基于ADAMS的装载机工作装置仿真分析毕业设计.docx

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基于ADAMS的装载机工作装置仿真分析毕业设计

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SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

毕业论文

基于ADAMS的装载机工作装置仿真分析

学院：

专业：

学生姓名：

学号：

指导教师：

20年月

中文摘要

装载机作为一种矿山机械，有着广泛的应用，由于其工作的特殊性，对其工作装置也有着较高的要求。

因此，装载机工作装置的好坏直接影响到劳动生产效率，同时，装载机工作装置又是装载机的核心机构，因此装载机工作装置的设计制造水平直接影响到整机的性能。

利用ADAMS对装载机工作装置进行仿真分析不同于传统的分析方法，借助于虚拟样机技术，可以较为方便的建模，并可以实现在给定的条件下的运动，缩短了产品的开发周期，节省了开发费用，充分发挥设计潜力。

并且能够在设计、仿真过程中发现错误，从而进行完善，提高了产品质量，有效的避免了传统开发模式的缺陷，使得各项指标都达到理想的预期结果。

关键词：

装载机；工作装置；仿真分析；ADAMS

Abstract

Loaderwidelyappliedasaminingmachinery,becauseoftheparticularityofitswork,theworkalsolaborproductivity,atthesametime,thecoreinstitutionsoftheloaderworkingdeviceloader,loaderworkingdevicedesignandmanufactureofadirectimpactontheoverallperformance.LoaderworkingdeviceusingADAMSsimulationanalysisdifferentfromthetraditionalanalysismethods,bymeansofvirtualprototypingtechnologycanbemoreconvenientformodeling,andmovementinthegivenconditions,andshortentheproductdevelopmentcycle,savingdevelopmentcosts,givefullplaytothedesignpotential.Andtheabilitytofinderrorsinthedesign,simulationprocesstoberefined,improvedproductqualityandeffectivetoavoidtheshortcomingsofthetraditionaldevelopmentmode,theindicatorsanalysis;ADAMS

目录

中文摘要I

AbstractII

第一章引言-1-

1.1课题的背景和意义-1-

1.2装载机国内外发展状况和发展趋势-1-

1.2.1装载机国内外发展状况-1-

1.2.2装载机发展趋势-2-

1.3本课题的主要内容-2-

第二章装载机工作装置概述-3-

2.1装载机工作装置简介-3-

2.1.1装载机工作装置的基本概念-3-

2.1.2装载机铲掘方法介绍-4-

2.2装载机典型工况的实现-4-

第三章装载机工作装置总体参数的确定及受力分析-6-

3.1装载机工作装置总体参数内容-6-

3.2ZL50装载机工作装置的静力学分析-7-

3.3油缸受力的确定-11-

第四章装载机工作装置的建模-13-

4.1Proe三维模型的建立过程概述-13-

4.2ADAMS模型的建立-14-

4.2.1ADAMS软件简介-14-

4.2.2Proe模型导入ADAMS-15-

4.2.3导入的模型的布尔操作-15-

4.3模型的约束的确定-16-

4.3.1约束的概述和分类-16-

4.3.2定义机构的运动-19-

4.4模型载荷的确定-21-

第五章装载机工作装置仿真结果及分析-23-

5.1装载机工作装置的运动仿真-23-

5.2装载机工作装置总体参数的仿真分析-23-

5.3装载机工作装置的动力学仿真分析-25-

5.3.1装载机工作装置所受阻力的变化-25-

5.3.2对称载荷下两个典型工况仿真校核-27-

5.4装载机工作装置各点运动轨迹的仿真分析-28-

第六章总结与展望-29-

6.1课题总结-29-

6.2展望-29-

参考文献-31-

致谢-32-

第一章引言

1.1课题的背景和意义

装载机在现代化机械行业中起着非常重要的作用，在各个领域中都都得到了广泛的应用，如矿山工程、水利工程、交通运输等。

装载机的广泛应用，提高了劳动生产效率，但随着产品市场的激烈竞争，缩短产品的开发周期就显得尤为重要。

在这种形势下，仿真分析就显得尤为重要。

虚拟样机技术的发展，避免了传统的开发模式的缺点，更符合现代化的发展要求，提高了企业的生产效率，降低了开发存在的风险，是一种全新的、适应市场发展的全新的开发模式。

装载机的工作装置是装载机的核心部件，主要由铲斗、动臂、摇臂、转斗油缸和动臂油缸组成，是一个空间多连杆机构,现在多为反转六杆机构。

其主要工作工况有插入、翻转、举升、卸载和放平，从而实现对物料的转移。

装载机工作装置设计水平的好坏直接可以影响到装载机的整机性能。

传统的开发模式存在许多缺点，诸如开发周期长、出现的错误不易发现、精度低、开发费用高等，不易获得各项满意的方案。

ADAMS是虚拟样机技术中代表性的软件，其主要进行运动学和动力学分析，借助于虚拟样机技术，利用ADAMS对装载机工作装置进行仿真分析可以在各种方案中选择出最具价值的方案，得到最大的目标函数，使装载机的各项性能最优化，从而缩短开发周期，节省开发费用，加快了产品的循环周期。

虚拟样机的应用主要步骤都可以通过计算机来进行，整个计算过程十分规范和简单，可以省去大量的人工计算和实验，非常省时省力。

因此。

利用ADAMS进行仿真分析研究意义重大。

1.2装载机国内外发展状况和发展趋势

1.2.1装载机国内外发展状况

目前我国的装载机行业发展势头良好，国内出现了很多大型的装载机生产厂家，诸如厦工、临工、徐工、常工等。

据统计，国内生产装载机的厂家近90多家，竞争相当激烈，因此各装载机生产厂家更加注重装载机的质量及性能和更加注重售后服务等。

虽然我国装载机发展空间良好，但是与国外的装载机仍有一定的差距，主要体现在装载机的整体性能和新技术等方面。

主要原因是由于我国装载机发展起步较晚，在装载机的各项指标上都达不到国外标准，与国外相比较都有较大的差距。

同时，我国的装载机行业在品种和机型领域都存在相当多的空白，现有的装载机产品缺少新技术和创新性。

但最近几年，我国装载机行业正逐渐重视技术的应用和使技术朝着独有性方向发展。

总之，国内装载机行业也逐渐缩短与国外装载机的差距。

1.2.2装载机发展趋势

不论是国内还是国外的装载机，最近几年呈现出了朝着更注重整体性能协调性的方向发展，电子技术在装载机上的应用越来越广泛，各种电子设备在装载机上也得到了应用，更加注重舒适性、整体操纵性等，使装载机也朝着微型化方向发展。

从销量上看，呈现稳步向前发展的趋势，装载机的价位上也有所回落，朝着经济实用型过度。

而各种新技术也逐渐得到普及，比如涡轮增压、电液控制、双泵论液力变矩器的应用等。

安全性、元件制造质量都得到提升，型号朝着更加多样化的方向发展，满足不同客户的需求。

1.3本课题的主要内容

本课题是针对ZL50型装载机工作装置进行仿真分析。

仿真分析在实际生产过程中有重要的意义，能够有效地提高企业的竞争力。

本课题利用Proe软件进行三维模型的建模，以ADAMS软件为平台，对装载机工作装置进行仿真分析，对装载机工作装置的收斗、举升、卸载和放平等工作过程进行运动模拟，并进行分析。

本课题具体的工作内容如下：

（1）首先利用Proe对装载机工作装置进行建模，包括对各个零件的建模和最装的装配。

（2）将建好的三维模型导入到ADAMSView模块中。

（3）导入后进行布尔运算。

即将焊接、螺栓固定的零件进行一体化处理，生成一个实体部件。

（4）对布尔运算后的模型添加约束和驱动。

其中添加的约束主要有移动副和转动副，并根据相关标准编写step函数，以实现装载机工作装置在给定的条件下的运动。

（5）根据装载机工作装置实际过程中受到的力，进行添加载荷的操作。

（6）运用后处理模块进行分析处理。

第二章装载机工作装置概述

2.1装载机工作装置简介

2.1.1装载机工作装置的基本概念

装载机工作装置通常由铲斗、动臂、摇臂、连杆以及转斗油缸和动臂油缸组成，是一个多连杆的机构。

铲斗的主要作用是装载物料，铲斗上有三个铰点，其中两个与动臂相连，对称分布；一个在铲斗的斗宽中点处，与连杆连接。

动臂一端与铲斗连接，另一端与前车架连接，另外，转斗油缸和动臂油缸都有一端与动臂连接，转斗油缸的另一端连接摇臂，摇臂再与连杆相连；而动臂油缸的另一端与前车架相连。

油缸使装载机工作装置的控制元件，油缸的运动带动工作装置运动，完成一系列的工作过程。

1-转斗油缸；2-摇臂；3-动臂；4-铲斗；5-斗齿；6-动臂油缸

图2-1ZL50装载机工作装置

装载机工作装置在实际工作时，由于其工作场合的特殊性，装载机工作装置所受到的力会受力较大，在装载的过程中，随着装载方法的不同装载机会受到受拉压、扭转与振动冲击等多种载荷的综合作用。

因此，工作装置要满足安全性、寿命、强度、刚度等各项指标的要求。

对于其整机性能，也有相关的国家标准和行业标准，ZL50装载机额定载荷为5000Kg,按照行业标准，要保证其卸载角大于45°，卸载高度大于2900mm等。

一般来说，油缸为标准件，动臂缸和转斗缸控制工作装置的动作，也要满足相关要求。

装载机的工作装置是装载机的核心部件，由于装载机主要用于矿山工程中，因此装载机的工作装置有着较大的强度和刚度，能够在恶劣的条件下工作，达到工作要求。

由于在工作时，其工作装置受到的载荷也较大，因此要要求具有一定的疲劳寿命。

2.1.2装载机铲掘方法介绍

铲斗在铲入过程中，通常通过物料的性质、多少及插入料堆的可能性来确定装载机铲掘物料的方法：

（1）一次铲掘法该方法相当于把铲掘过程分段化，首先装载机低速前进，使铲斗斗刃插入料堆一定深度后（插入深度约为斗底长度），装载机停止前进；然后利用转斗油缸的运动操纵铲斗上翻。

（2）分段铲掘法这种方法主要用于难以铲入的料堆，但这种方法主要的缺点是需要装载机的操纵机构多次重复动作，因而操作比较麻烦，两件破坏也较快，降低了生产效率。

（3）挖掘法铲斗插入料堆约一半长度时，动臂加以提升，在斗刃离开料堆后，铲斗转运至运输位置。

（4）配合铲掘法这种方法不需要太大的插入力，在插入的同时同时配合铲斗的翻转及动臂的提升。

2.2装载机典型工况的实现

ZL50轮式装载机的工作过程主要有6种工况组成：

（1）插入工况装载机处于该工况时，动臂放下，铲斗斗底平面水平，斗尖稍微触地，装载机以I档前进，使铲斗缓缓插入料堆；

（2）収斗工况装载机产取物料后，颤抖通过转斗油缸使铲斗翻转；

（3）举升工况此工况转斗油缸不活动，动臂油缸向外移动，使铲斗缓缓上升至所需高度；

（4）运输工况铲斗举升到所需高度后，驱动机器运动到卸载地点；

（5）卸载工况在卸载地点，调整转斗油缸，使铲斗翻转，使货物卸下；

（6）放平工况卸载后，装载机工作装置需放平到装载点，通过调整动臂油缸实现。

本论文选取了五个工况进行仿真分析，选取的五个工况为：

插入工况、収斗工况、举升工况、卸载工况和放平工况。

装载机典型工况可以通过控制step函数来确定，同时应遵循中华人民共和国机械行业标准，ZL50轮式装载机基本参数查阅得：

卸载高度大于等于2.9m，卸载距离大于等于1.05m，卸载角大于等于45°，铲斗提升时间小于等于7s。

由于定义的step函数需要初始变量为时间和速度，首先要确定转斗油缸和动臂油缸的极限速度，查阅资料得ZL50型号油缸类型为：

动臂举升油缸的型

号为DG—J180—EL，行程为654mm，缸径为17.2cm。

转斗油缸的型号为DG-J220B-EL,其行程为840mm，D=22cm。

在定义函数时，油缸在各个工况的运动行程要保持在上述范围之内。

同时，产月相关资料，装载机油缸堵塞油压为中高压，约为30MPa，再根据油缸的缸径可算出油缸所能承受的力，油缸在工作过程中收到的力也不应超过此值。

第三章装载机工作装置总体参数的确定及受力分析

3.1装载机工作装置总体参数内容

ZL50装载机总体参数包括：

装载机额定载重量、最大卸载高度及对应的卸载距离、掘起力、牵引力、铲斗容量、卸载角、动臂提升时间、总和时间等。

（1）铲斗容量

铲斗容量通常是说铲斗的额定容量，为铲斗平装容量与堆尖部分体积之和，用“m³”来表示，对于ZL50装载机而言，铲斗容量为3m³。

（2）额定载重量

指在保证装载机稳定工作的前提下，铲斗的最大载重量，单位为“Kg”，ZL50装载机的额定载荷为5000Kg。

（3）发动机额定功率

发动机额定功率，即发动机总功率，时装载机性能好坏的重要的影响参数。

发动机功率分为有效功率与总功率，有效功率是指在29℃和746mmHg（1mmHg=133.322Pa）压力的情况下，在发动机飞轮上实有的功率（亦称飞轮功率）。

国产装载机所标的功率一般指总功率，即包括发动机有效功率和风扇，燃油泵，润滑油泵，滤清器等辅助设备所消耗的功率。

单位为“Kw”，对于ZL50装载机，额定功率为162KW。

（4）整机质量（工作质量）

指装载机装备应有的工作装置和随机工具，加足燃油，润滑系统，液压系统和冷却系统亦加足液体，并且带有规定形式和尺寸的空载铲斗和司机标定质量（75Kg3Kg）时的主机质量。

它影响到装载机使用的经济性，可靠性和附着性能，单位为“Kg”，ZL50装载机的整机质量为17400Kg。

（5）最大行驶速度

指铲斗空载，装载机行驶在坚硬的水平面上，前进和后退各档都达到的最大速度，它影响装载机的生产率和安排施工方案。

单位为“Km），类型为速度（velocity），运动可以是与时间有关的位移、速度和加速度。

在默认状态下，运动的速度定义为常数。

可以自定义运动值,通过step函数实现转斗油缸和动臂油缸的配合运动。

其中step函数定义如下：

转斗油缸：

动臂油缸：

Step（time,0,0,0.2,265）+Step（time,1,0,1.3,-265）+Step（time,9,0,9.5,-135）+Step（ti

图4-4函数编辑窗口

4.4模型载荷的确定

ADAMS提供了四种载荷：

作用力、柔性力特殊力和解触力。

ADAMS施加载荷很重要，是正确进行系统仿真的基础。

施加载荷是要明确力作用的零件和作用点的位置、大小和方向。

载荷分为衡载（大小、方向不变），变载荷（大小或方向变化或同时改变）。

作用力分单作用力和多作用力，可以是纯粹的力或力矩，也可以是力和力矩的组合，分类如下表所示：

表4-3作用力的类型

名称

图标

说明

Force（SingleComponent）

单作用力，在作用点上施加单向作用力

Toque（SingleComponent）

单作用力矩，在作用点上施加单向力矩

ForceVector（3-ComponentForce）

力矢量，由三个沿地面坐标方向的分力构成

TorqueVector（3-ComponentTorque）

力矩矢量，由三个沿地面坐标方向的分力矩构成

GeneralForce（6-ComponentForceTorque）

组合力，由六个沿地面坐标方向的力和力矩构成

对于单作用力和力矩，其运行方向有3种表示方式：

1）SpaceFixedFixed力的方向全局坐标系中固定，不随零件运动而变化。

2）BodyFixedMoving力的方向在所作用零件的零件坐标系中不变。

3）TwoBodiesBetweenTwoBodies力的方向在两个零件上的力作用点连线上。

通过施加接触力，可以描述自由运动的物体在相互接触的时候的运行情况。

线框模型与线框模型之间，实体模型与实体模型之间都可以添加接触力，但是除球体与平面的接触（sphere-toplanecontact）外，线框模型与实体模型之间不能添加接触力。

图4-5工作装置所受载荷示意图

本论文讨论的ZL50装载机所受载荷为对称载荷，创建载荷时，可以在铲斗中间先创建MARKER点，在该点施加力；对于，可以施加在铲斗的质心位置。

施加力完成后，通过编辑step函数控制力的大小和作用时间。

控制函数如下，

插入阻力的控制函数：

STEP（time,1.50,0,6.5,140000）+STEP（time,6.5,崛起阻力的控制函数：

STEP（time,6.4,0,6.5,73300）+STEP（time,6.5,0,7.5,-73300）；

载荷的控制函数：

STEP（time,3.3,0,6.5,50000）+STEP（time,15.5,0,17,-50000）。

第五章装载机工作装置仿真结果及分析

5.1装载机工作装置的运动仿真

装载机工作装置在所有的约束及动力添加好之后，就可以仿真装载机工作装置的运动，在实际生产中具有重要的意义。

利用现代化虚拟样机的开发产品的过程中，都需要进行模型的运动仿真，这样可以优化产品，时产品达到最优化的目的。

装载机工作装置的运动仿真结果如下图所示:

（a）铲入工况（b）収斗工况

（c）举升工况（d）卸载工况

图5-1装载机工作装置运动仿真图

5.2装载机工作装置总体参数的仿真分析

（1）装载机最大卸载高度的确定，装载机的最大卸载高度是装载机性能好坏的一个重要的参数，在建立好ADAMS模型后，就可以通过ADAMSView模块进行测量。

同时最大卸载高度根据相关标准查得：

≥2.9m。

本论文讨论的ZL50装载机测得的斗尖离地面的距离随时间的函数如下图所示：

图5-2斗尖离地面垂直距离随时间变化曲线

由转斗油缸和动臂油缸的控制函数：

转斗油缸控制函数：

初始位置：

Step（time,0,0,0.1,-25）+Step（time,1,0,1.3,25）

动臂控制函数：

初始位置：

Step（time,0,0,0.1,220）+Step（time,1,0,1.2,-220）

可知：

当仿真时间为17秒时，铲斗处于举升位置的极限位置，此时斗尖离地面的垂直距离即为装载机的最大卸载高度，由图得：

卸载高度为3m≥2.9m,符合标准，仿真结果正确。

（2）装载机卸载角的测量

装载机卸载角时评价装载机性能好坏的另一个重要的指标。

按照相关国家标准，当铲斗处于最大提升位置时，铲斗地面与水平面之间的夹角为装载机的卸载角。

装载机卸载角的测量可以通过建立ATAN函数点实现，可以生成一个角度测量，如图所示：

图5-3铲斗斗底平面与水平面夹角

由图可知，卸载角为47°，符合相关标准。

（3）工作装置铲斗提升时间、总和时间

ZL50型号的装载机额定载重量为5t,再根据轮胎式装载机基本参数相关标准，铲斗提升时间应小于等于7s,总和时间小于等于13s。

由油缸的控制函数可知，举升工况的提升时间为5s,总和时间为11.5s，均符合相关标准。

（4）铲斗举升时的平动性分析

为了使铲斗在举升过程中不使物料撒落，平稳地运输到所需要的工作位置，标准规定在铲斗上升的过程中铲斗的变化角度一般小于15°。

由动臂缸的step函数可知，举升时间为9～14s,由上图分析可得，该时间段内铲斗变化角度接近15°，平动性良好。

（5）自动放性平分析。

为了使装载机在卸载完物料后平稳回到初始工作位置，对回到初始位置时铲斗斗底平面与地面的夹角也有一定的要求，对于ZL50来说，通常要求其切入角小于等于10°，这保证了铲斗的斗尖能更好的铲入料堆。

从图5—3中可得出，铲斗下落后斗底与地面夹角约为5°，基本达到标准要求。

5.3装载机工作装置的动力学仿真分析

5.3.1装载机工作装置所受阻力的变化

装载机在工作过程中，受到插入阻力、崛起阻力等，随着时间的增加和物料的增加，铲斗所受载荷也逐渐逐渐，本小节讨论的是在额定载荷下并且所有阻力为对称载荷下、铲掘方法为一次铲掘法铲掘时的动力学分析。

根据实际情况，三者的力有时相互叠加，有时单独作用，最终铲斗达到额定载荷。

通过受力分析和step控制函数控制三者的力在规定范围内变化。

插入阻力的控制函数利用ADAMS仿真三个力的曲线如下图所示：

图5-4装载机工作装置阻力变化曲线

在上述三个阻力的作用下，转斗油缸和动臂油缸的的受力随时间的变化曲线为：

图5-5工作过程中对称载荷下油缸受力曲线图

由油缸的控制函数可知：

当t在1.3～6.5s之间时，装载机处于铲取阶段，此时油缸受力平稳；t在6.5～8s之间时，装载机处于収斗阶段，由于铲斗突然上提，会使油缸的力突然增大，这个时候对油缸的冲击也最大，转斗油缸和动臂油缸的受力达到峰值，当铲斗离开物料堆时，油缸的受力会达到相对稳定的状态；t在9～14s之间时，转斗油缸闭锁，动臂油缸活塞杆伸长，装载机工作装置处于举升阶段，在刚刚开始动作时，油压突然增大，会使动臂油缸的受力出现上图所示的小峰值，由于接下来动臂油缸的运动为匀速运动，动臂缸的受力比较平稳，转斗缸的受力为被动力，也较为平稳；t在15.5～17s之间时，铲斗下翻，物料突然减小，会使转斗油缸和动臂油缸的受力瞬时减小；t在22～27s之间时，物料已经卸载完成，转斗油缸和动臂油缸的受力较小，从图中也可看出，受力曲线比较平稳，符合实际情况。

此时转斗缸闭锁，动臂缸收缩，使装载机工作装置进入放平工况，在t=27秒时，达到初始工作位置，完成一个工作循环。

5.3.2对称载荷下两个典型工况仿真校核

（1）水平插入工况的仿真校核

铲斗处于该工况时，有插入阻力的控制函数、额定载荷的控制函数及转斗油缸和动臂油缸的控制函数可知，当t=6.5s时，符合第三章中所分析的工况，转斗油缸和动臂油缸的受力在ADAMS中仿真如下图：

图5-6水平插入工况油缸受力曲线

由上图可知，转斗油缸受力为200KN，动臂油缸受力为：

593KN，与静力学分析结果转斗油缸受力为181.6KN，动臂油缸受力为：

554.7KN接近。

（2）举升工况的仿真校核

铲斗处于举升工况的极限位置时，由动臂油缸的控制函数可得:

在t=14s时，铲斗处于该极限工况。

ADAMS仿真结果如下图所示：

图5-7极限举升工况油缸受力曲线

由图得，转斗油缸的受力为100KN，动臂油缸的受力为300KN