一种新型液压反铲装置的优化设计与仿真研究

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摘要：围绕液压反铲装置的设计和仿真研究展开，从反铲装置的动臂及斗杆的结构形式、动臂液压缸和斗杆液压缸的布置、铲斗与铲斗液压缸的连接方式着手，设计出一种大挖掘力、大角度、新型液压反铲装置，并通过PRO/E和ADAMS对机构进行具体分析，进一步探索了反铲装置的工作性能。

关键词：反铲装置PROE建模ADMAS仿真

中图分类号：TH13文献标识码：A文章编号：1007-3973（2012）004-070-02

1 反铲装置背景介绍

液压挖掘机是一种重要的工程机械，广泛应用于房屋建筑、筑路工程、水利建设、农林开发、港口建设、国防工事等的土石方施工和矿山采掘工业中，对减轻繁重的体力劳动、保证工程质量、加快建设速度、提高劳动生产率起着十分巨大的作用。

国产液压挖掘机的生产当前仍处于仿制阶段，缺乏自主开发能力。

液压挖掘机的反铲装置是中小型液压挖掘机最主要的工作装置，对其进行设计计算具有很重要的现实意义。

2反铲装置初步设计

2.1 动臂及斗杆结构形式的确定

反铲动臂可分为整体式和组合式两类。整体式动臂有直动臂和弯动臂两种。直动臂构造简单、轻巧、布置紧凑，主要用于悬挂式挖掘机，采用整体式弯动臂有利于得到较大的挖掘深度。整体式动臂结构简单、价廉，刚度相同时结构重量较组合式动臂轻。组合式动臂一般都为弯臂形式。其组合方式有两类，一类用辅助连杆（或液压缸）连接，另一类用螺栓连接。连杆或液压缸铰接方案，其上、下动臂之间夹角可以借助辅助连杆或液压缸调节。

组合式动臂与整体式动臂相比各有优缺点，它们分别适用于不同的作业条件。组合式动臂的主要优点是：

(1)工作尺寸和挖掘力可以根据作业条件的变化进行调整。当采用螺栓或连杆连时调整时间只需十几分钟，采用液压缸连接时可以随时进行无级调节。

(2)较合理地满足各种类型作业装置的参数和结构要求，从而较简单地解决主要构件的统一化问题。因此其替换工作装置较多，替换也方便。一般情况下，下动臂可以适应各种作业装置要求，不需拆换。

(3)装车运输比较方便。

由于上述优点，组合式动臀结构虽比整体式动臂复杂，但得到了较广泛的应用，尤其以中小型通用液压挖掘机作业条件多变时采用组合式动臀较为合适。

斗杆也有整体式和组合式两种，大多数挖掘机都采用整体式斗杆，当需要调节斗杆长度或杠杆比时采用更换斗杆的办法，或者在斗杆上设置2-4个可供调节时选择的与动臂端部铰接的孔。有些反铲采用组合式斗杆把加长杆拆去即成短斗秆。

2.2动臂液压缸和斗杆液压缸的布置

动臂液压缸的连接，一般有两种布置方案。第一种，动臂液压缸装于动臂的前下方。动臂下支承点(即与转台的铰点)可以设在转台回转中心之前，并稍高于转台平面。它也可以设在转台回转中心之后，以改善转台的受力情况，但使用反铲作业装置时动臂支点靠后布置会影响挖掘深度。大部分中小型液压挖掘机以反铲作业为主，因此都采用动臂支点靠前布置的方案。

第二种方案，动臂液压缸装于动臂的上方或后方，有的称之谓“悬挂式液压缸”。这个方案的特点是动臂下降幅度较大，在挖掘时，尤其在挖探较大时动臂液压缸往往处于受压状态，闭锁能力较强。

为了统一缸径和保证液压缸的闭锁能力，双动臂液压缸的方案采用渐多。有些悬挂式动臂液压缸布置时考虑到不破坏动臂箱形截面，且不与斗杆液压缸碰撞，也采用双缸。斗杆液压缸一般只用一个，大型反铲一般只用一个，大型反铲有的动臀和斗杆液压缸均用双缸。

2.3铲斗与铲斗液压缸的连接方式

铲斗与铲斗液压缸的连接有三种型式，其区别主要在于液压缸活塞杆端部与铲斗的连接方式不同。第一种为直接连接，铲斗、斗杆与铲斗液压缸组成四连杆机构。第二种为铲斗液压缸通过摇杆l和连杆2与铲斗相连，它们与斗杆一起组成六连机构。第三种与第二种差不多，但铲斗摆角位置向顺时针方向转动了一个角度。六连杆方式与四连杆方式相比在同样的液压随行程下能得到较大的铲斗转角，改善了机构的传动特性。

3机构模型的建立

4通过ADAMS进行运动分析

通过将PRO/E中已经建好的模型导入ADMAS中，我们可以对机构的运动进行进一步详细的仿真和分析，进而获取更多的信息。

从图2可以看出，机构自由度随预定运动的变化而变化，静止时为0，最多可达到4。

4.2 力学分析

通过设定铲斗尖的阻力，反过来测量工作过程中驱动气缸的作用力。

开始挖掘状态：由图3可知，在阻力均为500N的情况下，气缸的驱动力在100N-200N之间。同样，依此进行分析可知挖掘进行到一半时在500N的阻力下，气缸的驱动力不到300N，在提升过程中500N的阻力下，气缸的驱动力不到120N。

5总结

论文是围绕液压反铲装置的设计和仿真研究展开的，并借助PRO/E、ADMAS等工具设计了该装置的整套方案和完整的虚拟样机模型。本文的主要总结如下：(1)通过各个部件的综合分析和方案的优选，运用软件知识对方案进行了具体设计与优化；(2)利用三维造型软件PRO/E，针对压缩装置的特点和其运动关系，建造出完整的运动模型，获得了运动学仿真结果；(3)为了减少工作量和误差，直接将PRO/E 中的模型图导入ADMAS 中，为以后的数据分析提供了一种新方法。

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