基于ADAMS的轮式装载机工作装置动态载荷分析
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【摘 要】以反转六连杆轮式装载机ZL50G为样机，运用ADAMS软件建立样机的三维实体模型，对轮式装载机的工作装置进行动态载荷分析，为轮式装载机工作装置的研究提供一种可靠的方法。分析结果为轮式装载机工作装置的设计与优化提供了理论依据。
【Abstract】 By taking the ZL50G wheel loader with reverse six-connecting-rod as a prototype, a 3D physical model was established, and the dynamic load analysis of working device of wheel loader was conducted, provid-ing a reliable method for the research. The results obtained from the analysis provide theoretical basis for the de-sign and optimization of working device of wheel loader.
【关键词】轮式装载机；工作装置；动态载荷；建模
【Key words】wheel loader; working device; dynamic load; modelling
中图分类号：U415.51 文献标志码：B 文章编号：1000-033X(2012)0４-0086-03
0 引言
轮式装载机是一种典型的以装运散料为主的工程机械。由于工作环境多变、工作状况复杂，要求轮式装载机必须具备良好的适应性与工作可靠性，这就对其工作装置的设计提出了更高的要求。在作业过程中，由于偏载等工况的存在，使得装载机各机构的载荷变化更为复杂。本文从运动学、动力学的角度系统地对装载机工作装置，特别是作业过程中的动态载荷变化进行深入研究，以图为轮式装载机的整机设计提供一定的指导和帮助［1］。
1 ZL50G轮式装载机建模
1.1 主要特点及参数指标
本文以某重型机械厂生产的ZL50G型轮式装载机为样本，运用CAE技术进行实体建模。ZL50G型轮式装载机是目前国内运用最为广泛、最具代表性的典型产品之一，主要用于物料的装卸，还可以用于推土、牵引、铲掘等场合，具有多用途、高效能的特点。
ZL50G型轮式装载机采用“Z”形反转六连杆工作机构，具有作业效率较高、铲掘力较大、工作性能更稳定的特点；同时，结合国内外先进技术，对工作装置、液压系统等关键部件进行改进设计，有效地提高了整机的工作性能。该机型的主要参数指标见表1。
由于轮式装载机零部件众多，结构复杂，因此其三维实体模型的创建过程非常繁冗。而任一结构都是经过简单特征的叠加、相交或者切割而形成的。用ADAMS创建三维实体模型的流程如图1所示［2］。
ZL50G型轮式装载机工作装置的组成部件有：动臂、摇臂、铲斗、拉杆、动臂油缸、前车架。各主要构件的尺寸参数见表2。
在ADAMS环境中完成的铲斗、动臂结构模型如图2、3所示。
将完成的各构件的模型通过一定的方式装配在一起，如将动臂和前车架“连接”、动臂与铲斗“连接”、动臂与摇臂“销轴”约束，通过这样的方式装配得到ZL50G轮式装载机工作装置的整体模型，见图4。
2 作业工况载荷分析
轮式装载机在作业过程中的典型工况有地面铲掘工况（图5）、下限收斗工况、重载运输工况、上限举升工况、上限卸料工况和自动放平工况［3］。
以铲掘工况为例，装载机在作业过程中所受的力有水平力R、重直力R、液压力N、转斗油缸作用力P、插入阻力F、铲起阻力F、转斗阻力P。
3 仿真分析
3.1 装载机作业行程时间分析
通常情况下，ZL50G一个作业循环的时间为18 s，铲斗举升时间为6 s，铲斗翻转时间为1.5 s，铲斗自动放平时间为3.5 s，即三项和时间为11 s。
3.2 外载荷的施加
在ADAMS环境中，定义了各构件的材料属性，系统将自动添加构件的质量、转动惯量、质心等，并在仿真环境中添加整个系统的重力。以铲掘工况为例，假设装载机按顺序进行作业（即不考虑联合铲装的情形），则装载机在作业工程中根据作业进程，依次受到的力有插入阻力、铲掘阻力和物料的重力。根据所装卸的物料不同，可以计算得出不同物料在额定容量下的各种阻力，然后在铲斗的边缘添加插入阻力、铲掘阻力等，在铲斗的中心添加物料的重力等［4］。
3.3.1 油缸的运动规律
除重载运输以外，装载机的作业过程都是在动臂油缸和铲斗油缸的联合工作下完成的［5-6］。假设地面铲装时间为3 s，根据三项和时间，可以设置在一个作业循环中油缸运动时间为：step1（ｔｉｍｅ，０，０，５，８４８），ｓｔｅｐ２（ｔｉｍｅ，５，
０，１１，－３０１），ｓｔｅｐ３（ｔｉｍｅ，１１，０，１３，－７２），ｓｔｅｐ４（ｔｉｍｅ，１３，０，１４．５，－７７６），ｓｔｅｐ５（ｔｉｍｅ，１４．５，０，１８，３５３），其中step1、step3、step4为动臂油缸的作业时间，step2、step5为铲斗油缸的作业时间。
3.3.2 平移、卸料及自动放平分析
将建立好的模型，在ADAMS环境中进行一个作业循环1 000步长的仿真分析，结果如图6所示。
装载机的平移、卸料、自动放平通常用铲斗底面与水平面的夹角∠CD的变化进行评价。从图6中可以看出，初始铲装物料时铲斗底部与水平面成6°夹角，0～1.5 s为物料的铲装时间，1.5～5 s为物料的装载过程，5～11 s为装载机重载运输的过程，11～13 s为装载机卸料的过程。其中，在第10 s时装载机铲斗转角约为45°，装载机卸料时间为13～14.5 s，最大收斗角约为62°，最高位置卸载角为44°，地面收斗角为48°。
3.3.3 铰接点受力分析
分别对各铰点的受力进行测量，得到图7～11。从图中可以看出，随着铲斗不断铲入物料，负载逐渐增大，在转斗油缸开始掘起物料时，各铰点所受的载荷出现峰值，此情形与装载机工作装置外载荷出现峰值保持一致。
4 结语
轮式装载机的作业工况复杂多变，作业过程中动态载荷也需要变化，才能真正体现装载机的作业特性。本文系统地对ZL50G轮式装载机进行实体建模，并运用ADAMS进行平移、卸料、自动放平分析，同时对各主要铰点进行受力分析，不仅为轮式装载机的优化设计奠定了基础，而且发现，运用虚拟样机技术软件ADAMS对ZL50G装载机工作装置进行分析，具有操作简单、建模速度快、实体模型直观、输出结果形象、仿真分析效果明显的特点。
参考文献：
［1］ 王国彪，杨力夫.装载机工作装置优化设计［M］.北京: 机械工业出版社，1996.
［2］ 李增刚. ADAMS入门详解与实例［M］.北京:国防工业出版社，2006.
［3］ 曾庆强，秦四成，赵腾云，等.装载机铲斗铲掘过程受力分析［J］.工程机械，2011，42（1）:18-21.
［4］ 范文杰，张子达，文 广.挖掘装载机装载工作装置动力分析［J］.建筑机械，2005（5）: 70-71.
［5］ 钟丽萍.基于有限元分析的装载机铲斗结构优化［J］.中国工程机械学报，2011，9（1）:68-73.
［6］ 周林松.装载机工作装置动态模拟及其应用［J］.工程机械，2002，33（10）: 16-18.
收稿日期：2011-07-07