基于ADAMS的液压挖掘机工作装置的运动仿真分析

陈 伟，喻昆仑，张 勇

（长安大学工程机械学院，陕西西安 710064）

作者简介：陈 伟（1989－），男，长安大学工程机械学院硕士研究生，工程机械专业。

喻昆仑（1989－），男，长安大学工程机械学院硕士研究生，工程机械专业。

张 勇（1991－），男，长安大学工程机械学院硕士研究生，工程机械专业。

摘 要：使用Pro／E软件建立液压挖掘机工作装置的三维模型，然后将此模型导入ADAMS软件中，在ADAMS软件中建立液压挖掘机工作装置的虚拟样机模型，然后通过对该虚拟样机模型进行运动学仿真分析，实现对一些主要作业参数的确定。将虚拟样机技术引入到挖掘机设计分析领域，提高产品的设计效率和设计质量，对于改进原有产品的设计或进行新产品的开发研制很有实用意义。

关键词：液压挖掘机；工作装置；ADAMS；仿真；运动学

Abstract：Use Pro／E software to establish a 3Dmodel of hydraulic excavator working device and import the model to ADAMS software．Then build a virtual prototype model of hydraulic excavator working device in ADAMS software，then obtain some main operation parameters through carring on the kinematics simulation analysis．The virtual prototype technology is intro－duced into the field of design and analysis of excavator，which will improve the design efficiency and the design quality．And it also has great practical significance on the improvement of existing products or the design of new products．

Key words：hydraulic excavator；working device；ADAMS；simulation；kinematics

1 引言

液压挖掘机是一种非常重要的工程机械，被广泛应用于建筑、交通、矿山、军事等机械化施工中，对于保证工程质量和提高施工效率有着极为重要的作用。液压挖掘机的传统设计方法存在诸多弊端，使得挖掘机难以满足行业的发展需要。我国挖掘机行业由于新产品研发周期长、成本高、设计手段落后，导致产品与国际先进水平差距较大，竞争力不强，而将虚拟样机技术设计分析领域正成为解决这些问题有力的手段和工具。

本文通过的使用Pro／E软件建立液压挖掘机工作装置的三维模型，然后将此模型导入AD－AMS软件中，在ADAMS软件中建立液压挖掘机工作装置的虚拟样机模型，然后通过对该虚拟样机模型进行运动学仿真分析。

2 液压挖掘机工作装置虚拟模型的建立

对某型号的液压挖掘机使用Pro／E软件建立液压挖掘机工作装置各零件三维实体模型，并使用该软件中的装配功能将这些零件装配在一起。工作装置组装完毕以后共包括底座、动臂、抖杆、铲斗、动臂液压缸、动臂液压缸活塞杆、铲斗液压缸、铲斗液压缸活塞杆、抖杆液压缸、抖杆液压缸活塞杆、铲斗摇杆、铲斗连杆，总共12个运动部件，如图1所示。

图1 液压挖掘机工作装置装配图

通过连接Pro／E与ADAMS的接口模块Mechanism／Pro，即可将本文采用Pro／E建立的挖掘机工作装置的三维模型导入到ADAMS中。

为了保证模型传递到ADAMS后单位保持一致，在Pro／E里要把单位设置为mm Ks，在Pro／E中建立挖掘机工作装置模型后，将其保存为Parasolid文件，其后缀名为．X＿T［1］。然后，在ADAMS／View中导入该Parasolid格式模型文件。

3 工作装置运动学分析

3．1 添加约束

本文研究的液压挖掘机工作装置模型中动臂下铰点和底座间是旋转运动副，动臂只能绕这个铰点做旋转运动；斗杆底部与动臂末端铰接，是旋转运动约束，斗杆只能在动臂末端做旋转运动；铲斗与斗杆前端铰接，铲斗只能在斗杆末端做旋转运动。铲斗与铲斗液压活塞杆是通过摇臂连杆机构铰接，并非直接连接，这样可以增大铲斗旋转运动范围。驱使挖掘机工作装置完成工作的是三副液压缸与活塞杆，沿液压缸轴线方向添加移动副，活塞杆在液压缸内做相对直线运动。这样，液压挖掘机工作装置的虚拟样机模型就被基本建立起来，如图2所示。

3．2 检验模型

在Tools菜单中选择Model Verify命令来检查所建立的样机模型是否存在错误，如模型零件约束不正确和运动副对齐不准等错误。模型检验结果：样机模型包括12个零件、12个转动副、3个移动副、1个固定副、3个运动，整个模型有0个自由度。模型没有多余约束，检验正确。

图2 建立的工作装置虚拟样机模型图

3．3 运动学分析

当对挖掘机工作装置进行运动学仿真时，只有精确地描述驱动件的运动规律，才能将工作装置的实际运动规律通过模型真实反映出来。例如斗杆液压缸伸出到一定位置后保持不动，动臂液压缸和铲斗液压缸运动到一定位置，然后进行挖掘、提升等作业。对于这类多自由度问题，可以分为多个运动过程，每个过程只有单个自由度，每个过程最后的运动状态均作为下一个过程的初始条件［1］。这种对挖掘过程进行分段研究的办法虽然繁琐但运动形式清晰，能很好地对某一需要分析的过程进行重点研究。

对于液压挖掘机而言，一般有两种挖掘工作方式：顺序动作式，以及复合动作式［2］。所谓顺序动作式是指在挖掘机工作的时候各液压缸是按顺序依次进行收缩或伸出［3］。顺序动作方式可用来检验挖掘机的挖掘范围，测定挖掘机的主要作业参数，如最大挖掘半径、最大挖掘深度、最大挖掘高度等。

最大挖掘半径是指当挖掘机斗杆、铲斗油缸处于全缩状态，铲斗平放抬升到与动臂销一致高度时，铲斗斗齿齿尖到平台回转中心的距离。最大挖掘深度是指当动臂、抖杆、铲斗油缸处于全缩状态时，从履带与地面接触的平面到铲斗斗齿齿尖所能下降到的最低点之间的距离。而最大挖掘高度是指当动臂油缸、铲斗油缸处于全伸，抖杆油缸处于全缩时，从履带与地面接触的平面到铲斗斗齿齿尖所能抬升到的最高点之间的距离。

以下主要采用顺序动作方式来检验工作装置虚拟样机的挖掘工作范围，然后对最大挖掘深度、最大挖掘高度、最大挖掘半径等主要作业参数进行测定。

液压挖掘机工作装置的几何位置主要取决于动臂液压缸的长度、斗杆液压缸的长度和铲斗液压缸的长度［3］。显然，当三者长度被确定时，工作装置的几何位置就会相应被确定。液压挖掘机反铲工作液压缸运动参数如下：动臂行程：1200，斗杆行程：1250，铲斗行程：1200（单位mm）。

在ADAMS／View中，在铲斗中间齿尖部位创建一个MARKER标记点MARKER58，如图3所示。并在此标记点上建立一个测量（measure），定义测量特征为移动位移（Translational dis－placement），在测量分量中分别选取Y向和Z向，为了获得挖掘机的作业范围和主要作业尺寸，应先对系统进行一次仿真。

对于顺序测量，在ADAMS中的仿真思路是：分别建立不同的step函数来表示动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸的驱动过程，从而调节油缸的伸缩行程，以获取挖掘机的作业范围。在油缸移动副约束处添加移动驱动（Translational joint motion），运动方式为位移（displacement），运动函数输入为相应的step函数。具体设置各个油缸的step函数如下所示：

图3 齿尖测量点示意图

（1）动臂油缸上的驱动方程step函数定义为：

step（time，0，0，1，－400）＋step（time，1， 0，3，－1200）＋

step（time，5，0，6，0）＋step（time，6，0， 7，－800）＋

step（time，8，0，9，0）

（2）斗杆油缸上的驱动方程step函数定义为：

step（time，0，0，1，400）＋step（time，4，0， 5，－400）＋

step（time，5，0，6，－850）＋step（time，7， 0，8，350）＋

step（time，8，0，9，0）

（3）铲斗油缸上的驱动方程step函数定义为：

step（time，0，0，1，800）＋step（time，3，0， 4，－400）＋

step（time，6，0，7，800）＋step（time，9，0， 10，0）

以上step函数表述中，各项定义的依据是挖掘机各个油缸的理论行程、仿真过程避免发生构件的干涉原则以及获得最大工作范围原则等［4］。为了使所得运动参数准确，在进行仿真的时候，暂不对回转动作进行考虑。对于以上在ADAMS中所建立的各油缸驱动函数曲线如图4、图5、图6所示。这些函数主要依据挖掘机工作装置实际作业时的运动驱动和油缸的理论行程设定的。

图4 动臂油缸函数曲线图

图5 斗杆油缸函数曲线图

图6 铲斗油缸函数曲线图

当驱动设置好之后，在ADAMS中的仿真模块ADAMS／Solver中运行，进行仿真分析［1］。仿真结束后，在动画回放Animation中观看仿真结果，并跟踪铲斗齿尖标记点MARKER＿58，这样便可在Y－Z平面内绘制出挖掘机工作范围，如图7所示。然后绘制铲斗齿尖标记点MARKER＿58在y和z方向位移曲线图，如图8所示。

图7 工作装置的作业轨迹图

图8 铲斗齿尖标记点y和z方向位移曲线图

3．4 仿真分析结果

从图7的A点开始，调整抖杆、铲斗的液压缸到全缩状态（AB弧线），调整动臂液压缸到全缩状态（BC弧线），然后抖杆液压缸由全缩到全伸、铲斗液压缸由全缩到全伸（CD弧线），动臂液压缸由全缩到全伸（DE弧线），抖杆液压缸由全伸到全缩（EF弧线），铲斗液压缸由全伸到全缩（FG弧线），动臂液压缸由全缩到全伸（GH弧线），最后回到初始位置（HA弧线）。顺序动作方式仿真的顺利完成，实现了挖掘机的挖掘—提升一卸料一降臂等一系列动作。

结合图8与总装配图，我们即可以得到最大挖掘深度、最大挖掘高度、最大挖掘半径等挖掘机主要工作参数值，如表1所示。

表1 挖掘机主要工作参数

4 结论

通过使用Pro／E软件建立挖掘机工作装置虚拟样机模型，然后导入ADAMS中进行运动学仿真分析，便能确定所设计挖掘机的最大挖掘深度、最大挖掘高度、最大挖掘半径等主要作业参数。使用这种方法不仅使挖掘机的设计效率和可靠性得到很大提升，也缩短了企业推出新产品的时间。通过采用虚拟样机设计，优化了产品原来的设计方式，对于新产品的研发以及提高这类产品的设计效果很有现实意义。

参考文献

［1］ 李增刚．ADAMS入门详解与实例［M］．北京：国防工业出版社，2006．

［2］ 孙志广．液压挖掘机工作装置优化设计及性能仿真［D］．长春：吉林大学，2004．

［3］ 林慕义，史青录．单斗液压挖掘机构造与设计［D］．北京：冶金工业出版社，2011．

［4］ 郝云堂，金烨，季辉．虚拟样机技术及其在ADAMS中的实践［J］．机械设计与制造，2003：16－18．