大型矿用挖掘机工作装置仿真

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基于SimMechanics的挖掘机工作装置运动仿真分析

31铲・装・运本栏目编辑　严瑾第 41 卷 2013 年第 2 期基于 SimMechanics 的挖掘机工作装置运动仿真分析白鹏伟，史青录，程结结，吴正明，钟飞太原科技大学机械工程学院山西太原 030024摘要：为了查找和检验挖掘机工作装置设计方案的问题与缺陷，利用 SimMechanics 工具箱对挖掘机工作装置作业过程进行运动仿真。

通过仿真快速绘制出包络图并验证其工作尺寸参数，使设计人员在设计阶段就可以判断设计方案的合理性。

关键词：SimMechanics；工作装置；包络图；运动仿真中图分类号：TU621 文献标志码：A 文章编号：1001-3954(2013)02-0031-04Simulation and analysis on motion of excavator manipulatorbased on SimMechanicsBAI Pengwei ，SHI Qinglu ，CHENG Jiejie ，WU Zhengming ，ZHONG FeiSchool of Mechnical Engineering, Taiyuan University of Science & Technology, Taiyuan 030024, Shanxi, ChinaAbstract ：In order to find out the problems and defects in the design scheme of excavator manipulator,SimMechanics toolbox was used to simulate the motion of the excavator manipulator. After the envelop diagram being plotted rapidly through simulation, the operating parameters were verified. The method could make it possible for designers to judge the reasonableness of design scheme during designing process.Keywords ：SimMechanics; manipulator; envelope diagram; motion simulation作者简介：白鹏伟，男，1986 年出生，硕士研究生，主要研究方向为机械与车辆动力学。

基于Matlab的挖掘机工作装置动力学建模与仿真

Ｙ１Ｚ１Ｏ１Ｘ１ＦＩＹ２Ｏ２Ｘ２Ｚ２ＪＢＡＥ１５２３４Ｚ４ＮＸ４Ｙ４Ｏ４Ｚ３Ｙ３Ｏ３Ｘ３ＫＬＤＰ!３!２图１挖掘机工作装置机构简图和运动坐标系１．回转平台２．动臂３．斗杆４．铲斗５．行走装置!４Ｃ→→基金项目：福建省自然科学基金资助项目（２００６Ｊ００２４）""""""""""""""""挖掘机的挖掘作业主要由其工作装置来完成，工作装置的受力十分复杂，其动力学模型是挖掘机结构设计与分析、液压系统与控制系统设计的基础［１，２］。

目前对挖掘机的动力学模型研究主要基于两种理论：牛顿－欧拉方程，拉格朗日方程。

前者对每个杆件进行运动和受力分析，分别建立牛顿－欧拉动力学方程，然后再综合求解，得到系统的运动微分方程；后者利用功能平衡原理消除对复杂内力的计算，引入广义坐标描述系统位形，运用数学分析手段来建立系统的运动微分方程［３］。

本文探讨基于经典牛顿－欧拉方程建立挖掘机工作装置动力学模型的方法，利用ｍａｔｌａｂ强大符号计算功能，通过编制Ｍ文件实现动力学方程的自动推导，以某中型挖掘机为例进行模型验证。

１建立运动坐标系用牛顿－欧拉法建立动力学方程必须先确定杆件转动角速度、角加速度以及杆件质心速度、质心加速度。

为了描述工作装置的运动，建立如图１所示的运动坐标系，约定所有坐标系的Ｘ轴和Ｙ轴位于工作装置对称面上，Ｚ轴垂直工作装置对称面指向纸外。

图１中，Ａ、Ｃ、Ｄ分别为回转平台与动臂、动臂与斗杆、斗杆与铲斗的铰接点，Ｎ为铲斗斗齿尖位置；Ｅ、Ｂ为动臂油缸两端的铰点，Ｉ、Ｆ为斗杆油缸两端的铰点，Ｊ、Ｋ为铲斗油缸两端的铰点；坐标系Ｏ１Ｘ１Ｙ１Ｚ１固定在回转平台上，原点Ｏ１与Ａ重合，Ｘ轴水平向右，Ｙ轴垂直向上；坐标系Ｏ２Ｘ２Ｙ２Ｚ２与动臂固接，原点Ｏ２与Ｃ重合，Ｘ轴位于Ａ和Ｃ的延长线上，Ｙ轴方向由右手准则确定；斗杆的随动坐标系Ｏ３Ｘ３Ｙ３Ｚ３和铲斗的随动坐标系Ｏ４Ｘ４Ｙ４Ｚ４方位的确定规则与坐标系Ｏ２Ｘ２Ｙ２Ｚ２相同。

基于ADAMS的液压挖掘机工作装置仿真研究

ｓｉｚｅａｎｄｍｏｔｉｏｎｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｏｆｔｈｅｅｘｃａｖａｔｏｒｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ，ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｈｅｔｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｕ￣ｅｓｏｆｔｈｅｅｘｃａｖａｔｏｒｂｕｃｋｅｔａｎｄｂｅａｒｉｎｇｆｏｒｃｅ
ｔｅｄｉｎｔｏｔｈｅＡＤＡＭＳｔｏｂｕｉｌｄｖｉｒｔｕｌａｐｒｏｔｏｔｙｐｅｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｅｘｃａｖａｔｏｒ．ＢｙｕｓｉｎｇＡＤＡＭＳｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｓｅｑｕｅｎｔｉａｌｏｐｅｒａｔｉｎｇ
ｍｏｄｅａｎｄｔｈｅｃｏｍｐｏｕｎｄａｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｘｃａｖａｔｏｒｗｅｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｋｉｎｅｍａｔｉｃｌｌａｙａｎｄｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ．Ｔｈｒｏｕｇｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅｍａｉｎｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ
２０１３年１１月
机床与液压
ＭＡＣＨＩＮＥＴ０ＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ
Ｎｏｖ
Ｖｏ１．４１Ｎｏ．２１
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１３．２１．０３６

大型矿用正铲液压挖掘机水平推压特性联合仿真

大型矿用正铲液压挖掘机水平推压特性联合仿真朱小晶;权龙;王新中;吕晓林;李光【摘要】The method of electro-hydraulic proportional controlling means matched by pump valve compound flow rate was proposed to achieve flat-pushing while designing the national largest face-shovel hydraulic excavator with the bucket capacity of 15 m and machine weigh of 260 t. The ratio of hydraulic cylinders' flow rate was ascertained by computer coordinate control during the flat-pushing process, the co-simulation research of dynamics of mechanical systems and hydraulic system in developing mining excavators' flat-pushing process was carried out by using the software of ADAMS and AMESim. The displacement, velocity and pressure of arm mining process in various hydraulic cylinder on the small excavator were validated by the experiment. It is confirmed that co-simulation research methods can accurately simulate the practical working environment of excavator.%在设计目前国内最大(斗容量为15 m3,质量260 t)的正铲挖掘机中,提出采用泵阀复合流量匹配的电液比例控制方法实现水平推压.通过计算机协调的比值关系确定平推中供给各液压缸的流量,采用ADAMS和AMESim软件,对设计的矿用挖掘机水平推压过程进行机械系统动力学与液压系统的联合仿真研究.在小型挖掘机上对斗杆挖掘过程各个液压缸的位移、速度和压力进行测试试验验证,结果表明联合仿真研究能够较准确地模拟挖掘机的真实工作环境.【期刊名称】《农业机械学报》【年(卷),期】2011(042)005【总页数】5页(P30-34)【关键词】正铲挖掘机;水平推压;特性;联合仿真【作者】朱小晶;权龙;王新中;吕晓林;李光【作者单位】太原理工大学机械电子工程研究所,太原030024;太原理工大学机械电子工程研究所,太原030024;太原重工股份有限公司技术中心,太原030024;太原重工股份有限公司技术中心,太原030024;太原重工股份有限公司技术中心,太原030024【正文语种】中文【中图分类】TH137.9;TD422.2引言目前国内斗容量大于 12m3的大吨位液压挖掘机装备还处于空白,所用机型完全依赖进口[1]。

基于VRML的液压挖掘机工作装置运动仿真

ＶＭＲＬ对液压挖掘机工作装置运动进行仿真的方法。利用ＳｌＷｏｋｏｄｒｓ建立液压挖掘机工作装置静态模型，ｉ结
合各部件之间的父子关系和几何关系，写ＶＭＬ程序，成挖掘机工作装置仿真系统。此方法对挖掘机设编Ｒ完
ｗｏｋｄｖｃｆｈｄａｌｘａａｏｓｄｖｌｐｄｂｓｄｏｒｅｉｅｏｙｒｕｉｅｃｖｔｒｉｅｅｏｅａｅｎＶＲＭＬｃ．ＴｅｓａｉｉｎｉｎｌｍｏｅｅｈｄａｌｘａａｏＳｈｔｔｄｍｅｓａｄｌｏｔｙｒｕｉｅｃｖｔｒｉｃｏｆｈｃ
计水平的提高具有重要的理论意义和实际价值。
关键词：Ｒ；压挖掘机；ＶＭＬ液工作装置；互性交
中图分类号：Ｕ２ ’ ６１哪９．ｒ１９
文献标识码：Ａ
文章编号：０６— ４４２１）２一１６一４１０４１（０００Ｏ０ｏ
ｄｓｇｅｓｎｅＳｌＷｏｋｏｔｒ．Ｃｍｂｎｎｈｅｍｅｒｅａｏｓｏｈｘａａｏａｔａｄｉａｅｄｓｎｒｌ－ｅｉｎｄｕｉｇｔｏｉｈｄｒｓｓｆｗａｅｏｉｉｇｔｅｇｏｔｒｌｔｎｆｔｅｅｃｖｔｒｐｒｔｆｔｒａｏｅａｙｉｓｎｓｈｎ
Ｋｅｒｓｙｗｏｄ：ＶＲＭＬ；ｅｃｖｔｒｏｋｄｖｃ；ｉｔｒｃｉｎｘａａｏ；ｗｒｅｉｅｎｅａｔｏ

基于ADAMS的挖掘机工作装置的仿真与优化设计概要

第30卷第3期2009年3月煤矿机械CoalM ine MachineryVol.30No.3Mar.2009基于ADA MS的挖掘机工作装置的仿真与优化设计潘玉安1,程洪涛2,姜迪友2,梁刚3,聂陶荪1(1.景德镇陶瓷学院机电工程学院,江西景德镇333403;2.江西蓝天学院(瑶湖校区,南昌330098;3.景德镇高等专科学校,江西景德镇333000摘要:建立了该类反铲挖掘机工作装置虚拟样机的ADAMS仿真模型,基于虚拟样机技术和广义简约梯度法以铲斗、斗杆和动臂油缸的工作压力最小为目标,对铲斗机构、斗杆机构、动臂机构的构造点进行了仿真优化设计。

仿真结果表明,在规定的约束条件下,工作装置达到了优化设计的目的。

关键词:ADAMS;挖掘机;工作装置;仿真中图分类号:T D422.2文献标志码:A文章编号:1003-0794(200903-0015-03Based on ADA MS of W orki n g Equi p ment ofExcavator Devi ce Si m ul ati on and Desi gn Opti m i zati onPAN Y u-an1,CHENG Hong-t ao2,J I ANG D i-you2,L I ANG Gang3,N I E Tao-sun1(1.Mechatr onics College,J ingdezhen Cera m ic I nstitute,J ingdezhen333403,China;2.J iangxi B lue Sky University Yaohu B ranch,Nanchang330098,China;3.J ingdezhen Comp rehensive College,J ingdezhen333000,ChinaAbstract:Backhoe work device of the class virtual p r ot otype ADAMS si m ulati on mode has been estab2 lished.The m ini m u m target which bucket and ar m and boom oil cylinder of working p ressure based on virtual p r ot oyp ing technol ogy and generalizded reduced gradient method.Op ti m ized the bucket mecha2 nis m,ar m mechanis m and boom mechanis m of the constructi on point.Under the regulati ons of constraint conditi ons,the si m ulati on results show that it successfully.Key words:ADAMS;excavat or;working equi pment;si m ulati on0引言单斗挖掘机是一种应用广泛的工程机械。

大型正铲液压挖掘机工作装置虚拟样机研究

２１运动学仿真．
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大型正铲液压挖掘机工作装置虚拟样机研究
白玉琳，陈
（重庆大学
进，李世六，侯
沂
大型正铲液压挖掘机的工作装置是由回转机构、动臂、斗杆、铲斗等多个构件组成 பைடு நூலகம்串联开链机构，具有构造简单、操作方便、运动灵活等优点，得到
越来越广泛的应用。大型正铲液压挖掘机过去基本
采用ＰＯＥ软件对正铲液压挖掘机组成零件进行三Ｒ／维建模，然后以底盘为基础进行虚拟样机模型装配。正铲液压挖掘机三维装配及运动仿真模型见图１。
经过样机模型校核，机构的自由度为５，没有冗余约束，样机正确。建立的虚拟样机模型和样机检验结果如图１所示［。２］
［收稿日期］２０ —００８３—２１［通讯地址］白玉琳，重庆大学机械传动国家重点实验
室５１２
１虚拟样机模型的建立与仿真
１１正铲挖掘机虚拟样机模型的建立．
正铲液压挖掘机是由回转机构、动臂、斗杆、铲斗、动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸、开斗油缸、底盘等构件组成。以ＣＶ０正铲液压挖掘机为例，ＥＳ
１２模型转化．

基于Matlab的挖掘机工作装置动力学建模与仿真

程：
＝＋＋ ∑
’
（，，２４３）
）＋
（）７
（）８
Ｍ（＋（） ‰ Ｆ｛ｌＧ／）＝ “ ｜ｘ１￣ｉｘｏＩ－
（＝，。）２３４
式中：为杆件ｉ１Ｆ－对杆件ｉ约束力，，的表示杆件【ｉ＋１对杆件ｉ约束力；，为杆件（１对杆件ｉ的约束）的ｉ）－上力矩，为杆件（１对杆件ｉ的约束力矩，）＋上为
ＰｌＸ（尸Ｆ广Ｐｌｘ — ｒＫ广ｍ＋ｏ２ｌＸ０＋ｏＪ（【２－－
偶、与
的作用力，与为斗杆油缸作用在动臂和斗杆上的作
用力，为铲斗油缸对斗杆的作用力，为摇臂对斗杆凡的作用力，为连杆对铲斗的作用力，、构成为凡凡、
、
（一一ｍ
Ｐ＋ＩＰｌ尸２Ｆ（）尸Ｉｌｘ（ｂ × １ｘ＋＋Ｆ０）
的正向为逆时针方向，与：为一对作用反力为一对作用反力偶；。动臂油缸对动臂为
Ｍ２一３ｌＰｘ — ）Ｐｌ『ＰＩ＝２＋２ｏ（ｍ＋＋ｏｘＢｏｘｌ
式中：为杆件ｉ的惯性力，为杆件ｉ性力矩，杆惯ｍ为件ｉ量，为杆件ｉ质Ｊｒｆ的转动惯量，、、ａ由式（）（）１、２、（）算得出。４计根据受力分析图，列出任一杆件的力和力矩平衡方
１３６ｇ・Ｉ，＝２ｋＩ，＝５ｋ ‘ Ｉ，＝５６ｇ５６ｋＩ，１８６ｇ・Ｉ，４２２ｇＩｍ２１６ｋ，ＴＴＴ

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文对大型电铲矿用挖掘机的工作装置在整个工作
本文结合的电铲挖掘机斗容为３５ｍ，选其动臂内部为箱型结构，斗杆内部结构也为箱型结
收稿日期：２０．７５０６０ —
作者简介：马乐（９１）１８．，女，吉林长春人，在读硕士，研究方向为机械系统仿真设计，（－ｉｍａ１８＠ｓａｇｍ巨ｍａｌｌ９１ｉ．）ｅｎｏ
ｔｅｄｎｍｉｓａｄｋｎｍａｉｓｏｅｗｏｋｎｑｉｍｅｔａｅｓｕｉｄｄｒｎｈｕｌｗｏｋｐｏｅｓｈｙａｃｎｉｅｔｃｆｔｒｉｇｅｕｐｎｒｔｄｅｕｉｇｔｅｆｌｈｒｒｃｓ，ａｄｔｅｆｒｅｏｏｏｏｅｔｄｎｍｉｓａｅａａｙｅｓｅｉｌｙｈｏｅｎｉｌｔｎｎｈｏｃｎｓｍｅｃｍｐｎｎｓｙａｃｒｎｌｚｄｅｐｃａｌ．Ｔｅｍｄｌａｄｓｍｕａｉｏｍｅｈｄｃｎｈｌｈｔｄｔｅｃａｉａｙｔｍ．ｔｏａｅｐｔｅｓｕｙｉｏｈｒｍｅｈｎｃｌｓｅｎｓ
（ｌｇｆｃａｉａＳｉ＆Ｅｇ，ｉｎＵｉＣａｇｈｎＪｌ３０５ＣｉａＣｏｌｅｏｈｎｃｌｃ．ｅＭａｎ．Ｊｌｎｖ，ｈｎｃｕｉｎ１０２，ｈｎ）ｉｉ
ＡｂｔａｔＴｅｗｏｋｎｑｉｍｅｔｆｅｖｘａａｏｔｌｃｒｃｓｏｅｓｓｍｕａｅ．ｃｒｉｇｓｒｃ：ｈｒｉｇｅｕｐｎａｙｅｃｖｔｒｗｉｅｅｔｉｈｖｌｉｌｔｄＡｃｏｄｎｏｈｈｉ
建立其工作装置模型，并对作业过程进行动力学和运动学仿真研究，详细分析各部件在工作过程中受力状况．论文的建模及分析方法对于其它机械系统的仿真分析具有理论参考意义．
关键词：工作装置；ＭＳａ；仿真ＣＡｄｍｓ中图分类号：Ｔ２；Ｐ９．Ｄ４２Ｔ３１９文献标志码：Ａ
体建模能力较弱．而实际上，ｒ／ｎｉｅｒＭＳＰｏＥｇｎｅ和Ｃ
Ａａｓ有专门的模型接口，可以将Ｐｏｎｉｅｄｍｒ／ｇｅｒＥｎ中建立的实体模型无缝导人ＭＳｄｍ中．ＣＡａｓ
量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量和系统性能，获得最优化和创新的设计产品．本
大型矿用挖掘机工作装置仿真
马乐，赵克利，翟洪岩
（吉林大学机械科学与工程学院，吉林长春１０２３０２）
摘要：对大型电铲矿用挖掘机的工作装置进行仿真，结合其实际作业特点应用ＭＳａＣＡｄｍｓ
，● Ｕ』ｎＯｎ、ｍ ’ ｔ０Ｉｉ１ ● ａｌ
ｒｉｕｐｍｅｔｏｋｎｇＥｑｉｎｆ
ＨｅｖｉｎｇＥｘａａｏａｙＭｎｉｃｖｔｒ
ＭＡ，ＬｅＺＨＡ０ｌ，ＫｅｉＺＨＡＩＨｏｇａｎｙｎ
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第１５卷增刊
２００６年９月
文章编号：１０ —８１２０）１０６ —３０６０７（０６Ｓ —３１０
计算机辅助工程
Ｃ０ＭＰＵＴＥＲＡＩＤＥＤＮＧＩＥＮＥＥＮＧＲＩ
Ｖ１５Ｓｐｌｏ．１ｕｐＳｐ２０ｅ．０６
较优秀的有美国ＭＳＣ公司开发的ＭＳｄｍ软ＣＡａｓ件．运用虚拟样机技术，可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大
动臂及斗杆的力学性能，在仿真模型中，为减少计算量，将斗齿、斗前臂、斗后臂、斗底装置看
成一个整体．
ＭＳｄｍｓＣＡａ是专业的动力学分析软件，实
ｔｔｅｏａａｔｉｉ，ｈｄｌｆｈｏｋｎｑｉｍｎｉｅｉｌｈｄｙＭＳｄｍ．ｈｎｏｈｂｃｒｃｒｔｔｅｊｈｅｓｃｍｏｅｏｅｒｉｅｕｐｅｔｓｓｂｉｅＣＡａｓＴｅｔｗｇｔｓｂ
ＫｅｒｓｗｏｋｎｑｉｍｅｔＭＳａ；ｓｎｌｔｏｙｗｏｄ：ｒｉｇｅｕｐｎ；ＣＡｄｍｓｉｍａｉｎ源自Ｏ引 — Ｃ．ｋ，
过程中的动力学及运动学进行仿真分析
国内外已有很多企业及研究机构对挖掘机的
１仿真模型的建立
在机械式电铲挖掘机工作装置中，斗的结铲
构相对动臂、斗杆比较复杂．由于本文主要分析
工作装置进行了仿真分析，大多数是针对液压但
式挖掘机，而对于大型尤其是斗容大于３０ｍ的
机械式电铲挖掘机进行动力学及运动学计算机仿真分析的却很少．目前，国际上已出现成熟使用的功能化虚拟设计及开发的工程应用软件，其中
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３２６
计算机辅助工程
２００６年