工程机械臂系统结构动力学及特性分析

2018-03-30梁玉强

现代制造技术与装备 2018年4期

梁玉强

（太原学院，太原 030000）

现代工业技术发展快速，社会生产规模越来越大，自动化程度越来越高，在整个生产过程中，工程机械臂的应用至关重要。在控制技术、计算机技术及传感器技术日渐成熟的背景下，工程机械臂呈现出精密化、智能化的发展趋势，这就给工程机械臂的设计提出了更高的要求，人们需要全面分析工程机械臂系统结构动力学及特性，以此来为设计实践提供依据。

1 工程机械臂系统结构动力学分析

1.1 多体系统动力学

从本质上来讲，工程机械臂系统属于一种多体系统，这就需要对多体系统动力学进行分析[1]。多体系统动力学以多体系统运动规律为主要研究对象，主要包括多柔体系统动力学和多刚体系统动力学两个方面，二者之间有着密不可分的关系，具体如图1所示。

图1 多刚体系统与多柔体系统关系

目前，国内外对多刚体系统动力学研究较为成熟，形成了完善的理论体系，但对于多柔体系统动力学的研究还处于起步阶段，相关计算方式及模型建立等还有待探索，尤其对于结构复杂性较高的柔性体系来说，其模型建立、计算求解公式等方面存在诸多问题[2]。多柔体系统动力学建模有着较高的复杂度，对于相关求解方程式的精准度也有着较高的要求。而机械臂属于一种复杂的机械结构，在进行动力学及特性分析的过程中，还难以有效应用多柔体系统动力学建模方式，需要进一步深入研究。

1.2 工程机械臂

在整个工程机械系统中，工程机械臂扮演着重要的角色，工程机械臂的设计质量与工程机械整体性能有着密不可分的关系。就目前来看，对工程机械臂的研究主要集中在两个方面。

一是对工程机械臂系统动力学微分方程建模的相关研究。工程机械臂属于多体系统，在建模的过程中，需要采用多体动力学方式，以拉格朗日理论为基础，在广义坐标系中建立其挖掘机结构运动模型简图，建立机械臂力学模型，以此来为分析机械臂中相关运动分析奠定基础。

二是对工程机械臂动力学仿真的相关研究，以动力学分析软件或数值求解方法为基础，进行工程机械臂的仿真。当前较为常用的仿真软件有MATLAB软件、ADAMS软件等，通过对工程机械臂的仿真来分析其动力学特性。

2 工程机械臂系统结构动力学特性研究

2.1 工程机械臂运动分析

工程机械臂主要用于挖掘机之上，而挖掘机在开采工程、土建施工等领域应用广泛，机械臂的性能一定程度上能够反映整个工程机械设计水平，本文以单斗反铲液压挖掘机为例，简要分析工程机械臂的运动情况。

动臂、铲斗、斗杆、液压缸及液压控制系统等是挖掘机的主要工作部分，在工作的过程中，液压控制系统启动，动臂液压缸会产生压力，动臂在液压缸压力的作用下围绕着铰点进行转动，斗杆液压缸也会产生压力，斗杆在压力作用下则会围绕铰点做上下摆动，以此来将铲斗铰接到斗杆之前，铲斗液压缸产生压力，配合摇杆与连杆驱动，在联合作用下，铲斗围绕着铰点转动[3]。单斗反铲液压挖掘机的工程机械臂系统属于多体系统，在工作范围内，能够实现任何角度的旋转，操作灵活，使用方便，适用范围广泛，通过机械臂的运动来完成挖掘工作，在工作的过程中，工程机械臂的受力情况与运动情况较为复杂，动力学特性与其工作性能和挖掘水平息息相关。

2.2 工程机械臂系统结构优化

在工程机械结构设计与研究领域，结构优化设计一直备受关注，研究实践表明，即使机械结构强度达到或超过设计标准，其在实际工作的过程中，受到工作环境、使用强度及使用年限等因素的影响，也难免会出现结构性损伤与破坏，因此，对机械机构进行动态优化设计是十分重要的。在工程机械臂系统设计方面，结构动态优化的应用日渐广泛，这得益于各种模拟技术和设计技术的进步。

工程机械臂的工作环境较为恶劣，结构运动较为复杂，有着较高的工作负荷和运动强度，因此经常会出现一些故障和问题。利用动态优化设计方式可以优化工程机械臂系统结构，通过模拟仿真进行工程机械臂的动力学分析，研究其动力学特性。在此基础上，人们可以找出需要优化的结构部位，建立工程机械臂结构优化目标函数，并利用增广拉格朗日乘子法对优化目标函数进行求解，以此为依据即可开展工程机械臂的优化设计，改善其工作性能，从而降低使用过程中的故障概率。

工程机械臂动态优化方法较多，其中典型方法为有限元分析动态法，有限元与优化算法的结合能够节省优化开发时间，提升优化设计效率。有限元分析的应用能够有效满足工程机械臂零部件应力分布需求，利用结构优化技术来优化设计尺寸[4]。但需要注意的是，这种方法在实际应用的过程中会受到商业软件的限制，需要积极发展有限元软件技术，提升优化设计精度和优化可靠性。此外，基于BP神经网络的优化方法也逐步被应用起来，其非线性映射能力较强，能够自动模拟工程机械臂动态特性之间的函数关系，其采用遗传算法来进行最优化设计，能够改善工程机械臂的动态特性，优势较为明显。