机械动力学仿真

2．1 动臂工作仿真
当采用动臂液压缸进行挖掘时(斗杆液 压缸和铲斗液压缸不工作)，可以得到最大 挖掘半径和最长挖掘行程。在液压缸和活 塞杆之间的移动副上添加运动来模拟挖掘 机的运动过程
2．2 斗杆液压缸工作仿真
仅以斗杆液压缸工作进行挖掘时，铲斗的 挖掘轨迹系以动臂与斗杆的铰点为中心，斗齿 尖至该铰点的距离为半径所作的圆弧线，同样， 弧线的长度与包角决定于斗杆液压缸的行程。 当动臂位于最大下倾角并以斗杆液压缸进行挖 掘工作时，可以得到最大的挖掘深度，并且也 有较大的挖掘建筑行程，在较坚硬的土质条件 下工作时，能够保证装满铲斗，故中小型挖掘 机在实际工作中常以斗杆液压缸工作进行挖掘。
分析过程中会应用虚拟样机技术 (viurtalProtoytPing)，将液压挖掘机工 作装置用三维造型软件UG进行建模，并导 入ADAMS【机械系统动力学自动分析 (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)】中得到虚拟样机模 型
1 工作装置虚拟样机的建立
当然,这些研究过程是我们的一个参考, 本小组对本课程了解肤浅,丧不足以如此纯属 的运用恰当的方法进行研究,不过在本次的研 究活动中,我们了解到,机械系统动力学与仿 真这门课是一门本专业的综合性学科,研究过 程中会应用到机械原理基本知识,机械学科常 见辅助软件的应用,有限元的分析,和一系列 数据的处理能力,对本专业的基础知识更是有 很高的要求,同时在实际的生产研究中也有着 举足轻重的作用,所以我们必须要认真严肃的 对待该学科,以求下次能自己做出自己的作品.
挖掘机的分类
• 以下是常见挖掘机的分类： 挖掘机分类一：常见的挖掘机按驱动方式有内燃机驱动挖 掘机和电力驱动挖掘机两种。其中电动挖掘机主要应用在高原 缺氧与地下矿井和其它一些易燃易爆的场所。 挖掘机分类二：按照行走方式的不同，挖掘机可分为履带 式挖掘机和轮式挖掘机。 挖掘机分类三：按照传动方式的不同，挖掘机可分为液压 挖掘机和机械挖掘机。机械挖掘机主要用在一些大型矿山上。 挖掘机分类四：按照用途来分，挖掘机又可以分为通用挖 掘机，矿用挖掘机，船用挖掘机，特种挖掘机等不同的类别 挖掘机分类五：按照铲斗来分，挖掘机又可以分为正铲挖 掘机和反铲挖掘机。正铲挖掘机多用于挖掘地表以上的物料， 反铲挖掘机多用于挖掘地表以下的物料。
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在铲斗的斗齿尖处创建MARKER点，建 立一个测量(measure)，定义测量特征为移 动位移(Translational displacement)， 测量分量分别为x、y。反铲装置的几何位 置取决于动臂液压缸的长度L 1、斗杆液压 缸的长度L 2和铲斗液压缸的长度L3。显然， 当L 1、L 2和L 3为某一组确定值时反铲装 置就相应处于一个确定的几何位置。某反 铲工作装置液压缸运动参数见表1所示。
反铲挖掘机
反铲式是我们见过最常见的，向后向下，强制切土。可以用于停机作业面以下的挖掘， 基本作业方式有：沟端挖掘、沟侧挖掘、直线挖掘、曲线挖掘、保持一定角度挖掘、 超深沟挖掘和沟坡挖掘等
正铲挖掘机
正铲挖掘机的铲土动作形 式。其特点是“前进向上，强 制切土”。正铲挖掘力大，能 开挖停机面以上的土，宜用于 开挖高度大于2m的干燥基坑， 但须设置上下坡道。正铲的挖 斗比同当量的反铲的挖掘机的 斗要大一些，可开挖含水量不 大于27%的一至三类土，且与自 卸汽车配合完成整个挖掘运输 作业，还可以挖掘大型干燥基 坑和土丘等。正铲挖土机的开 挖方式根据开挖路线与运输车 辆的相对位置的不同，挖土和 卸土的方式有以下两种: 正向 挖土，侧向卸土；正向挖土， 反向卸土。
挖掘机的构成
• 常见的挖掘机结构包括，动力装置， 工作装置，回转机构，操纵机构，传动机 构，行走机构和辅助设施等。 从外观上看，挖掘机由工作装置，上 部转台，行走机构三部分组成。
挖掘机的发展历史
• 最初挖掘机是手动的，从发明到现在已经 有一百三十多年了，经历了蒸汽驱动，电力驱 动，和内燃机驱动等多种驱动方式。 在20世纪40年代以后，液压技术在挖掘机 上得到应用，20世纪50年代研制出了今天人们 常见的履带式全液压挖掘机。 挖掘机最重要的三个参数：整车重量（质 量），发动机功率和铲斗斗容。 1951 年，第一台全液压反铲挖掘机由位 于法国的 Poclain( 波克兰 ) 工厂推出，从 而在挖掘机的技术发展领域开创了全新空间。
挖掘机简史
• 第一台手动挖掘机问世至今已有130多年的历史， 期间经历了由蒸汽驱动斗回转挖掘机到电力驱动和内燃 机驱动回转挖掘机、应用机电液一体化技术的全自动液 压挖掘机的逐步发展过程。 由于液压技术的应用，20世纪40年代有了在拖拉机 上配装液压反铲的悬挂式挖掘机，20世纪50年代初期和 中期相继研制出拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压 挖掘机。初期试制的液压挖掘机是采用飞机和机床的液 压技术，缺少适用于挖掘机各种工况的液压元件，制造 质量不够稳定，配套件也不齐全。从20世纪60年代起， 液压挖掘机进入推广和蓬勃发展阶段，各国挖掘机制造 厂和品种增加很快，产量猛增。1968-1970年间，液压 挖掘机产量已占挖掘机总产量的83%，目前已接近100%。
工作装置示意图
为了对挖掘机进行深入了解，本小组 对国际知名品牌小松PC800SE-7挖掘机的一 系列性能和原理进行了研究并在有关资料 中了解到挖掘机的常见参数和分析方法， 包括挖掘机整机作业范围和最大挖掘半径、 最大挖掘深度、最大挖掘高度、最大倾斜 高度和最小倾斜高度等特殊工作尺寸，校 验所研究液压挖掘机工作装置的一般性能。
在以上动臂液压缸、斗杆液 压缸和铲斗液压缸运动仿真的基 础上进行多个过程的仿真分析， 得到图5即通过计算机仿真做出 的挖掘机作业范围图。
图中挖掘机的作业范围根据仿真过程依 次为调整斗杆、铲斗缸到全缩状态、动臂液 压缸由全缩到全伸、铲斗缸由全缩到全伸、 斗杆缸由全缩到全伸、铲斗缸由全伸到全缩、 斗杆缸由全伸到全缩、动臂缸由全伸到全缩、 铲斗转动一定角度、斗杆缸由全缩到全伸、 动臂缸由全伸到全缩状态的运动轨迹。
2．3 铲斗液压缸工作仿真
挖掘机如果仅以铲斗液压缸工作进行挖掘 时，挖掘轨迹则是以铲斗与斗杆的铰点为中心， 以该铰点至斗齿尖的距离为半径所作的圆弧线， 同理，圆弧线的包角(即铲斗的转角)及弧长决 定于铲斗液压缸的行程。显然，以铲斗液压缸 工作进行挖掘时的挖掘行程较短，如要使铲斗 在挖掘行程结束时能装满土壤，需要有较大的 挖掘力，所以一般挖掘机的斗齿最大挖掘力都 在采用铲斗液压缸工作时实现。采用铲斗液压 缸进行挖掘常用于清除障碍，挖掘较松软的土 壤以提高生产率，因此，在一般土方工程挖掘 中(土壤多为Ⅲ级土以下)转斗挖掘最常采用。
构造虚拟样机必须进行机械零部件的三维实 体造型。三维实体模型的构筑对于虚拟样机的仿 真和分析十分重要，必须充分理解各个零部件的 外形以及它们之间的相对位置和装配关系，在实 体建模时严格按照实际的尺寸进行， 以达到仿 真时对可信度的要求。利用各种约束类型完成装 配后的液压挖掘机工作装置三维造型如图1所示。
全液压全回转挖掘机
现今的挖掘机占绝大部分的是全液压全 回转挖掘机。 全液压回转挖掘机液压挖掘 机主要由发动机、液压系统、工作装置、行走 装置和电气控制等部分组成。液压系统由液压 泵、控制阀、液压缸、液压马达、管路、油箱 等组成。电气控制系统包括监控盘、发动机控 制系统、泵控制系统、各类传感器、电磁阀等。 液压挖掘机一般由工作装置、回转装置和 行走装置三大部分组成。据其构造和用途可以 区分为：履带式、轮胎式、步履式、全液压、 半液压、全回转、非全回转、通用型、专用型、 铰接式、伸缩臂式等多种类型。 。
液压挖掘机工作装置 运动学仿真分析
挖掘机的定义
• 挖掘机，又称挖掘机械(excavating machinery)，是用铲斗挖掘高于或低于承 机面的物料，并装入运输车辆或卸至堆料 场的土方机械。挖掘的物料主要是土壤、 煤、泥沙以及经过预松后的土壤和岩石。 从近几年工程机械的发展来看，挖掘机的 发展相对较快，而挖掘机作为工程建设中 最主要的工程机械机型之一,对它的研究尤 为重要。
将液压挖掘机工作装置三维模型 导入ADAMS软件中
2 样机模型运动学仿真分析
运动学仿真可确定所关心点的位移、 速度、加速度的变化范围。在运动学仿真 中，ADAMS／solver只解最少的代数方程， 因此，运动仿真系统的自由度必须为零。 如果指定物体的质量和惯性，运动仿真可 以计算出产生某种运动所需的力和力矩。 除此之外，运动仿真还可以检验所加运动 约束是否正确，所以在进行动力学仿真之 前进行运动学仿真是必要的。
由仿真结果可知该挖掘机的工作 范围： 最大挖掘半径10．059m； 最大挖掘深度8．766m； 最大挖掘高度7．708m； 最大倾斜高度4．788m； 最小倾斜高度0．461m。
在ADAMS中建立了液压挖掘机工作装置的 虚拟样机并对其进行运动学仿真，确定了挖 掘机最大挖掘半径、最大挖掘深度、最大挖 掘高度、最大倾斜高度和最小倾斜高度等特 殊工作尺寸，进而确定了整机作业范围。结 果表明，所设计液压挖掘机工作装置较为合 理，作业范围合理，满足对特殊工作尺寸的 要求，为进一步进行动力学仿真打下基础。