農(nóng)業(yè)機械學報 2007年01期挖掘裝載機的工作裝置高秀華,王云超,安二中,韓佳偉中文摘要：挖掘裝載機是一種用途較廣的鏟運、施工機械。其工作裝置是組成裝載機的關(guān)鍵部件之一,其設(shè)計水平的高低直接影響工作裝置性能的好壞,進而影響整機的工作效率與經(jīng)濟性指標。當今激烈的市場競爭迫使制造企業(yè)為求得生存和發(fā)展必須對多變的市場需求做出敏捷響應(yīng)，不斷地調(diào)整產(chǎn)品的設(shè)計和研發(fā)模式，并能快速地開發(fā)出新產(chǎn)品。我國傳統(tǒng)工程機械行業(yè)卻由于新產(chǎn)品開發(fā)周期長，成本高，缺乏市場競爭力.通過對裝載機工作裝置作業(yè)狀態(tài)的分析，利用FMECA分析方法對裝載機系統(tǒng)進行定性的可靠性分析，并結(jié)合滿意優(yōu)化設(shè)計理論對裝載機工作裝置進行可靠性優(yōu)化設(shè)計，同時對優(yōu)化結(jié)果進行動態(tài)仿真實驗，以驗證優(yōu)化結(jié)果的正確性。關(guān)鍵字：機械設(shè)計；挖掘裝載機；挖掘工作裝置；裝載工作裝置；機械系統(tǒng)動力學 挖掘裝載機一端由挖掘工作裝置,另一端由裝載工作裝置組成，分別能完成挖掘機和裝載機的工作，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、港口、油田及電力建設(shè)等領(lǐng)域，特別是通過快換裝置裝上多種工作附具，其用途更加廣泛。隨著國內(nèi)經(jīng)濟水平的提高以及施工技術(shù)、施工對象的變化，國內(nèi)挖掘裝載機的市場前景非常廣闊。挖掘裝載機國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，機械系統(tǒng)可靠性研究的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，對機械系統(tǒng)可靠性分配理論和方法進行了研究和分析。在分析挖掘裝載機整機系統(tǒng)組成和挖掘裝載機工作裝置設(shè)計要求與方法的基礎(chǔ)上，借助于虛擬樣機基本理論的指導，提出了一種基于Pro/E, ADAMS和ANSYS軟件的挖掘裝載機工作裝置虛擬樣機的實現(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，建立了挖掘裝載機工作裝置的參數(shù)化特征模型。應(yīng)用ADAMS軟件建立動力學仿真模型的方法，基于對挖掘裝載機在對稱載荷與極限偏載兩種典型工況下的受力特點的分析，建立了挖掘裝載機在這兩種工況下的動力學仿真模型，并進行了仿真分析;分析了挖掘裝載機工作裝置液壓系統(tǒng)的工作原理，利用ADAMS/Hydraulic模塊建立了液壓系統(tǒng)仿真模型，并實現(xiàn)了與工作裝置機構(gòu)模型的結(jié)合。國內(nèi)眾多工程（機械)商都紛紛推出自己的挖掘裝載機產(chǎn)品。由于在挖掘裝載機領(lǐng)域投入的精力、經(jīng)驗及研究深度的局限性，對系統(tǒng)的特性研究涉足很淺，掌握可供參考的理論和經(jīng)驗甚少，整機技術(shù)水平還有較大的差距，特別是對挖掘裝載機液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng)動態(tài)特性研究與國際先進水平差距更大。 挖掘裝載機挖掘工作裝置回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)特性是影響機器使用平穩(wěn)性和產(chǎn)生液壓沖擊的關(guān)鍵因素，工程機械行駛液壓傳動不僅具有良好的無級調(diào)速性能和靈活布局的特點，而且可以進行多種多樣的調(diào)節(jié)和控制。特別是與計算機控制技術(shù)相結(jié)合，可以實現(xiàn)工程機械智能化、節(jié)能化、環(huán)保化。因此，對行駛液壓傳動的研究就成為工程機械現(xiàn)代化的重要課題。挖掘裝載機是一種作業(yè)效率高、機動靈活、用途廣泛的工程機械，作業(yè)工況復雜多變，負荷變化頻繁、變化范圍大。如何最簡單而又適宜地使發(fā)動機和傳動系統(tǒng)同外部負荷之間始終保持最合理的匹配，一是挖掘裝載機牽引系統(tǒng)長期以來存在的問題。采用液壓傳動，并輔以適當?shù)目刂蒲b置與之配合，以形成理想的傳動系統(tǒng)，它使發(fā)動機的轉(zhuǎn)速及其扭矩適應(yīng)外部負荷的變化而連續(xù)變化，并且保持高效率。分析發(fā)電機、液壓傳動系統(tǒng)和負荷組成的負荷驅(qū)動系統(tǒng)，針對各作業(yè)不同的負荷要求，提供最適合于發(fā)動機和液壓系統(tǒng)的最合理的控制原理及裝置是論文研究的主要口的。以挖掘裝載機為對象，對其行走液壓傳動系統(tǒng)進行設(shè)計，并對系統(tǒng)各參數(shù)進行合理配置，研究的主要內(nèi)容包括以下四個方面:一是設(shè)計了挖掘裝載機行走液壓系統(tǒng)，根據(jù)挖掘裝載機作業(yè)特點，從簡單高效的角度考慮確定采用了變量泵一定量馬達的調(diào)速系統(tǒng)。二是分析了發(fā)動機、液壓系統(tǒng)的匹配機理，提出使用變量泵電液比例控制，通過調(diào)節(jié)泵排量變化來適應(yīng)負載變化，實現(xiàn)恒扭矩控制。三是對挖掘裝載機作業(yè)的不同進行動力學研究，對液壓系統(tǒng)各工件參數(shù)選擇及匹配。四是使用MATLAB/SIMULIlV對所選用的液壓系統(tǒng)及控制裝置進行了動態(tài)仿真，研究在負載變化的情況下，泵出口力、流量和馬達輸出轉(zhuǎn)速的變化情況。論文通過對裝載機行駛液壓傳動特性的研究，試圖為其他各種行走機械液壓傳動提供一種思路、方法和途徑。而液壓系統(tǒng)緩沖裝置對回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的運動學、動力學特性起著至關(guān)緊要的作用，國內(nèi)在緩沖裝置對挖掘裝載機回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的特性影響的分析研究遠遠未達到國際先進技術(shù)水平。在實際應(yīng)用中，由于挖掘裝載機回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)設(shè)計不合理，造成回轉(zhuǎn)工作裝置動臂斷裂，以及液壓元件損壞。本文將通過對挖掘裝載機挖掘裝置回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)靜、動態(tài)特性的仿真分析，對挖掘裝載機挖掘裝置回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的設(shè)計提供一些理論依據(jù)。 通過對挖掘裝載機系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)分析，建立了挖掘裝載機系統(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 對挖掘裝載機反轉(zhuǎn)六桿機構(gòu)建立工作裝置的參數(shù)化模型,以各鉸點的坐標為設(shè)計變量,進行設(shè)計研究,分析出對其工作性能影響較大的變量,以此變量建立平移性的目標函數(shù),進一步實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計, 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性、自動放平性, 從而使工作裝置的綜合工作性能滿足設(shè)計要求。采用失效模式影響致命度分析(FMECA)分析方法建立裝載機系統(tǒng)的FME分析表，并對每種故障發(fā)生時對系統(tǒng)的影響程度進行定性分析。FMECA分析表的建立有助于維修時快速、準確判明系統(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)省維修時間，提高工作效率。根據(jù)機構(gòu)的幾何關(guān)系和運動學知識，建立回轉(zhuǎn)作業(yè)的運動學數(shù)學模型，應(yīng)用大型數(shù)值計算和仿真工具軟件MATLAB編程、計算。分析工作裝置回轉(zhuǎn)機構(gòu)左右油缸的運動關(guān)系以及回轉(zhuǎn)角位移與油缸行程的關(guān)系。分析了機構(gòu)運動中的“拐點”對回轉(zhuǎn)運動的影響。在“拐點”前后，其中一根活塞桿的伸縮方向?qū)⒏淖?，在拐點前，活塞桿逐漸伸長到最大行程，由于機構(gòu)的限制，過“拐點”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，至使液壓油全部進入另側(cè)油缸的小腔，導致工作裝置回轉(zhuǎn)速度突然變大，產(chǎn)生很大的回轉(zhuǎn)角加速度，對液壓系統(tǒng)造成沖擊。通過對回轉(zhuǎn)機構(gòu)運動學的仿真分析，為回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)動態(tài)性能分析提供運動學的理論基礎(chǔ)。 建立液壓系統(tǒng)的數(shù)學模型，分析液壓系統(tǒng)的動態(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)的動態(tài)模型，從挖掘工作裝置回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)工作的實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態(tài)模型:二是溢流緩沖的動態(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，作用在活塞桿運動的相反方向，降低與缸筒底或與機械限位塊的沖擊。溢流緩沖主要是降低瞬時壓力沖擊。 建立相應(yīng)的功率狀態(tài)方程。根據(jù)功率鍵合圖導出的方程，不僅結(jié)構(gòu)相對簡單，并且易于檢查錯誤，易于為計算機求解編程。當然也可由功率鍵合圖推導出傳統(tǒng)的傳遞函數(shù)或狀態(tài)變量形式的方程，在實際中，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)定性問題。由功率狀態(tài)方程自接用Simulink的模塊方框圖建立動態(tài)仿真模型，考慮到模型的結(jié)構(gòu)化設(shè)計，用Simulink的分層法，將系統(tǒng)分成幾個子模型，簡化了結(jié)構(gòu)，而且調(diào)用也方便。根據(jù)Simulink仿真模型圖，將實際的樣機參數(shù)代入模塊中進行仿真計算，得到系統(tǒng)數(shù)字仿真計算的結(jié)果。 試驗分析。在試驗樣機上建立測試液壓系統(tǒng)回路，用便攜式液壓系統(tǒng)分析儀SIM-CHECK測試了樣機的液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng)動態(tài)特性。主要測試了兩種工況下的回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)動態(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，測試緩沖裝置對回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的動態(tài)性能影響:二是從左或右極限位置回轉(zhuǎn)到中間位置制動時(即控制閥回中位關(guān)閉)的回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)動態(tài)性能。從測試結(jié)果的壓力和流量特性曲線來看，壓力峰值基本上都在1.5子音的額定壓力范圍內(nèi)，滿足樣機的使用要求，壓力振蕩時間短。通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)中附加的節(jié)流閥，測試其動態(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平衡點。這二者是一對矛盾體。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能量的吸收程度?？傊?，通過對挖掘裝載機回轉(zhuǎn)工作裝置液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的仿真分析，并用試驗驗證了數(shù)字仿真模型的正確性，為挖掘裝載機工作裝置回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的設(shè)計提供理論計算依據(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構(gòu)的工程機械上。參考文獻1朱長亮.我國輪式裝載機產(chǎn)品的發(fā)展.工程機械與維修，1999, (8): 26-292王國彪，王巖松，馬濤.輪式裝載機的現(xiàn)狀與技術(shù)發(fā)展.工程機械與維修，1998, (3): 9-113馮謙，高燕秋，余橋安.機械設(shè)計全局優(yōu)化的對策探討.南京林業(yè)大學學報，1998, 22(4):21-244同濟大學.鏟土運輸機械.北京:中國建筑工業(yè)出版社， 19875王國彪，楊力夫.裝載機工作裝置優(yōu)化設(shè)