装载机动力学系统性能分析与仿真

表 1 ZL50 装载机的参数
额定斗容 额定载荷 柴油机型号 柴油机飞轮功率 柴油机额定转速 最大掘起力 最大牵引力 整机操作质量 全转位置倾复载荷
Ⅰ档前进 （后退）速度 Ⅱ档前进 （后退）速度
3m 3 5000kg
6135K-9a 154.5kw 2200r/min 160KN 146KN 17500kg 11900kg 10km/h 34km/h 双作用 双作用
[20]
:
tga
S H
（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。
8
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10 9 8
25000 20000
加速度（m/s^-2）
7
速度（m/s ）
6 5 4 3 2 1 0
-5 0 5 10 15 20
15000 10000 5000 0 0 -5000 时间（s） 2 4 6 8 10 12
[17]
。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。另外，由于对装载机安全 性要求的提高，对装载机进行试验测得准确的数据越来越显得重要 机空载上坡时的纵向稳定性进行研究。 装载机的牵引力方程如下：
[18]
。本论文主要对装载
9.55 10 3 Pi c Fq nrd
[13]
。
为了使装载机获得最大的生产率，应该将装载机在工作循环中的平均最大工作阻力配 置在最大生产率工况附近，装载机牵引性能参数的合理匹配应保证充分利用发动机的功率 来发挥装载机的最大生产率
[14]
。装载机的机械牵引性能参数的合理匹配条件如下：第一，
由发动机与变矩器共同工作输出特性上的最大工作转矩所决定的牵引力应大于由附着条件 所决定的最大牵引力；第二，与变矩器输出轴最大功率工况相适当的有效牵引力应等于与 行走机构额定滑转率相对应的额定牵引力；第三，当装载机在铲土过程中发动最大铲掘力 时，行走机构工作在额定滑转率工况附近。
5. 装载机虚拟样机动力学建模与仿真
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，通过对汽车子系统到 整车进行仿真，可以达到评价汽车操作稳定性和耐久性的目的
[15]
。装载机属于循环式作业
机械，对其的研究还有不足之处，通过虚拟样机技术来对装载机进行性能仿真试验和参数
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优化，不失为一种解决方法。本文主要是针对轮胎式装载机进行建模与分析，故采用 ZL50 装载机作为分析对象。其外观见图 2，具体参数如表 1 所示。 图2 ZL50 装载机外形图
[16]
。
以下是我们在 ADAMS 的操作环境下建立的动力学模型。
图3
工作装置的虚拟样机模型
图 4 工作装置与前车架虚拟样机模型
图5
装载机的整机虚拟样机模型
7
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5.2
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。装载机主要在三种工况下容易发生倾翻:满载上坡动臂伸出最大；满载下坡 行驶时；空载上坡运行时
《工程机械地面力学与作业理论》论文
——装载机动力学系统性能分析与仿真
学 专 姓 学
院：工程机械学院 业：机械制造及其自动化 名：杜木伟 号：2011125104
任课教师：杨士敏
二〇一二年五月
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装载机动力学系统性能分析与仿真
摘要：本文主要从现阶段的装载机出发，介绍了装载机在我国的发展趋势以及分类情况， 再重点对装载机的牵引性能进行了分析，并简要介绍了装载机的工作过程。最后以现代装 载机为对象，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，对其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。 【关键字】 ：装载机；动力学模型；虚拟样机；参数优化
（1）
式中，P——发动机功率(kw)；i——I 档时的传动比； 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 ) 。
假定不考虑前、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:车身 的 3 个轴向平移自由度、3 个轴向旋转自由度，工作装置的 2 个相对直线自由度以及前后 车轮的 4 个转动自由度
[5]
[4]
2. 装载机的分类
按行走装置不同，装载机可分为轮胎式和履带式两种，这两种装载机除行走装置不同 外，其他系统和构造大体相似，其中轮式装载机的使用范围比履带式的要广泛 。 根据使用场合的不同，装载机可分为露天装载机和井下铲运机，井下用铲运机是在露 天用装载机的基础上变形设计而成，露天轮式装载机的生产和使用占总的装载机生产和使 用的绝大多数。 按传动形式不同，可分为机械传动、液力机械传动、液压传动和电传动四种。机械传 动用于斗容量为 0.5m 以下的装载机，液力机械传动在大中型装载机中广泛采用，液压传 动目前只用于小型装载机，电传动只在大型装载机上使用。 按装载方式不同，装载机可分为前卸式、后卸式、侧卸式和回转式，轮式转载机基本 上都采用前卸式的；按转向方式不同可分为整体式和铰接式，其中铰接式采用的比较广泛。 我国的装载机其外观大致如下图所示：
2
[3]
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越看重，因而对装载机产品的数量与质量都提出了更高的要求 。 目前，国产装载机正从低水平、低质量、低价位、满足功能型向正在向高水平、高质 量、中价位、经济实用型过渡。从仿制仿造向自主开发过渡，各主要厂家不断加大技术投 入,采用不同的技术路线，在关键部件及系统上进行技术创新，使产品具有自己的特色和优 势，使自己企业成为装载机行业的领先者 。
[12]
。切线牵引力与发动机调速特性之间的配置的原则
如下：第一，应该保证装载机在工作循环中可能出现的最大阻力矩不超过发动机的最大输 出转矩，这样才能保证在阻力增大时，发动机不会熄火，也不会使驾驶员因频繁操作控制 手柄而疲劳。第二，为了获得较大的平均输出功率，应使发动机在工作循环的大部分时间 处在调速区段上，这样可以保证发动机的转速在整个工作循环中不会发生剧烈的波动，从 而减少由于负荷的不稳定性引起的发动机动力性和经济性的恶化。我们可以适当地配置发 动机最大输出功率在行走机构滑转曲线上的位置，当发动机的最大输出功率与行走机构的 最大牵引效率匹配时，装载机将获得最大最有效的牵引功率
[10] [9]
。由于动态负荷的随机性，行走机构滑转率实际上
是围绕动态滑转曲线随机变化，因此即使是按照严格要求进行参数匹配，车辆实际上的工 作点仍要围绕匹配点变化，表现为滑转率增大，速度降低，牵引力减少，平均牵引功率降 低。 对于装载机来说，当驱动功率为常值时，行走机构只要保证滚动损失和滑转损失之和 最小，装载机的生产效率就最高
[11]
。目前,牵引式工程车辆牵引参数合理匹配基于源自文库下两点：
（1）充分利用发动机额定功率和变矩器高效区特性，提高行走机构的驱动功率，这是获取
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机器最大生产率的必要条件； （2）合理匹配牵引参数，发挥机器最大生产率。 装载机的作业工况是通过发动机、传动系、行走装置和工作装置的共同作用来完成。 在共同作用过程中，装载机每个总成性能的充分发挥都将受到其他总成性能的制约，因而 装载机的牵引特性将以装载机外部输出特性的形式显示出各个总成工作的最终结果。因此 在选择各总成参数时，必须充分注意到它们之间的相互制约关系，而这种制约关系主要反 映在切线牵引力与发动机调速特性之间的相互配置及发动机的最大输出功率和工作阻力与 行走机构滑转曲线之间的相互匹配上
0. 前言
装载机属于铲土运输类机械，不但可以铲装砂土、石灰、煤炭等散状物料，还可以铲 挖矿石、硬土等物料，另外，通过更换不同的工作装置后还可完成推土、起重 、破碎、装 载木料或钢管等作业，因此广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口和矿山等工程建设 。 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、运输和卸载的自行式履带或轮胎机械 。由于装载机的作业速度 快、效率高、机动性好、操作轻便等优点使其成为工程建设中土石方施工的主要机种之一， 对于加快工程建设速度，减轻劳动强度，提高工程质量，降低工程成本发挥着重要的作用， 是现代工程机械化施工中不可缺少的装备之一。
[2] [1]
1. 国内装载机发展趋势
我国装载机行业起步较晚，其制造技术是从美国、德国、日本等国家引进的。目前， 我国装载机的生产技术水平只相当于发达国家 20 世纪 80 年代的生产制造水平。同时国内 生产装载机的厂家数量虽不少，但是企业的自主开发创新能力却不强，所生产的产品在适 应市场需求方面还是较差的，不能及时更新换代。我国现在的基础设施建设还处于大规模 发展时期，对装载机的需求仍将不断增长 。由于工程量大、投资面广、工程标准高、时 间紧迫，施工单位在追求施工效率和成本的基础上，对设备运行的安全性、可靠性也越来
最大卸载高度 卸载距离 轴距 轮距 转向角
最小转弯半径 (铲斗外侧)
2900mm 1050mm 3200mm 2200mm
35 o
7720mm
外形尺寸 工作装置三项和 提升时间 最大爬坡能力 轮胎规格
转斗油缸 （数量-内径 行程） 动臂油缸 （数量-内径 行程）
7231mm 2950mm 3241mm
﹤11 s 6.6s
30 o
23.5-25
转斗油缸型式 动臂油缸型式
1 - 180 540mm 2 160 785mm
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5.1
装载机动力学建模
由于装载机是一个非常复杂的多体系统，研究各个系统综合的一种有效工具是建立装
载机模型。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分析运动学静定系统，故我们采用 ADAMS 来对装载机进行动 力学建模与分析
[19]
。
仿真参数:整车质量为 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，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。 装载机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
3
[6]
图1
装载机外观图
3
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3. 装载机的工作过程分析
装载机的基本动作是：将铲斗插入物料，向后翻转铲斗，保持载荷，提升物料到一定 的高度，将物料运输到卸荷地点，倾卸，然后再回到装料处，如此循环作业。装载机属于 循环式作业机械，在作业过程中不要求作业质量，对工作速度的稳定性也无要求，只是追 求动力性、经济性、作业生产率 。 装载机的工作装置主要由铲斗和支持铲斗进行装载作业的连杆系统组成，依靠这套装 置装载机可以对汽车、火车进行散料装载作业，也可以对散料进行短途运输作业，还可以 进行平地修路等作业 。轮式装载机工作装置有铲斗、连杆、摇臂、动臂、转动油缸和举 升油缸组成。把铲斗更换成专门的装置，还可以进行其他装载作业。装载机工作装置的典 型工况为: ①铲掘工况:举升缸闭锁 ,铲斗铲装物料 ,转斗缸回收 ,收斗； ②举升工况:转 斗缸闭锁 ,举升缸外伸 ,举升铲斗至特定位置；③卸载工况 :举升缸闭锁 ,转斗缸外伸 , 卸载物料。装载机铲斗能够在由运输工况被举升到最高卸载位置的过程中保持一定平移， 避免物料撒出；同时还可以制动放平。
[8] [7]
4. 装载机的牵引性能分析
装载机的牵引系统由发动机、传动系、行走装置和工作装置组成，通过行走装置实现 内部驱动功率与外部工作阻力的平衡与转换 。滑转曲线是反映行走机构牵引元件与地面 相互作用最基本的特性曲线，它表示了牵引元件的滑转率随牵引力变化的函数关系。传统 的参数匹配使用的静态滑转曲线是在静态工况下试验测得或通过理论估算获得，与实际动 态工况下的滑转曲线有着很大的不同
时间（m/s ）
图6
装载机速度曲线
图7
装载机加速度曲线