本文探討研究了在COSMOSMotion中的裝載機(jī)工作裝置仿真分析。

　　輪式裝載機(jī)工作裝置是帶有液壓缸的空間多桿機(jī)構(gòu)，工作裝置設(shè)計(jì)水平的高低直接影響裝載機(jī)作業(yè)的性能，進(jìn)而影響整機(jī)工作效率。過去基本沿用類比法進(jìn)行設(shè)計(jì)，工作煩瑣、設(shè)計(jì)精度低、周期長，且不易獲得各項(xiàng)性能指標(biāo)都比較滿意的方案。因此裝載機(jī)的開發(fā)通常需要用物理樣機(jī)來評價(jià)整機(jī)的綜合性能，樣機(jī)只能在開發(fā)后期制造裝配，不能參與產(chǎn)品的早期開發(fā)評價(jià)過程，且物理樣機(jī)生成周期長、成本高、修改困難。本文用SolidWorks軟件建立裝載機(jī)工作裝置的虛擬樣機(jī)模型，用COSMOSMotion軟件對其進(jìn)行仿真分析，有效地避免了物理樣機(jī)開發(fā)模式存在的缺陷，使裝載機(jī)工作裝置的性能評價(jià)可在設(shè)計(jì)過程中完成，在制造之前發(fā)現(xiàn)并更正設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，完善設(shè)計(jì)方案，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

　　1工作裝置的建模與仿真。

　　1.1三維建模

　　裝載機(jī)工作裝置由鏟斗、動臂、搖臂、拉桿、前車架、轉(zhuǎn)斗油缸缸筒、轉(zhuǎn)斗油缸活塞桿、舉升油缸缸筒、舉升油缸活塞桿等構(gòu)件組成。以某ZL20裝載機(jī)為例，采用SolidWorks軟件對裝載機(jī)工作裝置組成零件進(jìn)行三維建模，然后以前車架為基礎(chǔ)進(jìn)行虛擬樣機(jī)模型裝配。在鏟斗和動臂、鏟斗與拉桿、拉桿與下?lián)u臂、上搖臂與轉(zhuǎn)斗油缸活塞桿、轉(zhuǎn)斗油缸缸筒與前車架、舉升油缸活塞桿與動臂、舉升油缸缸筒與前車架以及動臂與前車架之間施加轉(zhuǎn)動副約束;在轉(zhuǎn)斗油缸缸筒與轉(zhuǎn)斗油缸活塞桿、舉升油缸缸筒和舉升油缸活塞桿之間施加移動副約束;車輪與地面的移動用移動副模擬。裝載機(jī)工作裝置二維裝配及運(yùn)動仿真模型見圖1。

　　1.2仿真平臺

　　采用COSMOSMotion軟件為裝載機(jī)工作裝置的仿真研究平臺。COSMOSMotion是與Solidworks軟件無縫集成的全功能運(yùn)動仿真軟件，可以對復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行完整的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真。COSMOSMotion軟件支持多種約束，包括轉(zhuǎn)動副、移動副、圓柱副、球面副、萬向節(jié)、螺紋副、平面副和固定約束，支持共點(diǎn)、共線、共面、平動、平行軸、垂直等虛約束。COSMOSMotion可分別按位移、速度或加速度定義各種運(yùn)動，包括定值、步進(jìn)、諧波、樣條曲線和函數(shù)等運(yùn)動。用COSMOSMotion可以建立各種復(fù)雜的實(shí)際系統(tǒng)的精確運(yùn)動仿真模型，對運(yùn)動仿真的結(jié)果，可以通過多種方式來研究，滿足用戶對運(yùn)動仿真分析的各種需求。

　　1.3仿真工況

　　根據(jù)ZL20裝載機(jī)的實(shí)際工作情況設(shè)定工作裝置仿真時(shí)間為17s，開始鏟斗沿料堆底部插人時(shí)間3s;上翻轉(zhuǎn)裝滿鏟斗時(shí)間2s;動臂液壓缸運(yùn)動舉伸動臂的時(shí)間6s;轉(zhuǎn)斗油缸反向運(yùn)動卸載時(shí)間2s;工作裝置返回時(shí)間4s。

　　1.3.1添加約束

　　將在Solidworks中創(chuàng)建的ZL20裝載機(jī)工作裝置按照部件間的運(yùn)動關(guān)系添加約束，各構(gòu)件間除活塞桿與缸筒、車輪與地面添加移動副外，其他構(gòu)件間添加轉(zhuǎn)動副。

　　1.3.2施加運(yùn)動

　　模擬裝載機(jī)采用一次單獨(dú)鏟掘法工作。裝載機(jī)用1擋直線前進(jìn)，行駛速度一般在2.5~4.0km/h內(nèi);鏟斗斗刃沿料堆底部插人.插人深度約為斗底長度時(shí)，裝載機(jī)停止前進(jìn);然后轉(zhuǎn)斗油缸運(yùn)動向上翻轉(zhuǎn)鏟斗;翻轉(zhuǎn)鏟斗到位后，動臂液壓缸運(yùn)動舉伸動臂;舉伸動臂到位后，轉(zhuǎn)斗油缸反向運(yùn)動使鏟斗卸載;最后工作裝置返回。采用COSMOSMotion內(nèi)嵌MSC.ADAMS系統(tǒng)提供的階躍函數(shù)STEP(TIME,t1,x1,t2,x2)來完成運(yùn)動副驅(qū)動的設(shè)定。

　　車輪與地面移動副的運(yùn)動函數(shù)為:STEP(TIME,0,0,3,300)

　　轉(zhuǎn)斗液壓缸的運(yùn)動函數(shù)為:

　　動臂液壓缸的運(yùn)動函數(shù):

　　1.3.3施加載荷

　　采用一次單獨(dú)鏟掘法工作時(shí)，鏟斗插入和鏟裝是順序進(jìn)行的，工作裝置所受的外載荷有插人阻力Fin，鏟取阻力Fsh，物料重力Fg，插人阻力和鏟取阻力依次達(dá)到最大值，物料重力不發(fā)生變化。工作裝置所受的外載荷為:

　　函數(shù)圖像如圖2所示

　　2工作裝置的仿真分析

　　設(shè)定好初始條件后，運(yùn)行仿真，對仿真的結(jié)果進(jìn)行分析如下。

　　2.1鏟斗平動

　　圖3為工作裝置鏟掘、舉升、降落時(shí)鏟斗擺動角變化規(guī)律。為了避免物料散落，要求當(dāng)轉(zhuǎn)斗油缸閉鎖，動臂油缸使動臂舉升時(shí)，連桿機(jī)構(gòu)能使鏟斗接近平動，其擺動角≤15°。圖中在5~11s動臂舉升這段曲線匕鏟斗仁翻角在-20.5°~-1.5°范圍變化。在5-6.5s范圍內(nèi)擺動角不滿足要求，其它時(shí)間段擺動角均滿足要求。說明動臂在舉升開始時(shí)，鏟斗的運(yùn)動不是平動，裝載的物料有散落，其它過程中鏟斗基本保持水平。因此可以對工作裝置6桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，以滿足鏟斗平動性要求。

　　2.2工作裝置傳動角

　　圖4為工作裝置在作業(yè)過程中連桿與鏟斗傳動角、動臂油缸對動臂傳動角、轉(zhuǎn)斗油缸對搖臂傳動角、搖臂對連桿傳動角的變化曲線，圖中可以看出它們對應(yīng)的最小傳動角分別為22.3°(5s),25.50(11~13s),42.7°(13s)和23.4°(13s)，都符合傳動角大于10°的要求除連桿與鏟斗傳動角外，其它最小傳動角的發(fā)生位置均在卸載結(jié)束后。說明該裝載機(jī)工作裝置動力設(shè)計(jì)是合理的，滿足設(shè)計(jì)的要求。

　　2.3油缸受力

　　圖5為轉(zhuǎn)斗油缸活塞桿和動臂油缸活塞桿在作業(yè)過程中的受力變化。可以看出在1~3s鏟斗插入料堆時(shí)，轉(zhuǎn)斗油缸和動臂油缸受力變化趨勢基本一致，隨著鏟斗鏟掘深度的增加而增加，此時(shí)轉(zhuǎn)斗油缸和動臂油缸的閉鎖力分別為2340N和6728N;鏟斗插人料堆完成后，鏟斗翻轉(zhuǎn)，在3s時(shí)達(dá)到了最大值，此時(shí)轉(zhuǎn)斗油缸的主動力為11270N，動臂油缸的閉鎖力12074N，鏟掘完成后作用力迅速下降;在5~11s動臂重載舉升過程中，作用力基本平穩(wěn)，最大舉升力為3292N;在鏟斗翻轉(zhuǎn)卸載時(shí)，轉(zhuǎn)斗油缸作用力出現(xiàn)了突變點(diǎn)，卸載完后，作用力下降。

　　通過上述仿真分析，完成了裝載機(jī)工作裝置的性能評價(jià)。根據(jù)仿真的數(shù)據(jù)變化以及模型的運(yùn)動，了解所設(shè)計(jì)ZL20裝載機(jī)工作裝置的綜合性能，其結(jié)果可以用來修改完善設(shè)計(jì)方案，使設(shè)計(jì)的裝載機(jī)工作裝置性能得到提高，所使用的仿真方法對裝載機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。