挖掘装载机装载工作装置动态应力仿真

范文杰　徐进永　张子达

【摘要】挖掘装载机是一种新型工程机械,其装载工作装置是特殊的八杆机构。将连杆、摇臂和动臂均看作弹性体,液压缸和铲斗为刚体,建立了完整的装载工作装置的刚-弹性体系统动力学模型。同时建立了工作装置的液压系统模型,通过动力学模拟计算得到了动臂在液压系统驱动下的工作过程中动态应力时间历程与分布特征。这种方法不仅完成了多体系统动力学中刚体与弹性体的有机结合以及机械系统与液压系统的耦合,而且为动臂在设计阶段就可通过模拟计算获得工作过程中的动臂动态应力分布,为评估其疲劳寿命打下了基础。

关键词：挖掘装载机　动态应力　弹性体　动力学模型　仿真

Abstract

Backhoe loader is a new type construction machine and its working equipment is a special eight-bar mechanism.The multi-body dynamic model of working equipment was set up.Links, rockers and lift arm were considered as elastic bodies and bucket,and cylinders as rigid bodies. At the same time,the hydraulic system of equipment was built.The dynamic stress distribution characteristics of the lift arm in time domain were obtained after the dynamic analysis.This research technology combined the rigid bodies with the elastic ones as a tight system,coupled the mechanical systems and hydraulic system on one hand,and obtained the dynamic stress on the other.It laid foundation for evaluating the fatigue life of lift arm in its structural design stage.

挖掘装载机装载工作装置是由一种特殊的八杆机构相互铰接而成的。这种结构在国外工程机械上已经普遍采用,国内也开始重视这种特殊机构形式的工作装置,但目前研究还不够深入,在设计经验和理论方面还需进一步完善。动臂作为工作装置的关键部件,其结构强度与疲劳寿命得到了广泛的关注与重视。从某种程度上说,动臂的结构静强度在其设计阶段可以通过计算得到保证。但动臂在工作过程中的动态应力作用下的疲劳强度则只有在制造完成后,通过疲劳实验来进行测定。这显然延长了产品的研制周期,也提高了产品的成本[1]。

为此,在ANSYS中建立了工作装置中弹性体的有限元模型,并生成ADAMS所需的.mnf文件。在ADAM S中建立工作装置的刚弹耦合模型。为了考虑液压系统对动态应力的影响,在工作装置动力学分析中,经常将其作为理想刚体处理。实际上,由于机构质量大,在举升初始的加速和举升结束的减速会对动臂产生很大的振动,对机构产生较大的附加力,因此建立其弹性体模型进行动力学分析意义重大[2]。在ADAM S/Hydraulics中建立了液压系统,通过机械与液压耦合仿真[3～4],得到了动臂在工作过程中的应力　时间历程和某一时刻的动态应力分布。从而借助它们进行疲劳强度分析。

1.1　工作装置刚弹耦合体模型的建立

挖掘装载机装载工作装置如图1所示。利用有限元分析软件ANSYS和多体动力学软件ADAMS中的ADAM S/Autoflex模块建立弹性体有限元模型。动臂和摇臂的形状不规则,在ANSYS中建立较方便,通过与ADAMS的接口生成.mnf模态中性文件(包含模型的几何信息、质量、惯量、模态质量和模态刚度)。拉杆形状规则,可在模块ADAM S/ Autoflex中直接建模生成。

图1　挖掘装载机装载工作装置模型
Fig.1　Model of loading working equipment of backhoe loader

1.上拉杆　2.上摇臂　3.翻斗油缸　4.下拉杆　5.铲斗　6.下摇臂　7.动臂　8.动臂油缸

将由ANSYS中生成的.mnf模态中性文件导入ADAMS中,在导入同时设置适当的阻尼率,从而保留了模态的柔性而消除它的动力响应,这就极大缩短了仿真的时间。并选取一定频率范围内除刚体振动模态之外的其他振动模态[5]。

在ADAMS中建立完整的工作装置系统动力学模型。该模型包含1个动臂、4个摇臂、4个拉杆、4个液压缸和1个铲斗;以及14个转动铰,4个移动铰,8个线上原始铰等约束。由于包含弹性体,整个工作装置的自由度为56个。

1.2　液压系统模型

利用ADAMS/Hydraulics液压模块模拟液压回路。它包括液压系统的绝大多数元件:阀、泵和缸等。这些元件具有参数化和函数的强大能力,从而使液压系统建模更加方便,能够模拟复杂的液压系统[5]。图2即ADAMS/Hydraulics中的液压系统。

液压缸是刚弹耦合多体系统模型与液压系统模型的耦合元件。作用在活塞上的驱动力,以及活塞的位移、速度和加速度影响着液压系统的压力。

图2　挖掘装载机装载工作装置液压系统
Fig.2　Hydraulic system of loading working equipment of backhoe loader

1.浮动工况　2.动臂油缸　3.液压油　4.翻斗油缸　5.双作用安全阀　6.安全阀　7.泵

ADAMS/Flex是用模态柔性来描述物体弹性的,它基于物体的弹性变形是相对于物体坐标系的弹性小变形。同时物体坐标系又基于大的非线性整体移动和转动这个假设建立的。

2.1　弹性体的表示

ADAMS/Flex中的弹性体,是用离散化的若干个单元的有限个节点自由度来表示物体的无限多个自由度的。这些单元节点的弹性变形可以用少量模态的线性组合近似地表示。如果物体坐标系的位置用它在惯性参考系中的笛卡儿坐标χ=(x,y,z)和反映刚体方位的欧拉角ψ=(j,θ,O)来表示,模态坐标用q=(q1,q2,…,qM)T(M为模态坐标数)来表示,则弹性体的广义坐标可以表示为

那么弹性体上任一节点(如第i点)的位置向量可表示为

式中　A——物体坐标系到惯性参考系的转换矩阵

si——节点i在物体坐标系中未变形的位置

φi——对应于节点的移动自由度的模态矩阵子块

将式(2)对时间求导,得到节点的速度

式中　ω——物体坐标系的角速度向量

B——欧拉角的时间导数与角速度向量之间的转换矩阵

符号“～”——向量对应的对称矩阵

节点i的角速度用物体的刚体角速度与变形角速度之和来表示

式中　Φ′——对应于节点i的转动自由度的模态矩阵子块

2.2　弹性体的运动微分方程

弹性体的动能可表示为

式中　mi——节点i的模态质量

Ii——节点i的模态惯量

最后用拉格朗日乘子法建立弹性体的运动微分方程(www.xing528.com)

式中　M——质量矩阵

K、D——模态刚度矩阵和模态阻尼矩阵

Kξ、Dξ——物体内部由于弹性变形和阻尼引起的广义力

fg——广义重力

λ——对应于约束的拉格朗日乘子

Q——对应于外力的广义力

Γ——对应于约束外力的广义力

进行液压系统驱动下的工作装置向后收斗工况和之后的动臂举升工况的刚弹耦合体动力学仿真。取铲斗满载,并且把铲斗内物料质量的分布情况分为两种:物料质量分布均匀,即正载;物料质量分布不均匀,即偏载。

3.1　动臂动态应力研究

图3显示了当铲斗内物料质量分布均匀,即正载时,动臂在向后收斗工况的某个瞬时的Von Mises应力分布图。可以看出,最大应力点位置在动臂与前车架铰点附近,应力值为37.98 MPa。且应力分布相对于动臂结构呈对称分布。

图3　物料质量分布均匀时动臂瞬时应力云图
Fig.3　Dynamic stress distribution chart of the lift arm in a second when material mass is even

图4显示为铲斗内物料质量分布不均匀,即偏载时,在向后收斗工况时动臂应力的瞬时分布图。可以看出,动臂应力最大值出现在偏载一侧的动臂与前车架铰点附近,应力值为50.03 MPa。

图4　物料质量分布不均时动臂瞬时应力云图
Fig.4　Dynamic stress distribution chart of the lift arm in a second when material mass is not even

图5　油缸与动臂的铰点附近单元动态应力时间历程
Fig.5　Dynamic stress of local element of arm near the lift cylinder joint in time domain

图5和图6分别给出了工作装置在向后收斗和举升动臂过程中,举升油缸与动臂的铰点附近单元和铲斗与动臂的铰点附近单元的等效应力时间历程响应。可以看出,在初始的向后收斗工况时,单元应力波动较大,最大应力值为68.75 MPa。这是由于此时翻斗油缸工作,初始运动的加速和铲斗重心的迅速后移造成的。而在举升过程中,油缸举升力是主动力,除了初始的加速造成轻微振动外,之后动臂基本以其与前车架的铰点为圆心保持匀速圆周运动。动臂上任一点的轨迹为圆弧,因此动臂单元受力波动不大,而且单元应力值随着动臂的位置不同而出现差异,并表现出明显的圆弧特征。

图6　铲斗与动臂的铰点附近单元动态应力时间历程
Fig.6　Dynamic stress of local element of arm near the bucket joint in time domain

由此可以看出,与静态应力分析相比,动态应力模拟计算不仅可以得到部件瞬时的应力分布,而且可以动态跟踪其时间历程。从而为疲劳强度分析打下基础。

3.2　举升油缸的举升力比较

图7是动臂等构件分别作为弹性体和刚体时,对油缸举升力变化的比较图。图中粗实线是构件作为刚体时的受力曲线,虚线是构件作为弹性体时的受力曲线。可以看出在向后收斗过程中,各构件为弹性体时举升油缸的受力情况是波动的,而看作刚体时不存在弹性振动,因此受力基本保持平缓趋势。

图7　动臂油缸举升力比较
Fig.7　Force of lift cylinder contrast

(1)实现了刚体与弹性体的耦合动态仿真,获得了动臂在工作过程中某一瞬时的应力分布云图,而且可以获得动臂中每一单元的动态应力时间历程。这对构件的疲劳寿命评估创造了条件。

(2)实现了液压系统与机械多体系统的耦合仿真。由液压系统作为驱动系统,考虑了液压驱动系统在工作过程中对构件受力的影响。

(3)该研究方法适用于工程机械、建筑机械等诸多领域,对于其动力学研究和强度分析有一定意义。

参考文献

1　任尊松,孙守光,李强,等.构架结构振动与动态应力仿真研究[J].机械工程学报,2004,40(8):187～191.

2　王国彪,杨立夫.装载机工作装置优化设计[M].北京:机械工业出版社,1996.

3　Buzdugan L I,Balling O,Lee P C,et al.Multirate integration for real-time simulation of wheel loader hydraulics [C]∥　1999ASM E Design Engineering Technical Conferences,1999.

4　Eberle C,Harms H H,Vemmer F.Examples of simulating multi-body systems and hydraulic systems in the field of mobile machine[C]∥　12th European ADAMS User's Conference,Marburg,1997.

5　Mechanical Dynamics Inc.ADAMS manuals[M].Mechanical Dynamics Inc.,USA,2003.

Dynamic Stress Simulation of Loading Working Equipment of Backhoe Loader

Fan Wenjie1　Xu Jinyong2　Zhang Zida1
(1.Jilin University　2.Shandong Lingong Construction Machinery Co.,Ltd.)

Key words：Backhoe loader,Dynamic stress,Elastic body,Dynamic model,Simulation

中图分类号：TU621

文献标识码：A