基于Pro/E的小型挖掘机建模及仿真分析

2018-01-03鲁记伟吴国新

设备管理与维修 2017年12期

关键词：斗杆动臂摇杆

鲁记伟，吴国新

（北京信息科技大学现代测控技术教育部重点实验室，北京 100192）

基于Pro/E的小型挖掘机建模及仿真分析

鲁记伟，吴国新

（北京信息科技大学现代测控技术教育部重点实验室，北京 100192）

基于Pro/E建模的高效率性，对小型挖掘机进行机械手臂实体建模及其运动仿真分析。整机的结构组成与工作原理；机械手臂处于工况时的运动学分析；挖掘机的装配约束，还有仿真参数的设置方法即单一变量法；通过运动仿真，分析机构运动时的缺陷并进行运动参数的优化，从而改善运动效果。

Pro/E；挖掘机；运动仿真分析；运动优化

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.12.13

0 引言

挖掘机是一种有特殊功用的工程车辆，主要由铲斗、机车回转装置、机车底盘以及机械手臂等组成，一般靠履带或车轮行进。由于它造型特别，人们对它有多种叫法，如挖土机、大爪车、斗车等。在工程建设中挖掘机有不可替代的作用，几乎每个工地上都会用到，这也说明挖掘机的发展速度很快[1]。

Pro/E这款软件最大的特点就是建模参数化，这使得建模效率大大提高，而且软件的运用范围更加广泛。特别是在新产品开发阶段，可以运用参数化的功能快速高效率建模，从而保证产品各方面参数的一致性，提高产品的质量。当用户者把新的零件开发出来后，如果有些尺寸不合理，用户可以直接在原图上修改零件的尺寸，来满足设计的要求。另外Pro/E的建模都是实体性质的参数，用户每一项参数的设置都有一定实际意义，比如零件的质量、体积、表面积等，用户可以参考零件的质量或体积来构造零件的外形。

基于Pro/E建模的高效率性，对小型挖掘机进行简单的三维建模，并对机械手臂运动进行仿真，使其完成预想轨迹：斗杆和动臂一起运动以实现挖掘工作，将动臂向上抬起同时斗杆附加转动，以保持铲斗处于水平位置，然后机车车身回转，斗杆和铲斗同时转动，以实现卸土的工作，最后机车回转车身旋转至最初位置。

1 挖掘机分类及其工作原理

挖掘机按照不同的分类方式有许多不同类型（表1）。挖掘机按驱动力的不同可分为电驱动和柴油燃机驱动，其中电驱动挖掘机大部分应用在发生火灾或压强高的地方。

表1 挖掘机的分类

1.1 挖掘机的结构组成

液压挖掘机机身主要是由动力传动机构、行走机构、工作装置、回转装置、液压系统和辅助机构等组成[2]。

动力传动机构的作用：挖掘机通过内燃机把柴油自身的化学能转化为机车的机械能，再通过液压系统由柱塞泵将机车的机械能转化为液压油的压力能，再通过电液一体化将其能运送至各个机构零件，然后各个机构零件再将之转化为机车的机械能。

行走机构用来完成机车车身的行走并支撑机车整机的质量，它由车架、支重轮、托链轮、导向轮、张紧装置、车轮履带、行走机构、回转接头等组成，构造类型多采用履带转动和轮胎转动。

工作装置是挖掘机整机之中最重要的一部分。由动臂、动臂液压缸、动臂液压缸活塞杆、斗杆、斗杆液压缸、斗杆液压缸活塞杆、铲斗、铲斗液压缸、铲斗液压缸活塞杆、摇杆、连杆等组成，可以让挖掘机完成挖掘、起重、旋转、卸料等多种不同功能（图1）。

图1 挖掘机运动手臂

回转装置由回转操作平台、动力系统、液压传动系统、伺服操纵系统、电器系统、空调系统、司机驾驶室等组成[7]。它控制挖掘机的挖掘方向，使挖掘机向左或向右回转，完成挖掘、旋转、卸料。

1.2 挖掘机工作原理及工况

挖掘机是通过内燃机将柴油的化学能转化为机车的机械能，再由液压系统将机械能转化为液压油液的液压能，再通过液压泵将油液的压力能运送至各个机车执行部件，如机车液压油缸与摇杆的配合、机车转动机构与减速器的配合，再由液压泵将液压油液的压力能转化为机车的机械能，从而实现机车整机的运动。

液压挖掘机工作过程可以分为3种情况：①单铲斗挖掘。斗杆和动臂都静止，通过铲斗7与斗杆4的转动来实现挖掘工作，最大挖掘范围和挖掘力则由铲斗液压缸来决定。②单斗杆挖掘。动臂静止，而由斗杆与动臂之间的转动来实现挖掘工作，挖掘能力则由斗杆液压缸决定。③双联合挖掘。由斗杆液压缸和铲斗液压缸一起运动进行挖掘，挖掘能力由这2个液压缸同时决定。

2 挖掘机手臂运动学分析

挖掘机机械手臂部分主要由动臂AF，斗杆FK，铲斗KM，动臂液压缸BC，斗杆液压缸DE，铲斗液压缸JH，摇杆HI，连杆HL组成（图2）。由于把动臂液压缸和动臂液压缸活塞杆看成了一体，所以整个装置共有11个活动构件。由平面机构自由度计算公式（1）得[6]：

图2 挖掘机机构示意

式中 F——平面机构自由度

N——活动构件数

PL———机构中低副数目

PH——机构中高副数目

P———虚约束

P1———局部自由度

计算后得自由度为3，所以需要3个液压缸作为动力，以保证手臂的正常运转。

令动臂液压缸的长度为L1，斗杆液压缸的长度为L2，铲斗液压缸的长度为L3。

动臂的摆动范围β见式（2）。

因为Lab和Lac以及∠CAF，α都为已知量，所以β将由动臂液压缸的长度为L1唯一确定。

斗杆FK的摆动范围γ见式（3）。

因Ldf和Lef以及∠AFD，∠EFK都为已知量，所以β将由动臂液压缸的长度L2确定。铲斗的摆动范围δ=360°-∠FKI-∠IKH-∠HKL-∠LKM。其中，∠FKI和∠LKM由机构参数决定为定值。

联立式（4），式（5），式（6）和式（7）即可求出∠IKH。联立式（6）、式（8）可求出∠HKL，即可求出铲斗的摆动范围 δ，且只与铲斗液压缸的长度L3有关。

3 整机建模装配及其运动仿真分析

建立各个部件三维模型后进行组件装配：将机车底盘添加进装配体，选择缺省约束类型，然后依次将轮胎、机车回转车身、动臂、斗杆、铲斗调入机车底盘装配体中，并定义约束类型为销钉，再将活塞缸和摇杆依次调入；由于活塞杆与摇杆之间要产生空间滑动，所以定义为圆柱连接，活塞缸和摇杆与机车销钉连接；连接构件分别为机车底盘与车轮轮胎、机车底盘与机车回转车身、动臂与机车回转车身、动臂与斗杆、铲斗与斗杆、活塞缸与摇杆、活塞缸与机车体、摇杆与机车体。其中，除活塞缸与摇杆为圆柱连接外，其他均为销钉连接。

仿真预想轨迹：斗杆和动臂一起运动以实现挖掘工作，将动臂向上抬起同时斗杆附加转动，以保持铲斗处于水平位置，然后机车车身回转，斗杆和铲斗同时转动，实现卸土工作，最后机车回转车身旋转至最初位置。

电机位置的确定：点击定义伺服电机功能键，选取动臂与机车转轴命名为servomotor1，点击轮廓设置参数，规范设置为速度，定义模为2，然后点击运用。以同样的方法设置其余电机，机车总体设置9个电机。

由于电机数目较多，同时设置每一个电机的运动时间，可能会达不到预期效果，所以采用了单一变量法的设置方式完成了机车整体的仿真。即其余电机不转，而只让一个电机转动，观察运动件的运动范围。依此方法运用于其他电机上，记录下每一个零件的运动时间，然后算出整个仿真所用的总时间，再以总时间为总体分配给各个分解运动所需时间，这样就能精确仿真出挖掘机的预期运动。手臂运行流程如图3所示。

通过仿真，基本实现了预想的运动轨迹，利用Pro/E对动臂与底座回转装置之间的销钉进行运动分析。由于销钉与动臂之间为固态连接，所以其转动角度也为动臂的转动角度。

图3 手臂运行流程

对动臂与底座回转装置之间的销钉进行真实工况下的运动分析，其中横轴代表时间，纵轴代表转角转速（图4）。可以发现，大约在30 s和84 s时图4a转角转速的突变，这也符合挖掘机真实作业情况下动臂的运动情况，基于手臂在挖掘工作过程中的多变性，对其运动连接点进行速度优化，以降低速度连接点之间产生的加速度，从而改善手臂运动的灵活性。图4b是采用二次速度曲线分别对仿真过程中30 s和84 s时产生的角加速度进行的优化，其角加速度明显改善。