚拟样机技术的基础理论

1．2．2 虚拟样机的应用软件

1．2．3 复杂产品虚拟样机工程

1．2．4 虚拟样机技术的应用

1．3 国内外液压挖掘机工作装置设计研究现状

1．3．1 国外液压挖掘机工作装置设计研究现状

1．3．2 国内液压挖掘机工作装置设计研究现状

1．4 本文的主要研究内容

第2章 正铲液压挖掘机工作装置运动性能可视化分析

2．1 引言

2．2 正铲工作装置运动学理论模型

2．2．1 结构运动参数

2．2．2 挖掘机工作装置空间分析

2．2．3 关节空间到位姿空间的映射

2．2．4 驱动空间与关节空间的映射

2．2．5 正铲挖掘机的主要作业参数

2．2．6 正铲挖掘机的作业范围和挖掘包络图

2．3 正铲工作装置运动性能的可视化分析

2．3．1 正铲工作装置运动学虚拟样机模型

2．3．2 挖掘包络图的仿真

2．3．3 斗杆挖掘工况的运动仿真

2．3．4 动臂举升工况的运动仿真

2．3．5 铲斗平推工况的运动仿真

2．4 小结

第3章 正铲液压挖掘机工作装置挖掘力性能可视化分析

3．1 引言

3．2 工作液压缸理论挖掘力

3．2．1 斗杆液压缸理论挖掘力

3．2．2 铲斗液压缸理论挖掘力

3．3 正铲挖掘机整机理论挖掘力

3．4 正铲工作装置动力学理论模型

3．5 正铲挖掘机挖掘力的可视化分析

3．5．1 建立液压系统模块

3．5．2 斗杆挖掘力的仿真

3．6 小结

第4章 正铲液压挖掘机工作装置工作性能的试验设计

4．1 引言

4．2 正铲工作装置工作范围的试验设计

4．2．1 正铲工作装置参数化模型

4．2．2 工作范围的参数化分析

4．2．3 试验设计结果

4．3 最大斗杆挖掘力的试验设计

4．3．1 设计研究

4．3．2 试验设计分析

4．4 挖掘力与工作范围的综合选优

4．5 正铲工作装置工作效率的试验设计

4．7 本章小结

第5章 正铲液压挖掘机工作装置动态强度研究

5．1 引言

5．2 多柔体动力学理论

5．2．1 柔性体系统中的坐标系

5．2．2 柔性体上任意点的位置向量、速度和加速度

5．2．3 建立多柔体系统动力学方程

5．3 正铲工作装置刚柔耦合模型

5．3．1 柔性体的建模

5．3．2 模态中性文件的导入与验证

5．3．3 生成刚柔耦合虚拟样机模型

5．4 最大挖掘力挖掘过程中的动态强度分析

5．5 高工作效率挖掘、举升过程中的动态强度分析

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

附录A

附录B

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果