基于SimMechanics的挖掘机工作装置运动仿真分析

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基于Matlab的挖掘装载机挖掘装置回转过程的仿真研究

r的取值使回转过程
所用时间 t值有所不同 ,对时间的影响比较小。
图 4 回转半径 r与时间 t的关系曲线
·44·
表 1 该液压缸主要参数
型号
缸径 (mm ) 杆径 (mm )
D (mm )
XV (mm )
ZL (mm ) 工作压力 (MPa) 最大行程 (mm ) 最大静回转阻力矩 M j (N ·m ) 油缸起始驱动力 P起 (MPa) 油缸内径 A1 (mm2 ) 活塞杆直径 A2 (mm2 )
、h
和
r的值不变且等于样机给
定值时
,角
β 0
的不同取值对
ε m
ax的值有明显影响
:
当
β 0
取
45°～90°之间的值时 ,εmax的值相对较大 ,且受
β 0
影响较大
;而
β 0
取
0°～45°和
60°～90°之间的值
时
,εm ax的值相对小
,且几乎不受
β 0
影响
。从图
4可
看出
r对
t影响较大
,而
β 0
、h
和
HSGK01 - 90 /45 E
90 45 114 < 230 307 101. 79 (推力 ) 、76. 347 (拉力 ) 2000 1. 4 ×103 17. 5 6. 36 ×103 4. 77 ×103
(3) 由于 2个回转油缸安装在蛙式支腿上 ,能绕铰接点左右摆动。可看出两油缸安装轴的中心距离 X 受蛙式支腿结构的限制 ,而且要使机构在回转过程中即使发生摆动两油缸也不干涉。这种约束反映在数学表达式上为 : X +D < 550。

基于Matlab-Simulink的挖掘机挖掘力仿真分析

挖掘力的发挥同时受到整机稳定性、工作装置尺寸、液压系统参数、铲斗具体结构等诸多因数影响。整机稳定性可以通过配重调整；工作装置尺寸一定机型一般变化不大；液压系统的压力和流量均受发动机功率限制。反映到工作装置上就是挖掘力和挖掘速度，在主作业区域内通常是挖掘力应该得到优先满足，以下将单独考虑工作装置油缸与挖掘力闻的关系。整机稳定性、特定工况要求、回转
ｏｆｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｗａ８ｄｏｎｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｃｏｕｌｄｂｅｔｈｅｇｕｉｄｅｌｉｎｅｏｆｅｘｃａｖａｔｏｒ’ｓｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｃｖｌｉｎｄｅｒｃｈ００８ｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒａｕｌｉｃｅｘｃａｖａｔｏＥｄｉｇｇｉｎｇｆｏｒｃｅｍａ诺Ｍａｔｌａｂ—Ｓｉｍｕｌｉｎｋ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃａｌａｎｄｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｏｆｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｆｏｒａｈｙｄｒａｕ“ｃｅｘｃａｖａｔｏｒｗｉｔｈＭａｔｌａｂ—Ｓｉｍｕｌｉｎｋｂａ８ｅｄｏｎ
ｒｏｂｏｔｉｃｓｗａｓｅ８ｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅｎｔｈｅｍａｐｏｆｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｌｏａｄａｎｄｃｙｌｉｎｄｅｒｆｏｒｃｅｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ，ａｎｄａｎａｌｙｓｉｓ
工作装置设计好坏是影响挖掘机工作效能发挥高低的重要环节，以前往往只是根据凡个工作点处的铲斗工作状态校验就确定了油缸的尺寸，而对油缸在整个垂直工作面内的状态考虑不多。所以，有必要对挖掘机工作装置油缸与挖掘力的关系进行讨论。ｌ挖掘机工作装置设计要求分析
全液压反铲挖掘机主要用于挖掘停机面以下的土壤，挖掘土壤等级一般不超过ＩＶ级。对于小型机一般要求其能够挖掘ＩＩＩ级土壤。一般是希望在挖掘机前方停机面以下的主要工作区内挖掘力大于等于挖掘阻力的面积尽可能的大。

基于Matlab的挖掘机工作装置动力学建模与仿真

Ｙ１Ｚ１Ｏ１Ｘ１ＦＩＹ２Ｏ２Ｘ２Ｚ２ＪＢＡＥ１５２３４Ｚ４ＮＸ４Ｙ４Ｏ４Ｚ３Ｙ３Ｏ３Ｘ３ＫＬＤＰ!３!２图１挖掘机工作装置机构简图和运动坐标系１．回转平台２．动臂３．斗杆４．铲斗５．行走装置!４Ｃ→→基金项目：福建省自然科学基金资助项目（２００６Ｊ００２４）""""""""""""""""挖掘机的挖掘作业主要由其工作装置来完成，工作装置的受力十分复杂，其动力学模型是挖掘机结构设计与分析、液压系统与控制系统设计的基础［１，２］。

目前对挖掘机的动力学模型研究主要基于两种理论：牛顿－欧拉方程，拉格朗日方程。

前者对每个杆件进行运动和受力分析，分别建立牛顿－欧拉动力学方程，然后再综合求解，得到系统的运动微分方程；后者利用功能平衡原理消除对复杂内力的计算，引入广义坐标描述系统位形，运用数学分析手段来建立系统的运动微分方程［３］。

本文探讨基于经典牛顿－欧拉方程建立挖掘机工作装置动力学模型的方法，利用ｍａｔｌａｂ强大符号计算功能，通过编制Ｍ文件实现动力学方程的自动推导，以某中型挖掘机为例进行模型验证。

１建立运动坐标系用牛顿－欧拉法建立动力学方程必须先确定杆件转动角速度、角加速度以及杆件质心速度、质心加速度。

为了描述工作装置的运动，建立如图１所示的运动坐标系，约定所有坐标系的Ｘ轴和Ｙ轴位于工作装置对称面上，Ｚ轴垂直工作装置对称面指向纸外。

图１中，Ａ、Ｃ、Ｄ分别为回转平台与动臂、动臂与斗杆、斗杆与铲斗的铰接点，Ｎ为铲斗斗齿尖位置；Ｅ、Ｂ为动臂油缸两端的铰点，Ｉ、Ｆ为斗杆油缸两端的铰点，Ｊ、Ｋ为铲斗油缸两端的铰点；坐标系Ｏ１Ｘ１Ｙ１Ｚ１固定在回转平台上，原点Ｏ１与Ａ重合，Ｘ轴水平向右，Ｙ轴垂直向上；坐标系Ｏ２Ｘ２Ｙ２Ｚ２与动臂固接，原点Ｏ２与Ｃ重合，Ｘ轴位于Ａ和Ｃ的延长线上，Ｙ轴方向由右手准则确定；斗杆的随动坐标系Ｏ３Ｘ３Ｙ３Ｚ３和铲斗的随动坐标系Ｏ４Ｘ４Ｙ４Ｚ４方位的确定规则与坐标系Ｏ２Ｘ２Ｙ２Ｚ２相同。

基于MatlabSimMechanics的机械结构仿真技术研究

基于MatlabSimMechanics的机械结构仿真技术研究随着计算机技术的发展，为了满⾜市场竞争对产品⾼性能的要求，对所设计的产品进⾏动⼒学、运动学等⽅⾯的仿真是很必要的。

通过建⽴仿真软件⽀持的产品模型，从⽽实现机电⼀体化产品⽅案的确定，并可以及时快速的利⽤模型仿真结果分析得到反馈信息，进⽽改进和优化设计⽅案[1]。

Matlab软件利⽤强⼤的科学数值计算能⼒和良好的Simulink⼈机交互图形界⾯仿真环境可以对机械系统进⾏建模仿真以及系统参数优化[2、3]。

特别是SimMechanics⼯具箱的推出，使得机械系统的建模与仿真变得更加简便易⾏。

近年来在机械产品仿真设计⽅⾯采⽤MATLAB/Simulink的⽅法已经成为热点。

⽂[4]中在对⼆级倒⽴摆系统的动⼒学⽅程进⾏建模的基础上，将其转化为线性定常系统的状态控制问题，运⽤LQR控制器在MATLAB平台上实现了该系统的最优控制策略，并给出了相应的实验结果。

⽂[5]中运⽤Simulink的基础模块搭建了连杆机构仿真模型，并对六杆机构进⾏了简单的运动学分析。

⽂[6]在介绍了Simulink仿真模块的基础上，利⽤Simulink基础模块对⼆杆操作⼿进⾏了分析和仿真。

但上述仿真基本是采⽤基础模型的搭建和编程的⽅法实现的，这使得机械产品系统设计⽐较繁琐，⽽SimMechanics⼯具箱的推出，使得机械系统的建模与仿真变得更加简便、直观、易⾏。

本⽂分别以平⾯四杆机构和双摆机构为例介绍了SimMechanics⼯具箱的应⽤和技巧，分析了两种机构的仿真结果。

仿真结果表明：采⽤SimMechanics可以更容易地解决机构系统的仿真问题，使⼯程技术⼈员能更专注于对机械系统的各种运动进⾏分析的应⽤设计，并可以得出直观的动画效果。

1.SimMechanics简介SimMechanics是The Math Work公司于2001年10⽉推出的机构系统模块集（SimMechanics Block－set），它可以对各种运动副连接的刚体进⾏建模与仿真，实现对机构系统进⾏分析与设计的⽬的。

基于SimulationX的液压挖掘机仿真研究

ＳｍｕａｉｎｉｌｔＸ具有用户界面友好、建模方式先进等特ｏ点，本文采用该软件作为仿真平台。
１挖掘机仿真模型的建立
１变量泵；２主溢流阀；３换向阀；４二次溢沉一一
５动臂左液压缸；６动臂右液压缸一一
收稿日期：２１－６０；修回日期：２１－８２０００ —１０００ —７作者简介：何彦海（９８）男，北井陉人，程师，科系统元件的参数，并选
择需要仿真的量，开始仿真分析。
２挖掘机仿真模型的运行
进行液压系统的仿真分析。选取常用的开式回路、阀控系统，油缸的上升和下降通过换向阀换向实现。挖掘机液压系统通常采用多路阀进行控制，此处仅取出其中用于控制挖掘机动臂的两联建立系统模型，其液压原理图见图１图１中两个换向阀分别为多。路阀中的两联，因动臂往往需要双液压缸驱动，实际使用中根据需要采用双联联合先导液压方式进行控制，通过先导控制实现动臂双液压缸的联动；主溢流
况时无法有效应对，往往无法达到设计要求的工作能力。采用虚拟样机设计的方法能够设计出满足复杂工作要求的挖掘机，因此这种方法得到越来越高的重视。由于传统的微分方程和差分方程不能够很好地解决真实系统工作中遇到的复杂工作环境，因此，采用大规模专业化的仿真软件进行虚拟样机的仿真分析是

基于虚拟样机的挖掘机工作装置的设计与仿真的开题报告

基于虚拟样机的挖掘机工作装置的设计与仿真的开题报告一、选题背景挖掘机是一个重要的矿山、建筑、道路等重要设备，其工作装置直接影响到其工作性能和效率。

为了提高挖掘机的工作效率和安全性，设计和优化挖掘机工作装置是非常重要的。

传统的挖掘机工作装置设计需要进行大量的试制和试验，耗时耗力，且成本较高。

随着计算机技术和虚拟仿真技术的不断发展，借助仿真软件进行挖掘机工作装置设计和优化的效率和可行性得到了极大提升。

因此，本次选题旨在基于虚拟样机开展挖掘机工作装置的设计与仿真，利用计算机仿真技术对挖掘机工作装置的设计进行有效的评估，为挖掘机工作装置的优化提供理论与技术支持。

二、选题意义1. 提高挖掘机工作性能和效率传统的挖掘机工作装置设计方法需要进行大量的试制和试验，成本高、效率低。

而基于虚拟样机的设计与仿真可以在计算机上进行快速、准确的仿真分析，理论和实践相结合，使得设计方案更加科学合理，能够有效提高挖掘机工作性能和效率。

2. 降低设计成本和周期借助虚拟样机技术，可以在计算机上进行设计和仿真，极大地降低了设计成本和周期。

避免了试制、试验环节，减少了原材料的浪费、节约了时间和人力成本。

3. 优化挖掘机工作装置结构通过模拟挖掘机工作过程中的变形、应力分布等关键参数的计算，分析不同工作状态下工作装置的性能特点，进而优化其设计，使其更加符合实际的工作需求。

三、研究内容和技术路线1. 挖掘机工作装置的结构设计借助现有的挖掘机工作装置结构和仿真软件，进行结构建模和优化设计。

2. 挖掘机工作过程的仿真模拟利用仿真软件对挖掘机工作过程进行建模和仿真。

对挖掘机工作装置在实际工作中的受力情况、承载能力、变形情况进行分析。

3. 挖掘机工作装置设计参数的优化基于仿真分析结果，优化挖掘机工作装置的设计参数，如工作装置的材料、结构形式等，使其更加符合实际应用需求。

4. 挖掘机工作装置实验验证对仿真优化后的工作装置进行实验验证，进一步验证仿真结果的准确性和可行性。

液压挖掘机工作装置的建模与运动学仿真

第１期(总第２１８期)２０２０年２月机械工程与自动化M E C HA N I C A L ㊀E N G I N E E R I N G㊀&㊀A U T OMA T I O NN o ．１J a n ．文章编号:１６７２Ｇ６４１３(２０２０)０１Ｇ００３５Ｇ０２液压挖掘机工作装置的建模与运动学仿真白玉梅,高红斌,宋晓美(山西大学自动化系,山西㊀太原㊀０３０００６)摘要:利用N X 三维仿真软件对液压挖掘机反铲工作装置进行了建模和装配,分析了挖掘机工作装置运动过程中铲斗斗齿尖各工况位置,并对其进行了运动学仿真,得到了铲斗斗齿尖追踪轨迹图和位移曲线图等.关键词:液压挖掘机;工作装置;运动仿真;建模中图分类号:T U ６２１ʒT P ３９１９㊀㊀㊀文献标识码:A山西省优秀人才科技创新项目(２０１８０５D ２１１０３９)收稿日期:２０１９Ｇ１０Ｇ２８;修订日期:２０１９Ｇ１２Ｇ０４作者简介:白玉梅(１９８６Ｇ),女,山西忻州人,讲师,硕士,主要从事涂层热应力研究和机械设备可靠性分析.０㊀引言液压挖掘机在我国机械化作业中起着举足轻重的作用,而工作装置的性能及运动状态又决定了液压挖掘机的使用性能.虚拟设计及运动仿真有效降低了挖掘机设计以及整机性能分析的成本,很多高校及学者已在这方面做了大量的工作,西安交通大学[１]㊁东北大学[２]等很早就运用计算机辅助设计(C A D )对挖掘机的工作装置进行了仿真优化设计;李霞[３]㊁谭琛[４]㊁何彦海[５]和曹永利[６]分别运用U G 软件㊁S o l i d W o r k s㊁S i m u l a t i o n X 和R e c u r D y n 完成了液压挖掘机工作装置的运动仿真.本文在N X 三维建模基础上,利用S T E P 函数真实地模拟了挖掘机的各种工况,并对工作装置的运动轨迹进行了仿真,完成了物理样机无法进行的危险试验,这样可以提供一种直观㊁快捷的分析方法,具有一定的实际意义.１㊀建立工作装置虚拟仿真模型在N X 环境中建立的液压挖掘机工作装置仿真模型如图１所示.动臂由动臂油缸驱动,主要完成回转运动和升降动作;斗杆由斗杆油缸驱动,主要控制铲斗完成挖掘㊁卸料等工作;铲斗油缸和连杆协调控制铲斗绕斗杆前铰点转动.２㊀工作装置运动学仿真及分析２．１㊀最大工作范围斗齿尖轨迹的绘制及分析选择铲斗斗齿尖建立测量点,通过运动仿真得到工作装置的最大运动轨迹图,如图２所示.从图２可测出挖掘机工作装置的一些主要参数:挖掘高度的最大值H １＝９８５５m m ,卸载高度的最大值H ２＝７２２８m m ,挖掘深度的最大值H ３＝７００１m m ,挖掘半径的最大值R ０＝９９９９m m .２．２㊀挖掘过程斗齿尖轨迹的绘制液压挖掘机在实际工作中,并不是按最大工作范围进行作业,因此只模拟其主要作业过程:挖掘提臂卸料降臂.在实际挖掘中,初始挖掘状态铲斗斗齿尖一般选择最大挖掘半径的２/３㊁最大挖掘深度的１/２处.此时,绘制铲斗斗齿尖的运动轨迹,如图３所示.１－铲斗斗齿;２－铲斗;３－连杆;４－摇杆;５－铲斗油缸;６－斗杆;７－斗杆油缸;８－动臂;９－动臂油缸;１０－底座图１㊀液压挖掘机工作装置仿真模型图２㊀斗齿尖最大运动轨迹图３中给出了挖掘循环过程中斗齿尖的运动轨迹:挖掘过程(A B 弧线),提臂过程(B C ㊁C D 弧线),卸载过程(D E 弧线),降臂回到初始位置(E A 弧线),一个工作循环结束.２．３㊀挖掘过程的运动参数分析在上一节的基础上,进一步研究铲斗齿尖的各运动参数.图４(a)为斗齿尖X 轴关于时间的平动位移曲线,从图中可得到挖掘过程的最大半径为８５１９m m ;图４(b)为斗齿尖Y轴关于时间的平动位移曲线,从图中可以看出挖掘过程的最大深度为３９０４m m,最大卸载高度为－３６２３m m(负号只表示在Y轴负方向).图３㊀挖掘循环过程的斗齿尖运动轨迹图４㊀斗齿尖X和Y轴平动位移曲线图５为斗齿尖平动速度幅值曲线.从图５中可以看出:工作装置从开挖点开始,速度逐渐增加并伴有波动;在进入平稳挖掘阶段后,速度变化平稳;在提臂㊁卸载过程,速度幅值相差不大;在降臂回到挖掘点的过程中,速度幅值最大,最大速度为３７３０m m/s.图６为斗齿尖X和Y轴平动加速度曲线,图中曲线突变处是由于作业过程交替时油缸制动引起的,所以在这些交替点会出现加速度的骤变,而在每一个作业中加速度是平稳变化的.３㊀结语本文首先利用N X完成了液压挖掘机工作装置的建模.其次,绘制了工作装置的最大运动轨迹图,并精确测量了挖掘高度㊁卸载高度㊁挖掘深度以及挖掘半径的最大值等.最后,参考挖掘机实际工况对工作装置的实际挖掘过程做了仿真,并绘制了铲斗斗齿尖的运动轨迹图,且分析了液压挖掘机工作装置挖掘过程中铲斗斗齿尖的平动位移㊁平动速度和平动加速度的曲线图.图５㊀斗齿尖平动速度幅值曲线图６㊀斗齿尖X和Y轴平动加速度曲线参考文献:[１]㊀郑家坤．基于虚拟样机的挖掘机工作装置的设计与仿真[D]．西安:西安交通大学,２００５:１Ｇ２０．[２]㊀方良周,宋桂秋,李奎贤,等．M X８０液压挖掘机仿真与优化[J]．建筑机械,１９９８(７):１７Ｇ２０．[３]㊀李霞,王强．U G软件在挖掘机三维仿真设计中的应用[J]．矿山机械,１９９９(５):９Ｇ２２．[４]㊀谭琛,廖贵成．基于S o l i d W o r k s的液压挖掘机工作装置优化研究[J]．煤矿机械,２０１９,４０(１):５７Ｇ５８．[５]㊀何彦海．基于S i m u l a t i o n X的液压挖掘机仿真研究[J]．机械工程与自动化,２０１０(６):１５９Ｇ１６０．[６]㊀曹永利,董致新．基于R e c u r D y n液压挖掘机工作装置动力学分析与仿真[J]．机床与液压,２０１８,４６(８):５０Ｇ５７．M o d e l i n g a n dK i n e m a t i c s S i m u l a t i o n o fW o r k i n g D e v i c e o fH y d r a u l i cE x c a v a t o rB A IY uＧm e i,G A O H o n gＧb i n,S O N GX i a oＧm e i(A u t o m a y i o nD e p a r t m e n t,S h a n x iU n i v e r s i t y,T a i y u a n０３０００６,C h i n a)A b s t r a c t:T h eb a c k h o ew o r k i n g d e v i c e o f t h e h y d r a u l i c e x c a v a t o rw a sm o d e l e d a n d a s s e m b l e du s i n g N X３Ds i m u l a t i o n s o f t w a r e．T h e w o r k i n gp o s i t i o no f t h eb u c k e t t o o t h t i p d u r i n g t h em o v e m e n t o f t h ew o r k i n g d e v i c e o f t h e e x c a v a t o rw a s a n a l y z e d,a n d t h e k i n e m a t i c s s i m u l a t i o nw a s p e r f o r m e d．T h e t r a j e c t o r y t r a c e a n dd i s p l a c e m e n t c u r v e o f t h eb u c k e t t o o t h t i p w e r e g i v e n．K e y w o r d s:h y d r a u l i c e x c a v a t o r;w o r k i n g d e v i c e;m o t i o n s i m u l a t i o n;m o d e l i n g６３机械工程与自动化㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２０年第１期㊀。

基于ADAMS和MATLAB的挖掘机工作装置动力学仿真

基于ADAMS和MATLAB的挖掘机工作装置动力学仿真韩鹏太原重工股份有限公司技术中心摘要：根据我公司某机械式挖掘机的结构及运动特性，采用多体动力学仿真的方法，联合ADAMS与MA TLAB建立该挖掘机工作装置的虚拟样机，对其进行动力学仿真分析，得到挖掘过程中铲斗内物料重力，挖掘阻力以及提升、推压方向的位移、速度、作用力等关键参数的变化曲线。

结果表明，虚拟样机参数选择准确，仿真结果合理，可以快速地预测工作装置的性能，为工作装置的性能设计提供合理依据。

关键词：机械式挖掘机；工作装置；动力学仿真Dynamic simulation of working device of excavator based onADAMS and MATLABHan PengTechnical Center, Taiyuan Heavy Group Co., Ltd., Taiyuan 030024, Shanxi, China Abstract: According to the configuration and characteristics of a mechanical excavator, the virtual prototype of the working device was established with ADAMS and MATLAB based multi-body dynamics method. The dynamic simulation and analysis were conducted, and the variation curves of the gravity of material in bucket, the excavating resistance, the pushing force and the elevating force etc. during excavating process were obtained. The results showed that the selection of virtual prototype parameter was accurate, and the simulation results were reasonable. The simulation method can predict the performance of the working device quickly, and provide reasonable basis for the performance design of the working device.Key Words: mechanical excavator, working device, dynamic simulation大型机械式挖掘机是露天矿山开采的重要装备，直接关系着采矿工作的效率[1]，因此对挖掘机工作装置的性能设计提出了非常高的要求。

基于Matlab的挖掘机工作装置动力学建模与仿真

程：
＝＋＋ ∑
’
（，，２４３）
）＋
（）７
（）８
Ｍ（＋（） ‰ Ｆ｛ｌＧ／）＝ “ ｜ｘ１￣ｉｘｏＩ－
（＝，。）２３４
式中：为杆件ｉ１Ｆ－对杆件ｉ约束力，，的表示杆件【ｉ＋１对杆件ｉ约束力；，为杆件（１对杆件ｉ的约束）的ｉ）－上力矩，为杆件（１对杆件ｉ的约束力矩，）＋上为
ＰｌＸ（尸Ｆ广Ｐｌｘ — ｒＫ广ｍ＋ｏ２ｌＸ０＋ｏＪ（【２－－
偶、与
的作用力，与为斗杆油缸作用在动臂和斗杆上的作
用力，为铲斗油缸对斗杆的作用力，为摇臂对斗杆凡的作用力，为连杆对铲斗的作用力，、构成为凡凡、
、
（一一ｍ
Ｐ＋ＩＰｌ尸２Ｆ（）尸Ｉｌｘ（ｂ × １ｘ＋＋Ｆ０）
的正向为逆时针方向，与：为一对作用反力为一对作用反力偶；。动臂油缸对动臂为
Ｍ２一３ｌＰｘ — ）Ｐｌ『ＰＩ＝２＋２ｏ（ｍ＋＋ｏｘＢｏｘｌ
式中：为杆件ｉ的惯性力，为杆件ｉ性力矩，杆惯ｍ为件ｉ量，为杆件ｉ质Ｊｒｆ的转动惯量，、、ａ由式（）（）１、２、（）算得出。４计根据受力分析图，列出任一杆件的力和力矩平衡方
１３６ｇ・Ｉ，＝２ｋＩ，＝５ｋ ‘ Ｉ，＝５６ｇ５６ｋＩ，１８６ｇ・Ｉ，４２２ｇＩｍ２１６ｋ，ＴＴＴ

液压挖掘机工作装置建模分析与仿真

液压挖掘机工作装置建模分析与仿真钟星;邵辉;胡伟石【摘要】针对液压挖掘机运动学和动力学建模复杂过程,以某型6t挖掘机工作装置为研究对象,利用Sim-Mechanics对机械结构进行快速建模,从而代替运动学模型获得挖掘机机构模型.采用Pro/E软件对液压挖掘机工作装置建立三维模型,将其导入ADAMS环境中,并对比验证作业结果.在ADAMS软件中,对挖掘机工作装置进行动力学仿真,得到液压挖掘机的工作特性曲线.仿真结果表明:理论上添加的载荷能够体现在各个驱动关节处受力变化中,相比其他阶段,在挖掘阶段关节受力矩变化影响较为复杂.%Motivated by complicated kinematics and dynamics modeling processes for hydraulic excavator,the presented paper aims to analyze mechanism modeling in 6 t hydraulic excavator.By usingMATLAB/SimMechanics,the mechanical structure of the excavator was modeled rapidly instead of kinematics model.Its 3D model was constructed by using Pro/E and it was imported to ADAMS for remodeling.The reachable working area was compared with the result given by SimMechanics model.Furthermore,dynamics simulation of excavator working device were carried out with ADAMS software,and the working characteristic curves of the hydraulic excavator were obtained.The results of the simulation show that in theory added load on excavator bucket can be reflected in the torque change at each pared with other stages,the torque change is more complicated in the excavation stage.【期刊名称】《华侨大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(038)005【总页数】6页(P602-607)【关键词】液压挖掘机;机构模型;动力学分析;ADAMS软件【作者】钟星;邵辉;胡伟石【作者单位】华侨大学信息科学与工程学院,福建厦门361021;华侨大学信息科学与工程学院,福建厦门361021;华侨大学实验室与设备管理处,福建厦门361021【正文语种】中文【中图分类】TU621Abstract： Motivated by complicated kinematics and dynamics modeling processes for hydraulic excavator, the presented paper aims to analyze mechanism modeling in 6 t hydraulic excavator. By usingMATLAB/SimMechanics, the mechanical structure of the excavator was modeled rapidly instead of kinematics model. Its 3D model was constructed by using Pro/E and it was imported to ADAMS for remodeling. The reachable working area was compared with the result given by SimMechanics model. Furthermore, dynamics simulation of excavator working device were carried out with ADAMS software, and the working characteristic curves of the hydraulic excavator were obtained. The results of the simulation show that in theory added load on excavator bucket can be reflected in the torque change at each joint. Compared with otherstages, the torque change is more complicated in the excavation stage. Keywords： hydraulic excavator; mechanical structure model; dynamics analysis; ADAMS software挖掘机是执行各项工业工程任务的重要设备，在工业、交通、运输、建筑、水利、矿山开采等各个领域中已被广泛使用[1].在某些复杂、危险及特殊的工作场合，冲击和振动多,不适合人工操控，自主挖掘成为不可或缺的得力助手，这也促使挖掘机向智能化、自动化方向发展.对液压挖掘机的工作装置进行建模分析是实现自动挖掘的重要研究基础.卡内基梅隆大学设计出能够按照一定的策略自主挖掘装载的机器人[2-3].Hall等[4]将迭代算法运用于对挖掘机的铲斗运动轨迹的控制，并将该算法应用于其他多杆机构.Tomi等[5]讨论了用全球定位系统(GPS)及CAD模型精确定位挖掘机的移动位置的方法，并采用ADAMS与MATLAB/Simulink进行了联合仿真验证.目前，大多采用类比法、查阅表格法、相关理论计算等对挖掘机工作装置进行作业可达范围研究[6].这些方法计算量大、精度低且耗时.以往的动力学分析主要集中在强度、刚度、结构优化等方面[7-8]，对动态过程的动力学分析较少[9].为此，文中对液压挖掘机工作装置进行建模分析与仿真[10].以某型6 t液压挖掘机为研究对象，在MATLAB工具箱中的SimMechanics基础上，建立挖掘机机械结构模型，只需根据动臂、斗杆和铲斗的绝对转角变化信息，即可获得挖掘机作业轨迹和可达范围.该方法简化了计算和分析过程，简单快捷.同时，采用Pro/E软件建立挖掘机工作装置的三维模型，并将其导入ADAMS软件中，添加相应的运动副、约束和驱动函数，进行仿真、对比、分析，验证其可行性.1.1 基于MATLAB/SimMechanics建立机构模型液压挖掘机结构示意图[11-13]，如图1所示.图1中：A～D分别为动臂下铰点、动臂与斗杆的铰点、斗杆与铲斗的铰点、斗齿尖.利用MATLAB/SimMechanics建立挖掘机仿真模型的步骤，如图2所示.基于MATLAB/SimMechanics的工作装置模型，如图3所示.图3中：工作装置模型是由1个机械环境模块、1个地模块、3个刚体模块、3个关节转动副模块和3个铰接点运动激励模块等组成.文中刚体质量、转动惯量和质心均不予以考虑，并根据6 t挖掘机的实际参数对应于各个模块进行赋值.1.2 基于Pro/E与ADAMS建立机构模型运用Pro/E对液压挖掘机工作装置建立三维模型，如图4所示.利用PARASOLID格式将挖掘机几何模型导入ADAMS中，并添加相应的运动副和约束，为挖掘机工作装置分配时间，添加驱动函数.1.3 仿真与分析基于SimMechanics建立的机构模型,在其可达范围仿真过程中，时间设为无限长，初始状态为各关节最大伸展状态.挖掘机模型在t=7.2 s时的状态图，如图5所示.t=9 605 s时，铲尖运动轨迹的输出情况，如图6所示.图6中：LX,LY分别表示X,Y方向上的位移.由图6可知：最大挖掘深度h1=4.531 1 m，最大抬升高度h2=5.497 1 m，最大水平挖掘范围h3=5.562 8 m.完成包络线的运动过程中,各曲线段运动过程中动臂、斗杆和铲斗的动作情况,如表1所示.基于ADAMS建立的机构模型,在其可达范围仿真过程中，采用ADAMS函数库中的STEP函数控制液压油缸的伸缩行程，设置各个液压油缸STEP函数，如表2所示.在铲尖处创建Marker测量点，方便对铲尖位置的测量.选取初始状态为各液压缸全缩状态，仿真时间设置为16 s，步长为500，仿真计算并显示结果.通过运动仿真绘制的挖掘机工作装置作业范围,如图7所示.为了验证仿真模型的可靠性，将图6,7所示的结果进行比较.由图6,7可知：运用SimMechanics获得挖掘机工作过程中，最大挖掘高度、挖掘半径、卸载高度与ADAMS软件仿真模拟实际作业结果基本吻合，从而验证了方法的正确性.2.1 挖掘载荷的计算液压挖掘机在进行挖掘任务时，可采用斗杆挖掘、铲斗挖掘和混合挖掘等多种作业方式，工作装置所承受的挖掘阻力因采取的挖掘方式不同而不同[14-15].一般情况下，挖掘过程是以各液压油缸同时伸缩的混合挖掘方式进行的[16-17].挖掘阻力可按照挖掘轨迹的切线方向和法线方向分解为WQ和Wf[18]，有式(1)中：K0为挖掘比阻力系数；b为铲斗平均宽度或挖掘宽度；h为挖掘深度；μ挖掘阻力系数.对液压挖掘机完成一个挖掘工作周期进行研究.其中，工作周期包括到达挖掘起始点位置、挖掘、提升和卸料4个环节.故采用混合挖掘机阻力进行计算，挖掘土壤类型选取Ⅲ级，挖掘比阻力系数K0取19.5 N·cm-2，斗宽b取90 cm，挖掘深度h取27.9 cm，挖掘阻力系数μ取0.42.计算得WQ=48.96 kN，Wf=20.57 kN.挖掘土壤产生的重力为式(2)中:ρ为土壤的密度，取1.8×10-6 kg·m-3；g为重力加速度，取9.8 m·s-2；V为铲斗容量，取0.25 m3.经过计算，可得G=4.4 kN.2.2 仿真与分析在进行动力学仿真前，利用ADAMS建立的挖掘机工作装置模型，在一个基本的工作周期内，对各个阶段进行时间分配、驱动函数添加与载荷的添加.液压挖掘机的工作循环图，如图8所示.选取动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸均全缩的状态为初始状态，仿真时间设为20 s，步长为500，通过后处理模块得到的特性曲线，如图9～12所示.由图9可知：土壤重力是从2 s初铲斗开始执行挖掘任务时,由零逐渐增大，在7 s 末挖掘任务结束时，重力增加至最大值4.40 kN，此时，铲斗处于满载状态；之后，在动臂提升阶段至卸载前均保持不变，到11 s初铲斗开始卸载，重力不断减小，直到16 s末土壤完全卸空，重力降为零；挖掘法向和切向阻力在2 s初铲斗进行挖掘时,由零逐渐增大，在4.5 s末分别达到最大值48.96，20.57 kN;然后,随着铲斗开始收斗后逐渐减小，直至完成挖掘任务后降为零.由此可知，载荷和重力可以合理地体现在挖掘的过程中.按时间顺序对图10～12进行如下分析.1) 0～2 s是到达初始挖掘点(最大挖掘半径点)阶段.该阶段是由动臂油缸完成，动臂油缸伸长至2 s末，到达最大位置0.35 m，油缸速度先增后减，斗杆油缸与铲斗油缸位移(L)和速度(v)均保持不变.由于自重与惯性力的影响，动臂的驱动关节力矩(T)有一个较大的突变，在短时间内减小至零，然后增大，另外2个驱动关节力矩较小，且变化幅度也不大.2) 2～7 s是挖掘阶段.此阶段由斗杆油缸与铲斗油缸共同配合完成，斗杆油缸在2 s初开始伸长，6 s末到达最大位置0.55 m，随后保持不变.铲斗油缸从3 s初伸长至7 s末，到达最大位置0.565 m.斗杆油箱和铲斗油缸速度均呈现先增后减的状态，而动臂油缸位移与速度则保持不变.3个驱动关节力矩均经历了先增后减的过程.在4.3 s时，斗杆的驱动关节力矩达到最大值，铲斗的驱动关节力矩达到最大值，动臂的驱动关节所受力矩达到最大值.之后，3个驱动关节力矩除了在6.8 s左右至挖掘任务即将结束时，动臂的驱动关节力矩有小幅度增加，其余总体趋势大致都在减小，由此可知，液压油缸的减速伸长对挖掘机工作装置系统造成了一定的冲击影响.3) 7～11 s是满铲提升阶段.在此阶段中，斗杆油缸与铲斗油缸均不动作，动臂油缸由原来的0.35 m收缩至0.10 m.其中，3组油缸速度均经历了先增后减的过程，3个驱动关节力矩基本稳定.4) 11～16 s是卸载阶段.此阶段中，动臂油缸不参与运动，故动臂油缸不动作，速度为零.斗杆油缸在11 s初收缩，14 s收缩至最短，油缸速度也在同时刻先增后减，铲斗油缸在14 s开始收缩直至卸载结束，油缸速度在11～14 s，以及14～16 s均经历了先增后减的过程.由于自重和惯性力的作用，3个驱动关节力矩都有所增加，卸载过程所受外载荷越来越小，所以驱动关节受力矩有些许的突变.5) 16～20 s是返回初始状态阶段.该阶段动臂油缸收缩至最短，速度先增后减.斗杆油缸与铲斗油缸位移和速度均保持不变.3个驱动关节力矩基本都是平稳下降的，仅在动臂开始和制动时有小幅度的突变.纵观挖掘机的整个运动过程可知：3个驱动关节力矩总体变化趋势基本相似，但由于挖掘机工作姿态的变化对动臂的驱动关节力矩产生一定的冲击影响，突变明显.工作装置惯性载荷与挖掘机液压系统对其存在密不可分的影响.在自动挖掘过程中，通过实时分析获得各个驱动关节力矩、液压缸位移和速度变化曲线，为更好地实现平滑挖掘，高效挖掘奠定基础.对挖掘机工作装置机械结构与动力学问题进行理论建模，利用SimMechanics快速建模绘制机械结构运动的包络图，获得挖掘机可达工作范围，进一步运用Pro/E 对挖掘机工作装置建立三维模型，将模型导入ADAMS软件，对挖掘机工作装置的作业范围进行对比，验证方法的正确性.采用ADAMS软件，对挖掘机工作装置进行动力学仿真，得到挖掘机油缸位移、速度和各个驱动关节力矩与时间的特性曲线，对实现自主挖掘具有重要意义.仿真结果表明：理论上添加的载荷能够体现在各个驱动关节处受力变化中，相比其他阶段，受力矩变化较为复杂的是在挖掘阶段，该研究为今后挖掘机实现自动挖掘提供理论依据,为进一步研究挖掘机自主平滑避障轨迹规划和有限元分析力的加载奠定基础,也为实际的挖掘作业提供指导.【相关文献】[1] 吕鹏伟.液压挖掘机工作装置动力学特性的研究[D].太原：太原科技大学,2013.[2] PEYRET F,JURASZ J.The computer integrated road construction project[J].Automation in Construction,2000(9):447-461.[3] SINGH S,CANNON H.Muti-resolution planning for earth moving[C]∥Proceedings International Conference on Robotics and Automation.Leuven:[s.n.],1998:121-126.[4] HALL A S,MCAREE P R.Robust bucket position tracking for a large hydraulic excavator[J].Mechanism and Machine Theory,2005,40(1):1-16.[5] TOMI M,KELERVO N,RAUNO H.Automation of an excavator based on a 3D CAD model and GPS measurement[J].Automation in Costruction,2006,15(5):571-577.[6] 李杨民,谢存禧,王骥湘.液压挖掘机工作装置动臂、斗杆机构的多体系统运动学分析[J].建筑机械,1994(11):22-25.[7] LEE M C,CHUNG S H,CHO J H,et al.Three-dimensional finite element analysis of powder compaction process for forming cylinder block of hydraulic pump[J].Powder Metallurgy,2008,51(1):89-94.[8] SUI Tianzhong,WANG Lei,TAN Zhen,et al.Structural parameters optimization of excavator working device based on mining process[J].Advanced MaterialsResearch,2012,421:759-763.[9] 张树忠,邓斌,柯坚.基于液压变压器的挖掘机动臂势能再生系统[J].中国机械工程,2010,21(10):1160-1166.[10] 吕广明,刘明思,杨扬,等.基于Pro/E ADAMS的液压挖掘机工作装置的动力学仿真分析[J].建筑机械,2013(17):86-90.[11] 林慕义,史青录.单斗液压挖掘机[M].北京:冶金工业出版社,2011:35-57.[12] 刘韬.液压挖掘机工作装置结构特性分析与仿真[D].长沙：中南大学,2010.[13] 郑东京.挖掘机工作装置的有限元分析及其仿真[D].杨凌：西北农林科技大学,2011.[14] 王敏.液压挖掘机工作装置的动态仿真及有限元分析[D].西安：长安大学,2015.[15] 王在昌.液压挖掘机工作装置动力学分析及有限元优化分析[D].济南：山东科技大学,2011.[16] 张桂菊,肖才远,谭青，等.基于虚拟样机技术挖掘机工作装置动力学分析及仿真[J].中南大学学报(自然科学版),2014(6):1827-1833.[17] 郭银赛,张毅,程明科.基于虚拟样机技术的挖掘机工作装置运动仿真与优化设计[J].机床与液压,2015,43(15):169-172.[18] 李渊博,何清华,张大庆.液压挖掘机工作装置动力学分析与仿真研究[J].机床与液压,2006(10):170-171.。

基于AMEsim的液压挖掘机运动及控制仿真

基于AMEsim的液压挖掘机运动及控制仿真作者：王涛陶薇摘要：运用法国AMESim软件平台对液压挖掘机的工作装置进行了建模，通过设置主要参数，实现了其机电液一体化系统的运动仿真，通过对动臂液压缸、斗杆液压缸、铲斗液压缸采用PID控制使其能够自动地实现较精确的轨迹跟踪完成自动挖掘，为设计人员提供了一条有效的设计手段。

关键词：液压挖掘机AMEsim PID控制液压挖掘机是结构最复杂、用途最广的工程机械之一，它在工业与民用建筑、水利电力工程、矿山采掘以及军事工程等施工中起着极为重要的作用。

随着工程机械机器人化的研究发展，液压挖掘机的自动化也逐渐成为各国的研究重点，尤其是局部自动化，在这方面的研究中，多数工作集中在对挖掘机的工作装置进行控制。

目前国内外对于挖掘机工作装置控制的研究中，通常把其工作装置作为多自由度的机器手来处理，控制工作装置的末端(即铲斗尖)以跟踪规划好的期望轨迹，期望轨迹就被称为铲斗轨迹控制中的目标值；如：自动挖掘，自动装载等[1]。

因此本文着重点就是对定点挖掘过程中的挖掘机机电液一体化系统进行运动仿真并通过采用PID控制器以更好地跟踪期望轨迹实现自动挖掘。

挖掘机液压系统是由多个液压元件组成的复杂非线性系统，各液压元件间依靠液压介质进行能量的传递，同时依靠控制系统传递的控制信号实现压力、流量的控制。

对挖掘机这样的复杂系统进行定性和定量的仿真，依靠传统的仅用微分和差分方程的方法是不能很好地模拟系统实际的各种工作性能，目前有的采用Matlab对挖掘机液压系统进行仿真[2]。

有的采用Adams软件对其机构进行动力学仿真[3]。

但是要对挖掘机这种复杂机电液一体化系统进行综合仿真(液压系统和各种控制系统及动力学联合仿真)，仅采用Matlab或Adams软件是很难实现的，必须利用多个软件之间的接口进行联合仿真。

而本文所采用的法国AMESim仿真软件正好适合对挖掘机进行机电液一体化系统的综合仿真。

1 挖掘机机电液系统的建模挖掘机工作装置主要由动臂、斗杆和铲斗组成，其三者的协调运动是由3组液压缸的伸缩联动来实现。

挖掘机工作装置的虚拟样机建立及运动学仿真——以农用液压挖掘机为例

［］石伯强，炎华．ＤＭ５申ＡＡＳ基础与工程范例教程［．Ｍ］北京：中国铁道出版社，０７２０．
』
；、，
ｔ
Ｄ
１
［］黄伟．６液压挖掘机工作装置在ＡＡＤＭＳ中的运动仿真分析［］质量技术监督研究，０８５：７—３．Ｊ．２０（）２Ｏ
斗杆液压缸的长度Ｌ和挖斗液压缸的长度。对：
挖到，可能引起土壤崩塌而影响机械的稳定和安全但
于类似的多自由度问题，以分为多个运动过程，可每个过程只有一个自由度，每个过程最后的状态就是下
１
．
［］秦成，３史淑玲．掘机摇臂机构的虚拟样机研究［］机挖Ｊ．
械工程师，０８３：３２０（）１３—１４３．［牛多青．压挖掘机工作装置虚拟样机设计及其有限元４］液
分析［．Ｄ］合肥：安徽农业大学，０８２０．
了材料属性、义了运动副和载荷、加了驱动后前定添处理基本结束，可以进行仿真计算了。仿真计算包就括装配计算、运动学计算、力学计算、平衡计算和动静线性化计算Ｊ。
运动学计算要求系统在添加运动副和驱动后自由
上添加３个驱动，挖掘机工作装置具有确定的运则动，以进行运动学分析。建立好的虚拟样机如图２可

液压挖掘机工作装置运动学仿真分析_林荣逢

图 7! 动臂液压缸的 ’ + # = 函数
6 5 6! 斗杆液压缸工作仿真仅以斗杆液压缸工作进行挖掘时 $ 铲斗的挖掘轨迹系以动臂与斗杆的铰点为中心 $ 斗齿尖至该铰点的距离为半径所作的圆弧线 $ 同样 $ 弧线的长度与包角决定于斗杆液压缸的行程 # 当动臂位于最大下倾角并以斗杆液压缸进行挖掘工作时 $ 可以得到最大的挖掘深度 $ 并且也有较大的挖掘
3 # % 斗杆液压缸的长度 3 !和铲斗液压缸的长度 3 3 ) # 显然 $ 当 3 1% !和 3 )为某一组确定值时反铲
装置就相应处于一个确定的几何位置 # 某反铲工作装置液压缸运动参数见表 # 所示 #
表 4! 反铲工作液压缸运动参数表液压缸种类全缩长度 B : 3 > 动臂液压缸斗杆液压缸铲斗液压缸 # K / " ! ! ) # # % " 全伸长度 B : ; < ) # ) K % % ! % ! # ! K # % ) # " ! " :: 最大行程
图 4! 液压挖掘机工作装置简化模型
的虚拟样机模型效果图如图 ! 所示 %
6! 样机模型运动学仿真分析
运动学仿真可确定所关心点的位移 & 速度 & 加速度的变化范围 % 在运动学仿真中 $ b # F bQC R U W \ 9 T只解最少的代数方程 $ 因此 $ 运动仿真系统的自由度必须为零 % 如果指定物体的质量和惯性 $ 运动仿真可以计算出产生某种运动所需的力和力矩 % 除此之外 $ 运动仿真还可以检验所加运动约束是否正确 $ 所以在进行动力学仿真之前进行运 !

挖掘机工作机构的三维建模与仿真分析

安徽建筑工业学院毕业设计 (论文)专业机械设计制造及其自动化班级 08机械（3）班学生姓名陆胜安学号 08210010343 课题挖掘机工作机构的三维建模与仿真分析指导教师李绍青2012 年 5 月20 日摘要液压挖掘机广泛应用于城市建设、道路建设、水利水电工程、矿山采掘等行业，是一种大型的工程机械，对提高劳动生产率，减轻工作强度起着关键作用。

挖掘机的工作装置是挖掘机的重要组成部分之一，研究其工作过程，对于提高挖掘机的工作效率和产品质量有着积极的意义。

而研究这一问题的最好办法就是借助虚拟样机技术。

本文首先介绍了挖掘机的工作装置，并阐述了研究挖掘机的意义和研究现状，在对挖掘机的工作装置的研究过程中引入看虚拟样机技术，并对其进行了介绍。

采用NX I-deas软件进行模型的构建，并进行了虚拟装配，建立了挖掘机的虚拟样机。

并对挖掘机的工作机构和行走机构进行了仿真分析，校验模型的准确性。

通过在ADAMS／View中对挖掘机虚拟样机机械系统工作范围的仿真分析，得到了与液压挖掘机性能相关的主要参数尺寸和工作范围的包络曲线图，说明了多液压缸复合运动的高效性。

在动力学仿真软件ADAMS中，借助NX I-deas有限元技术，建立了挖掘机的多体虚拟样机系统。

通过对系统的仿真分析，得到挖掘机大臂在工作过程中的受力变形的动态情况，从而为设计生产提供一定的依据。

关键词:液压挖掘机，工作机构，三维建模，仿真分析，NX I-deas，ADAMSAbstractHydraulic excavator are widely used in city construction, road construction, water conservancy and hydropower engineering, mine mining industries, is a large engineering machinery, to improve labor productivity and reduce working strength to play a key role. The work of an excavator device is an important component of the excavator, studies its working process, to improve the work efficiency and product excavator quality are of positive significance. But research is the best way to with the virtual prototype technology.This paper first introduced the excavator working device, and expounds the significance of the study and research status excavator, in the work of excavator device in the process of research into see virtual prototype technology, and its are introduced in this paper 。

基于虚拟样机的掘进机工作机构的动力学仿真

３２
∈ 量
＼
Ａｎｌ：Ｄｇｅ；Ｆｅｕｎｙｇｅｅｒｅｒｑｅｃ：Ｈｅｔ。另外求解器选用ｒｚＧＴＩＦ的Ｉ格式，ＳＦ３并将Ｅｒｒ改为０１即能满足系ｒｏ．，统要求。仿真时间ｆ５，Ｓｅｓ０００一２５Ｓｔｐ一５０。模型中定义了３驱动，个分别控制悬臂的上下、左右移动和截割头的旋转。悬臂的上下、左右移动采用的驱动函数分别为：ｓｅ（ｉ，，，Ｏ０＋ｔｐｔｍｅ００３，）
至
ｉ
ｊ
ｆ
ｊ
｛
≤
，，
＼
桥
』
ｆ
｛
ｆｆ
等几部分组成。于ＵＧ实体造型技术完成截割头、］基回转台、油缸、截割机构等零件的建模及装配，得到的掘进机工作机构的三维实体模型如图１所示。
图２负载转矩随时间变化曲线
２２虚拟样机的建立．将ＵＧ中建立的模型以Ｐｒｓｌ格式导入ａａｏｉｄ
ＡＤＡＭＳ中。人成功后，各组成部件依据实际情况导对添加质量等属性。由于模型中原有的装配关系都已无效，只提供了各构件的初始位置，需要重新对模型施加约束，其中约束包括旋转副、移动副、点点副、点
２３１系统设置．．
根据ＡＤＡＭＳ中提供的已有单位，设定系统单位
如下：Ｉｎｔｇｈ：ｍｍ；Ｍａｓｇ；Ｆｒｅｅｓ：ｋｏｃ：Ｎ；Ｔｉｍｅ：Ｓ；

挖掘机工作装置的运动学建模与仿真

挖掘机工作装置的运动学建模与仿真
袁开磊
（太原科技大学机械电子工程学院，山西太原００２３０４）
［要］于ＤＨ次变换矩阵法建立挖掘机的运动学模型，为铲斗轨迹规划、工作装置的逆向运摘基 — 齐
动学分析、动力学分析等奠定了基础。利用ｍａａ的符号运算功能通过编制Ｍ文件实现运动学数学模型的ｔｂｌ自动推导。以某型号挖掘机为例，在建立的运动学模型基础上，利用ｍａａ编程实现挖掘包络图的程序化ｔｂｌ绘制，给出了主要作业性能参数，为挖掘机的机构设计提供了一种高效便捷的方法。［关键词］挖掘机；工作装置；运动学方程；挖掘包络图［中图分类号］Ｕ２Ｔ６１［文献标识码】Ｂ［文章编号］０１５４（０２０ —０７０１０ — ５Ｘ２１）２０９ — ５
装置的方位。运动学分析主要研究组成机构的相互连接的构件系统的位置、速度和加速度，与产
生运动的力无关，其数学模型是一组线性和非线性的代数方程。挖掘机运动学分析是进行铲斗轨迹规划、逆向运动学分析、动力学分析的基础，
图２Ｔ作装置机构示意图
根据图示几何关系有
ＬＭＮＱｏ２３＝￣＋３４（７）
如图２示，ＡＡＣ中ＬＡＢ所ＢＣ为
凹；ａｃ。ｒｃｓ
＝
（
］
＝
√ ＋２ｃＺＮ，一ｌｏＭＱｓ
置、上部转台、动臂、斗杆、铲斗相固连，并作

液压挖掘机工作装置的动态强度仿真分析

液压挖掘机工作装置的动态强度仿真分析陈露丰;宁晓斌【摘要】Aiming at the problem of the movement process of hydraulic excavator working mechanism and to calculate the load and strength of the part,a rigid-flexible,mechanism-hydraulics coupling system simulation model was built by MSC.ADAMS software.The arm and boom were assumed to be flexible parts,The modal neutral files were built by ANSYS,while others were treated as rigid.Simulation of hydraulics dynamics behavior was done using ADAMS/Hydraulics.Analysis of the maximal theoretical digging force was done,census of this digging force was carried out.A digging and lifting process of hydraulic excavator with load and constraint were simulated.The research results indicate that this simulation model reports the whole movement processes of the working mechanism and the strong status of the flexible part successfully,which provides a reliable reference for hydraulic excavator design.%针对在大型正铲液压挖掘机工作过程中工作装置的运动以及零件的应力分布问题,在多体动力学软件MSC.ADAMS中建立了刚-柔、机-液耦合的虚拟样机,其中动臂、斗杆是柔性体,其模态中性文件在ANSYS中生成,其余为刚性体,液压系统在ADAMS/Hydraulics中建立;对整机理论最大挖掘力开展了分析,进行了最大挖掘力普查,得到了工作装置在不同位置产生的最大挖掘力;在ADAMS中对其进行了运动学及动力学仿真,分析了其在相应约束以及负载状态下以最大挖掘力挖掘和以一定效率挖掘,举升工况时部件的应力应变.研究结果表明,该仿真模型比典型的工况方法更全面地反映了工作装置的运动状况和部件的强度状况,提高了计算精度和效率,可以为挖掘机结构设计优化提供较为可信的参考.【期刊名称】《机电工程》【年(卷),期】2013(030)008【总页数】5页(P924-928)【关键词】液压挖掘机;工作装置;刚-柔耦合;动态强度【作者】陈露丰;宁晓斌【作者单位】浙江工业大学车辆工程研究所,浙江杭州310014;浙江工业大学车辆工程研究所,浙江杭州310014【正文语种】中文【中图分类】TH122;TU6210 引言液压挖掘机工作装置是完成液压挖掘机各项功能的主要构件，是直接参与工作的部分，承受的载荷巨大且变化频繁，其结构的合理性直接影响到液压挖掘机的工作性能和可靠性。