装载机工作装置机构分析：工程机械书籍

中国一拖技术中心　于　硕　闫　涵

摘要：介绍了ADAMS软件在装载机工作装置机构分析中的应用，对现设计方案进行了评估，为设计改进提供了有价值的参考数据。

关键词：装载机机构分析ADAMS

通常在对轮式装载机的工作装置进行机构分析时一般采用图解法或解析法，采用图解法精度较低，使用解析法计算又很复杂，因此一般只对几个作业位置进行分析计算，难以了解全部工况的作业性能及负荷变化。为解决这一问题，我们使用机械系统运动学与动力学分析仿真软件ADAMS对其进行分析。

机械系统动力学仿真技术首次出现于1980年前后，作为一项工程分析技术日益显示出强大的生命力，它可以帮助设计人员在设计早期阶段通过虚拟样机，在系统水平上真实地预测机械结构的工作性能，实现系统的最优设计。ADAMS是该领域具有代表性的软件系统，基本的ADAMS配置方案包括交互式图形环境ADAMS/View和求解器ADAMS/Solver。ADAMS/Solver自动形成机械系统模型的动力学方程，并提供静力学、运动学和动力学的解算结果。ADAMS/View采用分层方式完成建模工作。物理系统由一组构件通过机械运动副连结在一起，弹簧或运动激励可作用于运动副，任意类型的力均可作用于构件之间或单个构件上，由此组成机械系统。仿真结果采用形象直观的方式描述系统的动力学性能，并将分析结果进行形象化输出。

ADAMS/View虽然功能强大，但造型功能相对薄弱，难以用它创建具有复杂特征的零件，创建类似装载机工作装置这样复杂的机构是不现实的。因此，我们用Pro/Engineer创建模型，然后将模型传送给ADAMS进行分析。ADAMS/View支持多种数据接口，如STEP、IGES、DWG等，但ADAMS/View并不识别其他CAD系统的装配语义，如对齐、插入、贴合等。因此，只能将机构中的零件分别传送，并为它们建立相同的坐标系，才能保证各零件在装配中的位置，这种方法效率低下而且很不准确。实际上，Pro/Engineer与ADAMS/View之间有更好的接口：ADAMS软件包中提供了嵌入到Pro/Engineer 中使用的MECHANISM/Pro和IGES模块。使用这两个模块，可以在Pro/Engineer 中精确地定义刚体、运动副和载荷，并可以方便地把整个模型传送给ADAMS/View。

装载机工作装置的模型如图1所示，为简化计算，不考灿偏载的情况，可以将所有的运动副和载荷定义在对称面上。工作装置的各铰点定义为回转副（revolute），液压缸的活塞杆和缸筒间定义为滑动副（slide），轮胎与地面间在不考灿滑转率的情况下可定义为齿轮齿条副（gear）。

装载机典型的工作过程包括插入、铲装、重载运输、卸载和空载运输。在此不考灿运输工况，工作装置所受的载荷有插入阻力Fin、铲取阻力Fsh、物料重力Fg和自身的重力。

图1

最大插入阻力Fin受限于最大牵引力，可用下式计算：

式中M——变矩器涡轮输出力矩

i——变矩器涡轮至轮边的传动比

η——传动效率

Rk——轮胎动力半径

最大铲取阻力Fsh可用铲取时最大转斗阻力矩换算取得。最大转斗阻力矩发生在开始转斗的一瞬间，其值可用下列实验公式计算：

式中Lcmax——铲斗插入料堆的最大深度；

X、Y——铲斗斗尖到铲斗回转轴G的水平和垂直距离。

则：

分析典型的作业过程可知，铲斗的插入和铲装是顺序进行的（不考灿联合铲装工况），插入阻力和铲取阻力也依次达到最大值，物料重力则在铲取开始阶段达到最大值，各构件的自重不发生变化。在Pro/E中定义材料的性质（这里只关心密度），构件的特性如质量、质心、转动惯量等即可在建模过程中产生，并随模型传送给ADAMS。产生的重力由系统加载，Fin、Fsh和Fg则需要使用系统提供的STEP函数模拟，三个力随时间的变化情况如图2所示。

4.1典型工作过程仿真(www.xing528.com)

在以上设定的情况下对系统进行仿真，得到动臂缸和铲斗缸在作业过程中的受力情况如图3所示，负载随着铲斗插入深度的增加而增大，并在开始铲掘时达到最大。之后动臂缸重载举升，受力随着传力比的减小而增大，最后随着卸载减小到最小值。该图实际上反映了整机在作业过程中的负荷变化情况。

习惯上使用倍力系数作为评价工作机构连杆系统力传递性能优劣的参数，但由于计算倍力系数时不考灿自重，而工作机构本身的自重很大，占据负载相当大的部分，忽略自重的影响后显然不能准确地了解机构的性能。

图2

图3

图4

图4　表示了各传动构件间的夹角在整个作业过程中的变化情况。可以看出，各处传动角均符合大于10°的要求，而且最小传动角的发生位置均在卸载结束处，说明机构的设计是合理的。

4.2铲斗举升平动分析

在铲斗装满物料被举升到最高卸载位置的过程中，为避免铲斗中物料撒出，要求铲斗做近似平动，即铲斗倾角变化不应大于10°。为此，在模型中对铲斗位置角进行测量，并让动臂缸匀速举升，得到变化曲线如图5所示。

由图可见，该机构的举升平动性能不是很理想。

4.3铲斗自动放平分析

使铲斗从高位卸载状态下落到插入状态，期间保持转斗液压缸长度不变，测量铲斗底面与水平面间角度的变化，即可得到机构的自动放平性能。如图6所示，铲斗下落后斗底与地面夹角约为8°，基本达到要求。

通过以上的分析，总体来看，工作装置的设计基本合理，但在铲斗举升平动、自动放平性能上稍有不足，还需要进一步优化改进。

参考文献

1 MDI公司.ADAMS用户参考手册，1998

2 傅则绍.机构设计.北京：石油大学出版社，1993

3 李健成.矿山装载机械设计.北京：机械工业出版社，1989

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收稿日期：（2001-04-09）