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摘要：利用现代CAE软件UG、ADAMS对轮式装载机工作装置进行运动学及动力学研究。得出工作装置作业过程中各构件负载和相对位置关系的函数曲线并进行分析。分析结果为工作装置设计提供依据，适用性强。
关键词：装载机；工作装置；UG；ADAMS；作业仿真
引言
装载机工作装置是带液压缸的空间多杆机构，主要完成装卸工作。工作装置是组成装载机的关键部位之一，其设计水平的高低直接影响装载机的工作性能、工作效率及性能指标。因此工作装置的分析研究意义重大。
MSC．ADAMS是目前应用最广泛的仿真软件，它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郎日方程方法，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。MSC．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。
1 装载机工作装置虚拟样机运动仿真
1．1三维几何模型的创建。MSC．ADAMS／View虽然功能强大，但造型功能相对薄弱，难以用它创建具有复杂特征的零件，创建类似装载机工作装置这样复杂的机构是不现实的。因此，我们用UG创建模型，然后将模型传送给MSC．ADAMS进行分析。
1．2三维几何模型的导入。本文将UG环境下的装载机工作装置实体数据模型以ADAMS能较好识别的parasolid格式导出，其导人步骤：①在ADAMS的File Import对话框中选择parasolid(*..xmt_txt．*xmt bin)文件类型，输入文件的路径和零件名。在Part Name框中单击右键选择Create，并在弹出的对话框中修改Part Name项，连续单击0k即可导入部件；② 导入文件后，双击部件弹出”Modify Rigidbody”对话框，在Deftne Mass By栏选择Geometry and Material Type在Material Type文本框选择．Materia1．steel单击Apply完成质量、转动惯量、质心的自动计算；③重复步骤① ，②完成各个零部件的导入，并且导入的部件保持原来的装配关系。(如图1所示) （图片） 1.3 约束及其运动驱动的添加。
1．3．1约束添加。经过上面处理后，虽然看上去像一台装载机的虚拟样机，但其各个部件之间还没有任何的约束，为了进行运动仿真，我们必须在各个机构之间加上约束关系，以及运动发生器。工作装置的各铰点定义为回转副(revolute)，油缸的活塞杆和缸筒间定义为滑动副(slide)。
1．3．2装载机工作装置约束和载荷分析。装载机工作装置的典型工作过程包括插入、铲装、重载运输、卸载和空载运输。本文不考虑运输工况。工作装置在进行铲掘作业中的作业阻力主要是：铲斗插入料堆时的插入力；提升动臂时的铲起力；翻起转斗时的转斗阻力矩。本文考虑的工况是铲斗插人运动的同时，又配合铲斗的翻转运动，那么阻力为插入力和转斗阻力矩。将转斗阻力矩转换成铲取阻力，因此这里工作装置所受的载荷有插入阻力nn、铲取阻力Fsh、物料重力 和自身的重力。最大插入阻力Fin受限于最大牵引力，可用下式计算：（图片） 最大铲取阻力Fsh 可用铲取时最大转斗阻力矩换算取得。最大转斗阻力矩发生在开始转斗的一瞬间，其值可用下列公式计算：(如图2所示)（图片）
图2 a．转斗时静阻力矩的确定。在开始翻斗时，需要克服的阻力矩M 是最大静阻力矩(或称铲斗初始静阻力矩)，它与插入阻力Pc之间有下面的函数关系：（图片） Lcmax - 铲斗插入料堆的最大深度
X-铲斗回转中心0与斗刃的水平距离
Y-铲斗回转中心0与地面的垂直距离
b．转斗时总阻力矩。在翻转铲斗时，除了受到物料的初始静阻力矩之外，还受到铲斗自重的阻力矩，故初始转斗时的总阻力矩为：（图片） Mmax - 总阻力矩
Mc - 初始转斗静阻力矩
Gb - 铲斗自重
lb - 铲斗重心到铲斗回转中心的水平距离
最后将转斗阻力矩换算成作用在铲斗尖上的铲取阻力。
Fsh = Mmax / X
1．4仿真过程的控制。装载机工作装置的典型工作过程可以分为以下4个阶段：1．4．1转斗缸伸长，动臂缸闭锁，铲斗收斗，实现物料的铲装；1．4．2转斗缸闭锁，动臂缸伸长，动臂上举，实现物料的举升；1．4-3转斗缸收缩，动臂缸闭锁，铲斗翻转，实现物料的卸载；1．4．4转斗缸闭锁，动臂缸收缩，动臂下降，铲斗自动放平，自动进入下一次铲掘状态。可以用ADAMS SOLVER命令流来实现装载机工作装置动力学仿真过程的控制。对应于工作过程的4个阶段，仿真过程的控制也分4个阶段进行。在仿真过程的每个阶段，模型的动作由加在构件上的传感器(Sensor)来限制，以保证动作准确到位。
2 数据分析
2．1作业载荷分析。装载机作业时，铲斗的插入和铲装是顺序进行的(不考虑联合铲装工况)，插入阻力和铲取阻力依次达到最大值，物料重力则在铲取开始阶段达到最大值，各构件的自重则不发生变化。模拟仿真时使用系统提供的step函数代表Fin、Fan和Fg，三个力随时间的变化情况。仿真一个作业循环，得到动臂缸和铲斗缸在作业过程中的受力情况如图3所示，负载在开始铲掘时同时达到最大，并随着铲斗插入深度的增加而增大，之后动臂缸重载举升，受力随着信力比的减小而增大，最后随着卸载减小到最小值。（图片） 2.2 传动性分析。图4表示了各传动件间的夹角在整个作业过程中的变化情况。可以看出，各处传动角均符合大于10度的要求，而且最小传动角的发生位置均在卸载结束处，有效地保证了作业时各构件运转顺畅。（图片）
图4 2.3 平动性分析。装载机工作装置铲装物料由下向上作业过程中，为避免物料从空铲斗中撒出，要求铲斗做近似平动的移动，要求整个过程中铲斗倾角变化不应大于15度。在仿真作业过程中对铲斗位置角进行测量，让动臂缸匀速举升，得到变化曲线如图5所示。由图可知，铲斗倾角差值最大为l4。，平动性能在正常范围内。（图片）
图5 2．4 自动放性平分析。铲斗自动放平指铲斗在某一位置卸料后，转斗缸闭锁不作收斗行程，当动臂举升缸下放至地面位置时，由连杆机构自身运动来实现铲斗自动放平。仿真时，铲斗卸料完毕回归铲装状态这个过程中，保持转斗油缸长度不变，用MSC．ADAMS中的传感器测量铲斗底面与水平面间角度的变化，即可得到机构的自动放平性能。从图6可知，铲斗下落后斗底与地面夹角约为8度，合格。（图片） 3结论
3．1用UG建立装载机工作装置模型准确、有效的解决了仿真软件造型能力薄弱的问题。
3．2用国际通用软件ADAMS对装载机工作装置进行作业仿真，可信度高，通过对仿真得出的各种作业性能曲线分析，该工作装置的设计合理，系统的传动性，平动性、自动放平性都在工作要求的范围内。
8/24/2010
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