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液压挖掘机反铲装置工作过程仿真研究
合肥工业大学 方冉
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摘要：本文针对挖掘机械操作复杂、工作环境恶劣等问题，在NX环境下调用OpenGL图形接口动态模拟液压挖掘机反铲装置的结构特征和工作原理，通过基于NX图形环境的液压挖掘机反铲装置各零部件的三维建模、虚拟装配和工作过程的运动仿真，对各主要构件进行了运动学和动力学分析，得到了各铰接点处的受力情况及相关曲线，从而为铲斗、斗杆和动臂等的强度分析提供了依据。
一、引言
挖掘机广泛应用于工业与民用建筑、交通运输、水利水电工程、农田改造、矿山采掘以及现代化军事工程等机械化施工中，对提高劳动生产率，保证工程质量等都起着非常重要的作用。随着工程机械市场竞争日趋激烈，迫切需要缩短产品开发周期。在这种情况下，仿真分析在结构设计中就显得十分重要。而分析结果的可靠性、有效性及分析过程的高效性与对设计的正确指导作用密切相关。由于液压挖掘机的传统设计方法既费时又耗材，难以满足当今企业发展的要求，因此，对液压挖掘机的工作装置置入现代分析手段一直得到设计部门的关注。虚拟样机技术的发展，使产品设计摆脱了对物理样机的依赖，降低了产品的开发风险，大大提高了企业的生产效率，体现了一种全新的研发模式。本文利用虚拟样机技术中的仿真模块，对液压挖掘机工作装置进行运动学和动力学仿真分析是一种极为有效的方法，能够充分挖掘设计潜力，比较、评价设计方案并在各种设计方案中寻优，从而得到可靠的具备各项良好性能的最优设计，有效地提高分析效率。
目前，在挖掘机设计与研究领域，关于挖掘机工作装置的运动与动力分析方面的研究不断走向深入，因为对工作装置的设计分析，是其控制设计与分析的基础。本文基于此种出发点利用NX软件对液压挖掘机反铲装置进行运动学的仿真分析。其主要内容包括以下两方面。
(1)对挖掘机反铲装置各参数进行分析，并推导出反铲装置各个构件铰点的位置坐标，这是进行反铲装置分析的基础，并进行了运动学和动力学分析。
(2)运用NX软件来建立液压挖掘机反铲装置各零部件的三维模型，并对其进行装配。最后要利用NX中的仿真模块对反铲装置的工作过程进行运动仿真。
二、液压挖掘机反铲装置总体设计方案
反铲装置是液压挖掘机重要的工作装置，是一种适用于成批或中小批量生产的、可以改变动作程序的自动搬运和操作设备，它可用于操作环境恶劣，劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。
主要部件的设计要求，如下。
动臂是反铲的主要部件，其结构有整体式和组合式两种。
(1)整体式动臂。其优点是结构简单，质量轻而刚度大。
(2)组合式动臂。虽然使结构和操作复杂化，但在挖掘机作业中可随时大幅度调整上、下动臂之间的夹角，从而提高挖掘机的作业性能，尤其在用反铲或抓斗挖掘窄而深的基坑时，容易得到较大距离的垂直挖掘轨迹，提高挖掘质量和生产率。组合式动臂的优点是，可以根据作业条件随意调整挖掘机的作业尺寸和挖掘力，且调整时间短。此外，它的互换工作装置多，可满足各种作业的需要，装车运输方便。其缺点是质量大、制造成本高，一般用于中小型挖掘机上。
本文采用的是组合式动臂。
三、液压挖掘机反铲装置的分析
1.整机工作性能参数
(1)铲斗容量0.8m3;
(2)最大挖掘深度4.39m;
(3)最大挖掘高度4.64m;
(4)最大挖掘半径5.52m;
(5)最大卸载高度2.66m;
(6)铲斗挖掘力(最大)52kN。
2.反铲装置运动学分析
如图1所示，反铲装置的几何位置取决于动臂油缸的长度L1，斗杆油缸的长度L2和铲斗油缸的长度L3。当L1、L2和L3为一组定值时，便有斗齿尖坐标(Xv, Yv)的一组值与其对应;反之，对于Xv和Yv的一组定值却有许多组L1、L2、L3值与其对应。

（图片）

图1 动臂机构计算简图

(1)动臂机构。
动臂摆角∠UCF是动臂油缸L1的函数。动臂上任意一点在任一时刻的位置坐标也都是L1的函数。
(2)斗杆机构。
斗杆的位置参数是动臂油缸L1和斗杆油缸L2的函数。这里暂先讨论斗杆相对于动臂的运动，即只考虑L2的影响。斗杆机构与动臂机构性质类似，它们都是四连杆机构，但连杆比不同。
(3)铲斗及其连杆机构。
铲斗的运动是动臂油缸L1、斗杆油缸L2和铲斗油缸L3的函数，情况较复杂。这里暂讨论铲斗相对于斗杆的运动。
3.反铲装置动力学分析
(1)挖掘阻力的分析。
反铲装置工作时，即可用铲斗油缸挖掘(简称转斗挖掘)，也可用斗杆油缸挖掘(简称斗杆挖掘)，或做复合动作挖掘。
(2)转斗挖掘阻力的计算。
转斗挖掘时，土壤切削力随挖掘深度改变而有明显变化，经实验转斗挖掘时的切削阻力与切削深度基本上成正比。但总地来说，前半过程切削阻力较后半过程高，因前半过程的切削角不利，产生了较大的切削阻力。切削阻力的切向分力与土壤硬度、转斗切削半径、挖掘过程中铲斗总转角、铲斗转 角切削刃宽度、切削角、斗侧壁厚度和切削刃挤压土壤的力有关。转斗挖掘的平均阻力可按平均挖掘深度下的阻力计算，也把半月形切削断面看作相等面积的条形断面，条形断面的长度可看作成斗齿转过的圆弧长度与其相应之弦的平均值。一般所谓平均阻力是指装满铲斗的全过程阻力平均值，国外有试验认为平均挖掘阻力的80%。
(3)整机的实际挖掘力。
如果考虑到整机理论挖掘力计算时简化假定中忽略的某些因素，则可求得整机的实际挖掘力。当用于特殊作业时，求整机实际挖掘力必须考虑坡度和风力等影响。用电计算机分析比较，各种设计方案的挖掘性能或验算已制成挖掘机的挖掘性能表，并与机器的实用或测试结果相对，既可为改进设计提供依据，又可验证理论计算的正确程度。在对大量机型进行计算分析的基础上可为优化设计和积累资料提供简化根据。
四、基于NX的挖掘机反铲装置运动仿真
1.基于NX环境下反铲装置的建模
Unigraphics NX4.0具有强大的三维建模功能，首先绘制各种边界曲线，然后通过曲线生成各种各样的曲面，还可以通过创建旋转、拉伸和扫描等基础特征，最后生成三维实体。在此图形环境下构建的主要零部件，如图2所示。

（图片）

图2

2.基于NX的反铲装置的虚拟装配
本设计采用的NX装配方法是自底向上，自底向上是指在设计过程中，先设计单个零部件，在此基础上进行装配生成总体设计。这种装配建模需要设计人员交互的给定配合构件之间的配合约束关系，然后由NX系统自动计算构件的转移矩阵，并实现虚拟装配，如图3所示。

（图片）

图3

3.获反铲装置的运动仿真
利用NX的运动分析模块，就反铲装置的虚拟模型进行运动仿真。
在NX中，机构可以认为是一组连接在一起运动的连杆(Links)的集合，NX可用下面三步产生一个运动分析方案。
①第1步，创建连杆(Links)。
NX可在运动机构中创建代表运动件的连杆。
②第2步，创建运动付(Joints)。
NX可创建约束连杆运动的运动付。在某些情况下，可同时创建其他的运动约束特征，如弹簧、阻尼、弹性村套和接触。
③第3步，定义运动驱动(Motion Driver)。
利用NX仿真后生成的图表，如图4和图5所示。
从图4、图5可以看出，运动付的行程，速度基本符合设计要求，其速度趋势与加速度曲线一致，并与理论计算结果吻合较好。如果速度、行程不满足要求，则将结果反馈到设计阶段，对模型进行重新设计、建模，直到仿真结果符合要求。这就验证了整个设计过程的合理性。

（图片）

五、结论
基于NX或其他造型软件生成的虚拟样机模型，利用相应的图形环境可以方便地对液压挖掘机的反铲装置进行运动学和动力学仿真分析。通过分析，可以得到液压挖掘机最大挖掘速度，最大挖掘行程等基本作业参数，从而为铲斗、斗杆和动臂等零件的强度分析提供依据。 1/7/2011

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