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基于ADAMS的挖掘机仿真分析

2022-11-29 667

项目背景

在大型项目施工中,液压挖掘机以其特殊的作业性能具有举足轻重的地位,无论大工程还是小工程都会用到它,比如公路、水电站、海港等基础设施建设以及房地产建设、农田改造等民用方面,液压挖掘机同样具有机型多样、功能齐全、作业质量好、效率高等特点,并且在大大减轻了工人繁重的体力劳动的同时也保证了工作可以做的相比以前更好和一些建设的速度也更迅速。行走机构、回转机构、动力机构、用来挖掘作业的工作装置、传输动力的液压系统和一些辅助的设备共同组成了液压挖掘机。液压挖掘机的性能和稳定性也与机构结构的是否合理和液压系运行的是否平稳有着不可分割的联系。液压挖掘机整体结构比较紧凑,工作效率高,在达到相同的工作效果下,液压挖掘机比机械挖掘机轻且挖掘准确,并且液压传动系统简单,可以达到无极调速,液压零件同时还可以在高速运行的状态下生更小的惯性力。许多用于保护作用的阀还会被应用在液压传动系统中去,以保证偶尔发生超负荷运转或者操纵失误的情况下也不会危机人身安全或者机械损伤。况且液压元件的生产更容易统一标准,进行标准化生产,以达到进行批次批量的生产。液压元件使用寿命长,例如阀、泵等使用寿命在国外都能达到10000小时。虚拟样机可以对液压挖掘机工作装置进行仿真测试,通过试验分析得到的各项性能曲线来确定其设计方案的可行性,与此同时还可以通过仿真来确定其工作装置主要参数的最优值。

ADAMS软件介绍

ADAMS,即机械系统动力学自动分析系统(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems),。ADAMS已经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库,创建完全参数化的机械系统几何模型,其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法,建立系统动力学方程,对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析,输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件,用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面,又是虚拟样机分析开发工具,其开放性的程序结构和多种接口,可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。

仿真分析

液压挖掘机作业的工况很多,要在所有的工况下来进行试验不太现实,在此选择某工况下对其动臂进行受力情况分析。在进行实验分析前,为了分析的方便,在图中对其重要的点进行标号:动臂与底座的铰点记为C,动臂和动臂油缸活塞的铰点记为B,动臂和斗杆油缸的铰点记为D,动臂和斗杆的铰点记为F。如下图1所示:

图1

(1)工况分析

动臂液压缸处于全缩状态,齿尖V、动臂与斗杆铰点F、斗杆与铲斗铰点Q位于同一条直线上,且三点所组成的这条直线垂直于地面。如下图2所示:

图2

在运动学仿真时,通常采用阶跃函数来驱动,因为液压挖掘机的初始位置和此工况的位置不同,所以需要先通过STEP函数来对液压挖掘机进行姿态调整,并且通过STEP函数来施加工作过程中的外力。每个液压缸位置上的调节函数如下表1所示:

表1 每个液压缸位置上的STEP函数

上述三组函数代表的含义是:以时间为自变量,在0到2S的时间内,三个液压缸同时工作,把液压挖掘机调整到工况所示的位置上,在2s到7s的时间内铲斗液压缸驱动铲斗来进行作业。在它完成作业任务的过程中,铲斗要受到挖掘过程中产生的阻力的影响以及土壤被装到铲斗中去后做提升运动时要克服土壤的自身的重力,其中挖掘阻力可以分解为切向力和法向力两种,并把这两种力转换成函数的形式加入到铲斗中间位置的斗齿上去,物料重力则加入到铲斗中心处去,加入的每个力对应的函数如下表2所示:

表2 工作装置受到的每个力的函数


(2)分析结果:

动臂与车体的铰点C受力变化曲线、动臂与动臂油缸的铰点B的受力变化曲线如图3所示:

图3 铰点C、铰点B的受力变化曲线

在图3中,通过观察可知两铰点的受力曲线变化趋势大体相同。在2S之前,C、D两点的受力逐渐增大,是由于液压挖掘机在进行姿态调整时受到工作装置自身的重力和每个液压缸力臂相互作用的结果。在2S到3S之间有所下降,是由于铲斗在开始挖掘时受到的挖掘阻力作用的结果,挖掘阻力抵消了部分自身的重力,在3S以后呈波浪型曲线,直到4.39S时C、D两铰点受到的力达到最大。通过在ADAMS中的动力学仿真,可以快速分析得到工况下每个铰点位置处的受力变化曲线,从而确定其设计方案的可行性,与此同时还可以通过仿真来确定其工作装置主要参数的最优值。

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