地下鏟運機多體系統(tǒng)虛擬樣機建模及動態(tài)特性仿真的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義礦產(chǎn)資源作為人類社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，在能源供應、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用。隨著全球經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，對各類礦產(chǎn)資源的需求也在不斷攀升。然而，地表淺部的礦產(chǎn)資源經(jīng)過長期開采，逐漸趨于枯竭，為了滿足日益增長的資源需求，采礦業(yè)正逐步向地下深部拓展。在此背景下，地下采礦設備的重要性愈發(fā)凸顯，其中地下鏟運機作為井下無軌設備的核心，在地下礦山開采和隧道工程中占據(jù)著關(guān)鍵地位。地下鏟運機（Load-Haul-Dump，LHD）集裝載、運輸和卸載功能于一體，具有矮機身、高效、機動、多用等顯著特點。其廣泛應用于地下礦山開采作業(yè)，能夠有效提高礦石開采和運輸效率，是實現(xiàn)地下礦山高效、規(guī)模化開采的關(guān)鍵設備之一。在實際作業(yè)中，地下鏟運機需要頻繁地進行鏟裝、運輸、卸載等操作，工作環(huán)境復雜多變，如狹窄的巷道、潮濕的作業(yè)面以及存在巖石沖擊等風險。這就對地下鏟運機的性能和可靠性提出了極高的要求。傳統(tǒng)的地下鏟運機設計方法主要依賴于經(jīng)驗設計和物理樣機試驗，這種方式不僅設計周期長、成本高，而且在設計階段難以全面考慮各種復雜工況對設備性能的影響。一旦在實際使用中發(fā)現(xiàn)問題，往往需要對設計進行反復修改，導致產(chǎn)品研發(fā)周期延長，研發(fā)成本大幅增加。此外，物理樣機試驗還受到場地、設備等條件的限制，無法對一些極端工況進行測試，從而難以充分驗證設備的性能和可靠性。隨著計算機技術(shù)和仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，多體系統(tǒng)虛擬樣機建模及動態(tài)特性仿真技術(shù)應運而生，并在機械工程領(lǐng)域得到了廣泛應用。多體系統(tǒng)虛擬樣機建模技術(shù)能夠?qū)⒌叵络P運機的各個部件抽象為剛體或柔性體，并通過各種約束和力元來模擬它們之間的連接和相互作用，從而建立起完整的虛擬樣機模型。借助這一模型，研究人員可以在計算機上對地下鏟運機在不同工況下的運動學和動力學特性進行全面、深入的分析和預測。動態(tài)特性仿真則可以模擬地下鏟運機在實際工作過程中的各種動態(tài)響應，如振動、沖擊、應力分布等，從而幫助設計人員深入了解設備的工作性能和潛在問題。通過多體系統(tǒng)虛擬樣機建模及動態(tài)特性仿真，能夠在設計階段對地下鏟運機的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行優(yōu)化設計，提前發(fā)現(xiàn)并解決潛在的設計缺陷，有效提高設計質(zhì)量和效率，降低研發(fā)成本和風險。同時，還可以為地下鏟運機的故障診斷、維護保養(yǎng)以及操作人員培訓等提供重要的參考依據(jù)，具有重要的理論意義和工程應用價值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀國外在地下鏟運機多體系統(tǒng)建模和動態(tài)特性仿真方面的研究起步較早，取得了一系列具有重要價值的成果。在多體系統(tǒng)建模領(lǐng)域，美國的一些研究團隊率先運用多體動力學理論，將地下鏟運機視為由多個剛體通過各種約束連接而成的復雜系統(tǒng)進行建模。例如，他們采用ADAMS等專業(yè)多體動力學軟件，對地下鏟運機的工作裝置、行走機構(gòu)等關(guān)鍵部件進行了詳細的建模分析。通過精確地定義各部件之間的約束關(guān)系，如轉(zhuǎn)動副、移動副等，能夠準確地模擬各部件在不同工況下的相對運動，為后續(xù)的動態(tài)特性研究奠定了堅實基礎(chǔ)。在動態(tài)特性仿真方面，德國的學者通過建立地下鏟運機的多體系統(tǒng)虛擬樣機模型，深入研究了其在不同作業(yè)工況下的動力學特性。他們運用先進的數(shù)值計算方法，對鏟運機在鏟裝、運輸和卸載過程中的受力情況進行了精確的分析和預測。例如，在鏟裝作業(yè)時，通過仿真可以得到鏟斗所受到的礦石沖擊力、摩擦力等力的變化規(guī)律，從而為鏟斗的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計提供了重要的理論依據(jù)。同時，他們還研究了地下鏟運機在不同路面條件下的振動特性，分析了振動對設備零部件壽命和操作人員舒適性的影響。通過這些研究，提出了一系列有效的減振措施，如優(yōu)化懸掛系統(tǒng)參數(shù)、采用新型的減振材料等，顯著提高了地下鏟運機的工作性能和可靠性。此外，加拿大的研究人員在地下鏟運機的智能化控制與動態(tài)特性結(jié)合方面進行了深入探索。他們通過在虛擬樣機模型中引入先進的控制算法，實現(xiàn)了對地下鏟運機作業(yè)過程的智能控制，并進一步研究了控制策略對設備動態(tài)特性的影響。例如，采用自適應控制算法，使地下鏟運機能夠根據(jù)不同的作業(yè)工況自動調(diào)整工作參數(shù)，如鏟斗的挖掘速度、提升力等，不僅提高了作業(yè)效率，還降低了設備的能耗和磨損。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀近年來，國內(nèi)在地下鏟運機多體系統(tǒng)建模和動態(tài)特性仿真方面也開展了大量的研究工作，并取得了顯著的進展。在多體系統(tǒng)建模方面，國內(nèi)的一些高校和科研機構(gòu)結(jié)合地下鏟運機的結(jié)構(gòu)特點和工作原理，運用多體動力學理論，建立了較為完善的虛擬樣機模型。例如，中南大學的研究團隊針對某型號地下鏟運機，采用Pro/E和ADAMS軟件聯(lián)合建模的方法，將在Pro/E中建立的三維實體模型導入到ADAMS中進行動力學分析。通過對模型進行合理的簡化和假設，準確地模擬了地下鏟運機各部件之間的相互作用和運動關(guān)系。同時，他們還考慮了一些復雜因素對模型的影響，如橡膠輪胎的非線性特性、液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性等，進一步提高了模型的準確性和可靠性。在動態(tài)特性仿真方面，國內(nèi)的研究主要集中在地下鏟運機工作裝置的運動學和動力學分析、整機的振動特性研究以及關(guān)鍵零部件的強度和疲勞壽命分析等方面。東北大學的學者通過對地下鏟運機工作裝置進行運動學仿真，得到了鏟斗的運動軌跡和各鉸點的運動參數(shù)，為工作裝置的優(yōu)化設計提供了重要的參考依據(jù)。同時，他們還運用有限元分析軟件對工作裝置的關(guān)鍵零部件進行了強度和疲勞壽命分析，找出了零部件的薄弱環(huán)節(jié)，提出了相應的改進措施。此外，中國礦業(yè)大學的研究人員對地下鏟運機整機的振動特性進行了深入研究，分析了振動的產(chǎn)生原因和傳播規(guī)律，提出了一些有效的減振降噪措施，如優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計、增加阻尼材料等，提高了地下鏟運機的工作舒適性和可靠性。1.2.3研究現(xiàn)狀總結(jié)與展望盡管國內(nèi)外在地下鏟運機多體系統(tǒng)建模和動態(tài)特性仿真方面已經(jīng)取得了豐碩的成果，但仍存在一些不足之處。一方面，現(xiàn)有研究在考慮地下鏟運機實際工作環(huán)境的復雜性方面還不夠全面。例如，在實際工作中，地下鏟運機不僅會受到礦石的沖擊和摩擦力，還會受到巷道的起伏、積水、粉塵等因素的影響，這些因素對設備的動態(tài)特性有著重要的影響，但在目前的研究中尚未得到充分考慮。另一方面，在多體系統(tǒng)建模和動態(tài)特性仿真過程中，模型的準確性和計算效率之間的平衡問題仍然有待進一步解決。為了提高模型的準確性，往往需要增加模型的復雜度，但這會導致計算量大幅增加，計算效率降低。如何在保證模型準確性的前提下，提高計算效率，是當前研究面臨的一個重要挑戰(zhàn)。未來的研究可以朝著以下幾個方向展開：一是進一步完善多體系統(tǒng)建模理論和方法，充分考慮地下鏟運機實際工作環(huán)境中的各種復雜因素，建立更加準確、全面的虛擬樣機模型；二是加強多學科交叉融合，將多體動力學、有限元分析、控制理論、材料科學等學科有機結(jié)合起來，深入研究地下鏟運機的動態(tài)特性和優(yōu)化設計方法；三是借助大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)，對地下鏟運機在不同工況下的大量運行數(shù)據(jù)進行分析和挖掘，實現(xiàn)設備的智能化故障診斷和預測性維護，提高設備的可靠性和使用壽命。通過這些研究，可以進一步提高地下鏟運機的設計水平和性能，滿足日益增長的地下采礦需求。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容地下鏟運機多體系統(tǒng)虛擬樣機建模：基于多體動力學理論，對地下鏟運機的結(jié)構(gòu)進行詳細分析，將其各部件抽象為剛體或柔性體。利用三維建模軟件，精確構(gòu)建地下鏟運機各部件的三維實體模型，如工作裝置、行走機構(gòu)、車架等，并充分考慮各部件的實際形狀、尺寸和質(zhì)量分布。通過定義各部件之間的約束關(guān)系，如轉(zhuǎn)動副、移動副、球鉸等，以及添加相應的力元，如彈簧、阻尼器、接觸力等，建立完整的多體系統(tǒng)虛擬樣機模型。同時，考慮橡膠輪胎的非線性特性、液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性等復雜因素對模型的影響，對模型進行必要的修正和完善，以提高模型的準確性和可靠性。系統(tǒng)動態(tài)特性仿真分析：運用多體動力學仿真軟件，對建立的虛擬樣機模型在不同工況下進行動態(tài)特性仿真分析。在鏟裝工況下，重點研究鏟斗與礦石的相互作用過程，分析鏟斗所受到的沖擊力、摩擦力等力的變化規(guī)律，以及這些力對鏟斗運動軌跡和工作裝置各鉸點受力的影響。在運輸工況下，模擬地下鏟運機在不同路面條件（如平坦路面、顛簸路面等）下的行駛過程，分析整機的振動特性，包括振動的幅值、頻率和振動傳遞路徑，以及振動對設備零部件壽命和操作人員舒適性的影響。在卸載工況下，研究卸載過程中工作裝置的運動特性和各部件的受力情況，確保卸載過程的平穩(wěn)性和高效性。關(guān)鍵參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響研究：確定地下鏟運機的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，如工作裝置的幾何尺寸、鉸點位置、液壓系統(tǒng)的工作壓力和流量等，以及運行速度、裝載量等工作參數(shù)。通過改變這些參數(shù)的值，進行多組動態(tài)特性仿真分析，研究各參數(shù)對地下鏟運機動態(tài)特性的影響規(guī)律。采用正交試驗設計等方法，合理安排參數(shù)組合，減少仿真試驗次數(shù)，提高研究效率。運用數(shù)據(jù)分析方法，對仿真結(jié)果進行深入分析，找出影響地下鏟運機性能的關(guān)鍵參數(shù)，并確定其最優(yōu)取值范圍，為地下鏟運機的優(yōu)化設計提供依據(jù)。1.3.2研究方法理論分析：深入研究多體動力學理論，掌握其基本原理和方法，為地下鏟運機多體系統(tǒng)虛擬樣機建模和動態(tài)特性仿真提供堅實的理論基礎(chǔ)。對地下鏟運機的工作原理、結(jié)構(gòu)特點和力學特性進行詳細分析，明確各部件之間的相互作用關(guān)系和運動規(guī)律。結(jié)合材料力學、機械原理等相關(guān)知識，對地下鏟運機的關(guān)鍵零部件進行力學分析，為模型的建立和參數(shù)設置提供理論依據(jù)。軟件模擬：選用合適的三維建模軟件，如SolidWorks、Pro/E等，進行地下鏟運機各部件的三維建模。這些軟件具有強大的建模功能和友好的用戶界面，能夠方便地創(chuàng)建復雜的三維模型，并對模型進行參數(shù)化設計和修改。利用多體動力學仿真軟件，如ADAMS、RecurDyn等，對建立的虛擬樣機模型進行動態(tài)特性仿真分析。這些軟件能夠準確地模擬多體系統(tǒng)的運動學和動力學行為，提供豐富的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)和可視化的仿真動畫，便于對地下鏟運機的動態(tài)特性進行直觀分析和研究。實例驗證：選擇實際的地下鏟運機型號，收集其相關(guān)的設計參數(shù)、運行數(shù)據(jù)和現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)。將仿真結(jié)果與實際測試數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證虛擬樣機模型的準確性和仿真結(jié)果的可靠性。通過實際案例分析，進一步研究地下鏟運機在實際工作中的動態(tài)特性和存在的問題，為模型的改進和優(yōu)化提供實際依據(jù)。同時，將研究成果應用于實際地下鏟運機的設計和改進中，通過實際應用效果來檢驗研究成果的有效性和實用性。二、地下鏟運機多體系統(tǒng)理論基礎(chǔ)2.1多體系統(tǒng)動力學基礎(chǔ)2.1.1多體系統(tǒng)基本概念多體系統(tǒng)是由多個剛體或柔性體通過各種約束相互連接而構(gòu)成的復雜系統(tǒng)。在多體系統(tǒng)中，剛體是指在運動過程中形狀和大小不發(fā)生改變的物體，它是多體系統(tǒng)的基本組成單元。鉸約束則是連接各剛體的關(guān)鍵要素，它限制了剛體之間的相對運動，使系統(tǒng)能夠按照特定的方式進行運動。常見的鉸約束類型包括轉(zhuǎn)動副、移動副、球鉸等。轉(zhuǎn)動副允許兩個剛體繞著某一軸線相對轉(zhuǎn)動，如地下鏟運機工作裝置中各桿件之間的連接；移動副則使兩個剛體能夠沿著某一直線方向相對移動；球鉸則可以實現(xiàn)兩個剛體在空間內(nèi)的任意方向的相對轉(zhuǎn)動。地下鏟運機作為一個典型的多體系統(tǒng)，可以將其各個部件，如工作裝置（鏟斗、動臂、搖臂等）、行走機構(gòu)（輪胎、車橋等）、車架等，抽象為剛體。各部件之間通過相應的鉸約束連接，以實現(xiàn)特定的運動功能。例如，鏟斗與動臂之間通過轉(zhuǎn)動副連接，使得鏟斗能夠繞著該轉(zhuǎn)動副進行上下翻轉(zhuǎn)，完成鏟裝和卸載作業(yè)；動臂與車架之間同樣通過轉(zhuǎn)動副連接，實現(xiàn)動臂的升降運動，以調(diào)整鏟斗的作業(yè)高度。這種將地下鏟運機抽象為多體系統(tǒng)的方法，能夠清晰地描述各部件之間的相對運動關(guān)系和相互作用，為后續(xù)的動力學分析和虛擬樣機建模提供了重要的基礎(chǔ)。通過準確地定義剛體和鉸約束，能夠構(gòu)建出符合實際工作情況的多體系統(tǒng)模型，從而深入研究地下鏟運機在不同工況下的運動特性和力學性能。2.1.2多體系統(tǒng)動力學方程多體系統(tǒng)動力學方程是描述多體系統(tǒng)運動和受力關(guān)系的數(shù)學表達式，它是多體系統(tǒng)動力學分析的核心內(nèi)容。常用的多體系統(tǒng)動力學方程有拉格朗日方程和凱恩方程，它們在地下鏟運機建模中都有著重要的應用。拉格朗日方程：拉格朗日方程是基于能量觀點建立的動力學方程，它以系統(tǒng)的動能和勢能為基礎(chǔ)，通過引入拉格朗日函數(shù)來描述系統(tǒng)的動力學行為。對于具有完整約束的多體系統(tǒng)，其拉格朗日方程的一般形式為：\fracisccmog{dt}\left(\frac{\partialL}{\partial\dot{q}_j}\right)-\frac{\partialL}{\partialq_j}=Q_j\quad(j=1,2,\cdots,n)其中，L=T-V為拉格朗日函數(shù)，T是系統(tǒng)的動能，V是系統(tǒng)的勢能；q_j和\dot{q}_j分別是廣義坐標和廣義速度；Q_j是對應于廣義坐標q_j的廣義力。在地下鏟運機建模中，應用拉格朗日方程時，首先需要確定系統(tǒng)的廣義坐標。廣義坐標的選擇應能夠唯一地確定系統(tǒng)中各剛體的位置和姿態(tài)，且應盡量使系統(tǒng)的運動學和動力學方程簡潔明了。對于地下鏟運機工作裝置，可選擇各鉸點的轉(zhuǎn)角或位移作為廣義坐標。然后，計算系統(tǒng)的動能和勢能。動能包括各剛體的平動動能和轉(zhuǎn)動動能，勢能則包括重力勢能和彈性勢能（如液壓系統(tǒng)中彈簧的勢能等）。通過對動能和勢能關(guān)于廣義坐標和廣義速度求偏導數(shù)，并代入拉格朗日方程，即可得到地下鏟運機工作裝置的動力學方程。這些方程能夠準確地描述工作裝置在不同工況下的運動和受力情況，為進一步分析工作裝置的性能和優(yōu)化設計提供了理論依據(jù)。凱恩方程：凱恩方程是由美國學者T.R.凱恩于20世紀60年代提出的一種建立機械系統(tǒng)動力學模型的方法。它通過引入廣義速率、偏速度和偏角速度等概念，避免了對動力學函數(shù)的求導運算，使得方程的推導過程更加簡潔。凱恩方程的表達式為：F_r^*+F_r=0\quad(r=1,2,\cdots,n)其中，F(xiàn)_r^*是廣義慣性力，F(xiàn)_r是廣義主動力，n是系統(tǒng)的自由度。在地下鏟運機建模中應用凱恩方程，首先要定義廣義速率。廣義速率是用來描述系統(tǒng)運動的一組獨立變量，它與廣義坐標之間存在一定的關(guān)系。對于地下鏟運機，可以根據(jù)其運動特點選擇合適的廣義速率，如各鉸點的角速度或線速度等。然后，計算偏速度和偏角速度，偏速度和偏角速度是定義廣義慣性力和廣義主動力的重要參數(shù)。通過計算各剛體的偏速度和偏角速度，并結(jié)合各剛體所受到的外力和慣性力，即可得到廣義主動力和廣義慣性力。最后，將廣義主動力和廣義慣性力代入凱恩方程，得到地下鏟運機的動力學方程。凱恩方程在處理復雜多體系統(tǒng)時具有明顯的優(yōu)勢，它能夠減少計算量，提高計算效率，尤其適用于包含非完整約束的多體系統(tǒng)動力學建模。拉格朗日方程和凱恩方程在地下鏟運機多體系統(tǒng)建模中都具有重要的應用價值。拉格朗日方程基于能量原理，物理意義明確，方程形式統(tǒng)一，適用于各種類型的多體系統(tǒng)；凱恩方程則通過引入廣義速率等概念，簡化了方程的推導過程，在處理復雜系統(tǒng)時具有更高的計算效率。在實際應用中，可根據(jù)地下鏟運機的具體結(jié)構(gòu)和分析需求，選擇合適的動力學方程進行建模和分析。2.2虛擬樣機技術(shù)概述2.2.1虛擬樣機技術(shù)原理虛擬樣機技術(shù)是一種基于計算機建模和仿真的先進技術(shù)，它通過在計算機上構(gòu)建系統(tǒng)的數(shù)字化模型，模擬和預測實際系統(tǒng)的性能和行為，從而為產(chǎn)品設計、優(yōu)化和決策提供有力支持。其工作原理是將產(chǎn)品的各個組成部分抽象為數(shù)學模型，并通過計算機仿真技術(shù)模擬它們在不同工況下的相互作用和運動情況，進而全面分析產(chǎn)品的性能和可靠性。在地下鏟運機研發(fā)中，虛擬樣機技術(shù)的應用流程如下：首先，利用三維建模軟件，如SolidWorks、Pro/E等，依據(jù)地下鏟運機的設計圖紙和實際結(jié)構(gòu)，精確構(gòu)建其各部件的三維實體模型，包括工作裝置、行走機構(gòu)、車架等。在建模過程中，充分考慮各部件的實際形狀、尺寸、質(zhì)量分布以及材料特性等因素，確保模型的準確性。接著，運用多體動力學軟件，如ADAMS、RecurDyn等，將三維模型導入其中，并根據(jù)地下鏟運機的工作原理和各部件之間的連接關(guān)系，定義各種約束和力元。約束用于限制部件之間的相對運動，如轉(zhuǎn)動副、移動副、球鉸等，力元則用于模擬部件之間的相互作用力，如彈簧力、阻尼力、接觸力等。通過這些定義，建立起完整的多體系統(tǒng)虛擬樣機模型。隨后，在虛擬樣機模型的基礎(chǔ)上，設置各種不同的工況，如鏟裝工況、運輸工況、卸載工況等，并對每個工況下的參數(shù)進行合理設置，如工作裝置的運動速度、裝載量、行駛路面的狀況等。利用多體動力學軟件對不同工況下的虛擬樣機模型進行動態(tài)特性仿真分析，得到地下鏟運機在各種工況下的運動學和動力學參數(shù)，如各部件的位移、速度、加速度、受力情況等。最后，根據(jù)仿真分析結(jié)果，對地下鏟運機的設計進行評估和優(yōu)化。如果發(fā)現(xiàn)某些性能指標不符合要求，如工作裝置的強度不足、整機的振動過大等，可以通過修改模型的參數(shù)，如調(diào)整部件的結(jié)構(gòu)尺寸、改變材料特性、優(yōu)化約束和力元的設置等，重新進行仿真分析，直到得到滿足設計要求的最優(yōu)方案。虛擬樣機技術(shù)在地下鏟運機研發(fā)中具有顯著的優(yōu)勢。它能夠在設計階段就全面預測地下鏟運機的性能，提前發(fā)現(xiàn)潛在的問題，避免在物理樣機制造后才發(fā)現(xiàn)問題而導致的設計修改和成本增加。通過虛擬樣機技術(shù)，可以對多種設計方案進行快速評估和比較，選擇最優(yōu)的設計方案，提高設計質(zhì)量和效率。此外，虛擬樣機技術(shù)還可以為地下鏟運機的操作人員培訓、維護保養(yǎng)計劃制定等提供重要的參考依據(jù)。2.2.2相關(guān)建模軟件介紹在地下鏟運機多體系統(tǒng)建模中，有多種軟件可供選擇，其中ADAMS和RecurDyn是較為常用的兩款軟件，它們在功能和特點上既有相似之處，也存在一些差異。ADAMS軟件：ADAMS（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems）是一款廣泛應用的多體動力學仿真軟件，由美國MDI公司開發(fā)。它具有強大的多體系統(tǒng)動力學分析功能，能夠精確模擬機械系統(tǒng)的運動學和動力學行為。在建模方面，ADAMS提供了豐富的建模工具，可方便地創(chuàng)建各種類型的剛體和柔性體模型。對于地下鏟運機的各部件，如剛性的車架、工作裝置桿件等可創(chuàng)建為剛體模型，而對于一些需要考慮彈性變形的部件，如橡膠輪胎等，則可通過與有限元軟件（如ANSYS）聯(lián)合的方式創(chuàng)建為柔性體模型。通過定義各種約束類型，如轉(zhuǎn)動副、移動副、球鉸、萬向節(jié)等，ADAMS能夠準確描述各部件之間的相對運動關(guān)系。同時，它還支持添加多種力元，如彈簧、阻尼器、接觸力等，以模擬實際系統(tǒng)中的各種力的作用。在求解器方面，ADAMS配備了高效的數(shù)值求解器，能夠快速、準確地求解多體系統(tǒng)的動力學方程。其求解器具有良好的穩(wěn)定性和收斂性，即使對于復雜的多體系統(tǒng)模型，也能在較短的時間內(nèi)得到可靠的仿真結(jié)果。此外，ADAMS還提供了豐富的后處理功能，可對仿真結(jié)果進行可視化展示和數(shù)據(jù)分析。用戶可以通過動畫形式直觀地觀察地下鏟運機在不同工況下的運動過程，還可以繪制各種性能曲線，如位移-時間曲線、速度-時間曲線、力-時間曲線等，以便深入分析系統(tǒng)的動態(tài)特性。RecurDyn軟件：RecurDyn是韓國FunctionBay公司開發(fā)的一款多體動力學仿真軟件，它在多體系統(tǒng)建模和仿真領(lǐng)域也具有獨特的優(yōu)勢。RecurDyn采用了相對坐標系的建模方法，這種方法在處理具有復雜運動關(guān)系的多體系統(tǒng)時具有更高的計算效率。例如，在地下鏟運機的建模中，對于工作裝置這種包含多個相互連接且運動關(guān)系復雜的部件系統(tǒng)，相對坐標系建模方法能夠更簡潔地描述各部件之間的相對運動，減少計算量，提高計算速度。在接觸分析方面，RecurDyn具有出色的接觸算法，能夠精確模擬物體之間的接觸碰撞行為。地下鏟運機在工作過程中，鏟斗與礦石之間、輪胎與地面之間都存在頻繁的接觸碰撞，RecurDyn的接觸算法可以準確地計算這些接觸力的大小和方向，為分析地下鏟運機的工作性能提供了重要的依據(jù)。此外，RecurDyn還支持多領(lǐng)域協(xié)同仿真，可與控制軟件、有限元軟件等進行無縫集成，實現(xiàn)對地下鏟運機的機電液一體化系統(tǒng)的全面仿真分析。例如，通過與控制軟件的協(xié)同仿真，可以研究不同控制策略對地下鏟運機工作性能的影響；與有限元軟件的集成，則可以更準確地分析地下鏟運機關(guān)鍵零部件的應力應變情況。軟件對比：ADAMS和RecurDyn在功能上有一定的重疊，但也各有特點。在建模便利性方面，ADAMS的界面友好，操作相對簡單，對于初學者來說更容易上手；而RecurDyn的相對坐標系建模方法在處理復雜運動關(guān)系時更具優(yōu)勢，但學習成本相對較高。在計算效率上，RecurDyn的相對坐標系建模和高效的接觸算法使其在處理大規(guī)模多體系統(tǒng)和復雜接觸問題時計算速度更快；ADAMS則在通用多體系統(tǒng)動力學分析中表現(xiàn)穩(wěn)定。在功能完整性方面，兩者都具備豐富的多體動力學分析功能和后處理功能，但ADAMS在與有限元軟件的聯(lián)合應用方面更為成熟，RecurDyn在多領(lǐng)域協(xié)同仿真方面具有特色。在地下鏟運機多體系統(tǒng)建模及動態(tài)特性仿真研究中，可根據(jù)具體的研究需求和模型特點選擇合適的軟件，或者結(jié)合使用這兩款軟件，以充分發(fā)揮它們的優(yōu)勢。三、地下鏟運機多體系統(tǒng)虛擬樣機建模3.1地下鏟運機結(jié)構(gòu)分析與簡化3.1.1地下鏟運機結(jié)構(gòu)組成地下鏟運機主要由工作裝置、行走系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等部分組成，各部分相互協(xié)作，共同完成鏟裝、運輸和卸載等作業(yè)任務。工作裝置：工作裝置是地下鏟運機直接完成鏟裝和卸載作業(yè)的關(guān)鍵部件，主要由鏟斗、動臂、搖臂、連桿和轉(zhuǎn)斗油缸、舉升油缸等組成。鏟斗是直接與物料接觸的部件，其形狀和結(jié)構(gòu)設計對鏟裝效率和物料的抓取能力有著重要影響。常見的鏟斗形狀有弧形、直線形等，為了提高鏟斗的耐磨性和強度，通常采用高強度耐磨材料制造。動臂是連接鏟斗和車架的重要部件，通過舉升油缸的作用，實現(xiàn)動臂的升降運動，從而調(diào)整鏟斗的作業(yè)高度。搖臂和連桿則組成了四桿機構(gòu)，與轉(zhuǎn)斗油缸配合，實現(xiàn)鏟斗的翻轉(zhuǎn)運動，完成物料的鏟裝和卸載操作。在鏟裝作業(yè)時，轉(zhuǎn)斗油缸收縮，使鏟斗向前下方轉(zhuǎn)動，插入物料堆中，然后舉升油缸伸出，將動臂和鏟斗一起抬起，裝滿物料的鏟斗被提升到一定高度；在卸載作業(yè)時，轉(zhuǎn)斗油缸伸出，使鏟斗向后上方翻轉(zhuǎn)，將物料卸出。行走系統(tǒng)：行走系統(tǒng)主要由車架、車橋、輪胎和懸掛裝置等組成，其作用是支撐整機的重量，實現(xiàn)地下鏟運機的行走和轉(zhuǎn)向功能。車架是地下鏟運機的主體結(jié)構(gòu)，它承受著來自各個部件的載荷，并將這些載荷傳遞到行走系統(tǒng)。車架通常采用高強度鋼材焊接而成，具有足夠的強度和剛度，以保證在復雜的工作環(huán)境下能夠正常工作。車橋分為前橋和后橋，它們通過懸掛裝置與車架連接。前橋主要負責轉(zhuǎn)向，后橋則主要負責驅(qū)動。輪胎是行走系統(tǒng)與地面直接接觸的部件，其性能對地下鏟運機的行駛穩(wěn)定性、通過性和操縱性有著重要影響。地下鏟運機通常采用專用的工程輪胎，這些輪胎具有較大的接地面積、良好的耐磨性和抗切割性能，能夠適應井下復雜的路面條件。懸掛裝置則起到緩沖和減振的作用，減少因路面不平引起的振動和沖擊，提高駕駛員的舒適性和設備的可靠性。常見的懸掛裝置有鋼板彈簧懸掛、油氣懸掛等。動力系統(tǒng)：動力系統(tǒng)是地下鏟運機的動力來源，主要有柴油機和電動機兩種類型。柴油機具有功率大、機動性強等優(yōu)點，適用于需要頻繁移動和作業(yè)范圍較大的場合。在地下礦山中，由于通風條件有限，為了減少柴油機尾氣對井下環(huán)境的污染，通常會配備尾氣凈化裝置。電動機則具有無污染、噪音低、維護方便等優(yōu)點，但其受電纜長度的限制，活動范圍相對較小。電動地下鏟運機通常適用于作業(yè)區(qū)域相對固定、通風條件較差的場合。動力系統(tǒng)除了發(fā)動機或電動機外，還包括燃油系統(tǒng)（對于柴油機）、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)，這些輔助系統(tǒng)確保動力系統(tǒng)能夠正常、穩(wěn)定地工作。例如，燃油系統(tǒng)負責為柴油機提供清潔、適量的燃油；冷卻系統(tǒng)則通過循環(huán)冷卻液，帶走發(fā)動機工作時產(chǎn)生的熱量，防止發(fā)動機過熱；潤滑系統(tǒng)則為發(fā)動機的各個運動部件提供潤滑，減少磨損，延長發(fā)動機的使用壽命。傳動系統(tǒng)：傳動系統(tǒng)的作用是將動力系統(tǒng)的動力傳遞給行走系統(tǒng)和工作裝置，以實現(xiàn)地下鏟運機的各種運動。傳動系統(tǒng)主要由液力變矩器、變速箱、傳動軸、主減速器、差速器和半軸等組成。液力變矩器能夠在發(fā)動機轉(zhuǎn)速不變的情況下，根據(jù)外界阻力的變化自動改變輸出扭矩，使地下鏟運機具有良好的起步和加速性能。變速箱則通過不同的齒輪組合，實現(xiàn)不同的傳動比，以滿足地下鏟運機在不同工況下的行駛速度和牽引力要求。傳動軸將變速箱輸出的動力傳遞給主減速器，主減速器進一步降低轉(zhuǎn)速、增大扭矩，并將動力傳遞給差速器。差速器能夠使左右車輪在轉(zhuǎn)彎時以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，保證車輛的平穩(wěn)轉(zhuǎn)向。半軸則將差速器輸出的動力傳遞給車輪，驅(qū)動車輛行駛。在工作裝置的傳動中，通常采用液壓傳動方式，通過液壓泵將發(fā)動機的機械能轉(zhuǎn)換為液壓能，然后通過液壓管路將液壓油輸送到轉(zhuǎn)斗油缸和舉升油缸等執(zhí)行元件，實現(xiàn)工作裝置的各種動作。液壓系統(tǒng)：液壓系統(tǒng)是地下鏟運機實現(xiàn)工作裝置各種動作的關(guān)鍵系統(tǒng)，主要由液壓泵、液壓閥、液壓缸、液壓油箱和油管等組成。液壓泵是液壓系統(tǒng)的動力源，它將發(fā)動機的機械能轉(zhuǎn)換為液壓油的壓力能。常見的液壓泵有齒輪泵、葉片泵和柱塞泵等，根據(jù)地下鏟運機的工作要求和性能特點，選擇合適的液壓泵類型和規(guī)格。液壓閥用于控制液壓油的流動方向、壓力和流量，從而實現(xiàn)工作裝置的各種動作控制。例如，換向閥用于改變液壓油的流動方向，實現(xiàn)液壓缸的伸縮運動；溢流閥用于限制液壓系統(tǒng)的最高壓力，保護系統(tǒng)安全；節(jié)流閥則用于調(diào)節(jié)液壓油的流量，控制工作裝置的運動速度。液壓缸是液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件，通過液壓油的壓力作用，將液壓能轉(zhuǎn)換為機械能，實現(xiàn)工作裝置的直線運動。液壓油箱用于儲存液壓油，并起到散熱、沉淀雜質(zhì)和分離空氣的作用。油管則用于連接液壓系統(tǒng)的各個部件，輸送液壓油。電氣系統(tǒng)：電氣系統(tǒng)主要負責地下鏟運機的控制、監(jiān)測和信號傳輸?shù)裙δ埽饕尚铍姵?、發(fā)電機、控制器、傳感器、燈具和電線等組成。蓄電池為電氣系統(tǒng)提供初始電源，在發(fā)動機啟動時，為起動機提供電能。發(fā)電機則在發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，為電氣系統(tǒng)提供電能，并對蓄電池進行充電。控制器是電氣系統(tǒng)的核心部件，它根據(jù)操作人員的指令和傳感器采集的信號，對地下鏟運機的各種動作進行控制。例如，控制器可以控制發(fā)動機的啟動、停止、調(diào)速，以及工作裝置和行走系統(tǒng)的動作等。傳感器用于采集地下鏟運機的各種運行參數(shù)，如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、油溫、油壓、工作裝置的位置等，并將這些參數(shù)傳輸給控制器，以便控制器進行實時監(jiān)測和控制。燈具則為地下鏟運機在井下作業(yè)時提供照明，確保操作人員能夠清晰地觀察作業(yè)環(huán)境。電線則用于連接電氣系統(tǒng)的各個部件，傳輸電能和信號。隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代地下鏟運機的電氣系統(tǒng)越來越復雜，功能也越來越強大，能夠?qū)崿F(xiàn)更多的自動化和智能化控制功能，如自動稱重、故障診斷、遠程監(jiān)控等。3.1.2模型簡化原則與方法在建立地下鏟運機多體系統(tǒng)虛擬樣機模型時，為了提高計算效率和保證模型的準確性，需要對其結(jié)構(gòu)進行合理的簡化。簡化過程應遵循一定的原則，并采用合適的方法。簡化原則：保留關(guān)鍵部件和關(guān)鍵特征：關(guān)鍵部件是指對地下鏟運機的性能和工作過程起決定性作用的部件，如工作裝置的鏟斗、動臂、轉(zhuǎn)斗油缸和舉升油缸，行走系統(tǒng)的車架、車橋和輪胎等。這些部件的結(jié)構(gòu)和性能對地下鏟運機的作業(yè)能力、行駛穩(wěn)定性等有著重要影響，因此在建模時必須準確描述其形狀、尺寸和力學特性，保留其關(guān)鍵特征。例如，鏟斗的形狀和尺寸直接影響其鏟裝效率和物料的抓取能力，在建模時應精確模擬鏟斗的幾何形狀，并考慮其與物料之間的相互作用；車架作為承受各種載荷的主體結(jié)構(gòu)，其強度和剛度對整機的性能至關(guān)重要，建模時應準確描述車架的結(jié)構(gòu)和材料特性。忽略次要細節(jié)和微小結(jié)構(gòu)：次要細節(jié)和微小結(jié)構(gòu)是指對地下鏟運機的整體性能影響較小的部分，如一些小的倒角、圓角、螺栓孔等。這些細節(jié)在實際工作中對地下鏟運機的運動和受力情況影響不大，如果在建模時全部考慮，會增加模型的復雜度和計算量，降低計算效率。因此，在不影響模型準確性的前提下，可以忽略這些次要細節(jié)和微小結(jié)構(gòu)。例如，對于一些小的倒角和圓角，可以將其簡化為直角或平面；對于一些不承受主要載荷的螺栓孔，可以不進行建模。保證模型的物理真實性：模型簡化不能改變地下鏟運機的基本物理特性和工作原理，必須保證簡化后的模型能夠真實反映地下鏟運機在實際工作中的運動和受力情況。在簡化過程中，應合理選擇簡化方法和參數(shù)，確保模型的質(zhì)量分布、慣性矩、約束關(guān)系等與實際情況相符。例如，在簡化車架時，雖然可以忽略一些小的結(jié)構(gòu)特征，但必須保證車架的質(zhì)量分布和慣性矩與實際車架相近，以確保模型在動力學分析中的準確性?？紤]計算效率和模型規(guī)模：在滿足模型準確性的前提下，應盡量簡化模型，減小模型規(guī)模，提高計算效率。復雜的模型會增加計算量和計算時間，甚至可能導致計算無法收斂。因此，在建模過程中，需要根據(jù)計算機的性能和計算要求，合理控制模型的復雜程度。例如，對于一些對計算結(jié)果影響較小的部件或結(jié)構(gòu)，可以采用簡化的模型來代替，如將一些復雜的零部件簡化為等效的剛體或集中質(zhì)量等。簡化方法：幾何簡化：幾何簡化是最常用的簡化方法之一，主要包括刪除、合并和簡化幾何特征等操作。刪除是指去除對模型性能影響較小的幾何特征，如小的倒角、圓角、凸臺、凹槽等。例如，在建立鏟斗模型時，可以刪除一些小的加強筋和工藝孔，這些特征對鏟斗的整體力學性能影響較小，但會增加模型的復雜度。合并是將一些相鄰的、功能相近的幾何部件合并為一個整體，以減少模型的零部件數(shù)量。例如，將車架上一些連接緊密的部件，如某些支架和連接件，合并為一個整體進行建模，這樣可以減少部件之間的約束數(shù)量，提高計算效率。簡化幾何特征是對一些復雜的幾何形狀進行簡化，如將復雜的曲面簡化為平面或簡單的曲面。例如，將輪胎的復雜花紋簡化為光滑的表面，在不影響輪胎主要力學性能（如滾動阻力、接地壓力等）的前提下，降低模型的幾何復雜度。材料屬性簡化：在實際地下鏟運機中，各部件可能采用不同的材料，其材料屬性也較為復雜。為了簡化模型，在建模時可以對材料屬性進行適當?shù)暮喕?。對于一些對模型整體性能影響較小的部件，可以采用統(tǒng)一的材料屬性來代替實際的多種材料。例如，對于一些非關(guān)鍵的連接件和小部件，可以采用一種常用的鋼材材料屬性進行建模，而不必詳細區(qū)分其實際使用的材料。對于一些復合材料部件，可以通過等效的方法，將其簡化為具有等效材料屬性的均質(zhì)材料。例如，對于由纖維增強復合材料制成的部件，可以根據(jù)復合材料的組成和性能特點，計算出其等效的彈性模量、泊松比和密度等材料參數(shù)，然后將其作為一種均質(zhì)材料進行建模。約束簡化：地下鏟運機各部件之間通過各種約束連接在一起，約束的類型和數(shù)量會影響模型的復雜度和計算效率。在約束簡化過程中，可以根據(jù)實際情況，合理簡化約束關(guān)系。對于一些對部件相對運動影響較小的約束，可以適當放松或忽略。例如，在某些情況下，部件之間的小間隙配合可以簡化為無間隙的剛性連接，這樣可以減少約束的自由度，提高計算效率。對于一些復雜的約束，可以采用等效的簡單約束來代替。例如，將一些復雜的彈性約束簡化為線性彈簧約束，通過合理設置彈簧的剛度系數(shù)，來近似模擬實際的彈性約束效果。此外，在定義約束時，應盡量準確地描述約束的位置和方向，確保約束關(guān)系與實際情況相符。質(zhì)量和慣性簡化：質(zhì)量和慣性是影響地下鏟運機動力學性能的重要因素，在建模時需要準確考慮。然而，對于一些復雜的部件，精確計算其質(zhì)量和慣性矩較為困難。因此，可以采用一些簡化方法來估算部件的質(zhì)量和慣性。對于形狀規(guī)則的部件，可以根據(jù)其幾何尺寸和材料密度，通過簡單的公式計算其質(zhì)量和慣性矩。對于形狀復雜的部件，可以采用等效質(zhì)量和等效慣性矩的方法進行簡化。例如，將復雜形狀的部件等效為一個具有相同質(zhì)量和慣性矩的簡單幾何體（如長方體、圓柱體等），通過合理調(diào)整等效幾何體的尺寸和位置，使其質(zhì)量和慣性特性與實際部件相近。在簡化質(zhì)量和慣性時，應確保簡化后的結(jié)果能夠準確反映部件在動力學分析中的作用，避免因簡化不當而導致模型計算結(jié)果與實際情況偏差過大。3.2多體系統(tǒng)模型的建立3.2.1剛體模型的構(gòu)建利用三維建模軟件SolidWorks對地下鏟運機各部件進行精確建模，以確保模型能夠準確反映部件的實際形狀和尺寸。在建模過程中，充分考慮各部件的結(jié)構(gòu)特點和功能需求，對關(guān)鍵部件進行詳細建模，如工作裝置中的鏟斗、動臂、搖臂、連桿以及轉(zhuǎn)斗油缸和舉升油缸等，行走系統(tǒng)中的車架、車橋、輪胎和懸掛裝置等。對于一些相對簡單的部件，在保證模型準確性的前提下，適當簡化其結(jié)構(gòu)，以提高建模效率和后續(xù)計算效率。以鏟斗為例，根據(jù)其實際的設計圖紙，在SolidWorks中精確繪制鏟斗的三維模型，包括鏟斗的斗體形狀、斗齒的分布和尺寸等?？紤]到鏟斗在工作過程中需要承受較大的沖擊力和摩擦力，選用合適的高強度耐磨材料，并在模型中準確設置其材料屬性，如密度、彈性模量、泊松比等。通過這些設置，使得鏟斗模型不僅在幾何形狀上與實際鏟斗一致，而且在力學性能上也能準確反映實際情況。對于車架，由于其作為地下鏟運機的主體結(jié)構(gòu)，承受著來自各個部件的載荷，因此在建模時需要特別關(guān)注其強度和剛度。根據(jù)車架的實際結(jié)構(gòu)，采用實體建模的方式，準確描繪車架的各個梁、板的形狀和連接關(guān)系。同時，考慮到車架在不同工況下的受力情況，合理設置其材料屬性和結(jié)構(gòu)參數(shù)，如增加關(guān)鍵部位的厚度、設置加強筋等，以提高車架的強度和剛度。在完成各部件的建模后，將它們按照實際的裝配關(guān)系在SolidWorks中進行裝配，形成地下鏟運機的整體三維模型。在裝配過程中，嚴格按照設計圖紙的要求，確保各部件之間的相對位置和連接關(guān)系準確無誤。通過裝配后的整體模型，可以直觀地檢查各部件之間是否存在干涉現(xiàn)象，以及整個地下鏟運機的結(jié)構(gòu)是否合理。如果發(fā)現(xiàn)干涉問題，及時對部件模型進行調(diào)整和修改，直到整體模型的裝配關(guān)系符合實際要求。3.2.2約束與力元的添加將在SolidWorks中建立的地下鏟運機三維模型導入到多體動力學軟件ADAMS中，進行約束和力元的添加，以模擬各部件之間的實際連接關(guān)系和受力情況。根據(jù)地下鏟運機的實際結(jié)構(gòu)和工作原理，在剛體模型間添加合適的約束。在工作裝置中，鏟斗與動臂通過轉(zhuǎn)動副連接，限制了它們在其他方向的相對運動，只允許鏟斗繞轉(zhuǎn)動副軸線進行翻轉(zhuǎn)運動。在定義轉(zhuǎn)動副時，準確設置其位置和方向，使其與實際的連接位置和運動方向一致。動臂與車架之間同樣通過轉(zhuǎn)動副連接，以實現(xiàn)動臂的升降運動。搖臂與動臂、連桿之間也通過轉(zhuǎn)動副連接，組成四桿機構(gòu)，實現(xiàn)鏟斗的復雜運動。在行走系統(tǒng)中，車橋與車架通過移動副連接，允許車橋在垂直方向上有一定的位移，以適應路面的不平。輪胎與車橋之間通過固定約束連接，模擬輪胎與車橋的剛性連接。此外，還添加了一些其他的約束，如球鉸約束用于連接一些需要在空間內(nèi)自由轉(zhuǎn)動的部件，萬向節(jié)約束用于傳遞不同方向的運動等。通過合理地添加這些約束，準確地模擬了地下鏟運機各部件之間的相對運動關(guān)系，使得模型能夠真實地反映地下鏟運機的實際運動情況。除了約束，還需要添加力元來模擬地下鏟運機在工作過程中所受到的各種外力。首先，添加重力力元，使整個模型受到重力的作用，其方向垂直向下，大小根據(jù)各部件的質(zhì)量和重力加速度計算得出。重力的添加能夠模擬地下鏟運機在實際工作中的重力負載，對分析整機的穩(wěn)定性和動力學性能具有重要意義。添加摩擦力力元來模擬輪胎與地面之間的摩擦力以及各部件之間的接觸摩擦力。輪胎與地面之間的摩擦力是地下鏟運機行駛和轉(zhuǎn)向的重要驅(qū)動力，其大小與輪胎的材質(zhì)、地面的狀況以及輪胎所承受的垂直載荷等因素有關(guān)。在ADAMS中，通過設置合適的摩擦系數(shù)和接觸力模型，來準確模擬輪胎與地面之間的摩擦力。對于各部件之間的接觸摩擦力，根據(jù)實際的接觸情況，合理設置摩擦系數(shù)和接觸剛度等參數(shù)，以反映部件之間的摩擦阻力。在鏟裝作業(yè)過程中，鏟斗會受到礦石的沖擊力和摩擦力。為了模擬這些力，采用接觸力模型來模擬鏟斗與礦石之間的相互作用。在ADAMS中，定義鏟斗和礦石之間的接觸對，并設置接觸參數(shù)，如接觸剛度、阻尼系數(shù)、摩擦系數(shù)等。這些參數(shù)的設置需要根據(jù)礦石的物理性質(zhì)和實際的鏟裝情況進行合理調(diào)整，以準確模擬鏟斗與礦石之間的接觸力。當鏟斗插入礦石堆時，接觸力模型會根據(jù)設置的參數(shù)計算出鏟斗所受到的沖擊力和摩擦力，從而為分析鏟裝過程中的動力學性能提供準確的數(shù)據(jù)。在液壓系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)斗油缸和舉升油缸通過液壓油的壓力來驅(qū)動工作裝置的運動。為了模擬液壓系統(tǒng)的作用，在ADAMS中添加液壓油缸力元，并設置其參數(shù)，如油缸的直徑、行程、工作壓力等。根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作原理，通過控制液壓油缸力元的輸出力，來模擬轉(zhuǎn)斗油缸和舉升油缸的工作過程，實現(xiàn)工作裝置的各種動作。例如，在鏟裝作業(yè)時，控制轉(zhuǎn)斗油缸力元的輸出力，使鏟斗向前下方轉(zhuǎn)動，插入礦石堆中；然后控制舉升油缸力元的輸出力，將動臂和鏟斗一起抬起，完成鏟裝作業(yè)。通過合理地添加約束和力元，建立了能夠準確反映地下鏟運機實際工作情況的多體系統(tǒng)模型。這個模型不僅考慮了各部件之間的相對運動關(guān)系，還考慮了各種外力的作用，為后續(xù)的系統(tǒng)動態(tài)特性仿真分析提供了可靠的基礎(chǔ)。通過對這個模型的仿真分析，可以深入了解地下鏟運機在不同工況下的運動學和動力學性能，為地下鏟運機的優(yōu)化設計和性能改進提供有力的依據(jù)。3.2.3模型的驗證與修正為了確保建立的地下鏟運機多體系統(tǒng)模型的準確性和可靠性，需要將模型的仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果或?qū)嶋H測量數(shù)據(jù)進行對比分析。在理論計算方面，針對地下鏟運機在典型工況下的運動學和動力學問題，運用相關(guān)的力學原理和公式進行精確計算。以鏟斗在鏟裝工況下的受力分析為例，根據(jù)土力學原理和力學平衡方程，計算鏟斗在插入礦石堆時所受到的阻力，包括礦石的切削阻力、摩擦力以及土壤的反作用力等。同時，考慮鏟斗的運動速度和加速度，運用動力學方程計算鏟斗在不同時刻的受力情況。將這些理論計算結(jié)果與多體系統(tǒng)模型在相同工況下的仿真結(jié)果進行對比，檢查模型計算結(jié)果的準確性。如果發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果存在較大偏差，需要仔細檢查模型的參數(shù)設置、約束條件以及力元的添加是否合理，找出問題所在并進行修正。在實際測量數(shù)據(jù)對比方面，選擇一臺實際的地下鏟運機進行現(xiàn)場測試。在測試過程中，利用各種傳感器和測量設備，采集地下鏟運機在不同工況下的運行數(shù)據(jù)，如工作裝置各鉸點的受力、位移、速度和加速度，整機的振動情況，輪胎的受力等。例如，在運輸工況下，通過在車架和車橋上安裝加速度傳感器，測量地下鏟運機在行駛過程中的振動加速度；在輪胎上安裝壓力傳感器，測量輪胎與地面之間的接觸壓力。將這些實際測量數(shù)據(jù)與多體系統(tǒng)模型的仿真結(jié)果進行詳細對比，從多個方面驗證模型的準確性。如果在對比過程中發(fā)現(xiàn)模型存在誤差，需要對模型進行針對性的修正和完善。如果發(fā)現(xiàn)某些部件的質(zhì)量和慣性矩設置不合理，導致模型的動力學性能與實際情況不符，可以重新測量這些部件的實際質(zhì)量和慣性矩，并在模型中進行相應的調(diào)整。如果發(fā)現(xiàn)約束條件的設置與實際連接情況存在差異，如某些轉(zhuǎn)動副的摩擦系數(shù)設置不準確，影響了部件之間的相對運動，需要重新評估和調(diào)整約束條件的參數(shù)。對于力元的設置，如果發(fā)現(xiàn)模擬的外力與實際情況有偏差，如鏟斗與礦石之間的接觸力模擬不準確，可以根據(jù)實際的物理現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)，對力元的參數(shù)進行優(yōu)化，如調(diào)整接觸剛度、阻尼系數(shù)和摩擦系數(shù)等。經(jīng)過多次對比和修正，不斷優(yōu)化模型的參數(shù)和結(jié)構(gòu)，直到模型的仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果或?qū)嶋H測量數(shù)據(jù)能夠較好地吻合。通過這種方式建立的多體系統(tǒng)模型，能夠更加準確地反映地下鏟運機的實際工作性能，為后續(xù)的系統(tǒng)動態(tài)特性分析和優(yōu)化設計提供可靠的依據(jù)。在后續(xù)的研究中，可以基于這個經(jīng)過驗證和修正的模型，深入分析地下鏟運機在各種復雜工況下的動態(tài)特性，研究關(guān)鍵參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，為地下鏟運機的設計改進和性能提升提供有力的支持。四、地下鏟運機系統(tǒng)動態(tài)特性仿真分析4.1仿真工況的設定4.1.1典型工作工況分析地下鏟運機的工作過程主要包括鏟裝、運輸和卸載三個典型工況，每個工況下其運動特點和受力情況各有不同，對設備的性能要求也存在差異。在鏟裝工況下，地下鏟運機首先以一定的速度駛向礦石料堆，此時整機具有向前的行駛速度和牽引力。當接近料堆時，鏟斗下放，斗尖觸地，斗底與地面呈一定傾角。隨后，地下鏟運機借助自身的牽引力，使鏟斗插入礦石料堆。在插入過程中，鏟斗受到礦石的強大阻力，包括水平方向的插入阻力和垂直方向的支撐力。插入阻力是料堆對鏟斗的水平反作用力，其大小與礦石的硬度、粒度分布、堆積密度以及鏟斗的插入速度和角度等因素密切相關(guān)。為了克服插入阻力，地下鏟運機需要提供足夠的牽引力，這就要求其動力系統(tǒng)和行走系統(tǒng)具備良好的性能。隨著鏟斗的插入，轉(zhuǎn)斗油缸開始動作，使鏟斗逐漸轉(zhuǎn)動，鏟取物料。在鏟取過程中，物料對鏟斗產(chǎn)生鏟取阻力和轉(zhuǎn)斗阻力矩。鏟取阻力是鏟斗插入料堆一定深度后，舉升動臂時物料對鏟斗的反作用力；轉(zhuǎn)斗阻力矩則是用轉(zhuǎn)斗油缸使鏟斗向后翻轉(zhuǎn)時，料堆對鏟斗的反作用力矩。這些力和力矩會使工作裝置的各部件承受較大的載荷，對其強度和剛度提出了較高的要求。在整個鏟裝過程中，工作裝置的各鉸點也會受到復雜的力的作用，包括拉力、壓力和剪切力等，這些力的大小和方向會隨著鏟裝動作的進行而不斷變化。當鏟裝完成后，地下鏟運機進入運輸工況。在運輸過程中，地下鏟運機需要將裝滿物料的鏟斗提升到一定高度，以避免鏟斗與地面或其他障礙物碰撞。此時，舉升油缸工作，承受著鏟斗和物料的重力以及因運動產(chǎn)生的慣性力。整機以一定的速度在巷道中行駛，行駛速度的大小會根據(jù)巷道的條件和運輸距離進行調(diào)整。在行駛過程中，地下鏟運機受到多種力的作用，包括重力、地面的支持力、輪胎與地面之間的摩擦力、空氣阻力以及因巷道地面不平而產(chǎn)生的顛簸力等。重力和地面支持力相互平衡，保證了整機的垂直方向的穩(wěn)定性；輪胎與地面之間的摩擦力是車輛行駛的驅(qū)動力，其大小與輪胎的類型、氣壓、地面的粗糙度以及車輛的載重等因素有關(guān)；空氣阻力相對較小，但在高速行駛時也不能忽視；顛簸力則是由于巷道地面的不平整，使車輛在行駛過程中產(chǎn)生上下振動和左右晃動，對車輛的行駛穩(wěn)定性和零部件的壽命產(chǎn)生不利影響。此外，在轉(zhuǎn)彎時，地下鏟運機還會受到離心力的作用，離心力的大小與車輛的行駛速度、轉(zhuǎn)彎半徑等因素有關(guān)。為了保證轉(zhuǎn)彎的平穩(wěn)性，車輛需要具備良好的轉(zhuǎn)向性能和懸掛系統(tǒng)。到達卸載地點后，地下鏟運機進入卸載工況。在卸載時，舉升油缸將鏟斗舉升到合適的卸載高度，轉(zhuǎn)斗油缸動作，使鏟斗向前翻轉(zhuǎn)，將物料卸出。在這個過程中，工作裝置各部件的受力情況與鏟裝和運輸工況有所不同。舉升油缸需要保持一定的力，以維持鏟斗的卸載高度；轉(zhuǎn)斗油缸則需要提供足夠的推力，使鏟斗快速、平穩(wěn)地翻轉(zhuǎn)。物料在卸載過程中對鏟斗產(chǎn)生的沖擊力和摩擦力也會對工作裝置的部件造成一定的載荷。此外，卸載時還需要考慮卸載的準確性和效率，避免物料灑落和卸載不完全的情況發(fā)生。4.1.2仿真參數(shù)的確定為了保證仿真結(jié)果能夠真實反映地下鏟運機的實際工作性能，需要合理確定仿真所需的各項參數(shù)。行駛速度是影響地下鏟運機工作效率和動力學性能的重要參數(shù)之一。在實際工作中，地下鏟運機的行駛速度會根據(jù)不同的工況和巷道條件進行調(diào)整。在鏟裝工況下，為了保證鏟斗能夠順利插入礦石料堆并準確鏟取物料，行駛速度通常較低，一般在1-3m/s之間。在運輸工況下，根據(jù)巷道的坡度、寬度和路況等因素，行駛速度可以在3-10m/s之間變化。對于短距離運輸或巷道條件較好的情況，可以選擇較高的行駛速度，以提高運輸效率；而對于長距離運輸或巷道條件較差的情況，則需要適當降低行駛速度，以保證行駛的安全性和穩(wěn)定性。在卸載工況下，行駛速度通常為零，主要關(guān)注卸載過程中工作裝置的運動和受力情況。鏟斗提升時間直接影響地下鏟運機的工作循環(huán)時間和作業(yè)效率。鏟斗提升時間過短，會導致舉升油缸的工作壓力過大，對油缸和液壓系統(tǒng)造成較大的沖擊，同時也可能影響鏟斗的穩(wěn)定性；鏟斗提升時間過長，則會延長工作循環(huán)時間，降低作業(yè)效率。根據(jù)地下鏟運機的型號和工作裝置的性能參數(shù)，鏟斗提升時間一般在5-15s之間。在實際仿真中，可以根據(jù)具體的研究需求，對鏟斗提升時間進行適當?shù)恼{(diào)整，以分析其對地下鏟運機性能的影響。裝載量是地下鏟運機的一個重要工作參數(shù)，它與地下鏟運機的額定載重量和鏟斗容量密切相關(guān)。額定載重量是保證地下鏟運機作業(yè)時必要的穩(wěn)定性所規(guī)定的載重量，其大小通常根據(jù)地下鏟運機的結(jié)構(gòu)設計、動力性能和作業(yè)要求等因素確定。鏟斗容量則分為幾何斗容和額定斗容，幾何斗容是指鏟斗的理論容積，額定斗容是指在實際工作中，考慮到物料的堆積角和鏟斗的裝滿程度等因素后，鏟斗能夠裝載物料的實際容積。在仿真中，裝載量可以根據(jù)實際工作情況，在額定載重量的一定范圍內(nèi)進行設置，一般為額定載重量的80%-120%。通過設置不同的裝載量，可以研究裝載量對地下鏟運機的動力性能、行駛穩(wěn)定性和工作裝置受力情況的影響。除了上述主要參數(shù)外，還需要確定其他一些相關(guān)參數(shù)，如礦石的物理性質(zhì)（密度、硬度、內(nèi)摩擦角等）、輪胎的力學參數(shù)（剛度、阻尼、摩擦系數(shù)等）、液壓系統(tǒng)的參數(shù)（油泵流量、工作壓力、油缸直徑等）以及巷道的路面條件（平整度、坡度、摩擦系數(shù)等）。這些參數(shù)的準確確定對于保證仿真結(jié)果的真實性和可靠性至關(guān)重要。礦石的物理性質(zhì)會直接影響鏟裝過程中鏟斗所受到的阻力和物料的流動特性；輪胎的力學參數(shù)會影響地下鏟運機的行駛穩(wěn)定性、操控性和振動特性；液壓系統(tǒng)的參數(shù)則決定了工作裝置的運動速度和輸出力；巷道的路面條件會對地下鏟運機的行駛阻力、振動和輪胎磨損等產(chǎn)生重要影響。在確定這些參數(shù)時，可以參考地下鏟運機的設計手冊、相關(guān)的行業(yè)標準和實際的測試數(shù)據(jù)，或者通過實驗和仿真相結(jié)合的方法進行優(yōu)化和驗證。4.2動態(tài)特性仿真結(jié)果分析4.2.1運動學特性分析通過對地下鏟運機在鏟裝、運輸和卸載等典型工況下的多體系統(tǒng)虛擬樣機進行仿真，得到了各部件豐富的運動學參數(shù)，這些參數(shù)為評估其運動性能提供了關(guān)鍵依據(jù)。在鏟裝工況下，鏟斗的位移曲線清晰地展示了其在插入礦石料堆過程中的運動軌跡。隨著鏟運機的前進，鏟斗逐漸插入料堆，其水平位移不斷增加，同時由于料堆的阻力，鏟斗在垂直方向上也會有一定的位移變化。通過對位移曲線的分析，可以確定鏟斗插入的深度和角度是否合理，以確保能夠有效地鏟取物料。鏟斗的速度曲線反映了其在鏟裝過程中的運動速度變化情況。在插入階段，鏟斗的速度逐漸減小，這是因為受到礦石料堆的強大阻力。當鏟斗插入一定深度后，轉(zhuǎn)斗油缸開始動作，鏟斗的轉(zhuǎn)動速度逐漸增大，以實現(xiàn)物料的鏟取。通過分析速度曲線，可以評估鏟斗的鏟裝效率和動作的平穩(wěn)性。加速度曲線則進一步揭示了鏟斗在運動過程中的加速和減速情況。在插入和轉(zhuǎn)斗過程中，鏟斗會產(chǎn)生較大的加速度變化，這些變化會對鏟斗和工作裝置的其他部件產(chǎn)生沖擊。通過對加速度曲線的分析，可以了解沖擊的大小和作用時間，為優(yōu)化工作裝置的結(jié)構(gòu)和控制策略提供參考。工作裝置中各鉸點的運動學參數(shù)也具有重要意義。例如，動臂與鏟斗鉸點的位移、速度和加速度參數(shù)，能夠反映出鏟斗在與動臂連接部位的運動情況。這些參數(shù)對于評估鉸點的受力情況和工作裝置的可靠性至關(guān)重要。如果鉸點的位移過大，可能會導致鉸點松動或損壞；速度和加速度的異常變化則可能會引起較大的沖擊和振動，影響工作裝置的正常運行。通過對各鉸點運動學參數(shù)的分析，可以及時發(fā)現(xiàn)潛在的問題，并采取相應的措施進行改進。在運輸工況下，地下鏟運機整機的位移、速度和加速度參數(shù)反映了其行駛性能。整機的位移曲線展示了其在巷道中的行駛軌跡，速度曲線則顯示了行駛速度的變化情況。在運輸過程中，地下鏟運機需要保持一定的行駛速度，以提高運輸效率。然而，由于巷道條件的復雜性，如路面不平、彎道等，行駛速度可能會受到影響。通過對速度曲線的分析，可以了解地下鏟運機在不同路況下的行駛速度變化規(guī)律，為優(yōu)化行駛路線和駕駛操作提供依據(jù)。加速度曲線則反映了整機在啟動、加速、減速和轉(zhuǎn)彎等過程中的加速度變化情況。過大的加速度變化可能會導致物料的灑落和設備的損壞，因此需要對加速度進行合理的控制。通過對地下鏟運機各部件運動學參數(shù)的深入分析，可以全面評估其運動性能。根據(jù)分析結(jié)果，可以提出針對性的改進措施，如優(yōu)化工作裝置的結(jié)構(gòu)設計，調(diào)整液壓系統(tǒng)的控制參數(shù)，以提高鏟斗的鏟裝效率和工作裝置的穩(wěn)定性；優(yōu)化行駛路線和駕駛操作，以提高地下鏟運機在運輸過程中的行駛性能和安全性。這些改進措施將有助于提升地下鏟運機的整體性能，滿足地下礦山高效、安全開采的需求。4.2.2動力學特性分析在鏟裝工況下，鏟斗在插入礦石料堆時，會受到礦石強大的阻力。根據(jù)仿真結(jié)果，該阻力的大小與礦石的物理性質(zhì)（如硬度、密度、粒度分布等）以及鏟斗的插入速度和角度密切相關(guān)。當?shù)V石硬度較大、粒度不均勻時，鏟斗所受到的阻力會顯著增加。鏟斗插入速度過快或角度不合理，也會導致阻力增大。這種強大的阻力會對鏟斗和工作裝置的其他部件產(chǎn)生較大的作用力，可能導致部件的磨損加劇、疲勞壽命降低。為了減小鏟斗所受到的阻力，可以優(yōu)化鏟斗的結(jié)構(gòu)設計，如改進斗齒的形狀和排列方式，以提高鏟斗的切入性能；合理控制鏟斗的插入速度和角度，使其與礦石料堆的特性相匹配。轉(zhuǎn)斗油缸在工作過程中承受著復雜的作用力。在鏟斗鏟取物料和翻轉(zhuǎn)卸料時，轉(zhuǎn)斗油缸需要提供足夠的推力來克服物料的阻力和自身的摩擦力。仿真結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)斗油缸的受力大小和方向會隨著鏟裝作業(yè)的進行而不斷變化。在鏟取物料時，轉(zhuǎn)斗油缸需要克服物料的鏟取阻力和轉(zhuǎn)斗阻力矩，此時受力較大；在翻轉(zhuǎn)卸料時，轉(zhuǎn)斗油缸需要克服物料的重力和慣性力，受力也較為復雜。過大的受力可能會導致轉(zhuǎn)斗油缸的活塞桿彎曲、密封件損壞等問題。為了保證轉(zhuǎn)斗油缸的正常工作，需要根據(jù)其受力情況合理選擇油缸的型號和參數(shù)，如油缸的直徑、行程、工作壓力等；同時，加強對轉(zhuǎn)斗油缸的維護和保養(yǎng)，定期檢查活塞桿的直線度和密封件的密封性。在運輸工況下，地下鏟運機行駛過程中受到的多種力對其動力學特性有著重要影響。輪胎與地面之間的摩擦力是車輛行駛的驅(qū)動力，其大小與輪胎的類型、氣壓、地面的粗糙度以及車輛的載重等因素有關(guān)。當輪胎氣壓不足、地面粗糙度降低或車輛載重過大時，摩擦力會減小，可能導致車輛行駛不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。為了提高輪胎與地面之間的摩擦力，可以選擇合適的輪胎類型，保持輪胎的正常氣壓；在行駛過程中，合理控制車輛的載重，避免超載?？諝庾枇﹄m然相對較小，但在高速行駛時也不能忽視?？諝庾枇S著車輛行駛速度的增加而增大，消耗車輛的能量，降低行駛效率。為了減小空氣阻力，可以優(yōu)化地下鏟運機的外形設計，使其更加流線型；在實際工作中，根據(jù)巷道條件合理控制行駛速度，避免不必要的高速行駛。巷道地面不平引起的顛簸力會對車輛的行駛穩(wěn)定性和零部件的壽命產(chǎn)生不利影響。顛簸力會使車輛產(chǎn)生上下振動和左右晃動，導致零部件承受額外的動載荷，加速零部件的磨損和疲勞損壞。為了減小顛簸力的影響，可以采用性能良好的懸掛系統(tǒng)，如油氣懸掛、彈簧懸掛等，以提高車輛的減振性能；定期維護和保養(yǎng)懸掛系統(tǒng)，確保其正常工作。通過對地下鏟運機各部件在不同工況下的受力情況進行深入分析，可以全面了解其動力學特性。根據(jù)分析結(jié)果，可以采取相應的措施來優(yōu)化設備的性能，如改進工作裝置的結(jié)構(gòu)設計，合理選擇和調(diào)整液壓系統(tǒng)的參數(shù)，優(yōu)化行駛控制策略等，以提高地下鏟運機的可靠性和使用壽命，滿足地下礦山復雜工況下的作業(yè)需求。4.2.3關(guān)鍵部件的響應分析以工作裝置的搖臂為例，在鏟裝過程中，搖臂與動臂、連桿和鏟斗等部件相互連接并協(xié)同工作，承受著復雜的載荷。通過仿真分析得到的應力云圖，可以清晰地看到搖臂上應力的分布情況。在搖臂與各部件的連接部位，由于力的傳遞和集中效應，應力值相對較高。特別是在鉸點附近，由于承受著較大的彎矩和剪切力，應力集中現(xiàn)象較為明顯。在鏟斗插入礦石料堆和轉(zhuǎn)斗作業(yè)時，搖臂會受到較大的沖擊力和扭矩，導致這些關(guān)鍵部位的應力急劇增加。如果這些部位的應力超過了搖臂材料的許用應力，就可能會出現(xiàn)疲勞裂紋甚至斷裂，影響地下鏟運機的正常工作。為了確保搖臂的安全可靠運行，需要根據(jù)應力分析結(jié)果對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化?？梢栽趹械牟课辉黾蛹訌娊罨蚣雍癜宀?，以提高搖臂的局部強度。通過合理設計搖臂的形狀和尺寸，優(yōu)化力的傳遞路徑，減小應力集中程度。選擇高強度、高韌性的材料也是提高搖臂性能的重要措施。在材料選擇上，應綜合考慮材料的力學性能、加工工藝和成本等因素，確保在滿足強度要求的前提下，降低生產(chǎn)成本。鏟斗在工作過程中直接與礦石接觸，承受著巨大的沖擊力和摩擦力，其應變響應分析對于評估鏟斗的結(jié)構(gòu)完整性和使用壽命至關(guān)重要。在鏟裝作業(yè)時，鏟斗插入礦石料堆，斗齒和斗壁會受到礦石的強烈沖擊和摩擦。仿真結(jié)果顯示，斗齒根部和斗壁與礦石接觸的部位應變較大。這是因為在插入過程中，斗齒需要克服礦石的阻力，承受著較大的剪切力和彎曲力；斗壁則受到礦石的擠壓和摩擦，產(chǎn)生較大的變形。如果這些部位的應變過大，超過了材料的屈服極限，就會導致斗齒折斷、斗壁變形等損壞情況。針對鏟斗的應變響應情況，可以采取一系列改進措施。在斗齒設計方面，可以優(yōu)化斗齒的形狀和材料，提高斗齒的耐磨性和抗沖擊性能。采用高強度合金鋼制造斗齒，并對斗齒進行表面熱處理，增加其硬度和韌性。在斗壁結(jié)構(gòu)設計上，合理增加斗壁的厚度，特別是在應變較大的部位，采用加強結(jié)構(gòu)，如增設加強板或采用雙層斗壁結(jié)構(gòu)，以提高斗壁的抗變形能力。定期對鏟斗進行檢查和維護，及時更換磨損嚴重的斗齒和修復變形的斗壁，也是保證鏟斗正常工作的重要措施。通過對地下鏟運機關(guān)鍵部件（如搖臂、鏟斗等）在工作過程中的應力、應變響應進行深入分析，可以準確了解這些部件的工作狀態(tài)和潛在的安全隱患。根據(jù)分析結(jié)果，采取針對性的優(yōu)化措施和維護策略，能夠有效提高關(guān)鍵部件的可靠性和使用壽命，進而提升地下鏟運機的整體性能和工作效率，滿足地下礦山高效、安全開采的需求。五、基于仿真結(jié)果的參數(shù)優(yōu)化與驗證5.1關(guān)鍵參數(shù)對動態(tài)特性的影響分析5.1.1結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響軸距作為地下鏟運機的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)之一，對其動態(tài)特性有著顯著影響。通過多組仿真實驗，研究不同軸距設置下地下鏟運機的運動學和動力學性能變化情況。當軸距增大時，整機的穩(wěn)定性得到顯著提升。在運輸工況下，行駛過程中的振動幅度明顯減小，這是因為較長的軸距使得車輛的重心分布更加合理，減少了因路面不平而引起的顛簸和晃動。軸距的增大還會影響地下鏟運機的轉(zhuǎn)向性能，由于轉(zhuǎn)向半徑增大，車輛在狹窄巷道中的轉(zhuǎn)彎靈活性降低。相反，當軸距減小時，地下鏟運機的轉(zhuǎn)彎半徑減小，轉(zhuǎn)向靈活性增強，能夠在狹窄的巷道中更加便捷地行駛。但較小的軸距會導致整機的穩(wěn)定性下降，在鏟裝和運輸過程中，容易受到外力的影響而發(fā)生傾斜或晃動，對設備的安全運行和作業(yè)效率產(chǎn)生不利影響。斗容的大小直接決定了地下鏟運機每次裝載物料的量，進而影響其工作效率。通過仿真分析不同斗容對鏟運機性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著斗容的增大，單次鏟裝的物料量增加，在相同的作業(yè)時間內(nèi)能夠完成更多的運輸任務，工作效率得到顯著提高。較大的斗容也會帶來一些問題。斗容增大后，鏟斗在鏟裝物料時所受到的阻力會相應增加，這對工作裝置的結(jié)構(gòu)強度和液壓系統(tǒng)的工作壓力提出了更高的要求。如果工作裝置的結(jié)構(gòu)強度不足，在承受較大的阻力時可能會發(fā)生變形甚至損壞；液壓系統(tǒng)的工作壓力如果無法滿足需求，會導致鏟斗的動作緩慢或無法正常工作。較大的斗容還會使整機的重心升高，在行駛過程中穩(wěn)定性下降，尤其是在轉(zhuǎn)彎和上下坡時，更容易發(fā)生側(cè)翻等安全事故。工作裝置的鉸點位置對其運動特性有著關(guān)鍵影響。不同的鉸點位置會改變工作裝置各桿件之間的運動關(guān)系和受力情況。通過仿真研究鉸點位置的變化對鏟斗運動軌跡和受力的影響，當鉸點位置發(fā)生改變時，鏟斗的運動軌跡會發(fā)生明顯變化。鉸點位置的調(diào)整可能會導致鏟斗在鏟裝和卸載過程中的動作不夠流暢，影響作業(yè)效率。鉸點位置的變化還會影響工作裝置各桿件的受力分布。不合理的鉸點位置會使某些桿件承受過大的應力，從而降低桿件的疲勞壽命，增加設備的維護成本和故障風險。因此，在設計地下鏟運機工作裝置時，需要通過精確的仿真分析，優(yōu)化鉸點位置，以確保工作裝置的運動特性和受力情況滿足實際工作需求。5.1.2控制參數(shù)的影響液壓系統(tǒng)的壓力和流量是影響地下鏟運機工作性能的重要控制參數(shù)。在鏟裝作業(yè)中，液壓系統(tǒng)的壓力直接決定了工作裝置的輸出力。當液壓系統(tǒng)壓力增大時，轉(zhuǎn)斗油缸和舉升油缸能夠提供更大的推力，使鏟斗更容易插入礦石料堆，并且在鏟取和提升物料時更加有力，從而提高鏟裝效率。過高的壓力也會帶來一些負面影響。過高的壓力會使液壓系統(tǒng)的零部件承受更大的載荷，加速零部件的磨損，降低其使用壽命。過高的壓力還可能導致液壓系統(tǒng)的泄漏風險增加，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。因此，在實際工作中，需要根據(jù)礦石的硬度、鏟斗的斗容以及工作裝置的結(jié)構(gòu)強度等因素，合理調(diào)整液壓系統(tǒng)的壓力，以確保既能滿足鏟裝作業(yè)的需求，又能保證液壓系統(tǒng)的正常運行。液壓系統(tǒng)的流量則決定了工作裝置的運動速度。當流量增大時，轉(zhuǎn)斗油缸和舉升油缸的動作速度加快，能夠縮短鏟裝和卸載的時間，提高作業(yè)效率。但流量過大也會導致一些問題。流量過大可能會使工作裝置的運動過于劇烈，產(chǎn)生較大的沖擊和振動，對設備的結(jié)構(gòu)和零部件造成損害。流量過大還會增加液壓系統(tǒng)的能耗，降低系統(tǒng)的效率。因此，在調(diào)整液壓系統(tǒng)流量時，需要綜合考慮作業(yè)效率和設備的穩(wěn)定性、能耗等因素，找到一個合適的平衡點。行駛速度是地下鏟運機在運輸工況中的重要控制參數(shù)，對其運輸效率和穩(wěn)定性有著重要影響。提高行駛速度可以在相同的時間內(nèi)運輸更多的物料，從而提高運輸效率。但行駛速度過高會導致整機的振動加劇，這是因為在高速行駛時，地下鏟運機更容易受到路面不平的影響，產(chǎn)生更大的顛簸和晃動。振動的加劇會使物料在鏟斗內(nèi)發(fā)生晃動，增加物料灑落的風險，同時也會對設備的零部件造成更大的沖擊，降低其使用壽命。行駛速度過高還會影響地下鏟運機的制動性能和轉(zhuǎn)向性能。在高速行駛時，制動距離會明顯增加，如果遇到緊急情況，可能無法及時停車，從而引發(fā)安全事故。高速行駛時的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性也會降低，車輛更容易發(fā)生側(cè)滑和失控。因此，在實際作業(yè)中，需要根據(jù)巷道的條件、路面狀況以及物料的特性等因素，合理控制地下鏟運機的行駛速度，以確保運輸過程的安全和高效。5.2參數(shù)優(yōu)化設計5.2.1優(yōu)化目標與變量的確定以提高地下鏟運機工作效率、降低能耗或增強穩(wěn)定性等為優(yōu)化目標，選取關(guān)鍵參數(shù)為優(yōu)化變量。在實際工作中，工作效率是衡量地下鏟運機性能的重要指標之一，它直接影響到礦山的生產(chǎn)進度和經(jīng)濟效益。通過優(yōu)化設計，提高地下鏟運機的工作效率，可以在相同的時間內(nèi)完成更多的鏟裝、運輸和卸載任務，從而增加礦山的產(chǎn)量。能耗的降低不僅可以減少運營成本，還符合當前節(jié)能減排的發(fā)展趨勢。穩(wěn)定性的增強則可以提高地下鏟運機在復雜工況下的作業(yè)安全性，減少設備故障和事故的發(fā)生?；谏鲜瞿繕耍_定優(yōu)化變量。結(jié)構(gòu)參數(shù)方面，軸距對地下鏟運機的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向性能有著重要影響，合適的軸距可以使車輛在行駛過程中更加平穩(wěn)，同時保證良好的轉(zhuǎn)向靈活性。斗容直接決定了地下鏟運機每次裝載物料的量，進而影響工作效率。工作裝置的鉸點位置則會改變工作裝置各桿件之間的運動關(guān)系和受力情況，對工作裝置的性能產(chǎn)生關(guān)鍵影響。控制參數(shù)方面，液壓系統(tǒng)的壓力和流量直接影響工作裝置的輸出力和運動速度，合理調(diào)整這些參數(shù)可以提高鏟裝和卸載的效率，同時保證液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。行駛速度是影響地下鏟運機運輸效率和穩(wěn)定性的重要參數(shù)，根據(jù)不同的工況和巷道條件，合理控制行駛速度可以在保證安全的前提下提高運輸效率。5.2.2優(yōu)化算法的選擇與應用選擇合適的優(yōu)化算法，如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等，對優(yōu)化變量進行求解，得到最優(yōu)參數(shù)組合。遺傳算法是一種模擬自然選擇和遺傳機制的優(yōu)化算法，它通過對種群中的個體進行選擇、交叉和變異等操作，逐步搜索到最優(yōu)解。在地下鏟運機參數(shù)優(yōu)化中，遺傳算法的應用步驟如下：首先，對優(yōu)化變量進行編碼，將其轉(zhuǎn)化為遺傳算法能夠處理的染色體形式。確定適應度函數(shù)，該函數(shù)用于評價每個個體的優(yōu)劣程度，根據(jù)優(yōu)化目標，如工作效率、能耗或穩(wěn)定性等，設計相應的適應度函數(shù)。接著，初始化種群，隨機生成一定數(shù)量的個體作為初始種群。在每一代中，通過選擇操作，根據(jù)個體的適應度值，從種群中選擇優(yōu)秀的個體進入下一代；通過交叉操作，對選擇的個體進行基因交換，產(chǎn)生新的個體；通過變異操作，以一定的概率對個體的基因進行隨機改變，增加種群的多樣性。不斷重復上述步驟，直到滿足終止條件，如達到最大迭代次數(shù)或適應度值不再改善等，此時得到的最優(yōu)個體對應的參數(shù)即為優(yōu)化后的參數(shù)組合。粒子群優(yōu)化算法是一種基于群體智能的優(yōu)化算法，它模擬鳥群覓食的行為，通過粒子之間的信息共享和相互協(xié)作，尋找最優(yōu)解。在地下鏟運機參數(shù)優(yōu)化中，粒子群優(yōu)化算法的實現(xiàn)過程如下：首先，初始化粒子群，每個粒子代表一組優(yōu)化變量，包括結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)。每個粒子都有一個位置和速度，位置表示變量的值，速度表示粒子在搜索空間中的移動方向和步長。確定適應度函數(shù)，與遺傳算法類似，根據(jù)優(yōu)化目標設計適應度函數(shù)。在每次迭代中，每個粒子根據(jù)自己的歷史最優(yōu)位置和群體的全局最優(yōu)位置來更新自己的速度和位置。通過不斷迭代，粒子逐漸向最優(yōu)解靠近，最終得到最優(yōu)參數(shù)組合。遺傳算法和粒子群優(yōu)化算法各有優(yōu)缺點。遺傳算法具有較強的全局搜索能力，能夠在較大的搜索空間中找到較優(yōu)的解，但計算復雜度較高，收斂速度相對較慢。粒子群優(yōu)化算法則具有收斂速度快、計算簡單等優(yōu)點，但在搜索后期容易陷入局部最優(yōu)解。在實際應用中，可以根據(jù)地下鏟運機參數(shù)優(yōu)化的具體需求和特點，選擇合適的優(yōu)化算法，或者將多種優(yōu)化算法結(jié)合起來使用，以充分發(fā)揮它們的優(yōu)勢，得到更優(yōu)的參數(shù)優(yōu)化結(jié)果。5.3優(yōu)化結(jié)果的驗證5.3.1仿真驗證將優(yōu)化后的軸距、斗容、鉸點位置、液壓系統(tǒng)壓力和流量、行駛速度等參數(shù)代入地下鏟運機多體系統(tǒng)虛擬樣機模型中，再次進行仿真分析。在鏟裝工況下，對比優(yōu)化前后鏟斗的插入阻力和物料鏟取量。優(yōu)化后，由于斗容的合理調(diào)整以及鉸點位置的優(yōu)化，鏟斗的插入阻力明顯減小，物料鏟取量增加，鏟裝效率得到顯著提高。在運輸工況下，觀察優(yōu)化前后整機的振動情況和行駛穩(wěn)定性。優(yōu)化后的軸距和行駛速度參數(shù)使得整機的振動幅度明顯減小，行駛穩(wěn)定性得到增強，有效減少了物料灑落的風險，提高了運輸?shù)陌踩院托?。在卸載工況下，分析優(yōu)化前后工作裝置的運動平穩(wěn)性和卸載時間。優(yōu)化后的液壓系統(tǒng)壓力和流量參數(shù)以及工作裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使得工作裝置的運動更加平穩(wěn)，卸載時間縮短，提高了卸載效率。通過對不同工況下優(yōu)化前后仿真結(jié)果的詳細對比，可以直觀地看出優(yōu)化后的地下鏟運機在各項性能指標上都有了明顯的提升，驗證了優(yōu)化方案的有效性和可行性。這些仿真結(jié)果為地下鏟運機的實際設計和改進提供了有力的依據(jù)，進一步證明了通過多體系統(tǒng)虛擬樣機建模和動態(tài)特性仿真進行參數(shù)優(yōu)化的方法具有重要的工程應用價值。5.3.2實驗驗證在具備條件的情況下，進行