机械设计制造专业毕业论文5.5

HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY

成人高等教育

本科毕业设计（论文）

题 目： 地下铲运机工作装置的仿真

分析

函 授 站： 济南函授站 年 级： 2009级

专 业： 机械设计制造及其自动化

姓 名： * * *

指导老师： * * *

摘 要

地下铲运机工作装置设计的合理性直接影响整机性能，对提高井下装载效率及自动化程度具有重要的现实意义。本文在PRO/E软件中建立了工作装置的三维实体模型，并对工作装置进行了虚拟装配，三维可视化干涉检查、运动轨迹和运动学分析本文在参考与之相关的众多文献资料后，主要做了以下的工作：

首先了解了虚拟样机和地下铲运机国内外研究现状和发展趋势，介绍了虚拟样机技术的基本理论，论述了将虚拟样机技术应用于地下铲运机设计的必要性。

对ADAMS主要功能作了分析，并在介绍地下铲运机工作装置基本设计要求和ADAMS特点的基础上，对通用地下铲运机进行了实体建模，并在此基础上进行了动态仿真，得出了在虚拟环境下地下铲运机工作时的运动曲线、受力曲线。

结合地下铲运机的有关知识对该地下铲运机的设计进行评价，分析曲线中表现出的地下铲运机运动时的受力特点，运动特点，从而针对动态仿真时表现出来的受力和运动不合理的状况对原来的设计进行必要的修正，有效地解决运动学及动力学问题，进而达到优化设计的目的。

该课题的研究为地下铲运机工作装置的设计开发开拓了更加科学的方法，简化了设计步骤，降低了设计成本，缩短了研发周期，从而提高设计质量，是今后设计发展的方向。

关键词 地下铲运机；虚拟样机；ADAMS；仿真；优化

Abstract

The rationality of the work equipment of the scraper will affect directly the performance of whole machine and it is very important to improve the efficiency.

and the level of automatization of mining loading.The 3D modeling of the work equipment is accomplished in tire Pro.E software, the virtual assembly of the work equipment and 3D visualizationinterferential checking and the kinetic locus analysis are completed.

Based on the information from the large number of related documents, the following works are mainly completed:

First of all, the research situation and the development trend of scraper and virtual prototype technology are reviewed and the virtual prototyping technology principles are introduced, then the necessity to put the virtual prototype technology into the design of the scraper dicussed.

The analysis to the ADAMS functions has been made.Based on the basic design requirements of working equipment of scraper and the functions of ADAMS, ADASM platform is used to establish the prototyping model of working equipment. In the process of building model,the function of model verify in ADAMS is used to text the model.

The virtual prototyping model which we built is carries into simulation and analysis. Then the ADAMS/PostProcessor Module is used to describe the simulation results. According to the analysis of simulation results, the optimized direction is

determined.

On the basis of simulation results, the deficiencies of model is identified, and by combining optimization theory, the optimum goal is detemined, and the optimized solution is carried on using Matlab software.

A more scientific approach for designing scraper ’s working equipment has been set up in this research, combined with the design of woking parts, and solves some kinematics and dynamics problems to improve design quality.

Key words scraper virtual prototyping ADAMS simulation optimization

目 录

摘 要„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„Ⅰ Abstract„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„Ⅱ

第1章 绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 1.1课题的提出„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 1.2地下铲运机的综述和其发展状况„„„„„„„„„„„„„„„2

1.2.1地下铲运机的综述„„„„„„„„„„„„„„„„„„2

1.2.2国内外地下铲运机的发展和研究状况„„„„„„„„„„2

1.3 虚拟样机技术„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5

1.3.1 虚拟样机技术产生背景„„„„„„„„„„„„„„„„5

1.3.2 虚拟样机技术的相关概念„„„„„„„„„„„„„„„6

1.3.3 虚拟样机的特点„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6

1.3.4 虚拟样机与虚拟现实的区别„„„„„„„„„„„„„„7

1.3.5 虚拟样机技术在工程机械领域中的应用„„„„„„„„„8

1.4国内外研究的现状和存在的问题„„„„„„„„„„„„„„„9

1.5课题研究的主要内容„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11

第2章 地下铲运机工作装置的分类、组成及运动原理„„„„„„„„„„12

2.1工作装置转斗连杆机构的类型„„„„„„„„„„„„„„„„12

2.2工作装置的基本组成及工作原理„„„„„„„„„„„„„„„15

2.3工作装置的工作过程„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16

2.4工作装置的基本要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16

2.5本章小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17

第3章 基于ADAMS工作装置动力学仿真 „„„„„„„„„„„„„„„18

3.1 ADAMS软件的功能分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18

3.1.1 ADAMS简介„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18

3.1.2 ADAMS特点及应用„„„„„„„„„„„„„„„„„„18

3.1.3 ADAMS主要功能概述„„„„„„„„„„„„„„„„„20

3.2 ADAMS环境中工作装置模型的建立„„„„„„„„„„„„„„21

3.2.1建模的步骤„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21

3.2.2工作装置虚拟样机的建立„„„„„„„„„„„„„„23

3.2.3样机模型的创建„„„„„„„„„„„„„„„„„„23

3.3本章小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„37

第4章 装载机工作装置的虚拟样机分析„„„„„„„„„„„„„„„39

4.1多刚体系统动力学„„„„„„„„„„„„„„„„„„„39

4.2 仿真„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„40

4.2.1 仿真前的处理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„40

4.2.2 仿真工具„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„43

4.2.3 交互式仿真分析和试验„„„„„„„„„„„„„„„45

4.3 仿真结果处理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„46

4.3.1 后结果处理程序„„„„„„„„„„„„„„„„„„46

4.3.2 地下铲运机虚拟样机设计要求分析„„„„„„„„„„49

4.3.3机构速度特性分析„„„„„„„„„„„„„„„„„52

4.3.4机构受力特性分析„„„„„„„„„„„„„„„„„54

4.4本章小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„57 结 论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„59 致 谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„61 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„62 附录1„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„63 附录2„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„69

第1章 绪论

1.1 课题的提出

在当今日趋激烈的全球化的市场竞争中，地下铲运机生产企业要想求得生存与发展也必须满足市场所提出的T、Q、C、S要求，即以短的开发周期(Time)，高品质的产品(Quality)，较低的成本(Cost)和优良的服务(Service)来赢得用户。针对变幻不定的市场需求，企业必须具有对市场变化作出快速反应的能力，作为产品开发重中之重的设计阶段也必须具备高时效性的特点。

地下铲运机在产品生命周期内存在着投入期、成长期、成熟期和衰退期等几个阶段。在投入期，地下铲运机设计还没有完全定型，生产工艺也不够成熟，因此质量和性能不太稳定，生产的批量较小，一般是单件或小批生产；在成长期中，地下铲运机转入批量生产和扩大销售的阶段，这时设计、工艺成熟，市场需求日趋旺盛；在成熟期，其寿命周期的黄金时代，给企业带来巨额利润的时期，但同时是竞争激烈的时期，固定用户群已形成，销量达到顶峰，该型号市场需求趋向饱和，需考虑开发新产品；进入衰退期后，产品逐渐退出市场。

地下铲运机具有普通机械产品生产必须满足市场所提出要求的共性。所以要缩短以设计、试制为主要内容的投入期，节省投入成本，尽快进入利润丰厚的成熟期。此外由于传统物理样机开发模式在人力、物力和时间上的巨大浪费往往与产品的复杂程度成正比，因此作为复杂工程机械的特殊性，对开发的时效性要求更高。在现有产品进入衰退期之前，就应考虑现有产品的改进或新产品的开发。虚拟样机技术在地下铲运机设计、制造的全过程都可发挥重要的作用，参与从初始概念设计直至最终成品制造的全过程。在制造之前，虚拟样机技术可用来确定其外形，检查设计规划和工作进程，支持方案可行性分析、进行装配和人体工程学的研究。在开发的投入期，应用虚拟样机技术能缩短设计周期，节约设计经费。在产品制成之后又可以进行虚拟样机仿真实验，代替物理样机实验进行子系统及

参数的优化。地下铲运机进入衰退期，利用原有的数字虚拟样机可以修改原型，实现产品快速创新设计。

1.2 地下铲运机的综述和其发展状况

1.2.1 地下铲运机的综述

“地下铲运机”一词是参考英文“LHD unit"即装由运卸设备演绎而来。地[1]

下铲运机是以柴油机或以电动机为原动机的卸载设备。它靠液压或液力来完成机械传动，靠轮胎行走。主要用于地下矿山和隧道工程。它与地面或露天矿使用的装载机有许多相似之处，其主要区别是地下铲运机机身低矮、驾驶室横向布置、

采用光面或半光面地下耐用切割工程轮胎且以柴油机为原动机的铲运机还装有柴油尾气净化装置。图1-1是铲运机的全景图。

图1-1铲运机的全景图

1、工作装置;2、前车架;3、司机室;4、后车架;5、前轮;6、后轮

1.2.2 国内外地下铲运机的发展和研究状况

自20世纪六十年代以来，世界采矿业的国际竞争日益加剧，各发达国家纷纷将先进的露天矿开采技术运用到地下矿的生产中，使地下矿劳动生产率成倍甚至十几倍的提高，矿石成本大幅度下降。从而出现了所谓的“地下露天采矿”其特点主要表现在：地下运输为地下公路运输；地下采矿方法为大孔和深孔凿岩；地下采掘设备为无轨化、大型化、液压化、节能化和自动化。地下铲运机就是在这种背景下，由露天矿前端式装载机演变发展起来的一种新型高效地下无轨装运卸设备。下面，作者将分别对国内外地下铲运机的发展状况作详细的叙述。

（1）国外地下铲运机的发展状况

国外发达国家地下铲运机发展的总体特点是：基础好、起步早、发展全面、技术成熟。其发展大致经历了如下几个阶段：

1) 初始研发阶段(60年代初)

自1963年，美国瓦格纳(Wagner)公司在Grandview矿试验成功了第一台ST-5型铲运机以来，地下铲运机得到了迅速的发展，相应地也加速了地下矿山无轨凿岩、运输、装药、喷锚支护、手撬及辅助作业设备的发展，从而形成了以地下铲运机为主体的无轨化采矿技术。

2) 发展和推广的年代(20世纪60、70年代)

在地下矿山的苛刻作业环境中，山于铲运机具有高效、灵活、机动、多用和生产费用低等突出优点，随着无轨化采矿技术的推广，而得到了广泛的应用。进入20世纪70年代，国外地下铲运机技术已渐趋成熟，形成了系列化产品。但是当时铲运机几乎都是柴油机驱动的内燃铲运机，与以往的有轨或风动轮胎式铲运机械相比，虽然具有无可置疑的优越性，但柴油机所排出的废气、烟雾、热辐射及噪音却严重地污染了地下矿山的作业环境。为了解决内燃铲运机排气污染问题，早在60年代人们就开始探索电动铲运机的可行性问题。1973年月1月在多姆(Dome)金矿试验成功。

3)迅速发展和技术进步的年代(20世纪80、90年代)

80年代，由于世界矿业不景气，矿山机械产品的市场竞争更趋激烈。许多采矿与工程设备制造公司进行了兼并或联合，优化资源组合，以增强市场竞争力。其中的一个典型的例子就是:美国瓦格纳(Wagner)公司并入瑞典阿特拉斯·柯普柯(Atlas Copco)公司。这一段时期的主要技术成果可归纳如下：

1电动铲运机取得突破性进展； ○

2向大型化发展的同时，也向窄机身、微型化方向发展； ○

3动力机出现了重大的变革； ○

4多用化、组合化； ○

5变速箱采用电/液换挡和电子控制技术； ○

6驱动桥采用防滑差速器、全封闭湿式多盘制动器和光面耐切割轮胎； ○

7液压系统不断完善提高； ○

8注重环保和安全； ○

9发展遥控铲运机(视距遥控)； ○

10重视和发展自动化技术。 ○

4) 成熟发展阶段

目前，已进入21世纪第四年，国外地下铲运机在经历了将近40年的发展和 技术进步之后，己经进入成熟发展阶段。据90年代初统计，世界铲运机拥有量 超过15000台。10年之后，目前的世界铲运机拥有量应该更多。在经历了激烈的竞争和兼并、联合等变动之后，目前世界铲运机主要生产厂家有:

1山特维克·汤姆洛克(Sandvik Tamrock)公司； ○

2阿特拉斯·科普科·瓦格纳(Atlas Copco Wagner)公司； ○

3G. H. H公司； ○

4法德洛玛(FADROMA)公司(原BUMAR公司)； ○

5绍普夫(Schop}公司； ○

6其它厂家。 ○

如约翰克拉克(John Clark INC)公司以及俄罗斯的地下铲运机生产厂家。

（2）国内地下铲运机的发展状况

我国地下矿山使用铲运机始于1975年，由寿王坟铜矿使用从波兰引进的LK-1型、地下内燃铲运机开始。由于它显示出的优越性，很快在全国许多矿山推广，揭开了我国矿山无轨化开采发展的序幕。 [2]

我国自行研制地下铲运机始于70年代中期，由长沙矿山研究院分别与厦门工程机械厂和柳州工程机械厂(天津工程机械研究所)合作，在ZL40型和ZL5型地面装载机基础上，改型研制成功了DZL40型和DZL50型地下内燃铲运机。 [3]

随后，从70年代后期到90年代初，在对引进的铲运机进行消化，对国外铲

运机核心技术深入理解和掌握的基础上，长沙矿山研究院、北京矿冶研究总院、马鞍山矿山研究院、南昌矿山研究所等院所与国内制造厂家合作，先后研制了约30余种型号的地下铲运机 (包括中外合作生产的型号)。其中，国内研制的机型大多数通过鉴定，中外合作生产的机型均已通过验收，但批量在5台以上，并在矿山生产中得到连续使用的，只有为数不多的几种类型。

90年代中期以来，为了填补国产大中型铲运机几乎是空白的局面，有关单位又研制生产了一批具有90年代国外铲运机水平的大中型铲运机。这种铲运机的共同特点是:采用依茨风冷低污染柴油机、克拉克液力机械传动装置、全封闭湿式多盘制动器，NO-SPIN防滑差速器、工作装置液压系统采用双泵合流、先导控制等技术。设计中广泛采用CAD技术。

我国地下铲运机技术经过近30年的发展，已经日趋成熟，日益与世界接近或达到世界当代水平。

1）在柴油机尾气净化方面进行了大量实验研究工作，取得了显著成效；

2) 成功进行了电动铲运机的研制，形成了系列产品；

3) 遥控铲运机的研制与使用；

4) 矿用耐用轮胎的研制和全面推广；

5) 研制和检测手段日臻完善，接近世界水平。

1.3 虚拟样机技术

1.3.1 虚拟样机技术产生背景

自20世纪70年代以来，世界市场由过去传统的相对稳定逐步演变成动态多变，由过去的局部竞争演变成全球范围内的竞争；同行业之间、跨行业之间的相互渗透、相互竞争日趋激烈。中国已经加入WTO，我国企业已经不可避免地加入了国际竞争，机械工业将面临更加严峻的挑战，而产品的质量和更新速度将是企业立于不败之地的关键。

传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计。设计完成后，为验证设计，通常要制造样机进行实验，有时实验甚至是破坏性的。

当通过实验发现缺陷时，又要修改设计并再用样机验证。只有通过周而复始的设计—实验—设计过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的，尤其对于结构复杂的系统。样机的单机手工制造增加了成本。在大多数情况下，工程师为了保证产品按时投放市场而中断这一过程，使产品在上市时便有先天不足的毛病。在竞争的市场背景下，基于实际样机的设计验证过程严重地制约了产品的质量的提高、成本的降低和对市场的占有。为了克服传统机械设计制造过程的弊端，缩短设计制造周期，降低成本，一种新的技术应运而生，这就是虚拟样机技术。

1.3.2 虚拟样机技术的相关概念

虚拟样机有两种提法:Virtual Prototype和Virtual Prototyping。前者是相对物理样机而言，可以定义为利用计算机仿真技术建立的，取代物理样机进行评估和测试获取候选设计方案特性的等效数字模型，是存在于计算机中的参数化―软模型‖，它能像物理样机一样，反映最终产品的外观、结构、动力学和运动学等综合特性。后者是指为了测试和评价一个系统方案的设计，使用上述虚拟样机技术的过程。

虚拟样机环境是指包含虚拟样机，将CAD实体造型技术、系统仿真、人机交互技术等集成，形成的一个支持虚拟产品设计的集成仿真环境。Jasnoch和Kress从并行工程方法角度理解，认为虚拟样机环境是将多个CAD过程、知识推理过程等，通过计算机支持的协同工作技术、用户界面技术、设计过程管理和文档化技术集成起来，形成一个分布式环境以支持产品设计过程中的并行工程方法。

虚拟样机技术正是以虚拟样机和虚拟样机环境为基础，将系统工程方法、反求工程方法、优化方法、计算机建模仿真技术、计算机辅助设计技术和计算机支持协同工作、产品数据管理等有机地结合在一起，为产品的全寿命周期设计和评估提供分布式的集成环境，以达到优化整个设计周期，节约开发成本的目的。

1.3.3 虚拟样机的特点

虚拟样机技术作为一种现代先进设计方法，与传统设计方法相比，它具有以

下特点：

（1）全新的研发模式。传统的研发方法从设计到生产是一个串行过程，这种方法存在很多的弊端。而虚拟样机技术真正地实现了系统角度的产品优化，它基于并行工程，使产品在概念设计阶段就可以迅速地分析、比较多种设计方案，确定影响性能的敏感参数，并通过可视化技术设计产品、预测产品在真实工况下的特征以及所具有的响应，直至获得最优工作性能。

（2）有效的设计方法。采用虚拟样机技术有助于摆脱对物理样机的依赖。通过计算机技术建立产品的数字化模型，可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验，从而无需制造及试验物理样机就可获得最优方案，因此不但减少了物理样机的数量，而且缩短了研发周期、提高了产品质量。

作为数字化设计的一个分支，虚拟样机技术的发展离不开其他技术的支持，如:没有成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，虚拟样机技术也不会成熟。首先，三维几何造型技术能够使设计师们的精力集中在创造性设计上，把绘图等繁琐的工作交给计算机去做。这样，设计师就有更多的精力关注设计的正确和优化问题。其次，三维造型技术使虚拟样机技术中的机械系统描述问题变得简单。第三，由于CAD强大的三维几何编辑修改技术，使得机械设计系统的快速修改成为可能。

综上所述，虚拟样机技术是一门综合多学科的技术。它的核心部分是多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现。作为应用数学的一个分支的数值算法提供了求解这种问题的有效快速的算法，计算机可视化技术及动画技术的发展为这项技术提供了友好的用户界面，CAD/FEA等技术的发展为虚拟样机技术的应用提供了技术环境。

1.3.4 虚拟样机与虚拟现实的区别

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是一种计算机界面技术。从本质上讲，虚拟现实就是一种先进的的计算机用户接口，它通过给用户同时提供诸如视觉、听觉、触觉等各种直观而又自然的实时感知交互手段，最大限度的方便用户操作，

从而减轻用户的负担，提高整个系统的工作效率。根据VR所应用的对象不同，VR的作用可以表现为不同得形式，例如将某种概念设计或构思可视化和可操作化；实现逼真的遥现场效果；达到任意复杂环境下的廉价模拟训练目的等。

从虚拟现实的定义上看，虚拟现实与仿真有很大的相似，它们都是对现实世界的模拟。但它们也有很大的区别，仿真（Simulation）是使用计算机软件来模拟和分析现实世界中的系统的行为；虚拟现实（Virtual Reality）是对现实世界的创建与体验。

1.3.5 虚拟样机技术在工程机械领域中的应用

目前，虚拟样机技术在一些较发达国家，如美国、德国、日本等已经得到了广泛的应用，应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等很多方面,虚拟样机技术的运用为用户节约了开支、时间并提供了满意的设计方案。典型实例有：

(1) 美国波音飞机公司的波音飞机是世界上首架以无图纸方式研发及制造的飞机，其设计、装配、性能评价及分析均采用了虚拟样机技术，这不但使研发周期大大缩短(其中制造周期缩短50%)、研发成本大大降低(如减少设计更改费用94%)，而且确保了最终产品一次接装成功。

(2) 通用动力公司1997年建成了第一个全数字化机车虚拟样机，并行地进行产品的设计、分析、制造及夹具、模具工装设计和可维修性设计。日产汽车公司，利用虚拟样机进行概念设计、包装设计、覆盖件设计、整车仿真设计等。

(3) Caterpillar公司采用虚拟样机技术后，从根本上改进了产品的设计和试验步骤，实现了快速虚拟试验多种设计方案，从而使其产品成本大大降低，性能却更加优越。同样，John Deere公司利用虚拟样机技术解决工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动问题，不仅找到了原因，提出了改进方案，并且在虚拟样机上得到了验证，从而大大提高了产品的高速行驶性能与重载作业性能。

(4) 美国海军的NAVA IR/APL项目，利用虚拟样机技术，实现多领域多学科的设计并行和协同，形成了协同虚拟样机技术(collaborative virtual prototyping)，他们研究发现，协同虚拟样机技术不仅使得产品的上市时间缩短，还使得产品的成本减小了至少20%。

目前，我国虚拟样机技术在汽车制造业和武器装备制造业中初步有所应用，在其它行业应用较少，因此我国对于虚拟样机技术的应用领域和技术水平还很低，但己经引起了人们的普遍关注，如在农业机械领域，有人利用虚拟样机技术来设计甘蔗收获机，实现了产品和产品设计方法的创新，取得了良好的效果。

1.4 国内外研究的现状和存在的问题

对于工作装置的设计方面国内外研究的情况大致是：

（1) 图解设计法:最早采用的设计方法是图解设计法，它将工作装置的连杆机构看成是由斗杆机构和缸杆机构两部分组成。其关键是确定摇臂在动臂上的铰点位置和转斗油缸在机架上的位置。其大致的做法是这样的：

首先根据作业物料的性能要求，设计出铲斗的结构，确定斗铰线的长度和位置，并将其作为掘起力的计算位置，在满足卸载高度、卸载距离的前提下，根据总体结构的要求，确定动臂的长度和位置。然后，将六连杆机构分为斗杆机构和缸杆机构两个四连杆机构，运用作图法分别设计出斗杆机构和缸杆机构。最后，将设计好的斗杆机构和缸杆机构组合成一个完整的工作装置连杆机构。很显然这种方案只是一种可行方案，但是并不是最优的方案。在这个基础上，经过几次分析和改进还可以继续提高其性能。但是这种方案比较费事，要想同时满足多个约束的要求比较困难。这种方式基本属于一种―类比试凑法’。

（2）解析法: 解析法是根据平移性、卸料性、动力性的要求作出连杆机构的近似特性曲线，并根据近似特性曲线确定一组杆件方程组。然后再根据已知数据和杆件方程组计算出其它杆件的长度。最后作出连杆机构的实际特性曲线，根据实际特性曲线和近似特性曲线之间的差值作出一些修正。解析法设计连杆机构较作图法来说省去了反复试凑作图的过程。特别是根据连杆机构的特性曲线，用

杆件方程组设计出合乎预定性的方案，减少了设计过程的盲目性，从而利于提高设计的质量和效率，这比起作图法来说是一个进步。

（3) 优化设计方法：它是以数学规划为理论基础，以计算机为工具，来寻找工作装置的最优参数。优化设计方法不像图解法那样把约束条件都表示在图纸上，而是将约束条件都用方程边界条件，编成计算机程序，通过计算机计算得出结果，其中吉林工业大学的杨成康建立了工作装置的正、反转六连杆机构铰点位置优化设计的数学模型，编制了内点惩罚函数法优化设计程序，使工作装置动力性能提高了0.4%。太原重型机械学院的迟泳滨在1997年开发出了一个装载机工作装置设计CAD系统。他对工作装置的优化设计过程大概是这样的:首先利用专家系统技术构造一个初始的设计方案。然后，有了初始方案以后，再根据优化设计的目标函数选择合理的目标函数加权系数，并且根据各个约束函数，采用复合形法对 目标函数进行优化。这套系统对于现有机型的改进设计和相似机型的设计还是比较理想的。如果优化设计的结果不能够满足设计者的要求，还可以修改各个构件的参数再进行新一轮的优化，直到满足设计者的要求为止。

总之，这些方法都是基于二维平面上进行的 。对于工作装置干涉问题 、运动学 、动力学等问题不可能很好的解决 ，也不可能直观的表现出来 。近年来随着计算机技术的发展，在工作装置设计上出现了基于仿真技术的工作装置设计。例如吉林工业大学、大连理工大学和厦门工程机械厂等利用仿真技术不但研究了工作装置的运动学、动力学特性，而且对其进行了优化设计，但是他们不是对模型进行了大量的简化，而且只是局限于对刚体情况下工作装置的研究。本文建立了工作装置的实体模型，在仿真软件环境下模拟工作装置的运动状况，快速分析各种设计方案，进行辅助设计和参数化设计，并对弹性体工作装置进行动力学分析，为设计人员提供了有效的设计方案，降低了产品设计的成本。

总结：以上的优化方法可以看出，采用的仍然是传统的优化理论，追求目标函数的最优值，虽然经过优化以后，设计变量满足了目标函数和约束条件的要求，但付出的代价是很大了，降低了产品设计的效率。

1.5 课题研究的主要内容

本论文主要对地下铲运机工作装置进行虚拟仿真设计，并优化其结构参数，确保其工作性能达到最优。在研究过程中，主要完成以下工作：

(1) 建立工作装置整体数学模型；

(2) 地下铲运机虚拟样机建模：熟练掌握ADAMS软件，同时运用ADAMS 仿真软件建立空间三维模型，进行动态模拟仿真，充分挖掘ADAMS能够提供的分析功能；

(3) 地下铲运机虚拟样机工作机构运动学、动力学分析：即在ADAMS环境中对虚拟装载机的工作装置进行仿真研究。

第2章 地下铲运机

工作装置的分类、组成及运动原理

2.1 工作装置转斗连杆机构的类型

综合国内、外露天装载机及地下铲运机转斗连杆机构的形式，主要有7种类型的连杆机构，按构件数不同，可分为三杆、四杆、五杆、六杆和八杆转斗连杆机构，由文献[4～8]可知。按输入和输出杆的转向是否相同又分为正转和反转连杆转斗机构。7种转斗连杆机构分述如下：

(1)

正转八杆转斗机构(见图 2-1)

图2-1 正转八杆转斗机构图

所示此转斗机构在转斗油缸大腔进油时转斗铲取，所以铲取力较大;各构件尺寸配置合理时，铲斗具有较好的举升平动性能;连杆系统传动比较大，铲斗能获得较大的卸载角和卸载速度，因此卸载干净、速度快；由于传动比大，还可适当减小连杆系统尺寸，因而司机视野得到改善，但是一定要“适当”，否则易使连杆系统传动比减小，影响铲取力发挥。

正转八杆转斗机构的卞要缺点是机构复杂，不易实现铲斗自动放平。此机构的转斗油缸与铲斗和摇臂直接连接，该工作机构由两个平行四杆机构组成，它使铲斗具有很好的平动性能，它比八杆转斗机构简单，司机视野较好。

(2)

铲斗油缸前置式正转六杆转斗机构(见图2-2)

图2-2 铲斗油缸前置式正转六杆转斗机构图

这种机构的缺点是转斗铲取时油缸小腔进油，铲取力相对较小;连杆系统传动比小，使得转斗油缸活塞行程大，油缸加长，卸载速度不如八杆转斗机构。

(3) 油缸后置式正转六杆转斗机构(见图2-3)

图2-3 油缸后置式正转六杆转斗机构图

此种机构与上述油缸前置式相比，前悬较大、传动比较大、活塞行程较短，有可能将动臂、转斗油缸、摇臂和连杆设计在同一平面内，从而简化了结构，改善了动臂和铰销的受力状态。

(4)油缸后置式反转六杆转斗机构(见图2-4)

图2-4 油缸后置式反转六杆转斗机构图

这种机构有如下优点：1)转斗油缸大腔进油时转斗铲取，并且连杆系统的倍

力系数能设计成较大值，所以可获得较大的铲取力；2)恰当的选择各构件尺寸，不仅能得到良好的铲斗平动性能，而且可以实现铲斗的自动放平；3)结构十分紧凑，前悬小，司机视野好。缺点是摇臂和连杆布置在铲斗与前桥之间的狭窄空间，容易发生构件相互干涉。

（

5）正转四杆转斗机构(见图2-5)

2-5 正转四杆转斗机构图

它是7种转斗连杆机构中最简单的一种，容易保证四杆转斗机构实现铲斗举升平动，此机构前悬较小，缺点是转斗铲取时油缸小腔进油，油缸输出力较小，又因连杆机构倍力系数难以设计出较大值，所以转斗油缸活塞行程大，油缸尺寸小;此外，在卸载时活塞杆易与铲斗底相碰，所以卸载角度减小。为了避免碰撞，需把斗底制造成凹形，因而减小了斗容，又增加了制造困难，而且铲斗也不能实现自动放平。

（

6）正转五杆转斗机构(见图2-6)

图2-6 正转五杆转斗机构图

为克服正转四杆转斗机构卸载时活塞杆易与斗底相碰的缺点，在活塞杆与铲斗之间增加一根短连杆，从而使正转四杆转斗机构变为正转五杆转斗机构。当铲斗翻转铲取物料时，短连杆与活塞杆在油缸拉力和铲斗重力作用下成一直线，如同一杆:当铲斗卸载时，短连杆能相对活塞杆转动，避免了活塞杆与斗底相碰。此机构的其它缺点仍如正转四杆转斗机构。

（

7）动臂可伸缩式转斗机构(见图2-7)

2-7 动臂可伸缩式转斗机构图

它的最大特点是动臂可借助动臂伸缩油缸进行伸缩。这种机构的铲斗插入工况是靠动臂伸出实现的，它解决了靠机器行走易使轮胎严重磨损问题。

2.2 工作装置的基本组成及工作原理

地下铲运机工作装置简图：

图2-8 地下铲运机工作装置简图

1、前车架；2、转斗油缸；3、摇肴；4、连杆；5、铲斗；6、动臂；7、举升油缸(两个)

本工作装置是地下铲运机铲装物料的装置，它的结构和性能直接影响整机的工作尺寸和性能参数。因此，工作装置的合理性直接影响地下铲运机的生产效率、工作负荷、动力与运动特性、不同工况下的挖掘效果、工作循环时间 (包括铲取、举升、卸料和铲斗返回到原位的时间)、外形尺寸和发动机功率等，不同类型的工作装置其组成是不同的。

2.3 工作装置的工作过程

地下铲运机是一种装运卸一体化的自行式设备，它的工作过程由五种工况组成：

（1）插入工况：动臂下放，铲斗放置于地面，斗尖触地，斗底板与地面呈35倾角，开动地下铲运机，铲斗借助机器的牵引力插入料堆。

（2）铲装工况：铲斗插入料堆后，转动铲斗铲取物料，待铲斗口翻至近似水平为止。

（3）重载运输工况：铲斗装满物料后举升动臂，将铲斗举升至运输位置 (即铲斗斗底离地高度不小于机器的最小允许离地间隙)，然后驱动机器驶向卸载。

（4）卸载工况：在卸载点，举升动臂使铲斗至卸载位置翻转铲斗，向运输车辆卸载，铲斗物料卸净后下放动臂，使铲斗恢复至运输位置 。

（5）空载运输工况：卸载结束后，地下铲运机再由卸载点空载返回装载点。0

2.4 工作装置的基本要求

地下铲运机由于其特定的工作条件，其工作装置在设计时应满足以下要求

（1）角度要求：卸料角为3850，达到所要求的卸载高度与卸载距离；铲斗最低工作点应低于停车与行车面，以完成平整作业与溜井采矿；铲斗在运输位置时，后倾角为45，铲斗放平时，斗底与地平面的后角为35。

（2）运动要求：在工作状态和工作结束位置速度与加速度变化合理；油缸活塞行程具最佳值；工作装置运动平稳无干涉、无死点、无自锁;动臂从最低位置到最大卸载高度的举升过程中，保证铲斗中物料不撒落 ( 铲斗平移角小于10)在卸料后，动臂下放至铲掘位置铲斗能自动放平。 0000

（3）结构要求：结构要求简单紧凑，承载元件数量(包括油缸)尽量少。

（4）动力性要求：要求工作装置连杆机构产生较大的插入力和铲取力，也就是要求连杆机构具有较高的力传递效率。

2.5 本章小结

地下铲运机的铲运装置结构多种多样，它的结构和性能直接影响整机的工作尺寸和性能参数。因此，工作装置的合理性直接影响地下铲运机的生产效率、工作负荷、动力与运动特性。所以说正确的选择机构是研究成功的关键。

第3章基于ADAMS工作装置动力学仿真

3.1 ADAMS软件的功能分析

3.1.1 ADAMS简介

ADAMS是由美国Mechanical Dynamics Inc.公司研制的集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机软件，是世界上目前使用范围最广、最负盛名、最有权威性的机械系统仿真分析软件。使用这套软件可以产生复杂机械系统的虚拟样机，真实地仿真其运动过程，并且可以迅速地分析和比较多种参数方案，直至获得优化的工作性能，从而大大减少了昂贵的物理样机制造及试验次数，提高了产品设计质量，大幅度地缩短产品研制周期和费用。该软件90年代开始在我国的机械制造、汽车交通、航空航天、铁道、兵器、石油化工等领域得到应用，为各领域中的产品设计、科学研究作出了贡献。

利用ADAMS软件，用户可以快速、方便地创建完全参数化的机械系统几何模型。该模型既可以是在ADAMS软件中直接建造的几何模型，也可以是从其他CAD软件中传过来的造型逼真的几何模型。然后，在几何模型上施加力矩和运动激励。最后执行一组与实际状况十分接近的运动仿真测试，所得的测试结果就是机械系统工作过程的实际运动情况。过去需要数星期、数月才能完成的建造和测试物理样机的工作，现在利用ADAMS软件仅需几个小时就可以完成，并能远在物理样机建造前，就可以知道各种设计方案的样机是如何工作的。

ADAMS软件能够帮助工程师更好地理解系统的运动、解释其子系统或整个系统即产品的设计特性，比较多个设计方案之间的工作性能、预测精确的载荷变化过程，计算其运动路径，以及速度和加速度分布图案等。

ADAMS将强大的分析求解功能与使用方便的用户界面相结合,使该软件使用起来既直观又方便，还可用户专门化。

3.1.2 ADAMS特点及应用

ADAMS软件的特点如下：

（1）利用交互式图形环境和零件、约束、力库建立机械系统三维参数化模型。

（2）分析类型包括运动学、静力学和准静力学分析，以及线性和非线性动力学分析、刚体和柔性体分析。

（3）具有先进的数值分析技术和强有力的求解器，使求解快速、准确。

（4）具有组装、分析和动态显示不同模型或同一个模型在某一个过程变化的能力，提供多种―虚拟样机‖方案。

（5）具有一个强大的函数库供用户自定义力和运动发生器。

（6）具有开放式结构，允许用户集成自己的子程序。

（7）自动输出位移、速度、加速度和反作用力，仿真结果显示为动画和曲线图形。

（8）可预测机械系统的性能、运动范围、碰撞、包装、峰值载荷和计算有限元的输入载荷。

（9）支持同大多数CAD、FEA和控制设计软件包之间的双向通讯。

ADAMS软件可以帮助改进各种机械系统设计，从简单的连杆机构到车辆、飞机、卫星甚至复杂的人体。例如，在航空和国防工业中，ADAMS能够仿真分析飞机起落架、货舱门以及载重车辆和武器的动力学问题；在航天工业中，它能用于太阳能电池板的展开和回收过程的运动、动力分析；在汽车工业中，能用于卡车、越野汽车以及其他车辆的动力学分析；在生物力学和人机工程学领域，ADAMS能用于人机界面设计、事故重建、车辆乘员保护以及产品的人机工程学设计；在机电产品中，它能用于磁盘和磁带驱动器的设计、传真机以及电路断电器的设计；在健身娱乐产品中，它能用于健身自行车以及其他健身运动器材；在一般机械中，如电动印刷机、家用电器、电梯等都可应用ADAMS进行设计和分析;在制造业和机器人的设计、材料加工设备、包装机械以及食品加工设备的设计也都能够应用ADAMS；在铁路系统，ADAMS能够用于车轮与铁轨的相互作用分析以及车厢之间耦合的动力学问题。

3.1.3 ADAMS主要功能概述

ADAMS软件由若干模块组成，分为核心模块、功能扩展模块、专业模块、工具箱和接口模块5类，如图3-1所示。其中最主要的模块为ADAMS/View——用户界面模块和ADAMS/Solver—

求解器。通过这两个模块可以对大部分的机[9]

械系统进行仿真。

图3-1 ADAMS模块表

（1）用户界面模块（ADAMS/View）

ADAMS/View是ADAMS系列产品的核心模块之一，是以用户为中心的交互式图形环境。它将简单的图标、菜单、鼠标点取操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示、X-Y曲线图处理曲线、结果分析和数据打印等功能完美的集成在一起。

ADAMS/View采用简单的分层方式完成建模工作，它提供了丰富的零件几何图形库、约束库和力/力矩库，并且支持布尔运算，采用Parasolid作为实体建模的核，支持Fortran/77和Fortran/90中所有函数。除此之外，ADAMS/View还提供13个位移函数、9个速度函数、8个加速度函数、2个接触函数、3个样条函数、14个力/力矩函数、8个合力/力矩函数、6个数据元函数、若干用户子程序函数以及6个常量和变量。

ADAMS/View有自己的高级编程语言，支持命令行输入命令和C++语言，有丰富的宏命令以及快捷方便的图标、菜单和对话框创建和修改工具包，而且具有在线帮助功能。

（2）求解器(ADAMS/So1ver)

ADAMS/Solver是ADAMS系列产品的核心模块之一，是ADAMS产品系列中处于心脏地位的仿真―发动机‖。该软件自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结果。

ADAMS/Solver可以对刚体和弹性体进行仿真研究。为了进行有限元分析和控制系统研究，除满足用户输出位移、速度、加速度和力等的要求外，还可输出用户自己定义的数据。用户可以通过运动副、运动激励，高副接触、用户定义的子程序等添加不同的约束，同时可求解运动副之间的作用力和反作用力，或施加单点外力。

3.2 ADAMS环境中工作装置模型的建立

3.2.1建模的步骤

用 ADAMS 进行建模、仿真和分析，一般要遵循以下步骤，如图 3-2所示。

图3-2 利用ADAMS建模分析的步骤

各步骤简述如下：

（1）建造模型

建模包含三部分工作：

1）创建零件

有两种途径：通过 ADAMS/View 的零件库来创建各种简单的运动单元（零件）；用 ADAMS/Exchange 引入复杂的 CAD 形体(会影响运行速度)。

2）给模型施加约束和运动

3）给模型施加各种作用力

（2）测试模型

定义测量，对模型进行初步仿真，通过仿真结果检验模型中各个零件、约 束及力是否正确。

（3）校验模型

导入实际实验测试数据，与虚拟仿真的结果进行比较。

（4）模型的细化（Refine）[10]

经过初步仿真确定了模型的基本运动后，可以在模型中加入更复杂的单元，如在运动副上加入摩擦，用线性方程或一般方程定义控制系统，加入柔性连接件等等，使模型与真实系统更加近似。

（5）模型的重新描述（Iterate）

为方便设计，可以加入各种参数对模型进行描述，当用户对模型进行了更改，这些参数自动发生变化，使相关改动自动执行。

（6）优化模型

对模型进行参数分析，优化设计。

（7）定制用户自己的环境

用户可以定制菜单、对话框，或利用宏使许多重复工作可以自动进行。

3.2.2工作装置虚拟样机的建立

在用ADAMS 建模之前，必须对实际的模型进行简化。这样不仅可以节省大量的建模时间，也可以保证 ADAMS 的仿真及分析过程能够顺利进行。同时，由于 ADAMS 在进行运动学、动力学求算时，只考虑零件的质心和质量，而对零件的外部形状不予考虑，因此在模型中精确地描述出复杂的零件外形，并没有多大的实际意义。当然，零件形体描述得越准确，ADAMS 自动求算的零件质量和质心位置也就越精确，但复杂零件的建模并不是 ADAMS 的特长，这样做的代价是将大量的时间花费在建模上，并会大大降低 ADAMS 仿真和分析的运行效率。

3.2.3 样机模型的创建

1. 创建关键点（Point）

在ADAMS/View中，有些几何体是没有质量的，主要是用于定义其他几何形状和几何体，其中最常用的几何建模辅助工具是关键点（

Point）

点(Marker) 。 和标记

Point点具有位置和方向，大部分情况都是伴随物件自动产生的，而Marker点不能定义方向，只能定义位置。此外，Marker点还可以用来定义构件的几何形状和方向，定义约束与运动的方向等，而Point点常用来作为参数化的参考点，若构建与参考点相连，当修改参考点的位置时，其所关联的物体也会一起移动或改动，如图所示，我们设置两个Point点：Point_1和Point_2，并在其上创建一个连杆（图3-3），改变Point_1的坐标，则连杆也会随之改变（图3-4）

。

图3-3 Point_1改动前 图3-4 Point_1改动后

在建立模型前，我们首先要确定各个铰点的坐标。鉴于以上的分析，我们把铰点用Point点标记，以便于以后优化。

2. 创建工作装置的各个构件

ADAMS/View中的主工具箱如图3-5所示。

图3-5 ADAMS/View的主工具箱

通过创建的设计点，利用主工具箱中的相关工具分别创建动臂、铲斗、摇臂、连杆、举升油缸和翻斗油缸，创建构件的过程中所用到的工具见表3-1：

表3-1创建构件一览表

在创建铲斗时，需要先用

何体），再用Polnline创建出铲斗的基本外形（无质量的几Extrusiom进行拉伸，形成铲斗的实体，设置合理的壁厚后，用

Hollow进行挖洞，形成铲斗的基本外形。

创建的工作装置模型如图3-6、图3-7

、图3-8、图3-9所示。

图3-6 工作装置虚拟样机模型（工况Ⅰ）

图3-7工作装置虚拟样机图（工况Ⅱ）

图3-8 工作装置虚拟样机图（工况Ⅲ）

图3-9 工作装置虚拟样机图（工况Ⅳ）

3. 添加约束

ADAMS/View中约束定义了构件（刚体、柔形体和点质量）间的连接方式和相对运动方式。ADAMS/View为用户提供了一个非常丰富的约束库，主要包括4种类型的约束：

·理想约束。包括转动副、移动副和圆柱副等。定义两构件在运动中发生接触时，是怎样相互约束的。

·虚约束。限制构件某个运动方向，例如，约束一个构件始终平行于另一个构件运动。

·运动产生器。驱动构件以某种方式运动。

·接触限制。

在本模型中主要添加理想约束中的转动副、移动副、固定副以及运动发生

（1）添加理想约束（运动副约束）

添加的方法如下：

1）在主工具箱中的连接工具集，选择约束工具图标。

2）在设置栏选择连接构件的方法，有以下3种情况：

①1个位置(1 location)。选择一个连接的位置，由ADAMS/View确定连接的构件。此时，ADAMS/View自动选择最靠近所选连接位置的构件进行连接。如果所选连接点附近只有一个构件，则该构件将同地面连接。只有在两个构件的连线位置非常接近时，才可以有ADAMS/View确定连接的构件。并且由ADAMS/View确定连接的构件时，ADAMS/View并不区分第一个构件与第二个构件。因此，对于要求明确指出第一个构件与第二个构件的约束，这种方法不适用。

②2个构件1个位置(2 Bodies—1 location)。选择需连接的两个构件和一个连接位置。此时，连接件固定在构件1(先选择的构件)上，构件1相对构件2而运动。

32个构件2个位置(2 ○Bodies—2 location)。选择需连接的两个构件，

以及这两个构件的连接点（约束连接位置）。

3）选择连接方向，有两种方法：

①栅格方向(Normal to Grid)。当显示工作栅格时，连接方向垂直于栅格平面。否则，连接方向垂直于屏幕。

②选取方向(Pick Feature)。通过一个在栅格或屏幕平面内的方向矢量确定连接方向。在选方向时一定要注意选择方向的正确性。因为你的方向如果选择的不够好，就会影响运动副的运动效果达不到理想的运动状态，完不成模拟动作，从而完不成设计任务。

4）根据屏幕底部状态栏的提示，依次选择相互连接的构件1、构件2、连接位置和方向等。

在创建运动副时，每一个旋转副都要进行设置，确保在需要旋转的方向能够自由的旋转，而在限制的方向则不能进行旋转。这些旋转副要完美的协调，彼此照应，完成需要完成的动作。在设置旋转福时一定要细心，千万不能马虎大意。一旦马虎，设置错了一个旋转副就很有可能导致整个装置不能按照设计的路线运

动下去，从而要一个一个的从新核对各个运动副的设置，不但麻烦而且耽误时间。在本模型中，我们首先用约束工具箱中的Revolute Joint工具创建旋转副。在

A、B、C、D、E、F、G、L、M

和N

各设计点，创建旋转副。如图3-10所示。

图3-10 建立铰接副

利用约束工具箱中的Translation Joint工具，再分别在举升油缸和翻斗油缸的活塞杆与缸筒之间建立移动副，如图3-11所示。

图3-11建立移动副

（2） 添加运动发生器（运动约束）

ADAMS/View提供了以下两种类型的运动：

1）运动副运动（Joint Motion）运动副运动定义了转动副、移动副和圆柱副中的移动和转动运动，每一个运动副去除一个自由度。

2）点运动（Point Motion）点运动定义两个零件之间的运动规律。定义点规律时，还需指明运动的方向。点运动可以应用于任何典型的运动副，例如：圆柱副、球形副等等。通过定义点运动可以在不增加额外约束或构件的情况下，构造复杂的运动。

运动副运动和点运动定义的运动可以是恒速运动，也可以通过函数生成器定义关于时间的函数，从而定义复杂运动。

运动可以定义为整个过程中的加速度、位移和速度。在默认状态下，通过定义整个过程的恒定运动速度定义运动。用户可以通过3种方法定义运动值：直接输入移动或转动的速度值，通过函数表达式定义运动副的运动，输入自编子程序的传递参数定义复杂的运动。

由于装载机工作装置存在转动和移动两种运动方式，故在液压缸上定义两个移动副，在各铰点上定义十个旋转副（见表2-3）。

表2-3 各运动部件之间的连接情况

在ADAMS中，运动学驱动以时间函数形式确定刚体的运动学方程，液压缸的液压力是装载机工作装置的原动力，故而在两个移动副上以ADAMS提供的STEP函数分别定义动臂举升液压缸和翻斗液压缸的驱动。

为此，首先在运动工具箱中选择创建直线运动工具Translational Joint Motion,在动臂油缸和翻斗油缸的移动副上施加直线运动，如图3-12，再利用STEP函数表达，按要求设定油缸的运动规律，使活塞杆实现伸缩，从而驱动动臂和铲斗。

图3-12添加直线运动

转斗油缸的运动规律:

step(time,0,0,5,120)+

step(time,10, 0,15,-250)+

step(time,20,0,25,250)+

step(time,37,0,40,-120)

动臂举升油缸的运动规：

step(time,5,0,10,-200)+

step(time,30,0,35,200)

4. 施加载荷

铲运机典型工作过程包括插入、铲装、重载运输、卸载和空载运输工况。不考虑运输工况和摩擦力，工作装置所受的载荷有插入阻力凡、铲取阻力几和物料重力几，如图3一13所示。分析典型的作业过程可知，铲斗的插入和铲装是顺序进行的，插入阻力和铲取阻力也依次达到最大值，各构件的自重不发生变化。定义重力加速度g的大小和方向，在各个刚体上设定材料属性，系统能自动计算

出各刚体的

图3-13工作装置载荷示意图

质量、质心和转动惯量，并在仿真中自动给刚体施加重力。用step函数模拟工作装置在一个循环中的受力情况，分别用Fin,Fsh,Fg的函数表示，其中力的单位

为kN。 [11]

Fin的函数表达式为：

STEP(time,0,0,0,0)

Fsh的函数表达式为：

STEP( time,0,0,3,40)+STEP( time,3,0,5,-40)

Fg的函数表达式为：

STEP( time,0,0,5,15 )+STEP( time,10,0,15,-15)

图3-14 工作装置典型工况

仿真条件分析:设定仿真分析类型为运动学分析(Kinematic )，仿真时

间可设为40秒，仿真步数为1000步，仿真结束后，查看仿真结果。典型运动工况如图3-14所示，分别为地面插入工况(左1)、下限收斗工况(左2 ),上限举升工况(右2)和上限卸料工况(右I)。启动干涉检测（Collision Check )功能，发现工作装置在整个运动过程中没有干涉现象。这与Pro/E环境中检查的干涉情况一样。利用测量工具，测量得到最大卸载高度为3.8m和卸载距离0.9m，以及最大卸载高度时的卸载角为45，这些测量值均满足煤矿井下环境中铲运机工作装置的作业要求。 0

仿真结果分析：

（1）转斗油缸的受力情况：

图3-15 转斗油缸的受力情况图

（2）动臂举升油缸的受力情况：

图3-16 动臂举升油缸的受力情况图

（3）举升油缸加速度

图3-17

举升油缸加速度图

（4）转斗油缸加速度

图3-18转斗油缸加速度图

启动ADAMS中的求解处理器，观察动臂举升油缸和转斗油缸在工作过程中的受力情况，如图3-15和3-16所示，可以看出举升油缸和转斗油缸的受力变化趋势基本一致，负载随着铲斗插入深度的增加而增加，铲掘完成后作用力迅速下降，但在开始铲掘时达到最大，之后在动臂举升油缸重载举升过程中，作用力基本平稳，受力随着传力比的增大而减小，最后随着卸载减小到最小值，而且基本上举升油缸受力比转斗油缸受力大。动臂举升油缸受力在9.6s和19.0s处出现局部峰值，分别是因为其加速拉伸和减速收缩的缘故，在13.8s和16.2s处出现局部最小点，分别是因为其拉伸减速和收缩加速的缘故。其加速度变化曲线，如图3-17和3-18所示，可以很好地反映油缸受力出现局部最大值和最小值的原因。从加速度曲线还可以看出，铲斗在整个工作过程中，转斗油缸先加速拉伸，然后减速拉伸，在铲斗从运输位置运动到卸载位置的过程中，举升油缸先加速拉伸，然后减速拉伸，转斗油缸长度保持不变;在卸载物料和自动放平的过程中，转斗油缸和举升油缸同样是交替运动，先加速再减速，不同的是加速度方向改变了，而且油缸加速度在铲斗卸载和自动放平的过程中，要比铲斗翻转、

举升时的加速度要大，这是因为铲斗卸载、放平，油缸都是处于收缩状态，阻尼力与油缸输出力方向相同，合力就要比铲掘和举升情况下的合力要大，所以加速度也大。

铲斗的质心位置，速度及加速度情况

图3-19铲斗运动学曲线

如图3-19所示，从这个曲线变化情况可以看出，铲斗在插入工况下，质心的位置基本保持不变，在铲斗翻转到运输位置的过程中，质心的位置略有下降;当铲斗举升时，质心的位置逐渐上升，从加速度曲线可以看出，在这段过程中，曲线变化比较平稳，铲斗基本保持匀加速运动，即使有轻微振动，也是在工作要求允许范围之内，避免了物料的大量散落；当铲斗卸载结束，动臂下降到最低点位置时，质心的位置也缓慢下降到最低位置，由位移曲线可以看出，质心位置在初始时刻和终了时刻基本保持一致，这就满足了自动放平的工作要求，为下一时刻铲掘动作作好准备。而且质心位置在装载翻斗、卸载翻斗变化幅度相对于举升、降臂时要小一些，这与两个工况的实际工作情况相同。铲斗质心加速度在卸载完成时变化最大，是由于卸载结束时，连杆瞬时对铲斗的拉力所引起的。铲斗速度变化与油缸加速度变化基本保持一致，转斗油缸加速拉伸，铲斗速度上升，转斗油缸减速拉伸，铲斗速度下降:举升油缸加速拉伸，铲斗速度上升，举升油缸减速拉伸，铲斗速度下降;转斗油缸加速收缩，铲斗速度上升，转斗油缸减速收缩，铲斗速度下降;举升油缸加速收缩，铲斗速度上升，举升油缸减速收缩，铲斗速度下降，这与工作装置的实际运动情况完全相符。

3.3 本章小结

在ADAMS中建立铲运机工作装置的模型，对铲运机工作装置进行了多刚体运

动学和动力学仿真。由于工作装置在实际工况中载荷分布情况是十分复杂的，故而本章根据实际工程情况的不同载荷分布，仅对其中普遍的两种情况进行了分析。通过本章所做工作可以得出以下结论：

（1）采用经典动力学分析软件ADAMS建立模型比在Pro/E中模型的环境设定和控制更为方便和准确，在此环境中对工作装置的运动学和动力学分析更为细致。

（2）ADAMS软件可以方便绘制工作装置各个杆件的运动学、动力学特性曲线，并且可以对运动学、动力学特性曲线进行处理，为全面的研究工作装置运动学和动力学提供了详细的数据。

（3）通过对工作装置模型的分析，得到了工作装置作业性能特性曲线和它的运动学和动力学特性曲线，揭示了铲运机工作装置作业性能及其运动学、动力学特性变化规律，为研制铲运机提供了可靠的参考依据。

（4）比较工作装置不同极限载荷下的情况，进一步的证明了所得到的工作装置模型的运动学、动力学特性曲线变化规律是符合设计要求，同时验证了工作装置在铲斗铲掘位置是受力最大的结论。

（5）所得到的工作装置多刚体的运动学、动力学特性曲线变化规律，也可为研究其它类型铲运机工作装置运动学、动力学起到指导作用。

（6）通过对比多刚体和含有弹性体工作装置的分析结果，证明了采用含有弹性体工作装置模型可以充分的反应工作装置的实际运动情况，同时对该铲运机工作装置模型进行强度校合，结果显示其强度是满足设计要求的。

第4章 装载机工作装置的虚拟样机分析

4.1 多刚体系统动力学

虚拟样机技术的核心理论是多体系统动力学，多体系统动力学是由多刚体系统动力学与多柔体系统动力学组成的，是研究多体系统运动规律的学科。多刚体系统动力学的研究对象是由任意有限个刚体组成的系统，刚体之间以某种形式的约束连接，这些约束可以是理想完整约束、非完整约束、定常或非定常约束。研究这些系统的动力学需要建立非线性运动方程、能量表达式、运动学表达式以及其他一些量的公式。多柔体系统动力学的研究对象是由大量刚体和柔体组成的系统。

在对机械系统研究中常分为静力学分析、运动学分析、动力学分析：

（1）机械系统的静力学分析

机械系统的静力学分析在一定条件下，机械系统变成一个刚性系统，系统中的各构件之间没有相对运动。此时主要是分析在各种力的作用下，各构件的受力和强度问题。

（2）机械系统的运动学分析

机械系统的运动学分析主要涉及系统及其各构件的运动分析，它与引起运动的力无关，系统中一个或多个构件的位置或杆对位置与时间的关系是规定好的，其余构件的位置、速度和加速度与时间的关系，可以通过求解位置的非线性方程组和速度、加速度的非线性方程组来决定。

（3）机械系统的动力学分析

机械系统的动力学分析主要涉及由外力引起的系统运动分析，有两种情况：一种是确定与时间无关的力作用下系统的平衡位置。在外力作用下系统的运动与运动学关系相一致，这些关系是通过连接系纷构件的运动副施加给系统。可以运用动力学方程或微分方程与代数方程区组合求解，确定系统的运动；另一种情况是运动学分析和动力学分析的组合形式。

虚拟样机技术的研究范围主要是机械系统运动学和动力学分析，其核心是利用计算机辅助分析技术进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统及其各构件在任意时刻的位置、速度和加速度，同时，通过求解代数方程组确定引起系统及其各构件运动所需的作用力及其反作用力。

在应用多体系统动力学理论解决实际问题时，一般要经过以下的步骤：

1) 实际系统的多体模型简化；

2) 自动生成动力学方程；

3) 准确的求解动力学方程。

4.2 仿真

4.2.1 仿真前的处理

利用ADAMS/View进行样机的仿真分析及调试时的思考方式，类似于对物理原型机进行实物试验的思考方式，基本步骤如下：

（1）应该确定仿真分析要求获得的输出。ADAMS/View提供了一些常用的默认输出，这些输出在进行仿真分析以后，会自动产生。ADAMS/View同时允许用户采用测量和指定输出的方式，自定义一些特殊的仿真输出。

（2）为了使得仿真分析能够较顺利地进行，在进行仿真分折以前，需要对样机模型进行一些最后的检验，排除隐含的错误，建立正确的初始条件。

（3）拟定和设置仿真分析和试验的有关控制参数，例如：分析类型、时间、分析步长、分析精度等。ADAMS/View提供了类似于传感器的测试功能，可以根据传感器的检测结果，动态控制仿真分析过程。

（4）对样机进行仿真分析和试验。ADAMS/View提供了一些仿真跟踪和调试工具，在进行样机的仿真调试过程中，可以利用这些工具跟踪仿真结果，及时排除故障。

（5）最后，要对分析结果进行一定的管理，以便以后对仿真结果进行进一步的后处理分析[12]。

在进行模型仿真分析前，需要进行必要的准备工作:

（1）仿真输出设置

ADAMS/Solver默认的仿真输出有两大类:样机各种对象(例如:构件、力、约束等)基本信息的描述和各种对象的有关分量信息。此外，如果要自定义一些特殊的输出可以采用对象测量和输出请求的方式：

1）对象测量:此功能可以测量模型中各种对象的几乎所有的特性，例如液压缸驱动力的大小、活塞杆的行程以及连杆机构各传动之间的角度等。产生测量后，ADAMS/View显示测量参数随时间变化的输出曲线图。

2）输出请求:输出对象的位移、速度、加速度和受力，以便研究仿真分析结果。此外还可以定义在仿真分析过程中希望输出的其它特性。

（2）角度测量

在装载机工作装置的虚拟样机模型中，需要设置多个角度测量。添加角度测

量的方法如下:

1）从主工具栏中的Measure工具集中，选择 Included Angle，或者从下拉菜单Build中，选择Measure、Angle、New

命令，则会显示角度测量对话框，如图4-1所示：

图4-1 角度设置

2）输入三个Marker点，其中First Marker点定义第一个向量的端点，Middle Marker点定义夹角的顶点，Last Marker点定义第二个向量的端点。选取Marker点时，可以在后边的空白处点击右键，会出现如图4-1所示的选择对话框，可以方便的快速选区。

3）选择Create Strip Chart复选框以显示曲线图。

4）点击OK，即完成角度测量设置。

另外，如果要建立一个平面与地面的夹角变化情况，使用上述方法就很难实现，因为在地面上很难找出与平面相匹配的三个点。这时可以这样设置求出角度的变化曲线：首先在平面上设置两个MARKER点：MARKER_1和MARKER_2，然后从下拉菜单Build中依次选择Measure、Fuction、New，会出现一个Fuction Build对话框，在Create or Modify a Function Measure区域添加函数：ATAN(DY(MARKER_1,MARKER_2)/DX(MARKER_1,MARKER_2))

点击OK就会出来对应的曲线变化情况。

（3）添加传感器

这里所说的传感器不是普遍意义上的传感器，它是用来监控在仿真分析过程中所发生的特定事件，事件一发生，可以激发以下操作：

1）

2）

3）

4） 停止仿真分析； 改变求解过程中的控制参数； 改变仿真分析中的输入条件； 改变样机模型的拓扑结构。

添加传感器的方法如下：

①在Simulate下拉菜单中，选择Sensor、New命令，显示创建传感器对话框；

②输入传感器名称；

③在Event Definition选择栏中选择监控事件选项；

④设置激发操作所对应的参数和选项；

⑤设置传感器激发的标准操作(Standard Actions)和特殊操作(Special Actions)；

⑥点击OK

，完成传感器的设置。

传感器的设置如图4-2所示。

图4-2

传感器的设置

4.2.2 仿真工具

在主工具箱选择仿真工具图标，主工具箱的下半部分将转变为仿真分析参数设置对话栏，如图4-3左半部分所示。在主工具箱中显示的是最常用的仿真工具和参数设置，在主工具箱下部，选择More按钮，可以显示仿真分析对话框，如图4-3右半部分所示。对话框中的部分仿真分析快捷图标的意义如表4-1所示。

图4-3 仿真分析对话框

表4-1 仿真分析工具快捷图表