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農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2007年01期挖掘裝載機(jī)的工作裝置高秀華,王云超,安二中,韓佳偉中文摘要：挖掘裝載機(jī)是一種用途較廣的鏟運(yùn)、施工機(jī)械。其工作裝置是組成裝載機(jī)的關(guān)鍵部件之一,其設(shè)計(jì)水平的高低直接影響工作裝置性能的好壞,進(jìn)而影響整機(jī)的工作效率與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。當(dāng)今激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)迫使制造企業(yè)為求得生存和發(fā)展必須對(duì)多變的市場(chǎng)需求做出敏捷響應(yīng)，不斷地調(diào)整產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研發(fā)模式，并能快速地開(kāi)發(fā)出新產(chǎn)品。我國(guó)傳統(tǒng)工程機(jī)械行業(yè)卻由于新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，成本高，缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力.通過(guò)對(duì)裝載機(jī)工作裝置作業(yè)狀態(tài)的分析，利用FMECA分析方法對(duì)裝載機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行定性的可靠性分析，并結(jié)合滿意優(yōu)化設(shè)計(jì)理論對(duì)裝載機(jī)工作裝置進(jìn)行可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的正確性。關(guān)鍵字：機(jī)械設(shè)計(jì)；挖掘裝載機(jī)；挖掘工作裝置；裝載工作裝置；機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué) 挖掘裝載機(jī)一端由挖掘工作裝置,另一端由裝載工作裝置組成，分別能完成挖掘機(jī)和裝載機(jī)的工作，因此俗稱“兩頭忙”。它廣泛應(yīng)用于農(nóng)田水利建設(shè)、工業(yè)和民用建筑、市政建設(shè)、園林、公路養(yǎng)護(hù)、港口、油田及電力建設(shè)等領(lǐng)域，特別是通過(guò)快換裝置裝上多種工作附具，其用途更加廣泛。隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)水平的提高以及施工技術(shù)、施工對(duì)象的變化，國(guó)內(nèi)挖掘裝載機(jī)的市場(chǎng)前景非常廣闊。挖掘裝載機(jī)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，機(jī)械系統(tǒng)可靠性研究的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)可靠性分配理論和方法進(jìn)行了研究和分析。在分析挖掘裝載機(jī)整機(jī)系統(tǒng)組成和挖掘裝載機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)要求與方法的基礎(chǔ)上，借助于虛擬樣機(jī)基本理論的指導(dǎo)，提出了一種基于Pro/E, ADAMS和ANSYS軟件的挖掘裝載機(jī)工作裝置虛擬樣機(jī)的實(shí)現(xiàn)策略。研究了基于特征的參數(shù)化建模技術(shù)，在分析工作裝置的約束及尺寸參數(shù)的基礎(chǔ)上，建立了挖掘裝載機(jī)工作裝置的參數(shù)化特征模型。應(yīng)用ADAMS軟件建立動(dòng)力學(xué)仿真模型的方法，基于對(duì)挖掘裝載機(jī)在對(duì)稱載荷與極限偏載兩種典型工況下的受力特點(diǎn)的分析，建立了挖掘裝載機(jī)在這兩種工況下的動(dòng)力學(xué)仿真模型，并進(jìn)行了仿真分析;分析了挖掘裝載機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)的工作原理，利用ADAMS/Hydraulic模塊建立了液壓系統(tǒng)仿真模型，并實(shí)現(xiàn)了與工作裝置機(jī)構(gòu)模型的結(jié)合。國(guó)內(nèi)眾多工程（機(jī)械)商都紛紛推出自己的挖掘裝載機(jī)產(chǎn)品。由于在挖掘裝載機(jī)領(lǐng)域投入的精力、經(jīng)驗(yàn)及研究深度的局限性，對(duì)系統(tǒng)的特性研究涉足很淺，掌握可供參考的理論和經(jīng)驗(yàn)甚少，整機(jī)技術(shù)水平還有較大的差距，特別是對(duì)挖掘裝載機(jī)液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究與國(guó)際先進(jìn)水平差距更大。 挖掘裝載機(jī)挖掘工作裝置回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)特性是影響機(jī)器使用平穩(wěn)性和產(chǎn)生液壓沖擊的關(guān)鍵因素，工程機(jī)械行駛液壓傳動(dòng)不僅具有良好的無(wú)級(jí)調(diào)速性能和靈活布局的特點(diǎn)，而且可以進(jìn)行多種多樣的調(diào)節(jié)和控制。特別是與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械智能化、節(jié)能化、環(huán)?；?。因此，對(duì)行駛液壓傳動(dòng)的研究就成為工程機(jī)械現(xiàn)代化的重要課題。挖掘裝載機(jī)是一種作業(yè)效率高、機(jī)動(dòng)靈活、用途廣泛的工程機(jī)械，作業(yè)工況復(fù)雜多變，負(fù)荷變化頻繁、變化范圍大。如何最簡(jiǎn)單而又適宜地使發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)同外部負(fù)荷之間始終保持最合理的匹配，一是挖掘裝載機(jī)牽引系統(tǒng)長(zhǎng)期以來(lái)存在的問(wèn)題。采用液壓傳動(dòng)，并輔以適當(dāng)?shù)目刂蒲b置與之配合，以形成理想的傳動(dòng)系統(tǒng)，它使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及其扭矩適應(yīng)外部負(fù)荷的變化而連續(xù)變化，并且保持高效率。分析發(fā)電機(jī)、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和負(fù)荷組成的負(fù)荷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，針對(duì)各作業(yè)不同的負(fù)荷要求，提供最適合于發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)的最合理的控制原理及裝置是論文研究的主要口的。以挖掘裝載機(jī)為對(duì)象，對(duì)其行走液壓傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)各參數(shù)進(jìn)行合理配置，研究的主要內(nèi)容包括以下四個(gè)方面:一是設(shè)計(jì)了挖掘裝載機(jī)行走液壓系統(tǒng)，根據(jù)挖掘裝載機(jī)作業(yè)特點(diǎn)，從簡(jiǎn)單高效的角度考慮確定采用了變量泵一定量馬達(dá)的調(diào)速系統(tǒng)。二是分析了發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)的匹配機(jī)理，提出使用變量泵電液比例控制，通過(guò)調(diào)節(jié)泵排量變化來(lái)適應(yīng)負(fù)載變化，實(shí)現(xiàn)恒扭矩控制。三是對(duì)挖掘裝載機(jī)作業(yè)的不同進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究，對(duì)液壓系統(tǒng)各工件參數(shù)選擇及匹配。四是使用MATLAB/SIMULIlV對(duì)所選用的液壓系統(tǒng)及控制裝置進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，研究在負(fù)載變化的情況下，泵出口力、流量和馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速的變化情況。論文通過(guò)對(duì)裝載機(jī)行駛液壓傳動(dòng)特性的研究，試圖為其他各種行走機(jī)械液壓傳動(dòng)提供一種思路、方法和途徑。而液壓系統(tǒng)緩沖裝置對(duì)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性起著至關(guān)緊要的作用，國(guó)內(nèi)在緩沖裝置對(duì)挖掘裝載機(jī)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的特性影響的分析研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平。在實(shí)際應(yīng)用中，由于挖掘裝載機(jī)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，造成回轉(zhuǎn)工作裝置動(dòng)臂斷裂，以及液壓元件損壞。本文將通過(guò)對(duì)挖掘裝載機(jī)挖掘裝置回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)特性的仿真分析，對(duì)挖掘裝載機(jī)挖掘裝置回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一些理論依據(jù)。 通過(guò)對(duì)挖掘裝載機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，建立了挖掘裝載機(jī)系統(tǒng)的基本可靠性和任務(wù)可靠性模型。利用仿真分析軟件ADAMS 對(duì)挖掘裝載機(jī)反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)建立工作裝置的參數(shù)化模型,以各鉸點(diǎn)的坐標(biāo)為設(shè)計(jì)變量,進(jìn)行設(shè)計(jì)研究,分析出對(duì)其工作性能影響較大的變量,以此變量建立平移性的目標(biāo)函數(shù),進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì), 提高工作裝置的平移性。在平移性滿足要求的前提下,綜合考慮卸料性傳動(dòng)性、自動(dòng)放平性, 從而使工作裝置的綜合工作性能滿足設(shè)計(jì)要求。采用失效模式影響致命度分析(FMECA)分析方法建立裝載機(jī)系統(tǒng)的FME分析表，并對(duì)每種故障發(fā)生時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響程度進(jìn)行定性分析。FMECA分析表的建立有助于維修時(shí)快速、準(zhǔn)確判明系統(tǒng)的基本故障，確定故障產(chǎn)生的原因及影響程度，從而節(jié)省維修時(shí)間，提高工作效率。根據(jù)機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系和運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)，建立回轉(zhuǎn)作業(yè)的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用大型數(shù)值計(jì)算和仿真工具軟件MATLAB編程、計(jì)算。分析工作裝置回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)左右油缸的運(yùn)動(dòng)關(guān)系以及回轉(zhuǎn)角位移與油缸行程的關(guān)系。分析了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中的“拐點(diǎn)”對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的影響。在“拐點(diǎn)”前后，其中一根活塞桿的伸縮方向?qū)⒏淖?，在拐點(diǎn)前，活塞桿逐漸伸長(zhǎng)到最大行程，由于機(jī)構(gòu)的限制，過(guò)“拐點(diǎn)”后，活塞桿又逐漸縮短。而回轉(zhuǎn)換向閥控制的液壓油流向不變，至使液壓油全部進(jìn)入另側(cè)油缸的小腔，導(dǎo)致工作裝置回轉(zhuǎn)速度突然變大，產(chǎn)生很大的回轉(zhuǎn)角加速度，對(duì)液壓系統(tǒng)造成沖擊。通過(guò)對(duì)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的仿真分析，為回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能分析提供運(yùn)動(dòng)學(xué)的理論基礎(chǔ)。 建立液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分析液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。本文采用功率鍵合圖的方法建立了挖掘工作裝置回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，從挖掘工作裝置回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)工作的實(shí)際情況建立了兩種狀態(tài)的功率鍵合圖:一是油缸帶緩沖裝置的動(dòng)態(tài)模型:二是溢流緩沖的動(dòng)態(tài)模型。由于液壓油缸緩沖裝置的節(jié)流作用建立相應(yīng)的背壓，作用在活塞桿運(yùn)動(dòng)的相反方向，降低與缸筒底或與機(jī)械限位塊的沖擊。溢流緩沖主要是降低瞬時(shí)壓力沖擊。 建立相應(yīng)的功率狀態(tài)方程。根據(jù)功率鍵合圖導(dǎo)出的方程，不僅結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，并且易于檢查錯(cuò)誤，易于為計(jì)算機(jī)求解編程。當(dāng)然也可由功率鍵合圖推導(dǎo)出傳統(tǒng)的傳遞函數(shù)或狀態(tài)變量形式的方程，在實(shí)際中，要求傳遞函數(shù)和狀態(tài)變量模型形式在結(jié)構(gòu)上的規(guī)整性可能引起麻煩，主要是穩(wěn)定性問(wèn)題。由功率狀態(tài)方程自接用Simulink的模塊方框圖建立動(dòng)態(tài)仿真模型，考慮到模型的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，用Simulink的分層法，將系統(tǒng)分成幾個(gè)子模型，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，而且調(diào)用也方便。根據(jù)Simulink仿真模型圖，將實(shí)際的樣機(jī)參數(shù)代入模塊中進(jìn)行仿真計(jì)算，得到系統(tǒng)數(shù)字仿真計(jì)算的結(jié)果。 試驗(yàn)分析。在試驗(yàn)樣機(jī)上建立測(cè)試液壓系統(tǒng)回路，用便攜式液壓系統(tǒng)分析儀SIM-CHECK測(cè)試了樣機(jī)的液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。主要測(cè)試了兩種工況下的回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。一是從左極限位置到右極限位置及中間位置到左右極限位置，測(cè)試緩沖裝置對(duì)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能影響:二是從左或右極限位置回轉(zhuǎn)到中間位置制動(dòng)時(shí)(即控制閥回中位關(guān)閉)的回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。從測(cè)試結(jié)果的壓力和流量特性曲線來(lái)看，壓力峰值基本上都在1.5子音的額定壓力范圍內(nèi)，滿足樣機(jī)的使用要求，壓力振蕩時(shí)間短。通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中附加的節(jié)流閥，測(cè)試其動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在工作裝置精確定位與降低回轉(zhuǎn)液壓沖擊之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。這二者是一對(duì)矛盾體。精確定位就要保證系統(tǒng)的剛性，降低回轉(zhuǎn)液壓沖擊則要考慮對(duì)能量的吸收程度。總之，通過(guò)對(duì)挖掘裝載機(jī)回轉(zhuǎn)工作裝置液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的仿真分析，并用試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)字仿真模型的正確性，為挖掘裝載機(jī)工作裝置回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論計(jì)算依據(jù)，本輪文的研究結(jié)果及分析方法同樣適用于其它有類似機(jī)構(gòu)的工程機(jī)械上。參考文獻(xiàn)1朱長(zhǎng)亮.我國(guó)輪式裝載機(jī)產(chǎn)品的發(fā)展.工程機(jī)械與維修，1999, (8): 26-292王國(guó)彪，王巖松，馬濤.輪式裝載機(jī)的現(xiàn)狀與技術(shù)發(fā)展.工程機(jī)械與維修，1998, (3): 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