基于虚拟样机的液压挖掘机工作装置最大挖掘力分析*

张永明，佘翊妮，宁晓斌

(1.太原重型机械集团技术中心，山西太原030024;2.浙江工业大学机械工程学院，浙江杭州310014)

0 引 言

在液压挖掘机设计过程中，挖掘机工作范围和最大挖掘力是反映挖掘机作业性能的主要参数，是设计师关注的最重要的性能参数［1］。液压挖掘机最大挖掘力与液压系统压力、工作装置结构、整机附着条件等因素相关，对它的分析和计算十分复杂［2］。传统的分析方法，是根据经验选择工作装置的工况和姿态，用解析法进行普查计算［3］。传统方法进行了工作装置有限位置和姿态的计算，不能准确确定最大挖掘力工况和姿态，难以全面了解挖掘机的受力状况。

本研究针对大型正铲液压挖掘机的研发，利用多体动力学仿真方法，建立液压挖掘机工作装置机械-液压联合仿真的虚拟样机模型，仿真分析铲斗处的最大挖掘力，为研究分析挖掘机的工作性能、工作装置关键铰接点的受力情况和结构强度提供依据;通过试验设计分析研究正铲工作装置关键铰接点空间位置的改变对整机最大挖掘力的影响，为工作装置的优化设计提供依据。

1 挖掘机工作装置虚拟样机模型

液压挖掘机工作装置主要由动臂、斗杆、铲斗，以及控制动臂、斗杆、铲斗动作的油缸组成。本研究在某正铲液压挖掘机设计过程中，建立了工作装置机械-液压耦合仿真模型，包括工作装置机构的机械模型、驱动工作装置运动的液压系统模型、机械模型和液压模型之间的作用力相互引用。

本研究采用三维绘图UG软件建立该型号正铲工作装置的三维实体模型，然后导入ADAMS中，模型如图1所示。在ADAMS中，对挖掘机工作装置的各个零部件定义约束关系，如动臂、斗杆、铲斗之间接点处的约束设为转动副［4-5］。动臂液压缸变化行程为5 m～8.2 m，斗杆液压缸变化行程为4 m～6.3 m，铲斗液压缸变化行程为5 m～6.8 m，液压挖掘机工作装置的9个关键铰接点空间位置坐标如表1所示。

图1 工作装置的ADAMS运动学模型

表1 工作装置9个关键铰接点空间位置坐标

本研究采用ADAMS/Hydraulics模块建立的挖掘机工作装置液压系统模型如图2所示，将动臂、铲斗和斗杆油缸的驱动方式设为液压驱动来实现正铲工作装置机械系统与液压系统的相互关联。

图2 正铲工作装置液压系统模型

挖掘机工作装置液压系统最大工作压力为32 MPa，液压缸闭锁压力为40 MPa。液压系统采用控制各个方向控制阀开闭时间的方法，实现对各液压缸的压力控制［6］。

2 整机理论挖掘力的仿真分析

在挖掘机进行挖掘作业时，铲斗对物料的作用力称为挖掘力，物料对铲斗的反作用力称为挖掘阻力。挖掘机在矿山工作时，在主要挖掘区域内，挖掘力分布是否合理，是否能够以较大的挖掘力进行挖掘，是挖掘机工作装置设计需要重点考虑的问题。

最大斗杆挖掘力(crowd force)与最大铲斗挖掘力(break force)是挖掘机产品目录上明确列出的挖掘机主要性能。斗杆挖掘力，是指以斗杆油缸挖掘为主，即斗杆油缸作为工作油缸，铲斗油缸和动臂油缸作为闭锁。铲斗挖掘力是以铲斗油缸作为工作油缸，其他油缸作为闭锁油缸所决定的挖掘力。由于铲斗挖掘方式主要是为了撬动物料、调整切削角及装载和卸料，不是挖掘机的主要挖掘方式，且仿真分析方法与斗杆挖掘力的仿真方法基本一致，受限于篇幅，本研究重点研究斗杆挖掘力，仿真分析挖掘机整个工作范围内，在铲斗斗齿一系列位置点上所能产生的斗杆最大挖掘力。

斗杆油缸工作，其他2个油缸闭锁。在挖掘轨迹某个位置，受到挖掘阻力的限制，挖掘阻力大到一定数值时，铲斗或动臂油缸压力达到闭锁压力，或斗杆油缸达到最大工作压力，这时可以得出工作装置在这个位置的斗杆油缸挖掘的最大挖掘力［7］。本研究对液压挖掘机工作装置的工作范围内各个位置进行斗杆油缸最大挖掘力普查，最后将这些斗杆油缸最大挖掘力所对应的铲斗斗尖位置在挖掘范围图中标出，斗杆挖掘工况挖掘图如图3所示。同时在图3中给出最大、最小挖掘力位置点的工作装置姿态以及影响该点最大挖掘力发挥的因素。

图3 斗杆挖掘工况挖掘图

影响斗杆最大挖掘力发挥的因素用以下序号表示。序号1:斗杆油缸的工作能力;序号2:铲斗油缸的闭锁能力;序号3:动臂油缸的闭锁能力。对应每组动臂油缸伸长量λ2变化，斗杆伸长量λ3、铲斗伸长量λ4、斗杆转角θ3、铲斗转角θ4和斗杆最大最小挖掘力的极值可参如表1所示。

表2 斗杆挖掘工况每组动臂油缸伸长量与相关参数

从图3、表2可知，该正铲工作装置的最大斗杆挖掘力为2 540 kN，主要受限于斗杆油缸32 MPa的最大工作压力，此时工作装置的动臂、铲斗和斗杆油缸行程分别为5.95 m、5.61 m和4.54 m，图3中挖掘机工作装置实线轮廓所示位姿。

该产品针对的是11 m～12 m高度的矿山作业面。根据以上分析计算可以看出，该挖掘机在挖掘地面以上物料时，铲斗转角变化不大，基本在100°～130°之间变化，在挖掘机的常用挖掘作业区域，斗杆油缸挖掘力大于2 000 kN，该款挖掘机最大斗杆油缸挖掘力的分布区间比较合理。同时在斗杆挖掘力的仿真研究中也发现，斗杆油缸最大挖掘力总是在初始开挖阶段较大，随着铲斗插入、切削物料，斗杆油缸最大挖掘力会受限于斗杆液压缸最大工作压力或铲斗油缸的闭锁压力，而后随着铲斗挖掘过程结束，挖掘力逐渐变小，此时斗杆最大挖掘力受限于动臂油缸的闭锁压力。

该液压挖掘机工作装置斗杆最小挖掘力为600 kN，其动臂、铲斗和斗杆油缸行程分别5 m、5.02 m和6.2 m。在动臂油缸行程为5.0 m时，斗杆油缸从最短行程伸至最长行程的挖掘轨迹均在地平线以下。进行地下挖掘时，斗杆挖掘力较小，平均位于1 000 kN左右，最大值为2 117 kN。液压正铲挖掘机在矿山作业时，基本不进行地平线以下挖掘。

对比同类型产品EX8000挖掘机，其斗杆最大挖掘力为2 800 kN。而该型号的正铲液压挖掘机斗杆最大挖掘力2 540 kN，说明该工作装置的斗杆最大挖掘力需要进一步提高。挖掘机工作装置铰接点空间位置是影响斗杆挖掘力最主要的因素，因此，以下将分析研究工作装置关键铰接点位置对斗杆挖掘力的影响，优化空间铰接点位置，提高正铲工作装置的斗杆最大挖掘力。

3 挖掘力的试验设计

3.1 参数化模型

本研究进行工作装置的参数化建模，将参数值设置为变量。在分析过程中，改变样机模型中有关数值，可以形成多个工作装置样机模型。为此，笔者采用参数化点坐标的方式，将正铲挖掘机工作装置9个关键铰接点的X、Y坐标定义成18个设计变量，正铲工作装置的参数化模型如图4所示。

图4 正铲工作装置的参数化模型

3.2 设计研究

笔者逐一分析上述设计变量对正铲工作装置斗杆最大挖掘力的影响，通过上述研究找出对斗杆最大挖掘力敏感的设计变量。斗杆最大挖掘力对设计变量的敏感度如表3所示。本研究剔除对结果影响不显著的变量DV1、DV2、DV4、DV5、DV7、DV8，使得试验设计分析仅针对结果影响显著的变量进行，从而降低试验设计分析的复杂度和工作量。

表3 变量初始值的敏感度

工作装置的关键铰接点空间位置变化太大，会造成某些工作装置机构设计方案在运动过程中出现运动死点，本研究通过多次仿真分析，将设计变量的取值范围定义在原设计值±0.1 mm范围内变动，如表4所示。

表4 设计变量取值范围(单位:mm)

3.3 试验设计分析

本研究针对设计研究中确定的12个设计变量，研究其变化时对斗杆最大挖掘力的影响。为减少试验次数，同时尽可能涵盖整个取值区间，本研究采用蒙特卡罗方法来进行试验规划［8-9］。考虑到工作装置铰接点的设计方案应尽可能在原有设计方案上进行调整，本研究选用正态分布的方法进行数据抽样，得出了108组工作装置关键铰接点的设计布置方案，并逐一仿真计算这些铰接点设计方案在对应动臂、铲斗和斗杆油缸行程分别为5.95 m、5.61 m和4.54 m的位姿下(该位姿时斗杆挖掘力最大)的斗杆挖掘力，计算数值按降序排列，最后一组为原设计方案，多组方案最大挖掘力对比情况如表5所示。

表5 多组方案最大挖掘力对比

研究结果表明，108组铰接点设计方案中，有20多组数据的斗杆最大挖掘力超过了原设计方案，有几组数据的最大挖掘力接近EX8000挖掘机的2 800 kN。由此说明，不考虑挖掘机倾覆等因素，仅通过对正铲工作装置关键铰接点空间位置的优化，可提高正铲挖掘机的斗杆最大挖掘力，改善挖掘机的挖掘性能。

4 结束语

通过对正铲液压挖掘机工作装置斗杆挖掘力的仿真研究及斗杆最大挖掘力的参数化优化设计，本研究得出对新产品开发具有价值的结论如下:

(1)利用工作装置机械-液压联合仿真模型，可普查分析挖掘机工作装置的最大挖掘力，为工作装置机构设计提供设计依据，判定挖掘机的常用挖掘区域挖掘力分布是否合理。

(2)通过最大挖掘力普查，可确定工作装置最大挖掘力的位置和姿态。并可在此基础上，对工作装置机构参数，进行最大挖掘力敏感性分析。本研究通过工作装置机构参数优化，重新设计工作装置，提高工作装置的最大挖掘力。

斗杆最大挖掘力对挖掘机造成的力矩如果大于整机倾覆力矩，则增加挖掘机配重。本研究采用的大型液压挖掘机数字化设计方法对挖掘机设计具有工程应用价值。

［1］史青录，连晋毅，林慕义.挖掘机最大理论挖掘力的确定［J］.太原科技大学学报，2007，28(1):32-36.

［2］HALL A S，MCAREE P R.A study of the interaction between operator style and machine capability for a hydraulic mining excavator［J］.Journal of Mechanical Engineering Science，2005，219(1):477-489.

［3］同济大学.单斗液压挖掘机［M］.北京:中国建筑工业出版社，1986.

［4］张羽林，宁晓斌，王秋成.大型正铲液压挖掘机工作装置性能的优化仿真［J］.机电工程，2013，30(3):329-332.

［5］杨 帆，吴小平.液压挖掘机工作装置有限元静强度分析［J］.机械，2013(4):63-65，84.

［6］陈露丰.挖掘机工作装置液压系统挖掘力与结构多柔体动力学研究［D］.杭州:浙江工业大学机械工程学院，2013.

［7］佘翊妮.基于多体动力学的大型正铲液压挖掘机工作装置的动载特性研究［D］.杭州:浙江工业大学机械工程学院，2013.

［8］王桂新，杨彦龙.基于ADAMS的液压挖掘机工作装置的仿真分析［J］.河北工业大学学报，2008，37(3):59-63.

［9］刘 静，潘双夏，冯培恩.基于ADAMS的挖掘机液压系统仿真技术［J］.农业机械学报，2005，36(10):109-112.