基于ANSYS和ADAMS的连续液压装载机装载部研究

收稿日期：2010－10－30
作者简介：裴博文（1985－），男，河南浚县人，2010年毕业于中国矿业大学机电工程学院，现研究方向为机械电子工
程。

基于ANSYS 和ADAMS 的连续液压
装载机装载部研究
裴博文
（中国矿业大学机电学院，江苏徐州221116）
摘
要：文章主要介绍了连续液压装载机装载部设计的部分过程，分析了工作机构简化成连
杆机构的空间位置关系，写出了对应的矩阵方程，通过MATLAB 编程计算出了连杆长度矩阵。

用ADAMS 对连杆机构进行了动力学分析，得到各关键点的扭矩值，为液压系统的设计提供了指导。

将CATIA 建立的铲斗模型导入ANSYS ，划分单元、添加载荷与约束、求解出相应的应力和应变的结果，并对结果做了相关分析，为类似机构的设计提供了一种可行的通用性方法。

关键词：ANSYS ；MATLAB ；装载机；有限元分析方法
中图分类号：TD422.3
文献标识码：B 文章编号：1671－0959（2011）08-
0114-031
井下连续液压装载机
装载工作是整个地下采矿工作的重要环节，其工作量最大，费时间最多，对整个采矿工作效率影响很大。

在掘进循环作业过程中，消耗在这方面的时间占总时间的30% 40%。

在井下回采出矿中，装载作业同样占很大比重
［1］。

一台连续液压装载机的工作量与300 400人的劳动
量大体相当。

因此，在井下选用装载机会极大地提高采运工作效率，为企业创造更多的财富。

井下连续液压装载机装运部由装载部、运输部、行走部、车架、驾驶室等部分组成，文章以装载部的设计为例，介绍了装载机的设计方法。

装载部的结构组成如图1所示。

图1装载部结构简图
2装载部基本尺寸的确定
为方便分析，装载部主要工作机构可简化为3段由运
动副相连的连杆，其在竖直平面内和水平面内表示。

其水平面内的空间机构图如图2所示。

其竖直平面内的空间机构图如图3所示。

由其工作机构简化图，取P （x ，y ）为l 3端点，可得其运动基本方程为：
l 1cos θ1+l 2cos θ2=x l 1sin θ1+l 2sin θ2{
=y （1）
将式（1）写为矩阵形式，即为：
cos θ1
cos θ2
sin θ
1
sin θ[]2
l 1
l
[]2
=x +c
[]y +h （2）
式中，h ，c 分别为杆1起始点的横坐标和纵坐标。

将式（2）写成矩阵方程，即为［θ］［L ］=［P ］，其中［θ］为转换矩阵；［
L ］为杆长矩阵；［P ］为得到的坐标位置矩4
11装备技术煤炭工程2011年第8期
阵。

将式（3）式变换为［L ］=［θ］－1
［P ］的形式，即可得
到杆长矩阵。

其展开式为：
l 1l []2
=
cos θ1
cos θ2sin θ
1
sin θ[]2
－1
x +c
[]
y +h （3）
据不同的设计条件，对计算参数加以约束，从而方便地利用MATLAB 编程求解
［2］
以得到各连杆的基本尺寸。

由
此得到了所需的连杆计算尺寸：l 1=1050mm ；l 2=800mm ；θ1=10ʎ；θ2=6ʎ。

虽然这组数据满足约束条件，但还须根据实际条件建立进一步的约束关系以得到更符合实际工况的尺寸，具体过程这里不再赘述。

这为设计类似的工作机构提供了一种可行的通用性方法。

3关键点扭矩的分析
将之前计算出的连杆尺寸代入ADAMS 中建模，添加运
动副，增加运动规律（为方便建模采用的标准正弦函数，实际可根据Fourier 级数选择合适的阶数进行插值），之后便可进行动力学仿真。

仿真结果虽然有一定失真，但仍对液压系统的选型有一定的指导意义。

由仿真过程得到的1、2、3点扭矩图如图4、图5、图6所示。

4
工作机构（铲斗）的有限元分析
在设计出连杆机构的基本尺寸后，利用ANSYS 软件对其进行有限元分析，实现对设计结果的校核
［3］。

将CATIA
中建立的模型导入pro /E 中，经过pro /E 的格式转换导为实体化的igs 文件，即可顺利导入ANSYS 进行分析。

4.1选择单元类型
将建立的模型导入ANSYS 后，选择单元类型为solid
10node 92单元，该单元为10节点四面体单元，可用于实体网格的划分操作。

4.2定义材料属性
选择材料属性（Material Props ），再选择其中的材料模
型（Material Model ），定义材料类型为各向同性（isotropic ），弹性模量E 和泊松比μ分别定义为2.06e11和0.3。

4.3划分单元网格
根据选择的单元类型，对导入的模型进行网格划分。

4.4
施加约束和载荷
选择Solution －＞Define Loads －＞Structural ，用下面的
Displacement 和Pressure 命令对铲板工作处施加面载荷20MPa （与理论计算值相同），以及固定处施加面约束。

4.5对已建立模型的求解
选择Solution －＞Solve 中的Current LS 命令可以求解已
建立的模型。

4.6模型的后处理（数据输出）
弹性材料受外力作用时在一定范围内会保持弹性变形的
状态，取消外力后会恢复原始形状。

超过某一临界点后，取消外力也不能恢复原有状态，这称为材料的屈服，该临界点称为材料的屈服极限。

在实际工程中，受力状态通常十分复杂，为了判断材料的内部应力是否达到屈服极限，需要据一定的理论来设计一种耦合应力标量表示材料内部应力状况。

该值的大小可以反映材料是否已达到屈服极限，进入了塑性变形阶段。

本文所选取的标量应力为著名的Von Mises 应力。

本例分析的Von Mises 应力分布情况如图7所示。

图7铲斗Von Mises 应力分布图
由图7可知，其最大应力值为与手工计算值相比偏大。

但仍然满足强度要求。

模型的应变分布图如图8所示。

由图8可知，在普通工况下其Von Mises 最大应变量为
εmax =0.94ˑ10－3。

（下转第118页）
5
112011年第8期煤炭工
程
装备技术
图5转弯时驱动轮与履带板1的作用力
合时间上的差异形成的。

对比图4和图5可知，履带板在转弯时所受的力近似于前进时所受力的7 8倍，因此转弯时履带板更易磨损，在设计与校核强度时应考虑到履带板所能承受的最大载荷。

图6转弯时1 6履带板X方向作用力对比
5结语
运用三维软件SolidWork建立了行走支架履带行走机构实体模型，在ADAMS/VIEW环境下，结合实际情况建立了虚拟样机。

对机构进行动力学仿真分析，仿真结果表明，建立的仿真模型是合理的。

从数值上得出驱动链轮及履带
图7转弯时1 6履带板Y方向作用力对比
板分别在行走支架前进时的力矩和力与行走支架转弯时的最大力矩和最大力之间的关系，对改善关键零部件设计，为后继的有限元分析打下了理论基础，同时对其它大型机械的履带行走装置的动力学仿真研究有一定的借鉴意义。

参考文献：
［1］朱艳芳，翟雁，郭晓波．基于ADAMS的履带车辆行走系统性能的仿真［J］．传动技术，2008，22（2）：29 31．
［2］李春英，赵瑞萍．两种履带行走机构的讨论［J］．煤矿机电，2008，（4）：79．
［3］陈雪飞．EBZ135掘进机行走机构的设计［J］．机械工程与自动化，2008，（6）：132 133．
［4］王水林，邹月伟，李海伟．基于ADAMS的仿真技术在履带行走装置的应用［J］．机电产品开发与创新，2008，21（3）：
44 48．
［5］李增刚．ADAMS入门详解与实例［M］．北京：国防工业出版社，2007．
［6］李海伟．55矿用挖掘机履带行走装置动力学研究［D］．长春：吉林大学，2008．
（责任编辑赵巧芝
櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗
）（上接第115页
）
图8铲斗Von Mises应变分布图
5结论
1）根据模型的空间位置关系，用MATLAB编程可以方便地通过添加逻辑约束条件实现对杆长数据的筛选，可以从杆长数据中得到最希望得到的那组解。

这为设计类似的连杆类工作机构提供了一种可行的通用性方法。

2）利用ADAMS进行动力学仿真的过程会产生一定的失真，因为所建立模型不够精确，而且实际现场工况对及其工作性能的影响因素十分复杂。

但得到的结果对液压系统的设计仍具有一定的指导意义。

3）经过计算机仿真得到的最大Von Mises应力值为σ
max
=
190MPa比手工计算的应力值σ
max
=146.4MPa值偏小，原因是手工计算的不是据珔σ=（σ1－σ2）2+（σ1－σ3）2+（σ2－σ3）
槡2得出的等效应力值，而是以正应力和剪应力分别表示的条件。

参考文献：
［1］高梦熊．地下装载机结构设计与使用［M］．北京：冶金工业出版社，2001．
［2］薛定宇，陈阳泉．基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用［M］．北京：清华大学出版社，2002．
［3］胡仁喜，王庆五．ANSYS8.2机械设计高级应用实例［M］．北京：机械工业出版社，2005．
（责任编辑赵巧芝）
811
装备技术煤炭工程2011年第8期。