基于proe的液壓挖掘機(jī)工作裝置運(yùn)動(dòng)仿真

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1、基于ProE的液壓挖掘機(jī)工作裝置運(yùn)動(dòng)仿真近年來(lái)，集挖掘和裝載功能于一體的液壓挖掘機(jī)在基礎(chǔ)建設(shè)和民用建筑建設(shè)中的使用與日俱增。由于液壓挖掘機(jī)的工作條件比較惡劣，工作裝置故障較多，造成整機(jī)工作可靠性較差，因此挖掘機(jī)的可靠性和最優(yōu)化設(shè)計(jì)成為國(guó)產(chǎn)挖掘機(jī)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文以某國(guó)產(chǎn)22t挖掘機(jī)為例，探討在Pro/E軟件環(huán)境下，對(duì)挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行三維實(shí)體建模、虛擬裝配、運(yùn)動(dòng)仿真與動(dòng)態(tài)模擬，為挖掘機(jī)物理樣機(jī)的制造、新機(jī)型設(shè)計(jì)方案的評(píng)估提供有效參考數(shù)據(jù)。1挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)的建立1.1挖掘機(jī)三維零件模型的建立一般來(lái)說(shuō)，在Pro/E軟件環(huán)境下，

2、機(jī)械系統(tǒng)的三維建模應(yīng)該嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)構(gòu)思或者前期圖紙為依據(jù)進(jìn)行，盡量保持三維圖形數(shù)據(jù)的完整和正確性。由于本文將進(jìn)行挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)的動(dòng)力學(xué)分析和工作裝置的有限元分析，因此此次建模原則是：挖掘機(jī)工作裝置建模盡量細(xì)化，包括動(dòng)臂、斗桿等的內(nèi)部加強(qiáng)筋等需詳細(xì)建模，而除工作裝置以外的部件，在建模時(shí)則盡量簡(jiǎn)化，比如回轉(zhuǎn)平臺(tái)、行走裝置等只是勾畫出外部形狀，而內(nèi)部細(xì)節(jié)并未詳細(xì)繪制，但在動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)量等依據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行。建立挖掘機(jī)工作裝置虛擬樣機(jī)的過(guò)程如圖1所示。1.2挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)的裝配所建立的某國(guó)產(chǎn)22t液壓挖掘機(jī)的虛擬樣機(jī)模型

3、如圖2所示。在進(jìn)行虛擬樣機(jī)裝配之初，采用按照挖掘機(jī)各鉸接點(diǎn)位置裝配，結(jié)果發(fā)現(xiàn)效率低下，而且裝配的精度很低，且在最后連桿裝配時(shí)，出現(xiàn)無(wú)法約束的情況。后來(lái)，改用“連接”約束方式：動(dòng)臂和回轉(zhuǎn)平臺(tái)的連接、動(dòng)臂與斗桿的連接、斗桿與鏟斗的連接、動(dòng)臂油缸缸筒與轉(zhuǎn)平臺(tái)的連接、連桿與斗桿的連接、動(dòng)臂油缸活塞桿與動(dòng)臂的連接等均采用“銷軸”約束；各油缸活塞桿與油缸缸筒的連接、搖桿與鏟斗的連接、連桿與搖桿的連接采用“圓柱”約束；其它剛性零件(斗齒、駕駛室等)采用剛性連接中的“匹配”和“插入”約束。這種虛擬裝配方法不需要移動(dòng)連桿、搖桿和鏟斗拼湊裝配，工

4、作量小、效率高，也易于達(dá)到裝配要求。圖1挖掘機(jī)工作裝置虛擬樣機(jī)的建模過(guò)程(按工藝流程)圖2某國(guó)產(chǎn)22t液壓挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)模型2挖掘機(jī)工作裝置的運(yùn)動(dòng)仿真2.1挖掘機(jī)工作裝置動(dòng)態(tài)模擬與分析基本流程工作裝置動(dòng)態(tài)模擬與分析的基本流程如圖3所不。2.2工作裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析挖掘機(jī)工作裝置動(dòng)態(tài)模擬的工況設(shè)定如下：以斗桿缸挖掘?yàn)橹?，鏟斗缸配合，使斗中土壤不至于撒出。取22t挖掘機(jī)最大挖掘深度的1/2(3301.5mm)，取其最大挖掘半徑的1/3(6704mm)，同時(shí)鏟斗處于最大挖掘力狀態(tài)，卸載高度為2.5m，回轉(zhuǎn)90°至目的地卸土。設(shè)斗桿擺動(dòng)

5、50°可使鏟斗滿載，注意在提升過(guò)程中配合轉(zhuǎn)動(dòng)鏟斗保持滿載狀態(tài)。熟練操作工充分利用復(fù)合動(dòng)作，且動(dòng)作間銜接緊密，液壓系統(tǒng)可自動(dòng)合流，挖掘土壤Ⅲ級(jí)。圖4給出了某國(guó)產(chǎn)22t挖掘機(jī)的作業(yè)循環(huán)時(shí)間表。該時(shí)間表根據(jù)上述工況假設(shè)，按“流量法”從理論上計(jì)算出挖掘、提臂、滿斗、卸載、回轉(zhuǎn)、降臂等整個(gè)工作循環(huán)所需要的時(shí)間。根據(jù)圖4，在Pro/E軟件的Pro/MECHANISM模塊下進(jìn)行如下設(shè)定，完成挖掘動(dòng)作模擬。分別在動(dòng)臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸上施加6個(gè)“伺服電動(dòng)機(jī)”；在回轉(zhuǎn)平臺(tái)與行走機(jī)構(gòu)的“連接”軸上施加2個(gè)“伺服電動(dòng)機(jī)”。設(shè)定各個(gè)“伺服電動(dòng)機(jī)

6、”的速度，設(shè)定“結(jié)束時(shí)間”為14.742s，設(shè)定挖掘機(jī)挖掘初始狀態(tài)為起始位置，并根據(jù)“作業(yè)循環(huán)時(shí)問(wèn)表”設(shè)定各個(gè)“伺服電動(dòng)機(jī)”的起止時(shí)間。依據(jù)圖4，可以得出挖掘機(jī)各個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間關(guān)系分段函數(shù)為：其中x1，x2，x3，x4，x5，x6分別為挖掘、提臂、回轉(zhuǎn)、卸載、回轉(zhuǎn)和降臂所對(duì)應(yīng)伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間。一個(gè)作業(yè)循環(huán)時(shí)間T=14.742s，在設(shè)定中注意有復(fù)合動(dòng)作伺服電動(dòng)機(jī)起止時(shí)間的設(shè)定。根據(jù)(1)式很好地解決了各個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系問(wèn)題，使工作裝置的整個(gè)工作循環(huán)動(dòng)態(tài)模擬能順利地按工作順序完成。最后可以通過(guò)捕捉動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程，制

7、作成一個(gè)動(dòng)畫片。通過(guò)以上設(shè)定，運(yùn)行上述“動(dòng)作設(shè)定”，可得出挖掘機(jī)工作狀態(tài)模擬，如圖5所示。與挖掘機(jī)實(shí)際挖掘動(dòng)作相比，模擬過(guò)程完全相符，因此證明在Pro/E軟件環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)仿真是正確的。另外，挖掘機(jī)整個(gè)作業(yè)循環(huán)的完成，也證明了在Pro/E軟件環(huán)境下，不但可以完成挖掘機(jī)動(dòng)態(tài)模擬，還可以在分析過(guò)程中檢查各個(gè)構(gòu)件的干涉情況。通過(guò)全局干涉檢查，判斷某國(guó)產(chǎn)22t挖掘機(jī)工作裝置不存在干涉問(wèn)題。2.3挖掘機(jī)工作裝置虛擬樣機(jī)的仿真結(jié)果分析如圖6所示，本文以挖掘機(jī)鏟斗中齒的齒尖部位作為研究對(duì)象(圖中測(cè)量點(diǎn))，分析其運(yùn)動(dòng)軌跡，速度、加速度與時(shí)間的關(guān)

8、系。由于篇幅所限，以下僅給出挖掘機(jī)工作裝置的斗齒部位在整個(gè)挖掘作業(yè)循環(huán)時(shí)間里的速度、加速度、位置和時(shí)間的運(yùn)動(dòng)仿真分析結(jié)果，如圖7、圖8、圖9所示。從圖7、圖8中可以看出，只有在鏟斗油缸動(dòng)作時(shí)(也即鏟斗運(yùn)動(dòng)時(shí))，斗齒部位才有速度、加速度的變化，其他時(shí)刻鏟斗相對(duì)于斗桿為靜止。圖7