adams_挖掘机建模过程及运动仿真
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选择铲斗与斗杆连接处 marker147 测量铲斗铰链受力，measure name 设为
11
model_1.marker_147_chandou，characteristic 选择 force on point，component 选择 mag，单 击 ok 完成测量。
在铲斗尖端添加 marker215，用于测量铲斗加速度，右击选择 measure，measure name 设为 model_1.marker_215_chandouacc，characteristic 选择 translational acceleration， component 选择 mag，单击 ok 完成测量。
1.7 建立斗杆液压缸模型
方法同 1.4，完成如图 1-11 所示
6
图 1- 11 完成斗杆液压缸模型
1.8 建立摆杆和连杆模型
使用工具 cylinder 建立摆杆模型，length=700，radius=50，调整到位； 使用 link 工具连接摆杆和相应的支座，完成如图 1-12 所示
图 1- 12 完成摆杆和连杆模型
图 1- 1 挖掘机底盘
1.2 建立车架模型
使用工具 box 建立模型，length=2400，height=300，depth=2200，设置为 new part； 使用工具 box 建立动臂支架座，length=200，height=900，depth=500，设置为 add to part； 使用工具 box 建立两个动臂液压缸支架座，length=200，height=300，depth=200，设 置为 add to part； 使用位置调整工具调整支架座的位置，使动臂支架与液压缸支架座 x 向间距 500mm， 两液压缸支架座 z 向间距 700mm，；动臂支架位于两液压缸支架 z 向中间位置； 使用工具 fillet 对支架上侧倒圆角，radius=100； 使用工具 marker，在各支架座圆弧圆心沿 z 轴中间位置建立 marker 点，液压缸支架 上为 marker16、marker16，动臂支架为 marker14； 修改模型名称为 chejia；模型完成如图 1-2 所示：
Hooke Cylinder Revolute Spherical Spherical Revolute Translational
根据挖掘机实际工作状态，对四个移动副和车身转动副添加运动驱动如下表
运动位置 底盘与车身转动副 动臂液压缸（左右）
斗杆液压缸 铲斗液压缸
运动类型 Rotational joint motion Translational joint motion Translational joint motion Translational joint motion
设定工作过程中铲斗每次铲起 3000N 的土石，根据工作过程在 4-6s 力由零增大到最 大值，在 6-8s 保持，在 8-10s 减小到零，选择在铲斗质心添加力，run-time direction 选择 space fixed，力大小通过 step 函数设定，函数为
STEP( time , 4 , 0 , 6 , 3000 )+ STEP( time , 8 , 0 , 10 , -3000 )
1.9 建立铲斗液压缸模型
方法同 1.4，完成如图 1-13 所示，
7
图 1- 13 完成铲斗液压缸模型
1.10 模型检查，结果如下
VERIFY MODEL: .model_1 102 Gruebler Count (approximate degrees of freedom) 17 Moving Parts (not including ground) 102 Degrees of Freedom for .model_1
斗杆完成如图 1-7 所示。
图 1- 6 斗杆拉伸坐标点
4
1.6 建立铲斗模型
图 1- 7 完成斗杆模型
使用工具 Extrusion 建立铲斗外形模型，选择由点创建，各点坐标如图 1-8 所示，
lengthBiblioteka Baidu900mm
使用工具 Extrusion 建立铲斗内腔模型，选择由点创建，各点坐标如图 1-9 所示，
1
图 1- 2 完成车架模型
1.3 建立动臂模型
使用工具 Extrusion 建立动臂模型，选择由点创建，各点坐标如图 1-3 所示， length=500mm，并倒角，在动臂左端建立 marker48，右侧建立 marker18，移动使 marker18 与车架上的 marker14 重合；
图 1- 3 动臂拉伸建模坐标点 2
使用工具 box 在动臂上方建立斗杆液压缸支架座，length=200，height=400，depth=200， 设置为 add to part；
使用工具 cylinder 在动臂两侧建立动臂液压杆支座，length=200，radius=50，使用位置 工具调整到合适的位置；
动臂完成后如图 1-4 所示：
挖掘机建模过程及运动仿真
完成如下挖掘机简化模型，并进行运动过程仿真及受力分析：
斗杆液压缸
动臂
斗杆
动臂液压缸
上连杆
铲斗
铲斗液压缸 摆杆
下连杆 挖掘机总体结构图
车身 底盘
1 建立挖掘机模型
1.1 建立挖掘机底盘模型
运行 adams，建立新模型，设置工作网格大小为 5000x2000，间隔为 100mm。 使用工具 box 建立模型，length=4200，height=900，depth=2800，设置为 on ground； 再在 box1 左右两端建立 box2 和 box3，length=1200，height=900，depth=1600，设置 为 on ground；使用位置调整工具，调整 box2 和 box3 的位置在 box1 沿 z 轴方向的中间， 使用布尔运算工具从 box1 中减去 box2 和 box3； 使用工具 Cylinder 建立旋转支撑部分，length=200，radius=700，设置为 add to part， 调整位置，使其位于 box1 中间。 使用 fillet 工具将 box1 左右倒圆角，radius=450； 底盘模型建立完成，如图 1-1 所示
STEP ( time , 6 , 0 , 12 , 0 )+
STEP ( time , 12 , 0 , 14 , 500 )
10
斗杆液压缸动作函数：STEP ( time , 0 , 0 , 2 , 200 )+ STEP ( time , 2 , 0 , 4 , -100 )+ STEP ( time , 4 , 0 , 6 , -100 )+ STEP ( time , 6 , 0 , 10 , 0 )+ STEP ( time , 10 , 0 , 12 , 100 )+ STEP ( time , 12 , 0 , 14 , -100 )
进入后处理，data simulation 选择 last_run，source 选择 measure，在 measure 窗口 中一次选择各测量数据，点击 add curves，在窗口中依次得到动臂铰链受力图、斗杆铰链 受力图、铲斗铰链受力图以及铲斗加速度图。并通过 Plot tracking 按钮，得到各测量内容 的最大值。由图 3-2 得动臂铰链处最大力 173770N，由图 3-3 得斗杆铰链处最大力 39862N， 由图 3-4 得铲斗铰链处最大力 23248N，由图 3-5 得铲斗最大加速度 12687mm/s2。
底盘回转驱动函数：STEP ( time,6 ,0 , 8 , 90d )+ STEP (time , 8 , 0 , 10 , 0 )+ STEP (time , 10 , 0 , 12 , -90d )
设置仿真时间 14s，steps 为 1000 进行运动仿真。
3.2 挖掘过程受力分析
首先修改各部件质量属性，选择 user input，分别设置动臂质量为 1400KG，斗杆质量 为 800KG，铲斗质量为 400KG。
选择动臂与车间连接处 marker199 测量动臂铰链受力，measure name 设为 model_1.marker_199_dongbi，characteristic 选择 force on point，component 选择 mag，单 击 ok 完成测量。
选择斗杆与动臂连接处 marker53 测量斗杆铰链受力，measure name 设为 model_1.marker_53_斗杆，characteristic 选择 force on point，component 选择 mag，单击 ok 完成测量。
图 1- 4 完成动臂模型
1.4 建立动臂液压缸
使用工具 cylinder 建立液压缸，length=1200，radius=70，液压杆 length=1200，radius=50； 调整位置如图 1-5 所示
图 1- 5 完成动臂液压缸模型 3
1.5 建立斗杆模型
使用工具 Extrusion 建立动臂模型，选择由点创建，各点坐标如图 1-6 所示， length=500mm，并倒角，在动臂右端建立 marker50，移动使 marker50 与动臂上的 marker48 重合；
There are no redundant constraint equations. Model verified successfully
2 添加约束
根据挖掘机各零部件的运动关系和装配关系，建立相应的 marker 点，在各 marker 点
上对挖掘机各部件之间建立约束如表所示：
构件一 底盘 车架 车架 车架 动臂 动臂 动臂 斗杆
铲斗液压缸动作函数：STEP ( time , 0 , 0 , 2 , -300)+ STEP ( time , 2 , 0 , 4 , 400 )+ STEP ( time , 4 , 0 , 8 , 0 )+ STEP ( time , 8 , 0 , 10 , -400 )+ STEP (time, 10, 0, 14, 300)
构件二 车架 动臂
动臂液压缸（左） 动臂液压缸（右） 动臂液压杆（左） 动臂液压杆（右）
斗杆液压缸 斗杆液压杆
约束类型 Revolute Spherical Spherical Spherical Revolute Cylinder Spherical Cylinder
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动臂 斗杆 摆杆 斗杆 斗杆 摆杆 摆杆 铲斗 铲斗 摆杆 摆杆 斗杆 液压缸（四处）
斗杆 铲斗液压缸 铲斗液压杆 摆杆上连杆（左） 摆杆上连杆（右） 摆杆上连杆（左） 摆杆上连杆（右） 摆杆下连杆（左） 摆杆下连杆（右） 摆杆下连杆（左） 摆杆下连杆（右）
铲斗 液压杆（四处）
Revolute Spherical Cylinder Cylinder Cylinder Spherical
6-8 s 底盘转 过 90 度
8-10 s 收铲斗
10-12 s 底盘反 向转过 90 度 收斗杆 伸铲斗
12-14 s 收动臂 伸斗杆 伸铲斗
动臂液压缸动作函数：STEP ( time , 0 , 0 , 2 , -200 )+
STEP ( time , 2 , 0 , 4 , 200 )+
STEP ( time , 4 , 0 , 6 , -500 )+
驱动表达式 0 0 0 0
校验模型，如下图：
9
图 2- 1 模型校验结果
3 模拟仿真
3.1 挖掘机运动过程仿真
通过设定驱动表达式，来模拟挖掘机工作过程，挖掘机一个工作循环动作内容流程如
下：
时间 动作 内容
0-2 s 伸动臂 收斗杆 收铲斗
2-4 s 收动臂 伸斗杆 伸铲斗
4-6 s 伸动臂 伸斗杆
使用工具 cylinder 建立摆杆连杆支座模型，length=400mm，radius=60mm；位于斗杆 下方前后两侧对称布置；
使用工具 box 建立铲斗液压缸支座，length=400mm，height=200mm，depth=200mm， 使用位置工具调整角度和位置，并倒角 radius=100mm；
length=700mm，使用布尔运算工具想减完成铲斗模型，并倒角。
使用工具 box 建立铲斗连杆支座，length=200，height=80，depth=100，调整到合适的
位置，并倒角。铲斗模型完成如图 1-10 所示：
图 1- 8 铲斗外形拉伸坐标点 5
图 1- 9 铲斗内腔拉伸坐标点
图 1- 10 完成铲斗模型
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model_1.marker_147_chandou，characteristic 选择 force on point，component 选择 mag，单 击 ok 完成测量。
在铲斗尖端添加 marker215，用于测量铲斗加速度，右击选择 measure，measure name 设为 model_1.marker_215_chandouacc，characteristic 选择 translational acceleration， component 选择 mag，单击 ok 完成测量。
1.7 建立斗杆液压缸模型
方法同 1.4，完成如图 1-11 所示
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图 1- 11 完成斗杆液压缸模型
1.8 建立摆杆和连杆模型
使用工具 cylinder 建立摆杆模型，length=700，radius=50，调整到位； 使用 link 工具连接摆杆和相应的支座，完成如图 1-12 所示
图 1- 12 完成摆杆和连杆模型
图 1- 1 挖掘机底盘
1.2 建立车架模型
使用工具 box 建立模型，length=2400，height=300，depth=2200，设置为 new part； 使用工具 box 建立动臂支架座，length=200，height=900，depth=500，设置为 add to part； 使用工具 box 建立两个动臂液压缸支架座，length=200，height=300，depth=200，设 置为 add to part； 使用位置调整工具调整支架座的位置，使动臂支架与液压缸支架座 x 向间距 500mm， 两液压缸支架座 z 向间距 700mm，；动臂支架位于两液压缸支架 z 向中间位置； 使用工具 fillet 对支架上侧倒圆角，radius=100； 使用工具 marker，在各支架座圆弧圆心沿 z 轴中间位置建立 marker 点，液压缸支架 上为 marker16、marker16，动臂支架为 marker14； 修改模型名称为 chejia；模型完成如图 1-2 所示：
Hooke Cylinder Revolute Spherical Spherical Revolute Translational
根据挖掘机实际工作状态，对四个移动副和车身转动副添加运动驱动如下表
运动位置 底盘与车身转动副 动臂液压缸（左右）
斗杆液压缸 铲斗液压缸
运动类型 Rotational joint motion Translational joint motion Translational joint motion Translational joint motion
设定工作过程中铲斗每次铲起 3000N 的土石，根据工作过程在 4-6s 力由零增大到最 大值，在 6-8s 保持，在 8-10s 减小到零，选择在铲斗质心添加力，run-time direction 选择 space fixed，力大小通过 step 函数设定，函数为
STEP( time , 4 , 0 , 6 , 3000 )+ STEP( time , 8 , 0 , 10 , -3000 )
1.9 建立铲斗液压缸模型
方法同 1.4，完成如图 1-13 所示，
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图 1- 13 完成铲斗液压缸模型
1.10 模型检查，结果如下
VERIFY MODEL: .model_1 102 Gruebler Count (approximate degrees of freedom) 17 Moving Parts (not including ground) 102 Degrees of Freedom for .model_1
斗杆完成如图 1-7 所示。
图 1- 6 斗杆拉伸坐标点
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1.6 建立铲斗模型
图 1- 7 完成斗杆模型
使用工具 Extrusion 建立铲斗外形模型，选择由点创建，各点坐标如图 1-8 所示，
lengthBiblioteka Baidu900mm
使用工具 Extrusion 建立铲斗内腔模型，选择由点创建，各点坐标如图 1-9 所示，
1
图 1- 2 完成车架模型
1.3 建立动臂模型
使用工具 Extrusion 建立动臂模型，选择由点创建，各点坐标如图 1-3 所示， length=500mm，并倒角，在动臂左端建立 marker48，右侧建立 marker18，移动使 marker18 与车架上的 marker14 重合；
图 1- 3 动臂拉伸建模坐标点 2
使用工具 box 在动臂上方建立斗杆液压缸支架座，length=200，height=400，depth=200， 设置为 add to part；
使用工具 cylinder 在动臂两侧建立动臂液压杆支座，length=200，radius=50，使用位置 工具调整到合适的位置；
动臂完成后如图 1-4 所示：
挖掘机建模过程及运动仿真
完成如下挖掘机简化模型，并进行运动过程仿真及受力分析：
斗杆液压缸
动臂
斗杆
动臂液压缸
上连杆
铲斗
铲斗液压缸 摆杆
下连杆 挖掘机总体结构图
车身 底盘
1 建立挖掘机模型
1.1 建立挖掘机底盘模型
运行 adams，建立新模型，设置工作网格大小为 5000x2000，间隔为 100mm。 使用工具 box 建立模型，length=4200，height=900，depth=2800，设置为 on ground； 再在 box1 左右两端建立 box2 和 box3，length=1200，height=900，depth=1600，设置 为 on ground；使用位置调整工具，调整 box2 和 box3 的位置在 box1 沿 z 轴方向的中间， 使用布尔运算工具从 box1 中减去 box2 和 box3； 使用工具 Cylinder 建立旋转支撑部分，length=200，radius=700，设置为 add to part， 调整位置，使其位于 box1 中间。 使用 fillet 工具将 box1 左右倒圆角，radius=450； 底盘模型建立完成，如图 1-1 所示
STEP ( time , 6 , 0 , 12 , 0 )+
STEP ( time , 12 , 0 , 14 , 500 )
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斗杆液压缸动作函数：STEP ( time , 0 , 0 , 2 , 200 )+ STEP ( time , 2 , 0 , 4 , -100 )+ STEP ( time , 4 , 0 , 6 , -100 )+ STEP ( time , 6 , 0 , 10 , 0 )+ STEP ( time , 10 , 0 , 12 , 100 )+ STEP ( time , 12 , 0 , 14 , -100 )
进入后处理，data simulation 选择 last_run，source 选择 measure，在 measure 窗口 中一次选择各测量数据，点击 add curves，在窗口中依次得到动臂铰链受力图、斗杆铰链 受力图、铲斗铰链受力图以及铲斗加速度图。并通过 Plot tracking 按钮，得到各测量内容 的最大值。由图 3-2 得动臂铰链处最大力 173770N，由图 3-3 得斗杆铰链处最大力 39862N， 由图 3-4 得铲斗铰链处最大力 23248N，由图 3-5 得铲斗最大加速度 12687mm/s2。
底盘回转驱动函数：STEP ( time,6 ,0 , 8 , 90d )+ STEP (time , 8 , 0 , 10 , 0 )+ STEP (time , 10 , 0 , 12 , -90d )
设置仿真时间 14s，steps 为 1000 进行运动仿真。
3.2 挖掘过程受力分析
首先修改各部件质量属性，选择 user input，分别设置动臂质量为 1400KG，斗杆质量 为 800KG，铲斗质量为 400KG。
选择动臂与车间连接处 marker199 测量动臂铰链受力，measure name 设为 model_1.marker_199_dongbi，characteristic 选择 force on point，component 选择 mag，单 击 ok 完成测量。
选择斗杆与动臂连接处 marker53 测量斗杆铰链受力，measure name 设为 model_1.marker_53_斗杆，characteristic 选择 force on point，component 选择 mag，单击 ok 完成测量。
图 1- 4 完成动臂模型
1.4 建立动臂液压缸
使用工具 cylinder 建立液压缸，length=1200，radius=70，液压杆 length=1200，radius=50； 调整位置如图 1-5 所示
图 1- 5 完成动臂液压缸模型 3
1.5 建立斗杆模型
使用工具 Extrusion 建立动臂模型，选择由点创建，各点坐标如图 1-6 所示， length=500mm，并倒角，在动臂右端建立 marker50，移动使 marker50 与动臂上的 marker48 重合；
There are no redundant constraint equations. Model verified successfully
2 添加约束
根据挖掘机各零部件的运动关系和装配关系，建立相应的 marker 点，在各 marker 点
上对挖掘机各部件之间建立约束如表所示：
构件一 底盘 车架 车架 车架 动臂 动臂 动臂 斗杆
铲斗液压缸动作函数：STEP ( time , 0 , 0 , 2 , -300)+ STEP ( time , 2 , 0 , 4 , 400 )+ STEP ( time , 4 , 0 , 8 , 0 )+ STEP ( time , 8 , 0 , 10 , -400 )+ STEP (time, 10, 0, 14, 300)
构件二 车架 动臂
动臂液压缸（左） 动臂液压缸（右） 动臂液压杆（左） 动臂液压杆（右）
斗杆液压缸 斗杆液压杆
约束类型 Revolute Spherical Spherical Spherical Revolute Cylinder Spherical Cylinder
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动臂 斗杆 摆杆 斗杆 斗杆 摆杆 摆杆 铲斗 铲斗 摆杆 摆杆 斗杆 液压缸（四处）
斗杆 铲斗液压缸 铲斗液压杆 摆杆上连杆（左） 摆杆上连杆（右） 摆杆上连杆（左） 摆杆上连杆（右） 摆杆下连杆（左） 摆杆下连杆（右） 摆杆下连杆（左） 摆杆下连杆（右）
铲斗 液压杆（四处）
Revolute Spherical Cylinder Cylinder Cylinder Spherical
6-8 s 底盘转 过 90 度
8-10 s 收铲斗
10-12 s 底盘反 向转过 90 度 收斗杆 伸铲斗
12-14 s 收动臂 伸斗杆 伸铲斗
动臂液压缸动作函数：STEP ( time , 0 , 0 , 2 , -200 )+
STEP ( time , 2 , 0 , 4 , 200 )+
STEP ( time , 4 , 0 , 6 , -500 )+
驱动表达式 0 0 0 0
校验模型，如下图：
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图 2- 1 模型校验结果
3 模拟仿真
3.1 挖掘机运动过程仿真
通过设定驱动表达式，来模拟挖掘机工作过程，挖掘机一个工作循环动作内容流程如
下：
时间 动作 内容
0-2 s 伸动臂 收斗杆 收铲斗
2-4 s 收动臂 伸斗杆 伸铲斗
4-6 s 伸动臂 伸斗杆
使用工具 cylinder 建立摆杆连杆支座模型，length=400mm，radius=60mm；位于斗杆 下方前后两侧对称布置；
使用工具 box 建立铲斗液压缸支座，length=400mm，height=200mm，depth=200mm， 使用位置工具调整角度和位置，并倒角 radius=100mm；
length=700mm，使用布尔运算工具想减完成铲斗模型，并倒角。
使用工具 box 建立铲斗连杆支座，length=200，height=80，depth=100，调整到合适的
位置，并倒角。铲斗模型完成如图 1-10 所示：
图 1- 8 铲斗外形拉伸坐标点 5
图 1- 9 铲斗内腔拉伸坐标点
图 1- 10 完成铲斗模型