ZL50轮式装载机虚拟样机建模与仿真探讨
2014-07-21李振华
摘 要：文章以ZL50轮式装载机为对象，在分析其牵引性能的基础上，通过在ADAMS软件中建立动力学模型，应用现代计算机虚拟仿真技术，形成装载机的虚拟样机系统，然后进行初步的性能仿真试验和参数优化，为装载机的不断完善提供方法和依据。通过文章的探讨，以期对相关人员的工作提供参考。
关键词：轮式装载机；动力学系统；虚拟分析
引言
轮式装载机是一种通过安装在前端一个完整的铲斗支承结构和连杆，随机器向前运动进行装载或挖掘，以及提升、运输和卸载的轮胎机械，广泛用于公路、建筑、矿山等工程领域，对于减轻劳动强度，加快工程建设速度，提高工程质量起着重要的作用。
虚拟样机技术作为一种技术手段，在汽车工业里面被普遍采用，通过相应系统进行仿真，可以达到评价汽车操作稳定性和耐久性的目的。轮式装载机属于循环式作业机械，对其研究目前仍存在不足之处，通过虚拟样机技术来对轮式装载机进行性能仿真试验和参数优化，不失为一种解决问题的方法。文章主要针对ZL50轮式装载机作为研究对象进行建模与分析，其具体参数如表1所示。
1 ZL50轮式装载机动力学建模
由于ZL50轮式装载机是一个非常复杂的多体系统，因此通过建立装载机模型的方式研究各个系统综合性能是一种有效的方法。虚拟样机在构造上是与实际装载机动力学行为相似的等价模型，该等价模型在物理性能上等同或十分相似于实际系统，但比实际的装载机更简单和便于分析研究。
目前机械系统动力学仿真分析软件较多，基于ADAMS能有效地分析三维机构的运动与力，可模拟大位移的系统和能够分析运动学静定系统，故采用ADAMS来对ZL50轮式装载机进行动力学建模与分析。以下是在ADAMS操作环境下建立的动力学模型。
2 ZL50轮式装载机动力学仿真
纵向稳定度是评价装载机技术性能的重要指标之一，它表明装载机在行驶或工作时抵抗翻车的能力。ZL50轮式装载机主要在满载上坡动臂伸出最大或满载下坡行驶时或空载上坡运行时容易产生倾翻。传统的分析方法大多停留在理论计算上，无法用实际试验测得，主要原因是纵向稳定度试验的危险性以及对车辆的破坏性。同时，随着客户对装载机安全性要求的不断提高，在对装载机进行试验测得准确数据就显得越发重要。文章主要对装载机空载上坡时的纵向稳定性进行研究，其牵引力方程如下：
（1）
式中，P：发动机功率（Kw）；i：I档时的传动比；？浊c：传动系的效率；rd：车轮滚动半径（m）；n：发动机最大转速（r/min）。
在不考虑前、后车架之间的转动情况，多刚体整车模型的12个自由度分别为：3个车身轴向平移自由度、3个轴向旋转自由度，2个工作装置相对直线自由度以及前后车轮的4个转动自由度。
在仿真时采用以下基本参数：整车质量17857kg，前车体载荷7475kg，后车体载荷10382kg，额定载重量5000kg，轴距3200mm、未装载前重心距后车轴1340mm，距前车轴1860mm，装载机重心离地面高度2320mm，坡度为25度。以I档进行模拟上坡试验，轮式装载机初速2.78m/s，加速到II档的最大速度9.44m/s时开始爬坡。整车在空载情况下于虚拟试验环境中进行，其爬坡行驶时纵向稳定性向后翻倒的最大上坡角由下式确定：
（2）
式中：S：装载机重心距后车轴的距离； H：装载机重心离地面高度。
图4 装载机速度曲线 图5 装载机加速度曲线
图4和图5分别为该装载机的速度与加速度仿真试验曲线。由图中可以看到，在0到9.6秒过程中，装载机在水平路面上受到较小的牵引力作用缓慢加速到2.78m/s，平均加速度0.0055m/s2可以忽略不计，即模拟以I档最大速度匀速前进。在9.81秒时换成II档，此时装载机位于水平路面与上坡交界点处，前轮受到地面的冲击，装载机速度发生突变，而在II档牵引力的作用下，装载机处于加速状态，直到它的前轮从离开平面到后轮完全进入坡面加速截止，这一过程中牵引力、加速度与速度的方向不断改变。从图5可以看出，加速度变化呈波浪状，随着后轮进入坡面，加速度趋于一恒定值。从图4可以看出，速度变化在瞬时完成，最大瞬时速度在9.9秒时为9.44m/s。由于装载机在爬坡过程中加速度方向向下，装载机处于减速状态。如果在上坡过程中牵引力不足，装载机将会发生倒退或者滑移的现象，在进行最大爬坡能力的仿真过程中出现了装载机滑移现象，其在12.9秒时开始滑移，速度的变化呈非线性。滑移现象的产生是由于当后轮驱动时，后轮产生的驱动力大于后车架的重力分力，而小于整车重力分力，无法驱动前轮，后轮滑移率增大，滚动系数变小，滚动阻力减小，因而前轮在重力的作用下以后轮为圆心向两边滑移，产生Z轴的加速度和向心力，这种情况往往会造成装载机侧滑甚至侧翻，容易造成对车辆及人员的伤害。在实际测试中，不可能进行最大爬坡能力测试实验，如果在进行最大爬坡能力测试时，出现倒坡其危险性还不是很大，而一旦出现侧滑现象，即使是经验丰富的操作人员也无法保证能控制住装载机，严重侧滑后果之一就是发生侧翻，导致操作人员受伤等事故。
3 结束语
文章对ZL50轮式装载机的典型系统进行了全面的分析，利用ADAMS软件构造了装载机的虚拟样机系统，建立了该装载机的动力学模型，并用仿真软件对其进行了运动学和动力学的模拟仿真，绘制了装载机的速度和加速度曲线，并据此进行了具体的分析。由于在虚拟样机的建立和虚拟试验环境设定时提供了必备的技术参数，因此，进行的纵向稳定性试验所产生的物理样机性能与实际情况很接近，起到了应有的设计效果。
参考文献
[1]杨占敏.轮式装载机[M].化学工业出版社，2006：1-50.
[2]张玲.基于有限元的刮板输送机减速器齿轮应力分析[J].煤矿机械，2013（02）：91-92.
[3]郑建荣.ADAMS-虚拟样机技术入门与提高[M].机械工业出版社，2002.
[4]覃峰.煤矿装载机铸造摇臂的降重优化设计[J].煤矿机械，2013（02）：13-15.
作者简介：李振华（1977-），河南新乡人，高校讲师，大学本科，研究方向：机械设计及其自动化加工。
摘 要：文章以ZL50轮式装载机为对象，在分析其牵引性能的基础上，通过在ADAMS软件中建立动力学模型，应用现代计算机虚拟仿真技术，形成装载机的虚拟样机系统，然后进行初步的性能仿真试验和参数优化，为装载机的不断完善提供方法和依据。通过文章的探讨，以期对相关人员的工作提供参考。
关键词：轮式装载机；动力学系统；虚拟分析
引言
轮式装载机是一种通过安装在前端一个完整的铲斗支承结构和连杆，随机器向前运动进行装载或挖掘，以及提升、运输和卸载的轮胎机械，广泛用于公路、建筑、矿山等工程领域，对于减轻劳动强度，加快工程建设速度，提高工程质量起着重要的作用。
虚拟样机技术作为一种技术手段，在汽车工业里面被普遍采用，通过相应系统进行仿真，可以达到评价汽车操作稳定性和耐久性的目的。轮式装载机属于循环式作业机械，对其研究目前仍存在不足之处，通过虚拟样机技术来对轮式装载机进行性能仿真试验和参数优化，不失为一种解决问题的方法。文章主要针对ZL50轮式装载机作为研究对象进行建模与分析，其具体参数如表1所示。
1 ZL50轮式装载机动力学建模
由于ZL50轮式装载机是一个非常复杂的多体系统，因此通过建立装载机模型的方式研究各个系统综合性能是一种有效的方法。虚拟样机在构造上是与实际装载机动力学行为相似的等价模型，该等价模型在物理性能上等同或十分相似于实际系统，但比实际的装载机更简单和便于分析研究。
目前机械系统动力学仿真分析软件较多，基于ADAMS能有效地分析三维机构的运动与力，可模拟大位移的系统和能够分析运动学静定系统，故采用ADAMS来对ZL50轮式装载机进行动力学建模与分析。以下是在ADAMS操作环境下建立的动力学模型。
2 ZL50轮式装载机动力学仿真
纵向稳定度是评价装载机技术性能的重要指标之一，它表明装载机在行驶或工作时抵抗翻车的能力。ZL50轮式装载机主要在满载上坡动臂伸出最大或满载下坡行驶时或空载上坡运行时容易产生倾翻。传统的分析方法大多停留在理论计算上，无法用实际试验测得，主要原因是纵向稳定度试验的危险性以及对车辆的破坏性。同时，随着客户对装载机安全性要求的不断提高，在对装载机进行试验测得准确数据就显得越发重要。文章主要对装载机空载上坡时的纵向稳定性进行研究，其牵引力方程如下：
（1）
式中，P：发动机功率（Kw）；i：I档时的传动比；？浊c：传动系的效率；rd：车轮滚动半径（m）；n：发动机最大转速（r/min）。
在不考虑前、后车架之间的转动情况，多刚体整车模型的12个自由度分别为：3个车身轴向平移自由度、3个轴向旋转自由度，2个工作装置相对直线自由度以及前后车轮的4个转动自由度。
在仿真时采用以下基本参数：整车质量17857kg，前车体载荷7475kg，后车体载荷10382kg，额定载重量5000kg，轴距3200mm、未装载前重心距后车轴1340mm，距前车轴1860mm，装载机重心离地面高度2320mm，坡度为25度。以I档进行模拟上坡试验，轮式装载机初速2.78m/s，加速到II档的最大速度9.44m/s时开始爬坡。整车在空载情况下于虚拟试验环境中进行，其爬坡行驶时纵向稳定性向后翻倒的最大上坡角由下式确定：
（2）
式中：S：装载机重心距后车轴的距离； H：装载机重心离地面高度。
图4 装载机速度曲线 图5 装载机加速度曲线
图4和图5分别为该装载机的速度与加速度仿真试验曲线。由图中可以看到，在0到9.6秒过程中，装载机在水平路面上受到较小的牵引力作用缓慢加速到2.78m/s，平均加速度0.0055m/s2可以忽略不计，即模拟以I档最大速度匀速前进。在9.81秒时换成II档，此时装载机位于水平路面与上坡交界点处，前轮受到地面的冲击，装载机速度发生突变，而在II档牵引力的作用下，装载机处于加速状态，直到它的前轮从离开平面到后轮完全进入坡面加速截止，这一过程中牵引力、加速度与速度的方向不断改变。从图5可以看出，加速度变化呈波浪状，随着后轮进入坡面，加速度趋于一恒定值。从图4可以看出，速度变化在瞬时完成，最大瞬时速度在9.9秒时为9.44m/s。由于装载机在爬坡过程中加速度方向向下，装载机处于减速状态。如果在上坡过程中牵引力不足，装载机将会发生倒退或者滑移的现象，在进行最大爬坡能力的仿真过程中出现了装载机滑移现象，其在12.9秒时开始滑移，速度的变化呈非线性。滑移现象的产生是由于当后轮驱动时，后轮产生的驱动力大于后车架的重力分力，而小于整车重力分力，无法驱动前轮，后轮滑移率增大，滚动系数变小，滚动阻力减小，因而前轮在重力的作用下以后轮为圆心向两边滑移，产生Z轴的加速度和向心力，这种情况往往会造成装载机侧滑甚至侧翻，容易造成对车辆及人员的伤害。在实际测试中，不可能进行最大爬坡能力测试实验，如果在进行最大爬坡能力测试时，出现倒坡其危险性还不是很大，而一旦出现侧滑现象，即使是经验丰富的操作人员也无法保证能控制住装载机，严重侧滑后果之一就是发生侧翻，导致操作人员受伤等事故。
3 结束语
文章对ZL50轮式装载机的典型系统进行了全面的分析，利用ADAMS软件构造了装载机的虚拟样机系统，建立了该装载机的动力学模型，并用仿真软件对其进行了运动学和动力学的模拟仿真，绘制了装载机的速度和加速度曲线，并据此进行了具体的分析。由于在虚拟样机的建立和虚拟试验环境设定时提供了必备的技术参数，因此，进行的纵向稳定性试验所产生的物理样机性能与实际情况很接近，起到了应有的设计效果。
参考文献
[1]杨占敏.轮式装载机[M].化学工业出版社，2006：1-50.
[2]张玲.基于有限元的刮板输送机减速器齿轮应力分析[J].煤矿机械，2013（02）：91-92.
[3]郑建荣.ADAMS-虚拟样机技术入门与提高[M].机械工业出版社，2002.
[4]覃峰.煤矿装载机铸造摇臂的降重优化设计[J].煤矿机械，2013（02）：13-15.
作者简介：李振华（1977-），河南新乡人，高校讲师，大学本科，研究方向：机械设计及其自动化加工。
摘 要：文章以ZL50轮式装载机为对象，在分析其牵引性能的基础上，通过在ADAMS软件中建立动力学模型，应用现代计算机虚拟仿真技术，形成装载机的虚拟样机系统，然后进行初步的性能仿真试验和参数优化，为装载机的不断完善提供方法和依据。通过文章的探讨，以期对相关人员的工作提供参考。
关键词：轮式装载机；动力学系统；虚拟分析
引言
轮式装载机是一种通过安装在前端一个完整的铲斗支承结构和连杆，随机器向前运动进行装载或挖掘，以及提升、运输和卸载的轮胎机械，广泛用于公路、建筑、矿山等工程领域，对于减轻劳动强度，加快工程建设速度，提高工程质量起着重要的作用。
虚拟样机技术作为一种技术手段，在汽车工业里面被普遍采用，通过相应系统进行仿真，可以达到评价汽车操作稳定性和耐久性的目的。轮式装载机属于循环式作业机械，对其研究目前仍存在不足之处，通过虚拟样机技术来对轮式装载机进行性能仿真试验和参数优化，不失为一种解决问题的方法。文章主要针对ZL50轮式装载机作为研究对象进行建模与分析，其具体参数如表1所示。
1 ZL50轮式装载机动力学建模
由于ZL50轮式装载机是一个非常复杂的多体系统，因此通过建立装载机模型的方式研究各个系统综合性能是一种有效的方法。虚拟样机在构造上是与实际装载机动力学行为相似的等价模型，该等价模型在物理性能上等同或十分相似于实际系统，但比实际的装载机更简单和便于分析研究。
目前机械系统动力学仿真分析软件较多，基于ADAMS能有效地分析三维机构的运动与力，可模拟大位移的系统和能够分析运动学静定系统，故采用ADAMS来对ZL50轮式装载机进行动力学建模与分析。以下是在ADAMS操作环境下建立的动力学模型。
2 ZL50轮式装载机动力学仿真
纵向稳定度是评价装载机技术性能的重要指标之一，它表明装载机在行驶或工作时抵抗翻车的能力。ZL50轮式装载机主要在满载上坡动臂伸出最大或满载下坡行驶时或空载上坡运行时容易产生倾翻。传统的分析方法大多停留在理论计算上，无法用实际试验测得，主要原因是纵向稳定度试验的危险性以及对车辆的破坏性。同时，随着客户对装载机安全性要求的不断提高，在对装载机进行试验测得准确数据就显得越发重要。文章主要对装载机空载上坡时的纵向稳定性进行研究，其牵引力方程如下：
（1）
式中，P：发动机功率（Kw）；i：I档时的传动比；？浊c：传动系的效率；rd：车轮滚动半径（m）；n：发动机最大转速（r/min）。
在不考虑前、后车架之间的转动情况，多刚体整车模型的12个自由度分别为：3个车身轴向平移自由度、3个轴向旋转自由度，2个工作装置相对直线自由度以及前后车轮的4个转动自由度。
在仿真时采用以下基本参数：整车质量17857kg，前车体载荷7475kg，后车体载荷10382kg，额定载重量5000kg，轴距3200mm、未装载前重心距后车轴1340mm，距前车轴1860mm，装载机重心离地面高度2320mm，坡度为25度。以I档进行模拟上坡试验，轮式装载机初速2.78m/s，加速到II档的最大速度9.44m/s时开始爬坡。整车在空载情况下于虚拟试验环境中进行，其爬坡行驶时纵向稳定性向后翻倒的最大上坡角由下式确定：
（2）
式中：S：装载机重心距后车轴的距离； H：装载机重心离地面高度。
图4 装载机速度曲线 图5 装载机加速度曲线
图4和图5分别为该装载机的速度与加速度仿真试验曲线。由图中可以看到，在0到9.6秒过程中，装载机在水平路面上受到较小的牵引力作用缓慢加速到2.78m/s，平均加速度0.0055m/s2可以忽略不计，即模拟以I档最大速度匀速前进。在9.81秒时换成II档，此时装载机位于水平路面与上坡交界点处，前轮受到地面的冲击，装载机速度发生突变，而在II档牵引力的作用下，装载机处于加速状态，直到它的前轮从离开平面到后轮完全进入坡面加速截止，这一过程中牵引力、加速度与速度的方向不断改变。从图5可以看出，加速度变化呈波浪状，随着后轮进入坡面，加速度趋于一恒定值。从图4可以看出，速度变化在瞬时完成，最大瞬时速度在9.9秒时为9.44m/s。由于装载机在爬坡过程中加速度方向向下，装载机处于减速状态。如果在上坡过程中牵引力不足，装载机将会发生倒退或者滑移的现象，在进行最大爬坡能力的仿真过程中出现了装载机滑移现象，其在12.9秒时开始滑移，速度的变化呈非线性。滑移现象的产生是由于当后轮驱动时，后轮产生的驱动力大于后车架的重力分力，而小于整车重力分力，无法驱动前轮，后轮滑移率增大，滚动系数变小，滚动阻力减小，因而前轮在重力的作用下以后轮为圆心向两边滑移，产生Z轴的加速度和向心力，这种情况往往会造成装载机侧滑甚至侧翻，容易造成对车辆及人员的伤害。在实际测试中，不可能进行最大爬坡能力测试实验，如果在进行最大爬坡能力测试时，出现倒坡其危险性还不是很大，而一旦出现侧滑现象，即使是经验丰富的操作人员也无法保证能控制住装载机，严重侧滑后果之一就是发生侧翻，导致操作人员受伤等事故。
3 结束语
文章对ZL50轮式装载机的典型系统进行了全面的分析，利用ADAMS软件构造了装载机的虚拟样机系统，建立了该装载机的动力学模型，并用仿真软件对其进行了运动学和动力学的模拟仿真，绘制了装载机的速度和加速度曲线，并据此进行了具体的分析。由于在虚拟样机的建立和虚拟试验环境设定时提供了必备的技术参数，因此，进行的纵向稳定性试验所产生的物理样机性能与实际情况很接近，起到了应有的设计效果。
参考文献
[1]杨占敏.轮式装载机[M].化学工业出版社，2006：1-50.
[2]张玲.基于有限元的刮板输送机减速器齿轮应力分析[J].煤矿机械，2013（02）：91-92.
[3]郑建荣.ADAMS-虚拟样机技术入门与提高[M].机械工业出版社，2002.
[4]覃峰.煤矿装载机铸造摇臂的降重优化设计[J].煤矿机械，2013（02）：13-15.
作者简介：李振华（1977-），河南新乡人，高校讲师，大学本科，研究方向：机械设计及其自动化加工。
