地下铲运机多体系统虚拟样机建模及动态特性仿真研究

些工作对地下铲运机的现代化三维数字些工作对地下铲运机的现代化三维数字设计具有重要的理论和实指导意义。论文的主要研究内容有题，并对论文的选题意义进行了阐述建模理论及求解方法进行了分作装置进行可视化三维数字建模，运用ADAMS／View对某型号地卸料特性I力学模型。运用ADAMS／View对某型号地下铲运机工作装置进行力学模型。运用ADAMS／View对某型号地下铲运机工作装置进行结论用ADAMS／View对某型号地下铲运机铲装过程进行三维动力学仿与物料间的铲装距离进行仿真研究，得出了相应的结领域／变形进行仿真，得到弹性动臂的应力／变形时间历程和瞬问应力／形分布云图，为动臂进一步的疲劳分析奠定了基Ⅱ出了相应的结论仿真出了相应的结论仿真数学模型是正确的用价值ABLoad—haul—dumpusedtracklessminesfrom1960s．Ithighmaneuverableitfunctions．ResearcheshavecarriedoutinstudyaccordingintheoreticalproblemsmethodsincansolveofcharacteristicsThese forABLoad—haul—dumpusedtracklessminesfrom1960s．Ithighmaneuverableitfunctions．ResearcheshavecarriedoutinstudyaccordingintheoreticalproblemsmethodsincansolveofcharacteristicsThese forree—ofdigitalofLHD．Themaindissertationareastrend andfullyandLHDinsametime，thesignificanceofthisstudyismulti—systemathomeandoutsideADAMS ofWas3．ThekineticmathematicalmodelofLHDthethenthroughmulti—bodyandmotionandtheorbitofthebucketwereobtained．Thethree—dimensional(3一kineticsystemmodeledundertheSolidworkssoftwaretheofmodelDCY一1LHDasofLHDwithADAMSsoftwarekinematicsof3一Dsimulated．Andthentranslationalcharacteristicscharacteristicsoftheandtheorbitofthebucketwereobtained．Thethree—dimensional(3一kineticsystemmodeledundertheSolidworkssoftwaretheofmodelDCY一1LHDasofLHDwithADAMSsoftwarekinematicsof3一Dsimulated．AndthentranslationalcharacteristicscharacteristicsofthesystemofLHDwassimulatedandsystemmathematicalmodelofLHDofastheofmodelDCY-example，theofLHDwithADAMSthe3一Dwasofaffectingsuchasnon··centralloadingandtheactionpointofbucket·-outforcesimulatedthenrelevantwereofLHDmathematicalof3一 ofLHDWasmodeledunderdynamicthemodelDCY一1LHDasof3-DLHDwithsoftwareofLHDthentheloadstatesofeveryrigidofparametersVanddistancesloadingresistance，loadingthebucketoforeweresimulatedrelevantconclusionsand6．WiththeoriesofANSYSsoftwareliftaFnlofLHDwastranslatedrigidbody，andmodalweremodelandofinfiniteelemanddistancesloadingresistance，loadingthebucketoforeweresimulatedrelevantconclusionsand6．WiththeoriesofANSYSsoftwareliftaFnlofLHDwastranslatedrigidbody，andmodalweremodelandofinfiniteeleminADAMSdynamic elementinotherresearchfieldsappliedstressesandstrainofLHDliftinthecourseandstressandorofLHDrespectively．Theliftarmobtained resultsfoundationfatigueandof8．ThemathematicmodelswererespectivelytoondifferentkindssteeringofcharacteristicsofdifferentkindsbrakingofsimulatedsteeringbrakingMATLAB／SIMⅡ．INKsoftware．Andthenconclusionsofsimulatedmodelandpneumatic—ofmodelDCY一1LHDasexample．ThethatthissimulatedmodelinWasIntheoriesofsimulatedmodelandpneumatic—ofmodelDCY一1LHDasexample．ThethatthissimulatedmodelinWasIntheoriesinthisnotLHD3一alsosystem’S enriched theoriesofLHD．AtthesignificanceandisofbothvaluetoofKEYUndergroundLoad-Haul—Ⅶ文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文日期：迦年勘』第一章绪第一章绪术、航空工业、人体和假肢等科学技术的推动下发展起来的一门高新学科。近几l-22]，因为任何机械航空航天【23-27]、机器人【27之引、机构【29-30]、数控技术131刁31、车辆【34。引、工程机械【39431、舶制造过程和质量监控的有力工具，而且将成为技术创新和高新技术的理论基础以欧拉(L．Euler这种新发展具有以下两个显著的特点：杂系统进行大规模数字仿真成为可能经典力学方法，即牛顿——欧拉方程为代表的矢量力学方法或以拉格朗日方程为牛顿——欧拉方程时，铰约束力的出现使未知变量的数目明显增多，因此，即使直接采用牛顿——欧拉方程也必须加以发展，建立便于计算机识别的刚体、柔性93tehJnr系统进行了研刭4¨。1965年和1970年胡克尔(Hooker)和马格里斯(Marguies)等人也使用Newon．Elr法对由11个刚体组成的系统进行了研究1491。而罗伯森(Robrs)、史维塔塞(Scwrtssk)、席勒恩(Schelen)和克洛兹(Kreuzr)150J。第一章绪16年罗伯森(Rb第一章绪16年罗伯森(Rbro)和维滕堡(Wtebg)创造性地将图论中的有关概念和数学工具(关联矩阵和通路矩阵等)引入多刚体系统动力学，使这个学科分支跨入新的发展阶段【5¨。该方法的基本思想：应用图论的一些概念来描述多链相对运动变量作为广义坐标，推导出了适用于任意多刚体系统的一般动力学方凯恩(Kane)方法是在1965年前后形成的分析复杂系统的一种新方法152。"JT．R．创立，并由他的学生HustonR．L．等人发展的，其特点是利用上述方法是从60年代开始多刚体系统动力学朝独立的力学分支方向发展过程中的几个主要流派。除此之外，还有安德鲁dKe髓l的矢量网络方法，捷尔可夫斯基)的变换算子方法，以及符柯布拉托维奇(Vloraoi)在机器人动力学方面的研究工作。虽然这些方法的风格迥能的动力学分析、综合、优化和设计工作啪1。自197年国际理论和应用力学学会(TM)在德国慕尼黑召开第一次“国际多体系统动力学讨论会’’(中国没有派代表参加)后【51，193年北大西洋公约组织与美国国家科学基金会(NATo．NSF．ARD)联合主持在美国爱阿华召开“机者的重视【55。。1985年国际理论和应用力学学会(IUTAM)与国际机器及机构理论联合会(IFTOMM)联合在意大利Udine主持召开了“国际多体系统动力学讨论会”，这次会议总结了多体动力学领域的进展【5们。参加会议的共有21个国家的50多名代表，中国首次派出一名代表参加会议，会上共宣读论文26篇；1989University)的力学学院主持对当时比较先进的大德国斯图加特大学学方程。这两类方程的耦合则引出全新的动力学问题。从理论体系的逻辑结构上2第一章绪作为一门多学科交叉的边缘性新学科，柔性多体系统动力学只有第一章绪作为一门多学科交叉的边缘性新学科，柔性多体系统动力学只有0年高速轻型机械(特别是高速运行的地面车辆)。前者在50从事这方面工作的有LikinsP．W，他在20世纪058极其艰巨的并且是非常困难的，各国科学家为此进行了不懈的努力。德国Wittenburg和Wolz用Pascal语言编制了应用于机械、车辆、航天器等多体系统的符号公式推导程序MESAVERDE[61】。美国的Kalle和Nielan编制了用符号处理软件MCMA和ae方法相结合来自动生成高效的多体系统符号公式的计算机符号处理软件j。0年加拿大哥伦比亚大学工程力学系教授e采用拉格朗日方法建立大型柔性航天器多体系统动力学模型时，其动力学运动微分方程用于任意树状柔性多体系统动力学分析仿真【63】。性多体系统动力学，并在工业机器人动力学分析、数控机床误差分析辨别与补偿、柔性机械振动控制、航天器伸展机构动力分析以及车辆工程方面得到了应用。通注。中国力学学会一般力学专业委员会于1986年在北京主持召开了“多刚体系究成果及其在机器人、运动生物力学、卫星动力学等方面的应用情况。1987年第一章绪学研讨会"，会上邀请了6位专家作专题研究报告。199第一章绪学研讨会"，会上邀请了6位专家作专题研究报告。1992年在上海召开了“全国65。。96年由中国力学学会一般力学专业委员会与中国空间学会空间机械委员会联合在山东长岛召开系统动力学方面的教材和专剥50】’【晦‘71】。上海交通大学刘延柱教授【14授【24之51，天津大学刘又午教授‘2∞o】、北京理工大学袁士杰教授㈣等许多专家4】、416。1l17J美国的辛辛那提大学(Cincinnati)机械、工业和核工程系著名教Huston)是国际上多体动力学一个学派的创始人。天津大率先将休斯敦方法引入国内，并进行了完善与发展，与休斯敦教授合作于1987年和1991年出版了《多体系统动力学》(上、下册)【651的振动控制分析、航天器伸展机构的动力学研究。此外他还采用矢量力学和矩阵拉方程、阿沛耳方程和约当原理推导出结果，论证了多刚体系统动力学方程的等性多体系统动力学。191年天津大学张大钧博士完成“柔性多体动力学理论方法和试验’’博士论文唧J；1992年天津大学吴洪涛博士完成“多体动力学理论及其在机构与机器人学中的应用"博士论文【u；1994年天津大学李杨民博士完成“多体系统动力学理论和方法在工程机械与机器人动力学参数辨识中的应用”博士论文【J；7年天津大学王建民博士完成“计及动力刚化的柔性多体系统动力学理论、方法及试验’’博士论文，该文在深入剖析动力刚化产生的机理及全面总结和比较现有各种分析方法的基础上，形成了精确、高效、实用的理论分析新体系，并开展了柔文的研究成果进一步丰富和发展了柔性多体系统动力学理论，为以航天器、机器法【83】：士论文【驯192”SYDY的自由度和自动删除多余的约束方程，并能输出符号形式的动力学方程；而舒兴高博士则完成“基于多体动力学的轮轨关系与摆式客车控制”博士论文【8刀；4第一章绪力学——非线性动第一章绪力学——非线性动力学系统的遍历性质和sine一珈ordon链的时空动力学"士论文【2000年9月西安交通大学覃正老师在《多体系统动力学压缩建模》一书中首次将现代通信领域中信道编码前的压缩思想借鉴到多体系统动力学建模中来，矩阵有关的子矩阵mr，、k，，的进行了能量分布的压缩处理，建立了能量分布相引入，一方面使i柔体动力学方程缩减求解尺寸时产生的误差△q1．3车辆工程多体系统动力学研究动十个。然而，这种抽象显然只能满足特定工况下近似分析的需要，往往需要不同个分布质量物理系，它们不仅有移动自由度而且还应考虑其转动自由度，同时车辆各部件总成之间的联系都是通过结构复杂的构件和运动副如转动铰、移动铰、难找到一种适合任意工况的当量系统作为车辆系统动力学分析的模型在20世纪80年代就已相当普遍。如19865应用的文章就占了相当大的篇幅唧JLRAM成我国在0世纪0年代初也开始了多刚体系统动力学的研究，到0期，已将多刚体系统动力学应用到轿车前悬架的运动学和动力学响应分析的研究第一章绪72191-96]。第一章绪72191-96]。18971996年华南理工大学李杨民博士采用多体系统动力学理论中的K进行了多刚体运动学、动力学的研究瞄2J197与系统动态仿真研究【9引。该文是围绕机车车辆系统动态综合仿真软件(TLYN)的研制工作展开的，运用多刚体系统动力学原理编写的这一软件包括前处理、分析计算及后处理三大模块，软件在输入客车、货车或机车模型的分析、荷比等因素对循环功率的影响，得出了一些有关铰接点布置的结论由于计算机软硬件技术的飞速发展，使得汽车特别是高速轿车用柔性多体系统动力学来建模和仿真研究成为现实。在20世纪80年代末和90年代初，美国、德国等西方国家的许多汽车公司，都把汽车零部件的柔性对整车系统的平顺性、操作稳定性、主动和被动安全性以及噪声等动态特性的仿真研究作为虚拟样机设计与制造的重要研究课题。1992年美国福特公司采用柔性多体系统建模理论km／h的情开发的MADYMO，美国LawrenceLivermore国家试验室开发的DYNA3D，及法国ESI的PAMCRASH等福特汽车公司在4年投资0性仿真中心，就是要在整车水平上对汽车各零部件进行计算机耐久性仿真研究，1996年福特——中国研究与发展基金第二期项目指南(1997"--2000720世纪80年代后期，我国也开始开发柔性多体动力学仿真软件。近年来，汽车行业在自主开发思想的指导下，特别是轿车行业，都迫切要求加强这方面的工作，都引进了各种有关软件。此外，我国90年代初，将柔性多体动力学应用于汽6第一章绪9第一章绪9士论文眇J。该文应用近二十年来发展起来的新学科——柔性多体系统动力学对汽胶减振元件等变形体的影响。博士论文【l叫。该文对汽车碰撞过程中乘员多体系统动力学和运动学响1998年吉林工业大学孙立清博士对汽车——乘员多体系统碰撞进行了仿研究[101J。该文以多体系统动力学和经典动力学的理论为依据，对碰撞车——乘员多体系统的运动学和动力学响应进行了计算机仿真研究，并利用仿真199年铁道部科学研究院程海涛博士对长大货物列车制动动力学及车辆柔性动力学进行了研究【l0‘。该文以现代列车动力学理论为基础，充分应用最新的unit)"，它是一用于地下矿山和隧道工程的特种车辆，采用柴油机或拖曳电缆供电的电动机作为工程轮胎且配备有柴油机尾气净化装置以达到清洁排放。位置，此时铲斗斗口朝上，地下铲运机做好运输前的准备工作7第一章绪由此可见，地下铲运机既能装载又能运输，而且操作方便、灵活，具有高效、一机多能的特点，所以优于其它机动装运设备。它既可用于各种地下采场的出矿，中，装载工作又是整个地下采矿非常重要的一环，其工作量大且费时最多，对采第一章绪由此可见，地下铲运机既能装载又能运输，而且操作方便、灵活，具有高效、一机多能的特点，所以优于其它机动装运设备。它既可用于各种地下采场的出矿，中，装载工作又是整个地下采矿非常重要的一环，其工作量大且费时最多，对采001。(Wagner)randview08m3～11．4m3【10q(1)、动力源的多2090Dutz12413rkei0、60(2)、自动化程度愈来愈下铲运机进行铲装作业。另外手动控制和计算机遥控的地下铲运机将实现一体化设计的趋势，即设计手动地下铲运机的同时考虑计算机远距离控制动作如何实生产商非常重视研究与解决人——车一环境的协调问题，使之成为一个有机联合体第一章绪第一章绪我国使用地下铲运机最早的矿山——河北寿王坟铜矿于19754．1型23调查统计，地下铲运机已在我国60多个有色、冶金、黄金和化工矿山使用，成造、与国外合作制造的地下铲运机已有73种型号共000余台，其中64％为进口的关键设备之一‘m1。我国自主研制地下铲运机开始于20世纪70年代中期，长沙矿山研究院、马研究院(所)、高等学校先后与有关制造企业或矿山使用单位合作，研制成功斗容0．4"---6．1m3的DZL0、DCY一1WJ一15、CY230一、技术我国地下铲运机技术是在研究学习国外先进的整机技术和零部件技术的基础上自主研究开发的整机技术，目前的技术水平相当于20世纪90n1。国产地下铲运机采用的主要部件和开发的技术水平如下：以液压控制为主9第一章绪上的单路稳定分流阀。除引进美国技术生产的922D、922第一章绪上的单路稳定分流阀。除引进美国技术生产的922D、922E、928D⑥、遥控技术：国产地下铲运机的遥控技术完全为自主研发，拥有100％m。指令主知识产权。该遥控技术为视距内遥控，井下有效控制距离大于铲运机动作包括前进、后退、左转、右转、收斗、翻斗、升臂、降臂、全油门、半油门、制动、大灯开关、发动机启动与熄火等14-'-"16个动作。系统，宽型立式卷筒配有排缆装置。控制卷筒自动收放的液压系统为自主研发技术。在影响其健康发展的不容忽视的问题我国早期有多达20余家企业生产地下铲运机，经过近年来的发展调整，目前我国仍有8～0家地下铲运机生产企业，每年生产地下铲运机约00的制造商每年也只能生产销售20台左右的地下铲运机。这样就形成了生产厂家m3。并且各生产企第一章绪第一章绪1998作机构方案设计及三维实体建模”博士论文【l硐；北京科技大学迟可伟博士123J1．5本课题选题的意1世纪，采矿工业将处于什么地位呢?人类不可能脱离物质需要而生存，即使在知识经济时代，矿业仍然是人类不可缺少的物质来源。根据有关资料统计，7年，采矿工业为全世界提供了0亿t原材料，总产值高达2总产值28．2万亿美元的7．1％n矧。同时矿产资源又是人类社会发展的物质基础，矿产资源的开发利用是推动社会、经济发展的重要因素。采矿工业作为基础工业，的地位。1995"-1999年间，我国95％的能源、80％的工业原料和70％的农业生产资料是由采矿工业提供的。采矿工业生产总值在P中占6．7％料进出口总额占全国商品进出口总额的7％n矧，因此，采矿工业过去是、现在是、将来仍然是全球经济持续发展的基础n2劓。智化n法设计，设计速度慢、精度低。如工作装置的设计一般采用人工试凑法在图纸上力学行为则是一无所知、一片茫然。统动态特性研究第一章绪第一章绪置、制动系统等多个子系统所组成的高度复杂的刚体——柔性体耦合的机、电、是各部件、总成以及人和路面(环境)协调运作下的体现。也就是说，对其部件运用多体系统动力学和虚拟样机的基本原理，对地下铲运机工作过程的运动到获得最优工作性能，从而大大缩短新产品的设计开发周期，保证地下铲运机整③实现地下铲运机工作装置刚体——柔性体耦合建模，为产品疲劳寿命将有限元分析与多体系统动力学融入地下铲运机工作装置的虚拟样机设计件得到工作装置主要部件——动臂任意节点在典型工况条件下的动态应力与应丰富和发展地下铲运机的设计理论初步确定设计参数，对其进行三维数字建模，进而进行三维运动学和动力学仿真，现实指导意义第一章绪第一章绪设计理念，这些工作对地下铲运机的现代化设计具有重要的理论和实际指导意义。1．6本课题的研究内开研究1、系统地介绍机械系统多体动力学的发展概况，对国内外车辆动力学研究动向作较为详尽地论述并对机械系统分析软件ADAMS的建模理论及求解方法进行分析。2、运用多体机械系统仿真软件AMS对地下铲运机工作装置进行多体系下铲运机工作装置部件之一——铲斗斗齿尖的运动轨迹方程。在Solidworks环境下对地下铲运机工作装置进行可视化三维数字建模，运用ADAMSiew对3、运用多刚体动力学理论，建立地下铲运机工作装置多体系统动力学模型。在Soios环境下对地下铲运机工作装置进行可视化三维数字建模，运用AS／w5、应用大型有限元分析软件NS过ANSYS与ADAMS的专用接口生成模态中性文件并导入ADAMS，实现地下6第二章地下铲运机工作装置多第二章地下铲运机工作装置多体系统运动学建模与仿系到地下铲运机的性能，并且工作装置的运动极为复杂，因此有必要首先对地下运机工作装置的运动学进行研究地下铲运机的基本结构见图2．1所示12一传动轴；13一驾驶室；14-后驱动桥；15-后车正转四杆工作装置见图2-Ca)和图2-3Ca)②、正转五杆正转五杆工作装置见图2-2(b)和图2-3(b)所示11③、正转六杆正转六杆工作装置见图22(c)和图23(c)2．2基本概2．2．12．2基本概2．2．1从运动学观点出发，也可将铰理解为相邻物体间的一种运动学约束，这种约束可以是完整约束，也可以是非完整约束。如柱铰、万向节、球铰等转动铰以及各种滑移铰都是完整约束，而火车车轮与钢轨之间的约束、无轨运输车辆的轮胎与地面之间的约束即为典型的非完整约束。表1表2-1类自由约束2个旋1Q≯《}约束3个旋，构件1旋转q互-构件约束2个旋旋转轴2℃于约束3自由3约束1个旋和3个移动自由2搭约束2个旋约束3自由3约束1个旋和3个移动自由2搭约束2个旋和2个移动自2ilI；构譬构件一．．@卜’@根据具体情文公姜速’第二章地下铲运机工作装置多体系统运动学建模与／广约束3个放和3个移动自’第二章地下铲运机工作装置多体系统运动学建模与／广约束3个放和3个移动自O，I／／0|一／／◆约束2个旋32．2．2完整约束方或显含时间t，式⋯(2—唬织其中s一约束方程的个数像式(2—2)和式(2-3)那样的约束方程中只含有时间、坐标的约束方程2．2．3非完整约束方或柔性体的速度，当这些约束方程不可积分时，即为非完整约束方程。这类非完整约束方程的一般表达式为第二章地下铲运机工作装置多体系统运动学建模与仿2．2．4拓朴2．3多刚体系统运动2．3．1刚体第二章地下铲运机工作装置多体系统运动学建模与仿2．2．4拓朴2．3多刚体系统运动2．3．1刚体 z】j为平动坐标，确定连体基e“’方位的四e3】j为转动坐标，则刚体Bt的笛卡尔广义e表示为7X1l列阵表示(2—而实际复杂的机电系统往往受到铰链的运动约束和驱动器产生的驱动约束。假设系统受到的约束数目为h，这些约束一般只与刚体位置坐标有关的定常约式中k一系统的自由度(2-定常约束，用矩阵表示的约束方(2—(2—矽(x，，)=矽d(工第二章地下铲运机工作装置多体系统运动学建模与仿对复杂机电系统第二章地下铲运机工作装置多体系统运动学建模与仿对复杂机电系统中的某个刚体B；进行运动学分析时，可以简单地取刚体(i-1，2，⋯，n)的笛卡尔广义坐标对时间的导数为笛卡尔广义速度，用阵表示1薯(2-系统的笛卡尔广义速度可用7n×1列阵表示(2—方程协上式并未考虑欧拉参数规范约束的速度方程，利用刚体角速度的欧拉参数(2-式中的雅可比矩阵屯⋯2．3．2系统的加速同样利用角加速度的欧拉参数表达式和雅可比矩阵变换喜{唬若+峻三：)=善n(唬孑+允五)=窆iffil氏i(2-以x=式中7=一(纯x)，石一2访，石一2．4工作装置多体系统运动从图2-2和图2-3可以看出，虽然地下铲运机工作装置有四种结构型式，但3第二章地下铲运机第二章地下铲运机工作装置多体系统运动学建模与仿2．4．1运动学模地下铲运机在水平路面具有88度变成78装置采用了独特的正五杆机构，图2-4为某型号地下铲运机工作装置外形及运动置的关节(铰链)，阿拉伯数字代表组成工作装置的刚体，这样某型号地下铲运机工作装置由8个刚体组成，其中包含2个移动副、7个转动副、具有两个闭环的多体复杂机械系统，相应的拓朴结构如图2．6所示。图2-4某型号地下铲运机工作装置外形及运动轮廓A、B、C、D、E、F、GA、B、C、D、E、F、G为铰链B，一B。为组成工作装置的刚图2- 某型号地下铲运机工作装置二维运动简图2-6某型号地下铲运机工作装置拓朴在图2—5中，B。代表地下铲运机前车体；B。代表动臂；B。代表铲斗；B表连杆；Bs～B。代表转斗油缸的活塞和缸体；B，～B8代表动臂油缸的活塞杆和缸QT并2．4．2运动学方程一、坐标系的确为了描述工作装置多体系统中各刚体的运动轨迹，需要定义两第二章地下铲运机工第二章地下铲运机工作装置多体系统运动学建模与仿参考基和连体基，图7即为某型号铲运机工作装置的两种坐标系。第一种坐标系R为参考基，地下铲运机的运动轨迹用其在参考基中的坐标来描述。而参考基就定义为地下铲运机作业现场，用OYZ表示，OX通过动臂油缸与前车架铰接点指向地下铲运机前进方向，OY垂直水平面向上。地下铲运机工作装置二维运动学模型中的所有刚体均处在Y平面内：第二种坐标为连体基，这是一种空间坐标系，用来描述地下铲运机工作装置所有刚体及铰链的运动轨迹。连体基定义为：OIXIYlZl定义在地下铲运机前车架上，oI点和前车架与动臂铰接点A个刚体——动臂上，02点和动臂与前车架铰接点A重合，图中用020XY2303B的连线BC；04X4Y425定义在第4个刚体——连杆4上，04点和铲斗与连杆铰接DCD；05X5Y5255个刚体——转斗活塞上，055E4DDE；X0666E斗油缸与连杆4的铰接点D的连线DE；07X7Y727定义在第7个刚体一动臂缸活塞杆上，07点和动臂油缸活塞与活塞杆中心交汇点重合，图中用O，表示7点F的连线GF；08X8Y828定义在第8个刚体——动臂油缸缸体上，08点和动臂油缸与前车架铰接点G点重合，图中用08表示，并且轴线08X8GOHHH的位置和姿态。第二章地下铲运机工作装置多第二章地下铲运机工作装置多体系统运动学建模与仿刚体(杆件)的各自连体基在参考基中的位置和姿态来描述，这样确定了各刚体了地下铲运机工作装置各刚体的运动轨迹。这是一个以地下铲运机轮胎与地面接触，并以地面作为零刚体的有根系统。现在来讨论由这8个刚体(l～)组成的多体系统B作装置终端执行机构——铲斗斗齿尖在参考基中的位置和姿态可用相邻两杆件坐标系之间的齐次坐标变换矩阵即A矩阵来描述机器人的杆件传递矩阵【¨。若AI表示地下铲运机前车架以相对于参考基的位置和姿态，A2表示地下铲运机工作装置第二个刚体——动臂相对于地下铲运机工作装置第一个刚体——前车架的位置和姿态，A3表示地下铲运机工作装置第三个刚体——铲斗相对于地下铲，～表示地下铲运机工作装置第四个刚体——铲斗斗齿尖相对于地下铲运机工作装置第三个刚体——铲斗的方程三、运动学方程1、工作装置各刚体的运动学方某型号铲运机正五杆工作装置拓朴图(打开闭环后第二章地下铲运机工作装置多体系统运第二章地下铲运机工作装置多体系统运动学建模与仿协2。{R国}-[Rrol，月缈2，．．．，R908】参数{胄C0，，i=1，2，．．．，8)为工作装置各刚体在参考基R中对z轴的角速{露国1)=否一-{尺(-0，)={国。式2(待2，3，4)一刚体Bi长度轴线与刚体B¨长度轴线所形成的夹角厶=彳第二章地下铲运机工作装置多体系统运动学建模与仿0％=1●●，J0％、LJ、，=P．．L．．L01●●●●JL榭【．(厶+繇制=[I％(2-第二章地下铲运机工作装置多体系统运动学建模与仿0％=1●●，J0％、LJ、，=P．．L．．L01●●●●JL榭【．(厶+繇制=[I％(2-雅可比矩阵[J】为(2-其00000000O0000l00010000lO0ll000l00O000l00000O0lO00000O00l000O0O01．第二章地下铲运机工作装置多体系统运动学建模与仿OOO0000OO000OO0O000厶00O00一厶是+厶OO0【山】00第二章地下铲运机工作装置多体系统运动学建模与仿OOO0000OO000OO0O000厶00O00一厶是+厶OO0【山】0000OOOOOG瓯OOS墨0O00O000O从前面的分析可知：某型号地下铲运机工作装置这一多体系统由两个闭环组成，现从D、F的开闭系统等效于原来的闭环系统，必须在开环处附加约束方程。刚体B：上F点的速度为刚体B，上F‘点的速度为㈣=[I瀚翱引(2-(2—幺I丘是L_厶C2。(‘+岛)C8(2-岛岛岛(2-岛只(2-(2-即岛岛(2-l厶(厶只一厶c刍+厶％厶c岛(2-岛只(2-(2-即岛岛(2-l厶(厶只一厶c刍+厶％厶c幺soooooooo(2-o％吒印助和m0．岛．B．幺．幺式q。呸。=一‘c第二章地下铲运机工作第二章地下铲运机工作装置多体系统运动学建模与仿a25口26a3。=一厶最+厶＆+厶a32=厶＆+厶a33=厶a4。=厶C2一厶c之+厶a42=一厶％+厶a43=a47=由于地下铲运机工作装置的最终执行器为铲斗。而地下铲运机铲斗的运动轨斗齿尖的运动轨迹，将某型号地下铲运机工作装置的两个闭环从D、F处打开形成三个分枝的树形机构，其中一个动臂到铲斗斗齿尖分枝的参考基R标见图2-9。O图2-9从动臂至铲斗斗齿尖的树形分第二章地下铲运机工作装置多体系统运动学建模与仿l00000—0岛O0OO(2-(2—0101O0O0l00O1c3一墨0厶+厶l第二章地下铲运机工作装置多体系统运动学建模与仿l00000—0岛O0OO(2-(2—0101O0O0l00O1c3一墨0厶+厶l07吕p35悱憎一} (2-000 l0l0(2-00l0OO01式乞一铰链i、J之间的距‰一铰链i、J、k形成的夹角c5It=COS6式中岛、岛分别为动臂油缸(刚体7和8)、转斗油缸(刚体5和6)行程岛、的函数第二章地下铲运机工作装置多体系统运动学建模与仿式。乙一坐标系{，)第二章地下铲运机工作装置多体系统运动学建模与仿式。乙一坐标系{，)的原点在坐标系{f}中的坐标地下铲运机工作装置铲斗斗齿尖的运动轨迹方程正解即已知转斗油缸和动程代入约束方程(2-38)和(2-39)，计算出0：、0。，利用运动学方程式(2-37)p％O呸O0l0000(2-10O01式第二章地下铲运机工作装置多体系统运动学建模与仿式(2-37)对时间求1阶和2阶第二章地下铲运机工作装置多体系统运动学建模与仿式(2-37)对时间求1阶和2阶导数，即可得到铲斗斗齿尖H点的速度和一厶|『，是3(口2"1-03一厶H是(2-0¨¨一厶Ⅳ{C23(02+03)2+最3(02+00}-／23(C：02+S2秒¨(2-2O2．5工作装置多体系统运动学仿仿真软件的选要对地下铲运机工作装置这样复杂的机、电、液多体系统进行比较准确的运较CADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem)软件。该软件是世界上天、汽车工程、铁路车辆及装置、工业机械、工程机械等领域，被数万计的厂商采用。根据9年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，S51uADAMS虚拟样机技术应用于不同的领域【12}13而且还是世界上最热门的研究方向——虚拟样机的主要代表。它具有如下特点学分析，包括刚体和柔性体分析能力，进而提供多种“虚拟样机”方案第二章地下铲运机工作装第二章地下铲运机工作装置多体系统运动学建模与仿曲线图形限元的输出载荷虽然ADAMS具有强大的仿真功能，也有一定的三维建模功能，但对于像形又极不规则，此时用ADAMS软件来建立复杂的地下铲运机三维模型就显得力不从心。然而世界上很难找到一种同时集强大的CAD和动力学仿真功能于入ADAMS，实现了Solidworks和ADAMSADAMS环境下进一步完善仿真模型，定义力和约束关系，最终在ADAMS环下形成地下铲运机虚拟样机并进行运动学仿真研究ADAMS环境下虚拟样机的准确性los样机。环境下对虚拟样机各刚体的质量、质心位置进行校核这样虚拟样机的准确性和仿真软件的权威性，确保了某型号地下铲运机工装置运动学、动力学仿真结果准确可靠一、仿真s一系列技术处理后，确保在s确无误地导入ADAS。在ADAS运机正五杆工作装置虚拟样机模型，其虚拟样机模型如图2．10所示二、约束关系的处值得注意的是：铲斗1和连杆2之间添加转动铰约束副后，由于铲斗与结构的限制，在它们产生相对运动的过程中，铲斗和连杆会发生干涉。也就是说，铲斗与连杆间的运动范围受到限制。所以要在铲斗1和连杆2种特殊约束来限制它们之间的相对运动；同理，连杆和转斗油缸活塞杆之间、铲斗与动臂之间除了正常转动铰约束副外，另外还需添加另一种特殊约束来限制它们之间的相对运动l(2—RI去2i1+酉1，Rt、Rz分别为两接触物体在接触点的接触半径式{：尘≤塑+下02为两接触物体材料的泊松比，E，、EE为两接触物体材料的杨氏模量在ADAMS软件中采用IMPACT函数来处理两物体接触问题。两物体接触力存在的条件第二章地下铲运机工作装置多体系统运动学建模与仿第二章地下铲运机工作装置多体系统运动学建模与仿Max(O，尼(而一x)。一step(x，而一d，q嘣，Xl，o)x)xF10x一两撞击物体间的实际距离(通常用一位移式五一触发距离，用来确定单侧碰撞是否起作用三、仿真·转斗动··卸载动·收斗动·的液压控制阀来实现其运动的，人的大脑及液压系统有一响应时间，在论文中取司机的反应及系统响应时间为O．2Sn∞1按启动一稳定运行—停止这一特性工作，某型号地下铲运机工作装置两个驱动器的速度特性如图2-1l、图2-12所示图2-1图2-12举升油缸活塞驱动速度特从上面两图中可以看出：某型号地下铲运机工作装置两个驱动器的速度特性荷所需压力的时间长一点而已第二章地下铲运机工作装置多体系统运动学第二章地下铲运机工作装置多体系统运动学建模与仿处于水平直线运动状态，那么铲运机工作装置装载作业可以简化为二维平面运动。图213为铲斗斗齿尖在工作循环过程中相对于前桥中心的运动轨迹。图23中坐标值为负表明铲斗斗齿尖位于前驱动桥中心的左边或下／⋯，⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．＼(b)Y图2．13铲斗斗齿尖运动轨迹(相对于前桥中心特性图2．14铲斗斗齿尖运动速度特图2．15铲斗斗齿尖运动加速度特图2．16铲斗斗齿尖运动角速度特图2．17铲斗斗齿尖运动角加速度特运动反映了动臂在工作过程中的运动特性。动臂运动特性仿真结果见图图2-2uⅢ图2．19动臂与铲斗铰接点运动速度特uⅢ图2．19动臂与铲斗铰接点运动速度特图2．20动臂与铲斗铰接点运动加速度特"mm图2．2l与否直接影响正五杆工作装置的性能。它的一端与转斗油缸活塞杆铰接，另一与铲斗铰接，从而实现铲斗的转斗动作(b)Y图2．23连杆与转斗油缸活塞杆铰接点运动轨迹(相对于前桥中心②、连杆与铲斗铰连杆与铲斗②、连杆与铲斗铰连杆与铲斗铰接点运动特性仿真结果见图2—28～图2-32}l}l|f／／／{L(b)Y 第二章地下铲运机工作装置多体系统运动学建模与仿≥I≥l_；l三--_“第二章地下铲运机工作装置多体系统运动学建模与仿≥I≥l_；l三--_“瑚图2．3连杆与铲斗铰接点运动角速度特性图 连杆与铲斗铰接点运动角加速度栉}4、举升油缸活塞杆与动臂铰举升油缸控制动臂的运动，对地下铲运机工作装置的运动特性影响极大，升油缸活塞杆与动臂铰接点运动特性仿真结果见图2—33～图2-37所示≮。／警?f工作装置的平移间的平行程度，即动臂在从最低位置到最高的卸载位置运动过程中，铲斗斗仿真结果表明：虽然在某型号地下铲运机工作循环过程中，铲斗斗底与地面间夹角变化相当大，但在举升过程中(图仿真结果表明：虽然在某型号地下铲运机工作循环过程中，铲斗斗底与地面间夹角变化相当大，但在举升过程中(图2-38(b))，铲斗斗底与地面间的夹角变化值为0．07。，小于变化量5。的行业设计要求，所以某型号地下铲运机正五杆工作装置的平移性较好，从而保证了铲斗中的物料在动臂举升过程中不撒落2．5．4工作装置的卸载特底与地面水平面间夹角的变化情况。工作装置卸料特性二维运动简图见图2-所示C2—40所示1s)，角小于45。，这是因为此时铲斗斗齿尖与地面接触，从而限制了铲斗的卸载角。图2-40工作装置图2-40工作装置的卸料特s型号地下铲运机工作装置三维实体仿真模型，成功地导入AAS。运用AMS分析软件，对该工作装置进行了三维虚拟样机运动仿真。1、应用多体系统运动学理论，建立了地下铲运机正五杆工作装置多体系统运动学数学模型，推导出了工作装置各刚体的运动轨迹方程(矩阵)、速度、加速度公式；装置三维实体仿真模型3、在ADAMS／View环境下，对地下铲运机正五杆工作装置进行三维实体运加速度；特性进行了仿真研究第三章地下铲运机工作装置多体系统动力学建模与仿第三章地下铲运机工作装置多体系统动力学建模与仿度、加速度、角速度、角加速度对影响其动力学行为的敏感参数进行仿真研究q=【x，Y，z，y，0，缈】r，令R=B，Y，zr，厂=【y，0，缈】7’，贝0q=[Rr,厂7’】r，冈0体B。2，⋯，n)连体基与地面参考基间的坐标变换矩阵Isin伊 A=Isinycos缈+cosycos矽sinIj(3一-【动的轴，因而该三轴相互不垂直。该坐标系与刚体Bi质心连体基的坐标变换矩阵为：lO 秒傩出L(3—令(3—吐=gj——刚体B。质心广义坐标Q——在广义坐(3—令(3—吐=gj——刚体B。质心广义坐标Q——在广义坐标q，方向的广义力言乃詈一广义坐碗方向的约束反力令广义动量P寻(3—又(3-G这样方程(3-5)可以表示多r娶叫(3-而动能可以表示丁：≯肘是+导多rBr船(3-式中M——系统的质量矩(3-(3-一翌=g+4第三章地下铲运机工作装置多体系统动力学建模与仿式第三章地下铲运机工作装置多体系统动力学建模与仿式旦变量R=【x，Y，z】(3-e=【￡，e，￡】方程M巧一善只=B。(3-畋2联合约束方程得到系统的动力学HrF=(3-式中P第三章地下铲运机工作装置第三章地下铲运机工作装置多体系统动力学建模与仿3．2工作装置多体系统动力学建正如第二章的分析，某型号地下铲运机工作装置为正五杆机构，在正常的铲装作业时，地下铲运机具有9是对工作装置各刚体的受力进行精确分析，分析工作装置的动态性能，为提升工作装置的动态性能提供理论依据。该工作装置由8个刚体组成，利用欧拉参数形就是说，这里先假设地下铲运机已经插入料堆，研究工作装置转斗、举升、卸载、眠忖[{辫羞捌(3-p眠忖[{辫羞捌(3-pp仔2。cosin50叱眠)_I／乞J吣[：辫箸划㈣=【-钟式中L5——转斗油缸活塞杆长度，其余符号同第二章、吣-lc：sin02]臣+瞄in02岛吣-sin02+lc,sin(02+03)㈠lc,s⋯in(02+0瓣3)-‘3-乞(杰+杰)sin(岛+岛)j【-蠢L-。【一厶+％+厶)cos岛一，c．cos(B+见)_fc．cos(只+幺)Jl覆吣-sin02+lc,sin(02+03)㈠lc,s⋯in(02+0瓣3)-‘3-乞(杰+杰)sin(岛+岛)j【-蠢L-。【一厶+％+厶)cos岛一，c．cos(B+见)_fc．cos(只+幺)Jl覆+--(4+&+厶)毒cos岛一§转sin岛+，c4(反+覆)cos(岛+见)，c．(毒+杰)co“岛+见)If凌，c．(见+06)sin(Os+见)II见厂f|岛．f_(厶+岛+，c7)嚷cos岛一sin十 。98+％l【附瞄kJ'瞪度二。这样作用在刚体Bi质心oi处的力Fi、力矩Mi与线加速度￡、角加速度x+乞——刚体Bix+乞——刚体Bi相对自身连体基的参考张量(3-z=三(，吩二2+％多2+‘否(3-一、工作装置的动石=兰，强[月％]2+(3-1：匆(3-1：考=三％毪圣【sin岛+c。s岛】2+芝五=j1鸭{R吃}2+三厶第三章地下铲运机工作装置多体系统动力学建模与仿五=j1豫{R吃}2+三厶0(lsn1第三章地下铲运机工作装置多体系统动力学建模与仿五=j1豫{R吃}2+三厶0(lsn1,。-3=●一2一nU0+●一2叫稿斟油缸活塞杆的动娜{。-。(厶L++＆S转++乞／c,，)cs毗n=．口鸭L+●一2l一三％I吃+z2毒n2I厶(3-妍{。-。厶(L8++％Nm++乞lc,，)cs吣g=L．秒％+●一21—嚷嚷五=兰％{异吃}2+互1厶纨=i1％·q2口．s2【c。s岛+sin岛】2+il』。纨第三章地下铲运机工作装置多体系统动力学建模与仿(3-二、工第三章地下铲运机工作装置多体系统动力学建模与仿(3-二、工作装置的动a8(3-miaa3．2．4工作装置的位(1)动臂的位％=％比(3-(2)铲斗的位(3-(3)连杆的(3—转斗油缸活塞杆的位(3-m59(L6+&+乞)cos(3-圪(3-巧=mTg[(L,+岛(3-y：y(3-3．2．5工作装置的动(3-巧=mTg[(L,+岛(3-y：y(3-3．2．5工作装置的动力学方(3-L(O，口)=T(e，D-因此工作装置多体系统的动力学方程糍一(3-(3-式M(谚)——刚体E的铰链(关节)参考矩C(2，2)——刚体E的铰链(关节)向心和哥氏矩阵G(P)——刚体E的重力向量E——作用在刚体j9l上的驱动力3．3工作装置多体系统动力学仿真研下铲运机正五杆工作装置三维虚拟样机仿真模型成功导入动力学仿真软件1额定装载1．96XN1、动1额定装载1．96XN1、动受到设计者的高度重视。在装载过程中动臂受力变化仿真结果见图3-2和图3-3所示。动臂与铲斗、举升油缸活塞杆、前车架三个铰销处铰销的受力仿真结果比较见图3—4～图3-7所示mm讨一图3-2动臂与前车架铰销的受力变图3—6动臂三铰点受力变化图3-7动臂三铰点受力变化仿真结果表明：①动臂与前车架、举升油缸活塞杆、铲斗三铰点所受到铰销处峰值载荷为N，动臂与举升油缸铰销的峰值载荷为2．0×106N缸活塞杆、铲斗三铰点受力变化规律基本一致，出现的三个峰值的时间完全一样，分别为转斗的瞬间、铲斗处于最高的卸载位置、铲斗前倾物料即将卸载前的瞬间：③在地下铲运机工作装置的整个工作过程中，动臂与举升缸铰点处的受力波动幅度最大，而动臂与前车架铰点受力变化波动幅度最小；④在转斗过程中第三章地下铲运机工作装置多体系统动力学建模与仿小，动臂与举升油缸铰点受力变化波动幅度介于二者之间；⑤在动臂举升过程第三章地下铲运机工作装置多体系统动力学建模与仿小，动臂与举升油缸铰点受力变化波动幅度介于二者之间；⑤在动臂举升过程度次之，动臂与铲斗铰点受力变化波动幅度最小；⑥在卸载过程中，动臂与前车架铰点受力变化波动幅度最小，动臂与举升油缸铰点受力变化波动幅度最大图3-8连杆与铲斗铰销的受力变图3-9连杆与转斗缸铰销的受力变瞬间、转斗结束的瞬间、铲斗处于最高的卸载位置处、物料卸载区；特别是物料载时，连杆的受力最为恶劣。连杆与铲斗铰接处铰销最大受力为3．21 N化仿真结果见图3-10所示1二图3—10转斗油缸活塞杆的受力变图3-11转斗油缸与前车架铰销的受力变仿真结果表明：转斗油缸活塞杆的最大受力发生在铲斗卸载前的瞬间，其值载荷为3．23105N105N5、举升油举升油缸是工作装置实现5、举升油举升油缸是工作装置实现从装载位置到最高卸载位置运动必不可少的部件它的受力状况仿真结果见图3-12和图3-13所示图3-12举升油缸与动臂铰销的受力变图3-13举升油缸与前车架铰销的受力变N3．4影响工作装置动力学行为的敏感因况复杂，受力变化波动幅度大，产生峰值载荷的工况为转斗启动瞬间、铲斗处于为了更好地分析研究敏感因素对工作装置受力状况的影响程度些敏感因素对工作装置动力学行为3．4．1物料的偏铲运机在铲装作业过程中，物料的偏载即物料重心与铲斗几何重心不重合的现象时有发生，那么物料的偏载对工作装置动力学行为有何影响呢?然而有关偏载对位置改变后，地下铲运机工作装置各刚体的受力状况，从而研究敏感参数之一一有意改变物料的重心位置，使其位于铲斗几何重心左侧第三章地下铲运机工作装置多体系统动力学建模与仿第三章地下铲运机工作装置多体系统动力学建模与仿图3-14所示图3—14仿真结果表明：①受力状况恶化。当物料重心位于铲斗几何重心左侧mm、m．m，举升油缸与动臂铰销的受力发生变化，该铰销的受力有增大的N，X于原卸载峰值载荷，载荷增大3．8％；②铰销受力状况恶化程度与物料偏载程度成正比。物料重心偏移距离越大，该铰销的受力越大。这是因为物料重心向左偏移后，虽然物料重量不改变，但其作用的力臂增大了，举升油缸与动臂铰销的受力状况自然更加恶劣图3一15所示图3-15转斗油缸与连杆铰销受力变ITlnl、100mm，机率增加，峰值载荷分别增加8．25％、9．34第三章地下铲运机工作装置多体系统动力第三章地下铲运机工作装置多体系统动力学建模与仿图3—16d铲斗与连杆铰化仿真结果见图3-17所示图3-17铲斗与连杆铰销受力变荷的机率增加。物料重心偏移比物料重心与铲斗重心重合时分别多一次、二次，峰值载荷分别增加16．44％2、物料重心位于铲斗重心右改变物料的重心位置，使其位于铲斗几何重心右侧结果见图3—18,-．-图3—2la、举升油缸与动臂铰销受图3—18举升缸与动臂铰销受力变mm，举第三章地下铲运机工作装置第三章地下铲运机工作装置多体系统动力学建模与仿图3—19所示图3-19转斗缸与连杆铰销受力变图3-20铲斗与动臂铰销受力变图3-21铲斗与连杆铰销受力变到改善第三章地下铲运机工作装置多体系统第三章地下铲运机工作装置多体系统动力学建模与仿mm，仿真结果见图3-22一--图3-25所示mm、图3-22举升缸与动臂铰销受力变mm、100b、转斗油缸受力变图3-23转斗油缸与连杆铰销受力变3—24所示第三章地下铲运机工作装置多体系统动第三章地下铲运机工作装置多体系统动力学建模与仿图3-24铲斗与动臂铰销受力变果见图3-25所示图3-25铲斗与连杆铰销受力变仿真结果见图3—26～图3—29所示mm、100图3-26举升缸与动臂铰销受力变mm、100mm，图3-27转斗油缸与连杆铰销受力变图3-27转斗油缸与连杆铰销受力变图3-29铲斗与连杆铰销受力变铲取阻力的作用位第三章地下铲运机工作装置多体系统动力学第三章地下铲运机工作装置多体系统动力学建模与仿运机铲取物料的过程是铲斗中物料与料堆之间沿滑动线的剪切过程。在这个剪切过程中，剪切面积开始时最大，随着铲斗斗底与地面水平面间夹角的不断增大，剪切面积会逐步减少，所以铲取阻力主要取决于物料的剪切阻力，它与物料的密度、物料的块度、铲斗与物料间的摩擦系数、物料间的摩擦系数等诸多因素有关。该阻力实际上是一个变量，在这里将该力作为一常量来处理，只研究铲取阻力的作用位置对工作装置动力学行为的影响1、作用位置前按SAE规定，铲取阻力作用在距斗尖四英寸的铲斗底板上。为了研究铲取力作用位置对工作装置动力学行为的影响，在这里有意改变铲取阻力mm置。假设铲取阻力作用位置相对于正常位置前移力学仿真研究。仿真结果见图3—30～图3-33所示Imn、举升油缸与动臂铰销受力变a由于铲取阻力作用位置发生变化，举升油缸与动臂铰销的受力自然也发生图3-30举升油缸与动臂铰销受力变仿真结果表明：随着铲取阻力作用位置的前移，在转斗阶段，举升油缸与的受力越大图3-31转斗油缸与连杆铰销受力变第三章地下铲运机工作装置多体系统动第三章地下铲运机工作装置多体系统动力学建模与仿由于铲取阻力作用位置发生变化，动臂与铲斗铰销的受力自然也发生变化图3-32动臂与铲斗铰销受力变见图3—33所示图3— 连杆与铲斗铰销受力变仿真结果表明：随着铲取阻力作用位置的前移，在转斗阶段，连杆与铲斗2、作用位置后力位置对工作装置动力学的影响，有意改变铲取阻力的作用位置，假设铲取阻I姗、所示a见图3-34第三章地下铲运机工作装置多体系统第三章地下铲运机工作装置多体系统动力学建模与仿图3-34举升油缸与动臂铰销受力变3—35所示图3-35转斗油缸与连杆铰销受力变见图3—36所示动臂与铲斗铰销受力变d连杆与铲斗铰销的受力变由于铲取阻力作用位置发生变化，连杆与铲斗铰销的受力自然也发生变化第三章地下铲运机第三章地下铲运机工作装置多体系统动力学建模与仿图3-37连杆与铲斗铰销受力变小数学模型，并以某型号地下铲运机工作装置为例，首次利用ds型号地下铲运机正五杆工作装置三维虚拟样机仿真模型，成功地导入ADMS。S1模型；2Aw3、利用仿真软件，对影响地下铲运机工作装置动力学行为的敏感因素(物料的偏载、铲取阻力的作用位置)进行了仿真研究。这两个敏感因素对地下铲运载；样虚拟样机仿真模型的准确性，仿真软件的权威性，使得仿真结果真实可靠5、本文所使用的多体系统动力学仿真方法虽然是以某型号地下铲运机正五杆工作装置为例进行的，但该方法具有通用性，针对不同的地下铲运机，只需修第四章地下铲运机多体系统虚拟样机建模第四章地下铲运机多体系统虚拟样机建模与仿第四章地下铲运机多体系统虚拟样机建模与仿虚拟样机技术PrototypingTechnology,VPT)又称为机械系统动态真技术，它是20世纪0年代随着计算机技术的发展而发展起来的一门新技术。就是在建立第一台物理样机之前，利用计算机技术建立该产品的一个计算机模运动学和动力学特征，利用虚拟样机代替物理样机对产品或系统进行创新设计、设计与制造过程弊端的高新技术。使用该技术，工程设计人员可以直接利用D接关系并对机械系统进行虚拟装配，从而获得机械系统的虚拟样机。使用系统仿地改进，直至获得最优设计方案后，再做出物理样机。用虚拟样机代替物理样机验虚拟样机技术是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商业化虚拟样机软公司在这个日益增长的市场上竞争，比较有影响的有美国机械动力学公Inc．)(现已并入美国MSC．Software公司)的System)、比利时LMS公司的DynamicsModel、Folw三维、IDEAS、PhoeniCS析出它们的工作性能，因而虚拟样机技术日益受到国内外机械领域的高度重视ADAMS13刳。论文以某型号地下铲运机为例，首先运用Solidworks和ADAMS软件建地下铲运机是一个由前后车体、转向系统、传动系统、工作装置、液压系统、铲运机整地下铲运机是一个由前后车体、转向系统、传动系统、工作装置、液压系统、铲运机整机结构进行必要的整合，在模型中用有限的部(零)件仿真其动力学一些假设1，地下铲运机工作装置位于前车体，它们之间在装载过程中有相对运动，但在铲装过程中一般没有相对运动。地下铲运机装载动力学作者在第三章己进行了较为深入地研究，本章重点进行地下铲运机整机铲装动力学研究，既然此时工作装2、轮胎是该多体系统中唯一的柔性体3、对地下铲运机部件外形作必要简化在进行地下铲运机多体系统虚拟样机建模时，由于仿真软件ADAMS要的简化，但这些部件的质量和质心位置严格按照部件的几何重心、理论质量、DMSSoldwokADAMSSoldwokADAMSADAMS所示OOZXYZMIM2第四章地下铲运机多体系统虚拟样第四章地下铲运机多体系统虚拟样机建模与仿件为图4- 地下铲运机底盘多体动力学数学模这样地下铲运机底盘的位置可用X。，Z，Z。，见。，口”口h，吃来描述，地下铲运部分情况下并没有发生变化，两者之间位置的变化只发生在转斗、举升、卸载、能决定其工作装置的位置、速度、加速4．1．2地下铲运机组件模装置的结构参数设计的合理性将直接影响到地下铲运机的生产效率、工作负荷、整机装备功率等。在地下铲运机众多的工作装置类型中，Z运机上使用了这种型式的工作装置。对地下铲运机Z较为深入⋯剐H1引，而对于地下铲运机正五杆工作装置的研究还未见到相关报道，因此论文重点研究某型号地下铲运机正五杆结构型式的工作装置。采SdrSdr0为了对地下铲运机工作装置进行多体系统运动学及动力学分析，从地下铲运下铲运机工作装置可以简化为8个物体组成的多体系统，含有移动铰和转动铰，具有2个闭环的多体系统问题，其二维运动学简图如图4构如图2—6所示二为了便于绘制地下铲运机底盘多体动力学拓朴结构图，根据车辆系统动力学理论及4．1．1中的假设，将地下铲运机底盘整机拆分成适合计算机仿真用的组件纵机构、后车架、后传动轴等部件简化为组件模型中的一个刚体并命名为后车体；将驾驶室及驾驶室内操作元件等简化为组件模型中的一个刚体——驾驶室；将某型号地下铲运机前驱动桥及其相关的连接件简化为一个刚体并命名为前驱动桥：将某型号地下铲运机后驱动桥及其附件简化为另一个刚体并命名为后驱动42图4—24-3-4．2地下铲运机多体系统动力学仿真参参数四种。而获得这些参数的方法主要有：图纸查阅法、实验法、计算法、建模以及资料参数四种。而获得这些参数的方法主要有：图纸查阅法、实验法、计算法、建模以及资料查阅法等论文中ADAMS虚拟样机动力学仿真模型所需的几何定位特性参数全部来自于某型号地下铲运机设计计算书和设计图，各刚体的质量特性参数，包括质心位置、质量和转动惯量根据设计图纸通过相应的计算得到。另外在ADAS境下校核虚拟样机各刚体的质量、质心位置，使得在ADAMS机整机虚拟样机各刚体的质量、质心位置与设计图纸和计算书完全一致，确保了某型号地下铲运机虚拟样机仿真模型的准确性。表4-1为某型号地下铲运机主要部件的物理特性参数。质心位置部件名Wz(相对于桥中心W。(相对铰接中心1W，(相对传动中心驾驶电动21252111211(3)、传递纵向力以实现地下铲运机的加速、驱动和制动(4)、传递侧向力，实现地下铲运机的转向轮胎参数：轮胎尺轮胎参数：轮胎尺垂直载图4-5轮胎模型与地下铲运机模型之间的关地下铲运机的运动依赖于四个轮胎所受的力，如纵向制动力和驱动力、侧向力、回正力和侧翻力矩等。而所有这些力都是滑转率、侧偏角、垂直载荷、轮胎建立能反映物理实际的精确轮胎仿真理论模型，而且需要建立的轮胎数学模型能所用轮胎是由橡胶、帘布层等合成的外胎并固定在金属轮辋上，内部充入一定压力的压缩空气，由于轮胎的材料具有非线性、可压缩性、各向异性和粘弹性，在少专家、学者为此进行了不懈地努力，取得了许多成果n脚1下铲运机多体系统铲装动力学问题，对地下铲运机的操作性、行驶平顺性等均不w提供的轮胎仿真模型。轮胎模型、UA轮胎模型和Defined(用户自定义)。其中Fiala轮胎模型UA轮胎模型和UserDefned(用户自定义)轮胎模型为解析模型，而elt模型、r轮胎模型为试验模型。五种轮胎模型的轮胎特性文件所需的输入参数及其应用范围见表42所示。论文采用UA轮胎模型，该模型与其它几种模A轮胎模型是以n的三维弹簧模型为基础推导得出，也就是说将轮胎看成由一系列可三维形变的弹性元件组成。UA轮胎模型采用SAE坐标系，即坐标原点定义为轮胎与地面的瞬时接触区中心，X线，并规定车辆前进方向为正；Z轴为垂直于路面，向下为正；而Y等运动信息，AAS／Tre将根据这些运动信息和轮胎特性参数，采用相应的计54-第四章地下铲运机多体系统虚拟样机建模与仿表4-应用范·操纵性·复合滑·操纵性·纯滑第四章地下铲运机多体系统虚拟样机建模与仿表4-应用范·操纵性·复合滑·操纵性·纯滑·操纵性·纯滑·操纵性·复合滑Uscr表4-轮胎自由半径Rl／mm轮胎径向刚度C：／(N．mm-2．0轮胎纵向滑移刚度C6／IN．(。)-13．0一动摩擦系数径向相对阻尼系数滚动阻力矩系数轮胎参数：几何尺垂向变形侧向力滚动阻力矩M回正力UA轮胎模型示意地面作用于轮胎上的力可由以下公式计算n3(1)、轮胎与地面间的垂直力和滚动阻力矩可用下式表(4-(4-式中f一滚动阻力系数c=置⋯印(4-∥=风+(“一鳓皿F：式中k一轮胎接地中c=置⋯印(4-∥=风+(“一鳓皿F：式中k一轮胎接地中心的纵向滑移速圪一轮胎接地中心的圆周速度(3)、轮胎侧偏力和自回正力轮胎的侧偏力和自回正力矩可分别表示(4-M(4-(4-e(4-其中Ky一轮胎侧偏刚度见一轮胎力臂7一横向偏移速度第四章地下铲运机多体系统虚拟样机建模与第四章地下铲运机多体系统虚拟样机建模与仿4．4地下铲运机铲装作业插入阻地下铲运机在铲、装、卸作业过程中，工作装置所受到的载荷有插入阻力、铲取阻力及物料本身的重力，这些力在ADAMS中是用p运机在一个工作循环中的受力状况。在地下铲运机的铲装过程中物料的变化是一个十分复杂的物理现象，斗刃切入物料，物料对切入的斗刃所产生的阻力取决于物料的性质和状态、斗刃的刃角。的结构而改变物料的堆存状态，这种改变主要取决于物料的性质和状态、斗刃的料时所受到的插入阻力为K一与物料的性质、块度、堆高和铲斗形状有关的系数，并(4—式K一物料块度与松散程度系数L一铲斗一次插入深度B一铲斗宽度上述相关系数通过查找相关的设计资料均可查到。某型号地下铲运机铲装ZR一颦图4-7某型号地下铲运机铲装插入阻力特数据文件见附录2数据文件见附录24．6．1地下铲运机铲装动力轮胎与地面间运动特性见图4-8地下铲运机铲斗铲装初铲斗与料堆之间的铲装距2I档车速(5II档车速(10图4-8轮胎与地面间运动速度特2、仿真结第四章地下铲运机多体系统虚拟样机建模与仿：j'第四章地下铲运机多体系统虚拟样机建模与仿：j'图4-9铲运机铲装速度特图4-10铲运机铲装加速度特仅持续了0．02S，加速度达N-(1)动图4-11动臂与前车架铰销的受力状图4-12动臂与铲斗铰销的受力状销最大受力为9．73×105N，但该峰值载荷作用时间相当短暂，峰值载荷持续时间约0．02S。(2)连图4-13连杆与铲斗铰销的受力状图4-14连杆与转斗缸铰销的受力状N(3)转斗油9．67×105N(4)举升9．67×105N(4)举升油5．07×105N4．6．2影响整机动力学行为的敏感参影响整机动力学行为的参数有很多，论文重点研究影响地下铲运机动力学为的三个主要敏感参数：插入阻力、插入速度、铲斗与物料之间的铲装距离。次仿真，从仿真结果研究这些敏感参数对地下铲运机动力学行为的影响1、插入阻插入阻力是地下铲运机在铲装过程中，由于铲斗插入料堆进而改变了物料的堆放结构，物料对插入铲斗所产生的一种阻力。它的大小对地下铲运机动力学行为有何影响呢?下面通过改变插入阻力的大小，即将插入阻力增大1倍和减少1真结果见图4一19～图4-2所示。仿真结果表明：随着地下铲运机铲斗插入阻力的增加，地下铲运机工作装置所受的载荷有明显增加的趋势。插入阻力增加工作装置所受载荷增加，这是一基图4—19动臂与前车架铰图4—19动臂与前车架铰销的受力状况(X轴)图4—20动臂与铲斗铰销的受力状况(工轴图4-21动臂与举升缸铰销的受力状况(z轴)图4-22连杆与铲斗铰销的受力状况(x轴2、铲装初在铲装过程中，地下铲运机铲斗插入料堆的铲装初速度对其动力学行为影响装仿真结果表明：随着地下铲运机铲斗插入料堆铲装初速度的提高，地下铲运机工作装置所受的载荷有明显减少的趋势。这是因为地下铲运机铲斗插入料堆的斗插入料堆前的惯性也相应增大，但铲斗与物料间的相对阻力并没有增加，这样地下铲运机工作装置受力状况自然得到较为明显的改善图4-23动臂与前车架铰销的受力状况(x轴)图4-24动臂与铲斗铰销的受力状况(x轴图4-25动臂与举升缸铰销的受力状况(X轴图4-26连杆与铲斗铰销的受力状况(x轴料堆与铲斗之间的铲装料堆与铲斗之间的铲装距离对地下铲运机工作装置受力有何影响7图4-27动臂与前车架铰销的受力状况(X轴)图4-28动臂与铲斗铰销的受力状况(X轴图4-29动臂与举升缸铰销的受力状况(X轴)图4-30连杆与铲斗铰销的受力状况(X力状况基本上没有影响。也就是说，地下铲运机动力学行为和料堆与铲斗之间铲装距离无关分析，得出了如下结论1、某型号地下铲运机在“极限插入阻力”条件下的铲装过程仅仅持续了加速度达到一61．49m／s2，所受的载荷有明显减少4、料堆与铲斗之间铲装距离的大小对地下铲运机工作装置的受力状况基第四章地下第四章地下铲运机多体系统虚拟样机建模与仿5、虽然论文是以某型号地下铲运机为例进行的地下铲运机虚拟样机建模，占循环时间的30占循环时间的3040％。正是因为如此，国外许多国家十分重视地下铲运机的开发、推广与使用。据有关报道，西方国家约有85％以上的地下矿山采用了地下铲运机n吲。然而目前地下铲运机设计理论还远未成熟，地下铲运机在装载、运臂在地下铲运机工作过程中的应力状态进行研究有着较大的现实意义。虽然国内学者对构件的动态应力进行了研究n科驯，但对地下铲运机工作装置动态应力的均由动臂承担，加上其重量大，焊接易变形，动臂在这些交变载荷作用下作加速、很多，常用的方法有：离散梁法、假设模态法和有限元法，其中以有限元法应用ANSYSAAASS据。‘常用的有限元软件有：SP、SS、DA、SRN等。而软件是融结构、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。经过30多年的发展，ANSYS逐渐为世界工业界所接受。ANSYS色的多物理场耦合分析技术和涵盖优化设计、随机有限元分析等在内的一体化的ACD第五章地下铲运机工作装置动态应力仿真研ProEAtoCADS第五章地下铲运机工作装置动态应力仿真研ProEAtoCADSidwoksASTRNANSYS(ASME)、美国核安全局(NQA)及近20多个专业协会认证的标准分析软件。在国内，NYS软件是第一个通过压力容器标准化技术委员会认证并在国务院0机结构的模态分析就是确定结构的固有频率和振型，它是结构进行动力学分析的起点。S软件中的模态分析是线性的【l，任何非线性如塑性、大变形和连续体经离散后其动力学方程¨(5— C一系统的阻尼矩阵F(f)一系统所受的激振力即外力¨x一系统的加速度向量x一系统的速度向量系统所受的激振力和系统变形可写成如下形(5-L(t)J，五而(5-‘振动的运动微分方程{x(5—式中{A)一系统自由振动时振幅向(K一群M){彳(5—(5—一阶固有频率(K一群M){彳(5—(5—一阶固有频率、二阶固有频率、⋯，n阶固有频率与r阶固有频率相应的主振型{彳(，’}称为r阶主振型。根据振动理论，主振型(5—=，4- ：=L)式q一第r阶模态阻尼因子(5—式D(5-z(ro)=(K一国2M+_z(ro)=(K一国2M+_式吼一第．『个测点第，．阶模态的振型系数式Q=[吼(缈)，q2(脚)，⋯，吼(国)】ADAMS柔性体理要处理多刚体机械系统，但软件中的可选模块ADAMS／Flex是一个非常有用柔性体分析模块，它提供了ADAMS与有限元分析软件如ANSYS、NASTRAN在ADAMS与有限元分析软件之间实现双向数据的交换。而ADAMS／Flex模是基于Craig．Bamptiom方法(又称为约束模态法，是动态子结构方法的一种)【lADAMS／Flex模块是采用模态柔性来表示物体弹性的，其基本思路是赋予的动态行为，还可以分析其振动情况。利用ADMS／Fex模块还可以方便地向·节点质·模态·模态质量及模态刚度形是相对于形是相对于连体基的弹性小变形，同时物体的连体基又经历大的非线性整体移和转动这两个假设5．2．1AAMS／Fex模块中的柔性体是用离散化的若干单元的有限个结点自由度来表示物体无限多个自由度的。这些单元结点的弹性变形可近似地用少量模态的q=锄，g：，q3，⋯，钆广(M为模态坐标数)来表示，则柔性体的广义坐标为xy善(5-z=膨、缈厂=ro+彳(墨+珥，．一结点i在参考基(惯性坐标系)中的向量式％一物体连体基在参考基中的向量彳一方向余弦矩阵置一柔性体未变形时结点i在连体基中坐标向量态坐标可表示为式g，一变形的广义坐标第五章地下铲运机工作装置动态应力仿真研第五章地下铲运机工作装置动态应力仿真研(5-：三羹c％vjv+∥‘哆)：丢孑rM(善)(5—f一结点i的模态惯量质量矩阵按移动坐标、转动坐标、模态坐标表示M(孝)=I群坼M。(5-ra一模