大型正鏟液壓挖掘機(jī)的工作裝置是由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、動(dòng)臂、斗桿、鏟斗等多個(gè)構(gòu)件組成的串聯(lián)開鏈機(jī)構(gòu)，具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、操作方便、運(yùn)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，得到越來越廣泛的應(yīng)用。大型正鏟液壓挖掘機(jī)過去基本沿用類比作圖法進(jìn)行設(shè)計(jì)，工作煩瑣、設(shè)計(jì)精度低、周期長(zhǎng)，且不易獲得各項(xiàng)性能指標(biāo)都比較滿意的方案，因此正鏟液壓挖掘機(jī)的開發(fā)通常需要用物理樣機(jī)來評(píng)價(jià)整機(jī)的綜合性能，生成周期長(zhǎng)、成本高、修改困難。目前，已有不少企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)對(duì)反鏟挖掘機(jī)的工作裝置進(jìn)行了虛擬樣機(jī)研究，但對(duì)大型正鏟礦用液壓挖掘機(jī)的研究很少。
　　本文用PRO/E軟件建立了正鏟液壓挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)模型，用ADAMS軟件對(duì)工作裝置進(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，使產(chǎn)品的開發(fā)周期縮短，設(shè)計(jì)質(zhì)量得到提高。通過對(duì)制造的物理樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比分析了試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，說明該方法可滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)為正鏟液壓挖掘機(jī)物理樣機(jī)的制造和新機(jī)型設(shè)計(jì)方案的評(píng)估提供了有效的參考數(shù)據(jù)。
　　1、虛擬樣機(jī)模型的建立與仿真
　　1.1 正鏟挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)模型的建立
　　正鏟液壓挖掘機(jī)是由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、動(dòng)臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸、開斗油缸、底盤等構(gòu)件組成。以CE750正鏟液壓挖掘機(jī)為例，采用PRO/E軟件對(duì)正鏟液壓挖掘機(jī)組成零件進(jìn)行三維建模，然后以底盤為基礎(chǔ)進(jìn)行虛擬樣機(jī)模型裝配。正鏟液壓挖掘機(jī)二維裝配及運(yùn)動(dòng)仿真模型見圖1。

圖1：挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)模型

　　1.2模型轉(zhuǎn)化
　　利用MSC公司開發(fā)的與PRO/E軟件的專用接口MECH/PRO，將在PRO/E建立的整機(jī)模型導(dǎo)入仿真軟件ADAMS中。導(dǎo)入ADAMS中的液壓挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)需要重新給各個(gè)零件施加約束，結(jié)合實(shí)際在開斗油缸、鏟斗油缸、斗桿油缸和動(dòng)臂油缸上共定義了4個(gè)移動(dòng)副，在回轉(zhuǎn)底座與行走機(jī)構(gòu)之間定義了1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，在其他剛體各鉸接點(diǎn)位置分別定義了4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副、4個(gè)圓柱副、4個(gè)球形副和2個(gè)固定副。
　　1.3添加驅(qū)動(dòng)
　　在油缸缸筒和油缸活塞桿之間直接添加移動(dòng)驅(qū)動(dòng)。由于4組油缸的對(duì)稱性，故將油缸的驅(qū)動(dòng)定義在中性面上，共計(jì)施加4個(gè)移動(dòng)驅(qū)動(dòng)；在回轉(zhuǎn)平臺(tái)與行走機(jī)構(gòu)之問的轉(zhuǎn)動(dòng)副上施加1個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。經(jīng)過樣機(jī)模型校核，機(jī)構(gòu)的自由度為5，沒有冗余約束，樣機(jī)正確。建立的虛擬樣機(jī)模型和樣機(jī)檢驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。
　　2、仿真分析
　　2.1運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真
　　從正鏟液壓挖掘機(jī)的2個(gè)典型工況加以說明。
　　2.1.1挖掘范圍的仿真
　　將開、斗油缸鎖定，然后把動(dòng)臂、斗桿、鏟斗3組油缸從全縮狀態(tài)運(yùn)動(dòng)到全伸狀態(tài)，從而得到挖掘機(jī)的挖掘范圍包絡(luò)圖。選取斗齒尖一maker點(diǎn)，追蹤其運(yùn)動(dòng)軌跡，運(yùn)行仿真后得到的挖掘機(jī)的挖掘軌跡包絡(luò)圖如圖2所示，測(cè)量該點(diǎn)X方向和Y方向的位移，進(jìn)入ADAMS的后處理界面，依據(jù)定義可以得到挖掘機(jī)的幾個(gè)主要作業(yè)尺寸。斗齒尖某點(diǎn)的X方向和Y方向位移圖如圖3所示，其中實(shí)線表示X方向位移曲線變化圖，虛線表示Y方向位移曲線變化圖。各作業(yè)尺寸的具體數(shù)值見表1。

圖2：挖掘軌跡包絡(luò)圖

表1：工作裝置主要作業(yè)范圍參數(shù)

圖3：斗齒尖某點(diǎn)的X方向和Y方向位移圖

　　分析表中數(shù)據(jù)可以看出，正鏟液壓挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)模型仿真數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)值基本相等，說明建立的模型和仿真方法是正確的。
　　2.1.2工作裝置水平推壓仿真
　　本文所研究的正鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置屬于挖掘裝載裝置，與普通正鏟的主要區(qū)別在于它以實(shí)現(xiàn)水平直線挖掘?yàn)橹?。所謂水平直線挖掘軌跡，一是要求鏟斗斗齒在挖掘過程中能沿水平地面作直線運(yùn)動(dòng)，二是要求斗的切削角(或者斗底對(duì)地面的夾角ａ)保持不變。本文所研究的液壓挖掘機(jī)采用水平推壓技術(shù)，可使鏟斗在停機(jī)面上作水平直線運(yùn)動(dòng)。它把鏟斗缸直接鉸接在動(dòng)臂端部，使斗桿、鏟斗缸、動(dòng)臂上端部、底卸斗等4部分組成一個(gè)近似平行四邊形機(jī)構(gòu)，另外通過液壓回路的控制，可使動(dòng)臂和鏟斗在斗桿推壓時(shí)實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)水平直線作業(yè)。
　　鑒于水平推壓過程是該類型挖掘機(jī)的主要挖掘工況之一，本文對(duì)該過程進(jìn)行了虛擬樣機(jī)的動(dòng)態(tài)仿真。
　　選取斗齒尖一標(biāo)記點(diǎn)maker-122，測(cè)量其Y方向的位移，如圖4所示，可以看出在整個(gè)推壓過程中其Y坐標(biāo)值基本保持不變，說明所設(shè)計(jì)的正鏟液壓挖掘機(jī)能較好完成整個(gè)水平推壓運(yùn)動(dòng)過程。

圖4：斗齒maker-122標(biāo)記點(diǎn)Y方向的位移圖

　　2.2動(dòng)力學(xué)仿真
　　正鏟液壓挖掘機(jī)的發(fā)展較晚，相關(guān)理論的研究也很少，且由于其挖掘過程的復(fù)雜性，造成對(duì)挖掘阻力直接分析非常困難。目前國(guó)內(nèi)外還沒有關(guān)于礦用正鏟液壓挖掘機(jī)挖掘阻力的經(jīng)驗(yàn)公式可循，因此正鏟液壓挖掘機(jī)的動(dòng)力學(xué)仿真，不能像反鏟那樣依據(jù)有關(guān)理論公式計(jì)算出的挖掘阻力值，在仿真時(shí)作為已知載倚添加以實(shí)現(xiàn)整個(gè)仿真過程。本文將某70t級(jí)礦用正鏟液壓挖掘機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所得到的挖掘阻力值，作為仿真的已知載荷，完成挖掘機(jī)的動(dòng)力學(xué)仿真。
　　2.2.1挖掘阻力的獲取
　　在工地現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用同步測(cè)試法對(duì)某70t級(jí)礦用正鏟液壓挖掘機(jī)正常挖掘過程進(jìn)行了測(cè)試。令Ө1、Ө2、Ө3分別表示動(dòng)臂、斗桿及鏟斗相對(duì)于上一級(jí)構(gòu)件(即轉(zhuǎn)臺(tái)、動(dòng)臂、斗桿)的轉(zhuǎn)角，測(cè)試時(shí)用3個(gè)HY65-D型角位移傳感器采集Ө1、Ө2、Ө3，通過RS232/RS485接口轉(zhuǎn)換器將測(cè)試角度值輸?shù)接?jì)算