矿用正铲液压挖掘机工作装置虚拟样机研究

论文摘要

近年来,中国经济的高速发展引来举世瞩目,而经济发展中巨大的能源需求所引发的矿山建设的火爆更引起了矿山设备特别是大型正铲液压挖掘机的迅猛发展。然而国内仅有少数几家公司有能力生产65吨以上的矿用正铲液压挖掘机。因此,大型矿用液压挖掘机研究和开发显得尤为必要。正铲液压挖掘机传统的设计方法工作繁琐,且需要用物理样机来评价整机的综合性能,造成产品的生成周期长、成本高。使用虚拟样机技术则可以在挖掘机产品制成之前就可以代替物理样机进行仿真实验,从而缩短设计周期,节约设计经费。本文根据某挖掘机厂商所提供的初始设计方案,对某大型矿用正铲液压挖掘机的工作装置进行了虚拟样机研究,完成了对工作装置的运动学分析和动力学分析;并将仿真数据和现场测试的数据进行了对比,验证了仿真的正确性;最后,得到了各构件旋转副的载荷谱文件,为后续的疲劳分析奠定基础。本文的主要研究工作如下:①分析、研究了正铲液压挖掘机工作装置的机构特点及运动规律,推导出三组液压挖掘机长度与表征挖掘机姿态的三个角度值之间的关系式。②使用三维建模软件Pro/Engineer建立了正铲液压挖掘机各零部件的三维实体模型,添加相应的约束条件,完成了整机装配。利用mech/pro2005接口软件将挖掘机整机模型导入ADAMS中,完成了挖掘机虚拟样机模型的创建。③完成了对正铲挖掘机工作装置的整机作业范围以及水平推压工况的运动学仿真。得出了挖掘机的主要作业尺寸和挖掘轨迹包络图,验证了设计方案的可行性。④将对某70t级矿用正铲液压挖掘机进行现场测试所得到的挖掘阻力值作为仿真的已知载荷,完成了正铲液压挖掘机的动力学仿真。⑤将仿真结果与现场测试数据相对比,验证了正铲液压挖掘机虚拟样机的正确性,根据动力学分析结果,得出了动臂、斗杆、铲斗等构件的各个旋转副的载荷历程,为后续的挖掘机各结构件的疲劳分析提供了可靠的载荷谱,并为正铲液压挖掘机物理样机的制造,新机型设计方案的评估提供了有效的参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 液压挖掘机国内外发展水平及研究现状
• 1.1.1 国外液压挖掘机生产水平及发展趋势
• 1.1.2 国外挖掘机工作装置的研究现状
• 1.1.3 国内液压挖掘机发展水平
• 1.1.4 国内液压挖掘机工作装置的研究现状
• 1.2 虚拟样机技术简介
• 1.2.1 虚拟样机技术概述
• 1.2.2 虚拟样机技术的特点
• 1.2.3 虚拟样机的生成流程
• 1.2.4 虚拟样机技术的研究及应用现状
• 1.3 虚拟样机技术在液压挖掘机领域的应用
• 1.3.1 在挖掘机生命周期过程中应用
• 1.3.2 在提高挖掘机设计质量中应用
• 1.4 本文研究目的及主要内容
• 2 正铲液压挖掘机虚拟样机实现策略
• 2.1 正铲液压挖掘机概述
• 2.2 正铲液压挖掘机两种典型的工作装置
• 2.2.1 普通正铲工作装置
• 2.2.2 挖掘装载装置
• 2.2.3 液压挖掘机工作循环过程
• 2.3 工作装置运动分析
• 2.3.1 动臂机构运动分析
• 2.3.2 斗杆机构运动分析
• 2.3.3 斗杆-铲斗四边形机构牵连运动分析
• 2.4 正铲液压挖掘机虚拟样机的实现
• 2.4.1 关键技术和所选用的支撑软件
• 2.4.2 正铲液压挖掘机虚拟样机的创建流程
• 2.5 小结
• 3 正铲液压挖掘机虚拟样机模型的建立
• 3.1 引言
• 3.2 基于PRO/ENGINEER 的正铲液压挖掘机三维实体建模
• 3.2.1 PRO/ENGINEER 建模准则
• 3.2.2 挖掘机零、部件几何建模实现
• 3.3 PRO/ENGINEER 环境中正铲液压挖掘机整机装配实现
• 3.3.1 Pro/Engineer 装配方法概述
• 3.3.2 挖掘机整机的装配实现
• 3.4 正铲液压挖掘机虚拟样机在ADAMS 软件中的实现
• 3.4.1 ADAMS 软件简介
• 3.4.2 ADAMS 软件中挖掘机虚拟样机的建立流程
• 3.4.3 模型导入步骤
• 3.4.4 对工作装置施加约束和驱动
• 3.5 小结
• 4 正铲液压挖掘机工作装置运动学仿真
• 4.1 引言
• 4.2 ADAMS 的多刚体运动学理论
• 4.2.1 ADAMS 多刚体的坐标系统
• 4.2.2 ADAMS 多刚体系统的组成
• 4.2.3 ADAMS 多刚体的自由度
• 4.2.4 ADAMS 运动学方程
• 4.2.5 ADAMS 运动学方程的求解算法
• 4.3 基于ADAMS 的工作装置运动学仿真
• 4.3.1 ADAMS 运动学仿真概述
• 4.3.2 运动学仿真在ADAMS 软件中的实现步骤
• 4.4 典型工况仿真
• 4.4.1 挖掘机整机作业范围的仿真
• 4.4.2 水平推压工况的仿真
• 4.5 小结
• 5 正铲液压挖掘机工作装置动力学仿真
• 5.1 引言
• 5.2 ADAMS 多刚体动力学理论
• 5.2.1 ADAMS 多刚体动力学方程
• 5.2.2 ADAMS 的多刚体算法
• 5.3 正铲液压挖掘机动力学仿真过程
• 5.3.1 添加构件重力
• 5.3.2 获取挖掘阻力
• 5.3.3 基于测试工况的动力学仿真实现
• 5.4 小结
• 6 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录