基于ProE的液压挖掘机工作装置运动仿真毕业设计.docx

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基于ProE的液压挖掘机工作装置运动仿真毕业设计

近年来，集挖掘和装载功能于一体的液压挖掘机在基础建设和民用建筑建设中的使用与日俱增。

由于液压挖掘机的工作条件比较恶劣，工作装置故障较多，造成整机工作可靠性较差，因此挖掘机的可靠性和最优化设计成为国产挖掘机设计的重点和难点。

本文以某国产22t挖掘机为例，探讨在Pro/E软件环境下，对挖掘机工作装置进行三维实体建模、虚拟装配、运动仿真与动态模拟，为挖掘机物理样机的制造、新机型设计方案的评估提供有效参考数据。

1、挖掘机虚拟样机的建立

1.1挖掘机三维零件模型的建立

一般来说，在Pro/E软件环境下，机械系统的三维建模应该严格按照设计构思或者前期图纸为依据进行，尽量保持三维图形数据的完整和正确性。

由于本文将进行挖掘机虚拟样机的动力学分析和工作装置的有限元分析，因此此次建模原则是：

挖掘机工作装置建模尽量细化，包括动臂、斗杆等的内部加强筋等需详细建模，而除工作装置以外的部件，在建模时则尽量简化，比如回转平台、行走装置等只是勾画出外部形状，而内部细节并未详细绘制，但在动力学分析时，其转动惯量、质量等依据设计数据进行。

建立挖掘机工作装置虚拟样机的过程如图1所示。

1.2挖掘机虚拟样机的装配

所建立的某国产22t液压挖掘机的虚拟样机模型如图2所示。

在进行虚拟样机装配之初，采用按照挖掘机各铰接点位置装配，结果发现效率低下，而且装配的精度很低，且在最后连杆装配时，出现无法约束的情况。

后来，改用“连接”约束方式：

动臂和回转平台的连接、动臂与斗杆的连接、斗杆与铲斗的连接、动臂油缸缸筒与转平台的连接、连杆与斗杆的连接、动臂油缸活塞杆与动臂的连接等均采用“销轴”约束；各油缸活塞杆与油缸缸筒的连接、摇杆与铲斗的连接、连杆与摇杆的连接采用“圆柱”约束；其它刚性零件（斗齿、驾驶室等）采用刚性连接中的“匹配”和“插入”约束。

这种虚拟装配方法不需要移动连杆、摇杆和铲斗拼凑装配，工作量小、效率高，也易于达到装配要求。

图1挖掘机工作装置虚拟样机的建模过程（按工艺流程）

图2某国产22t液压挖掘机虚拟样机模型

2、挖掘机工作装置的运动仿真

2.1挖掘机工作装置动态模拟与分析基本流程

工作装置动态模拟与分析的基本流程如图3所示。

2.2工作装置的运动学分析

挖掘机工作装置动态模拟的工况设定如下：

以斗杆缸挖掘为主，铲斗缸配合，使斗中土壤不至于撒出。

取22t挖掘机最大挖掘深度的1/2（3301.5mm），取其最大挖掘半径的1/3（6704mm），同时铲斗处于最大挖掘力状态，卸载高度为2.5m，回转90°至目的地卸土。

设斗杆摆动50°可使铲斗满载，注意在提升过程中配合转动铲斗保持满载状态。

熟练操作工充分利用复合动作，且动作间衔接紧密，液压系统可自动合流，挖掘土壤Ⅲ级。

图4给出了某国产22t挖掘机的作业循环时间表。

该时间表根据上述工况假设，按“流量法”从理论上计算出挖掘、提臂、满斗、卸载、回转、降臂等整个工作循环所需要的时间。

根据图4，在Pro/E软件的Pro/MECHANISM模块下进行如下设定，完成挖掘动作模拟。

分别在动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸上施加6个“伺服电动机”；在回转平台与行走机构的“连接”轴上施加2个“伺服电动机”。

设定各个“伺服电动机”的速度，设定“结束时间”为14.742s，设定挖掘机挖掘初始状态为起始位置，并根据“作业循环时问表”设定各个“伺服电动机”的起止时间。

依据图4，可以得出挖掘机各个伺服电动机运动的时间关系分段函数为：

其中x1，x2，x3，x4，x5，x6分别为挖掘、提臂、回转、卸载、回转和降臂所对应伺服电动机的运行时间。

一个作业循环时间T=14.742s，在设定中注意有复合动作伺服电动机起止时间的设定。

根据

（1）式很好地解决了各个伺服电动机的运动关系问题，使工作装置的整个工作循环动态模拟能顺利地按工作顺序完成。

最后可以通过捕捉动态模拟过程，制作成一个动画片。

通过以上设定，运行上述“动作设定”，可得出挖掘机工作状态模拟，如图5所示。

与挖掘机实际挖掘动作相比，模拟过程完全相符，因此证明在Pro/E软件环境下的运动仿真是正确的。

另外，挖掘机整个作业循环的完成，也证明了在Pro/E软件环境下，不但可以完成挖掘机动态模拟，还可以在分析过程中检查各个构件的干涉情况。

通过全局干涉检查，判断某国产22t挖掘机工作装置不存在干涉问题。

2.3挖掘机工作装置虚拟样机的仿真结果分析

如图6所示，本文以挖掘机铲斗中齿的齿尖部位作为研究对象（图中测量点），分析其运动轨迹，速度、加速度与时间的关系。

由于篇幅所限，以下仅给出挖掘机工作装置的斗齿部位在整个挖掘作业循环时间里的速度、加速度、位置和时间的运动仿真分析结果，如图7、图8、图9所示。

从图7、图8中可以看出，只有在铲斗油缸动作时（也即铲斗运动时），斗齿部位才有速度、加速度的变化，其他时刻铲斗相对于斗杆为静止。

图7、8中曲线的拐点A处为挖掘状态；B、C、D处曲线呈锯齿状，这是因为在动臂提升过程中进行了三次瞬间的铲斗姿态的调整，以保证铲斗满载状态；E处为铲斗快速卸载状态。

相对来说，铲斗在卸载时的速度、加速度最大。

从图9中可以看出，铲斗在整个挖掘机挖掘过程中，其位置（相对地面位置）在不停地变化。

拐点的位置发生在挖掘各个不同的工况位置。

图3工作装置的动态模拟与分析基本流程

图4某国产22t挖掘机理论作业循环时间表

图5整个挖掘循环过程的动作模拟

图6测量点示意图

图7斗齿部位的速度一时间曲线

图8斗齿部位的加速度一时间曲线

图9斗齿部位的位置一时间曲线

2.4挖掘机运动仿真的意义

从图7和图8中可以看出，在铲斗进行挖掘的时候，斗齿部位的速度和加速度增大到拐点位置后有一个平缓的过渡，在挖掘结束后从另一个拐点位置开始减小，两个拐点之间的区间为挖掘机进行复合挖掘的时问。

显然，在斗齿刚切人土壤时和装满铲斗准备提升时两个暂态，速度和加速度的值略大于挖掘时刻的值，这与挖掘机实际工作情形是相符的。

从提高挖掘机作业效率角度考虑，可以通过减小挖掘的时间段达到提高作业效率的目的。

在挖掘机铲斗装满土壤提升动臂时，为使铲斗中土壤不至于洒出，需要在动臂提升过程中进行铲斗姿态的调整。

本次仿真在提升过程中进行了3次铲斗的调整，因此图7和图8的曲线中有3次锯齿状突变。

该突变说明铲斗姿态的调整对运动中铲斗的速度和加速度有很大影响，调整时间越短，突变越剧烈。

从液压缸设计角度出发，应该考虑姿态调整引起的冲击力对液压缸的影响。

另外，这个冲击力也必然会影响到斗杆、动臂的载荷分布及应力变化，需要在斗杆和动臂的设计中考虑其影响。

在铲斗卸料的时候，由于考虑作业效率和铲斗的卸净度，在设计中采用了短时间、快速的卸料方法，因此图7和图8中的卸料区间的速度、加速度突变非常剧烈。

从仿真结果可以得出，这种大的速度、加速度变化，虽然有液压系统的缓冲，但是对工作装置的影响必然存在，所以应在实际的工作装置设计中予以考虑。

挖掘机工作装置运动仿真的实现，结束了挖掘机设计的分析和评估只能在物理样机上进行的历史，创造了新的挖掘机设计途径：

计算机三维设计——虚拟样机分析——设计评估及改进。

这样不仅使挖掘机的设计效率和可靠性明显提高，也为企业产品的早日推出争取了时间。

参考文献

[1]同济大学主编。

单斗液压挖掘机[M]。

中国建筑工业出版社，1986。

[2]祝凌云，李斌。

Pro/E运动学仿真和有限元分析[M]。

北京人民邮电出版社，2004。

[3]张玉川，蔡禺。

进口液压挖掘机国产化改造[M]。

西南交通大学出版社，1999。

[4]魏阳，王书义。

基于Pro/E的机械系统运动仿真分析[J]。

现代机械，2004，（5）。

[5]郭卫，李富柱，薛武。

基于Pro/Engineer软件的装载机工作装置虚拟样机及仿真分析[J]。

工程机械，2005（3）。

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