zly06小型礦用全液壓防爆裝載機邊插轉(zhuǎn)斗工況聯(lián)合仿真分析

zly06小型礦用全液壓防爆裝載機邊插轉(zhuǎn)斗工況聯(lián)合仿真分析

小型火炮探測車小型液壓上下過載是一種集成機械、能源和反恐技術(shù)的小型復(fù)雜機械系統(tǒng)。主要適用于狹窄的地下通道和相對較低的采礦環(huán)境，尤其是小型煤礦和小型礦山的開采。鑒于中國對礦資源的需求越來越大，考慮到小型裝載機的開發(fā)性能，適合鉆井操作，是必然的。1工作部件之間連接裝載機工作裝置由鏟斗、連桿、動臂、搖臂、車架、轉(zhuǎn)斗活塞桿、轉(zhuǎn)斗油缸缸筒、舉升活塞桿、舉升油缸缸筒等構(gòu)件組成,在PRO/E中將其裝配好后導(dǎo)入ADAMS中,施加具體的約束。圖1為裝載機工作機構(gòu)約束拓撲圖,ZLY06裝載機各工作部件之間主要采用銷軸進行連接,因此工作機構(gòu)之間的連接均以低副形式存在,對該裝載機施加約束時應(yīng)結(jié)合ADAMS與AMESim聯(lián)合仿真時的特殊要求,采用移動副、旋轉(zhuǎn)副、球副、圓柱副、固定副。在圖1中,A、B、C、E、F、G分別表示轉(zhuǎn)動副、球副、圓柱副、移動副、固定副、無約束狀態(tài);1、2、3、4、5、6、7分別表示了動臂、舉升油缸活塞桿、舉升油缸、轉(zhuǎn)斗油缸活塞桿、轉(zhuǎn)斗油缸、連桿、搖臂;由于該裝載機工作機構(gòu)關(guān)于轉(zhuǎn)斗油缸中心平面對稱,因此在約束設(shè)置時產(chǎn)生相應(yīng)的虛約束,圖中給出了無約束鉸接點的位置,通過ADAMS進行驗證,該裝載機的整機約束中無冗余約束,約束添加正確,最終在ADAMS環(huán)境下建立的ZLY06虛擬樣機模型如圖2所示。2基于分流閥和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型該裝載機的行走、轉(zhuǎn)向以及鏟掘動作全部依靠裝載機的液壓系統(tǒng)去實現(xiàn)。液壓圖如圖3所示。根據(jù)該裝載機的液壓圖,在AMESim草圖模式中對該液壓系統(tǒng)進行物理建模。由于文中所研究的主要內(nèi)容是裝載機的工作機構(gòu)及行走機構(gòu)﹑液壓系統(tǒng)與外負載之間的關(guān)系,因此分流閥和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不屬于仿真的主要范疇,在最終的聯(lián)合仿真模型中予以省略。按照ZLY06裝載機最初的設(shè)計意圖,利用比例分流閥將液壓泵產(chǎn)生的總流量的5%提供給裝載機的轉(zhuǎn)向系統(tǒng),以保證該裝載機能夠正常地轉(zhuǎn)向。因此在對裝載機AMESim模型中液壓泵參數(shù)進行設(shè)置時應(yīng)為實際液壓泵流量的95%,其余液壓軟件的參數(shù)均保持原來不變,將裝載機的轉(zhuǎn)向部分的液壓系統(tǒng)從整體模型中分離出來,這樣便可以大大減少了仿真時模型的復(fù)雜程度,最終裝載機液壓系統(tǒng)在AMESim中的模型如圖4所示。3系統(tǒng)與仿真的接口AMESim與ADAMS的聯(lián)合仿真,實質(zhì)上是將復(fù)雜的機械系統(tǒng)的運動學(xué)、動力學(xué)模型與液壓系統(tǒng)模型通過它們之間所建立的數(shù)據(jù)接口有機地串連在一起。在仿真過程中,通過兩者的接口將仿真所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)互相交換,這樣便可以有效地實現(xiàn)對整個機械系統(tǒng)的動態(tài)過程分析,真實地模擬裝載機的實際工作情況,根據(jù)交互分析產(chǎn)生的結(jié)果來評價設(shè)備的性能,使得仿真的整個過程更加接近真實的情況。在這個過程中,AMESim為主控軟件,ADAMS向AMESim中輸入力和位移,AMESim輸出力、輪胎扭矩及輪胎加速度,邊插入邊鏟斗的聯(lián)合仿真模型如圖5所示。4基于機械作用的最大翻轉(zhuǎn)阻力的模擬裝載機邊插入邊鏟斗綜合了兩個工況,此時控制液壓馬達的換向閥與控制轉(zhuǎn)斗油缸的換向閥同時開啟完成該復(fù)合工況。裝載機主要克服路面對輪胎的阻力、物料對裝載機的插入阻力、物料對鏟斗的剪切阻力以及物料對鏟斗的翻轉(zhuǎn)力矩。當(dāng)裝載機執(zhí)行插入動作時,料堆所產(chǎn)生的阻力通過鏟斗作用于裝載機的車身,在插入過程中裝載機的插入阻力隨著鏟斗插入深度的增加而增加,插入阻力作用于距離鏟斗斗齒中心處,且距離中心齒外延約100mm處。文中利用STEP函數(shù)模擬插入阻力,具體如式(1)所示:式中:DX()為ADAMS中的測量X軸的位移函數(shù);0~500mm表示鏟斗的插入料堆的距離。該式可以描述為當(dāng)鏟斗斗尖的插入距離為0~125mm時插入阻力增至9500N;插入距離為125~375mm時,插入阻力穩(wěn)定在最大值;當(dāng)插入距離大于375mm時,插入阻力下降。鏟起阻力通過查閱文獻得其大小為8532N,作用于距離鏟斗斗齒中心處,且距離中心齒外延約100mm。具體如式(2):轉(zhuǎn)斗過程中還受到鏟斗翻轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的阻力矩作用,當(dāng)裝載機準備執(zhí)行收斗動作,此時裝入鏟斗內(nèi)的物料的接觸面積與斗底最大,隨著收斗動作的完成,鏟斗的翻轉(zhuǎn)阻力矩也逐漸減小,最后離開料堆時候為0,最大翻轉(zhuǎn)力矩的計算公式由文獻查得,如式(3)所示:式中:Fx為轉(zhuǎn)斗動作開始時候的插入阻力;x為鏟斗的轉(zhuǎn)動軸與鏟斗斗刃的距離,mm;計算得到鏟斗的最大翻轉(zhuǎn)力矩為12000N·m,最大翻轉(zhuǎn)力矩作用于鏟斗旋轉(zhuǎn)軸,函數(shù)模擬為:5液壓系統(tǒng)仿真裝載機所采用的液壓油為46#高磨抗壓油,當(dāng)溫度為40℃時,其密度為880kg/m3,油液運動黏度為50mm2/s,體積模量為1700MPa;舉升油缸活塞直徑×活塞桿直徑×行程為Φ63mm×Φ45mm×750mm;轉(zhuǎn)斗油缸活塞直徑×活塞桿直徑×行程為Φ63mm×Φ45mm×750mm;液壓泵工作排量32mL/r×95%,額定轉(zhuǎn)速為2200r/min;液壓馬達工作排量45mL/r,額定壓力10MPa,額定轉(zhuǎn)速為1800r/min;液壓系統(tǒng)溢流閥卸荷壓力為15MPa;換向閥額定流量為100L/min,壓降為1MPa;液壓油管直徑Φ18mm,厚度為2.5mm。仿真時間取1.2s,ADAMS步長取0.1,AMESim仿真步長取0.01,發(fā)動機轉(zhuǎn)速1200r/min,液壓系統(tǒng)工作裝置各參數(shù)特性曲線如圖6所示。由仿真結(jié)果可知,當(dāng)裝載機在液壓馬達輸出到輪胎的扭矩作用下開始插入料堆,此時輪胎角速度逐漸增大到約為3rad/s,如圖6(b)所示,裝載機開始正常插入料堆;在插入料堆一段距離后,裝載機的鏟掘阻力以及翻轉(zhuǎn)阻力矩逐漸增大,在剛開始時,由于鏟掘阻力的作用,如圖6(d)所示,轉(zhuǎn)斗活塞速度為負表面活塞被拉出,圖6(e)表示活塞被拉出約10mm,如圖6(f)所示,力的大小約為7800N,之后裝載機轉(zhuǎn)斗活塞在插入阻力和鏟掘阻力的作用下受到的合力逐漸增加,如圖6(f)中曲線2所示,而由于轉(zhuǎn)斗油缸有桿腔與無桿腔的壓差一直穩(wěn)定在0.04MPa左右,由有桿腔和無桿腔產(chǎn)生的驅(qū)動力曲線為圖6(f)中曲線1所示,驅(qū)動力大小約為4000N,無法克服轉(zhuǎn)斗活塞所受到的外負載力,因此轉(zhuǎn)斗活塞速度一直在波動。從圖6的仿真結(jié)果可以看出:當(dāng)該裝載機在執(zhí)行邊插入邊轉(zhuǎn)斗工況時由于外負