装载机工作装置动臂和摇臂的动力学仿真分析

装载机工作装置动臂和摇臂的动力学仿真分析

在加载终端上，动臂和摇臂断裂是工作设备中常见的失败形式，动臂和摇臂也是影响载机长度的重要因素。动臂和摇臂应力计算的方法,常采用静力学的典型工况方法,没有考虑工作装置在工作过程中的动载荷,从而造成计算结果与实际工作装置破坏情况不相符的情况。随着装载机提高性能、降低消耗的要求不断提高,装载机行业逐渐采用仿真技术研究工作装置的动载荷和动态应力,以降低工作装置的重量。如美国Caterpillar公司、瑞典Volvo公司等都建立了包括控制系统和液压系统的装载机虚拟样机仿真模型,在仿真模型上进行结构优化[2~3]。本文采用ANSYS和MSC.ADAMS软件,以山东临工工程机械有限公司的ZL50型装载机为原型机,建立其工作装置的虚拟样机仿真模型,对工作装置在不同载荷情况下进行动态应力研究。1工作装置机构动力学建模采用Pro/E、ANSYS、MSC.ADAMS,对ZL50型装载机建立包括铲斗、动臂、连杆、摇臂、转斗缸、动臂举升缸和前车架的工作装置仿真模型,建模包括CAD三维造型和机构模型两阶段。在模型的CAD三维造型阶段,首先按照ZL50型装载机工作装置的二维工程图,用三维特征造型软件Pro/E建立工作装置的带有质量、转动惯量等物理特征的各个部件模型;其次对于本文研究的动臂、连杆和摇臂3个零件,在Pro/E中用IGS格式图形文件分别导入有限元软件ANSYS,在ANSYS中通过模态缩减后分别生成每个零件的模态中性文件,把3个零件的模态中性文件分别导入MSC.ADAMS,生成能够分析动态应力的柔性体零件;最后在Pro/E中用STL格式图形文件将铲斗和前车架导入MSC.ADAMS生成只能分析所受外力的刚体零件;对于结构简单的转斗缸、动臂举升缸,在ADAMS/View中直接建立为刚体部件。机构模型建立阶段,首先在MSC.ADAMS虚拟样机环境中,把刚体零件和柔性体零件准确地安装至合适的位置,并将CAD模型的重心、转动惯量等精确地传递给动力学仿真机构模型,使生成的工作装置虚拟样机符合实际产品的外观形状和力学特征。然后在仿真软件MSC.ADAMS中,利用其运动约束、力以及数值建模与求解函数,建立工作装置机构动力学模型,形成了工作装置在MSC.ADAMS环境下具有真实外观特征和力学特性的刚柔耦合机械模型。工作装置机械仿真模型见图1,铲斗、动臂、连杆、摇臂、转斗液压缸、动臂举升液压缸和前车架之间用18个RevoluteJoint约束连接,转斗缸、2个动臂举升缸的活塞杆与液压缸之间用3个TranslationalJoint约束连接,前车架与地面用1个FixedJoints连接,铲掘阻力施加在铲斗上。物理样机的铲斗、动臂、摇臂、连杆和前车架之间是通过销轴连接的。虚拟样机刚体零件之间的销轴连接,在ADAMS中可以视为1个marker点,通过marker点可以实现刚体之间的连接。柔性体把实体通过单元离散化后,无法用marker点实现与其它零件的连接,传递零件之间的受力。销轴与各构件的力传递是通过接触面实现的,柔性体在ANSYS中用solid45单元划分网格后,在接触面上生成若干节点,可以假设接触面之间力的传递是通过这些节点来实现的。在销轴的中心位置生成1个节点,将此节点与接触面上的各节点用beam4单元相连,就会形成一系列的杆单元束,这些杆单元束即可等效销轴,柔性体通过等效的销轴中间点就可以与其它零件连接,并传递力和力矩。ANSYS中的beam4单元既可以传递变形与位移,又可以传递力和力矩,符合实际受力情况。图2为连杆柔性体及其等效销轴中心节点。装载机工作装置机械系统中的主动力,是由液压系统通过举升液压缸和转斗液压缸作用在工作装置上的。主动力引用液压系统中的液压力,同时液压系统的压力和流量则与机械系统的速度、位移等动力学参数有关,所以在仿真模型中,需要把机械系统和液压系统集成,将上述相关的状态参数相互传递、引用,产生机械与液压系统间的有机关联。液压系统模型采用液压模块ADAMS/Hydraulics建立,见图3。仿真模型通过施加在工作装置转斗液压缸和举升液压缸活塞上的液压力,实现液压仿真与机械仿真相互耦合。工作装置工作时,铲斗受到物料的铲掘阻力,以及举升物料需要克服的惯性力。本文在装载机仿真过程中,插入阻力近似按线性增加,铲斗最大插入阻力为装载机的最大牵引力,而铲斗的最大铲起阻力,采用修正的土方基本方程(FundamentalEarthmovingEquation)的公式进行计算。式中:d——铲斗斗尖到物料表面的距离;w——铲斗宽度;γ——铲装物料密度;Vs——进入铲斗物料的体积;g——重力加速度;Ny、Nc、Nq——计算因子式中:α——物料与水平面夹角;β——物料破坏面与物料表面的夹角;δ——铲斗与物料之间的摩擦角;φ——物料内摩擦角;ρ——铲斗表面与物料表面的夹角。2运行装置的模拟研究2.1工作装置动态特性仿真结果假设物料对铲斗的插入阻力和铲起阻力(二者之和简称为铲斗阻力)均匀作用在铲斗上,对工作装置的1个工作循环进行仿真。开始时动臂下放至下限位置,铲斗插入物料,然后转斗液压缸回缩,铲斗回收铲装物料;忽略运输工作过程,转斗液压缸回缩结束,举升液压缸伸长,铲斗举升到上限位置后,翻转铲斗卸料,卸载结束后,下放动臂,铲斗自动放平,完成一次循环作业过程。仿真模型转斗液压缸和举升液压缸的开启时间按实际操作时间设定。模型仿真的结果,既可以得出工作装置的运动学、动力学特性,同时还可以得出显示工作装置柔性体零件在1个工作循环过程中的应力和应变。工作装置工作循环过程中,在转斗下限收斗2.14s时,工作装置各个零件的应力达到一个较高值,工作装置的应力分布见图4,其中动臂的应力分布见图5。装载机工作装置在上限举升位置,操作转斗液压缸翻转铲斗,在即将卸料完毕的11.7s时,摇臂的应力分布见图6,这时摇臂应力达到一个较大值。从上述仿真结果可见,装载机工作装置零件的应力,仅分析典型工况是不全面的,典型工况不能完全反映工作装置的受力情况。2.2摇臂的应力分析假设铲斗阻力非均匀地作用在铲斗上,即装载机偏载工况。ZL50型装载机铲斗宽2.8m,在仿真模型中,把铲斗阻力每隔0.35m向铲斗边缘移动,每移动一次进行相应载荷情况下的仿真,直到铲斗阻力移动到铲斗边缘。仿真结果表明,铲斗阻力越靠近铲斗边缘,工作装置零件局部应力越大。在不同偏载情况下,观察动臂上“热点”的应力情况。取动臂上应力最大的1个热点:节点1648(位置见图5),节点1648的应力变化情况见图7。图中点划线是铲斗阻力作用于铲斗中点时,节点1648的应力变化;虚线是铲斗阻力作用于距离铲斗边缘0.7m处,节点1648的应力变化;实线是铲斗阻力作用于铲斗边缘时,节点1648的应力变化。从图中可以看到,铲斗阻力越靠近铲斗边缘,在铲斗阻力作用期间,动臂局部应力越大。观察摇臂上“热点”的应力变化。取摇臂上应力最大的1个热点:节点120(位置见图6),节点120的应力变化情况见图8。图中3条曲线由下至上分别为铲斗阻力作用在铲斗中点、作用在距离铲斗边缘0.7m处和作用在铲斗边缘处的应力变化。铲斗阻力从铲斗中点移动到边缘时,节点120的应力也相应变大,但变化幅度较小。从以上分析可以看出,铲斗阻力作用在铲斗不同的位置时,引起工作装置动臂应力和摇臂应力变化趋势不同,动臂随着铲斗阻力从中点移动到边缘,局部应力有较大幅度增加;摇臂随着铲斗阻力从中间移动到边缘,局部应力略有增大,铲斗阻力作用点的位置对动臂的应力影响比摇臂要明显得多。3工作装置仿真分析装载机工作装置的刚柔耦合、机液耦合仿真模型,表明了工作装置机械系统与液压系统的相互作用,不仅可以分析其运动学性能,而且可以全面分析其在任何工作循环下的动力学性能,比典型工况分析方法更能全面反映工作装