CN104657525A - 推土铲倾斜机构动力学仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种推土铲倾斜机构动力学仿真分析方法。本发明用一个杠杆机构取代传统的推土铲倾斜动力学模型中的左、右提升油缸，使得动力学模型真正实现仅仅依靠倾斜油缸的驱动进行倾斜运动；通过校核提升油缸铰点的位移曲线来校核本方法是否符合运动学要求；通过试验测量或理论计算铰点的作用力大小来校核本方法是否符合力学要求。本发明提供的方法更遵循推土铲的倾斜原理；计算的推土铲倾斜动力学仿真结果更准确。

Description

推土铲倾斜机构动力学仿真方法

技术领域

本发明属于动力学仿真分析方法领域，特别涉及一种推土铲倾斜机构动力学仿真分析方法。

背景技术

推土铲是推土机的主要工作装置，主要用来平整场地、回填基坑、铲除障碍、清除积雪，短距离内铲运和堆积松散物料等作业。复杂多变的工况决定了推土铲能够完成提升、下降、倾斜甚至调角等组合动作。研究推土铲在提升、下降、倾斜、调角等运动过程中的受力变化，是优化推土铲结构、提升产品质量的重要工作。

推土铲动力学模型：利用虚拟样机技术，根据实际推土铲机构，建立的模拟推土铲提升、下降、倾斜等作业过程中运动和受力变化的模型，其运动副主要包括旋转副、球铰副、圆柱副。合格的推土铲动力学模型应该同时满足运动学和力学方面的双重要求。

近年来，虚拟样机技术作为一种产品设计手段得到了迅猛发展。利用虚拟样机软件建立产品的虚拟样机，开展其动力学分析能够辅助甚至替代物理样机，对产品进行设计验证和测试，从而缩短产品开发周期，降低开发成本。对于推土铲而言，其倾斜机构（见图1）较为特殊。推土铲在倾斜时，倾斜油缸进行伸缩，推动刀头转动，实现了倾斜功能。此时，提升油缸的大、小腔油路相通，且处于闭锁位置，相互被迫做反向位移。也就是说，推土铲在倾斜时，仅仅依靠倾斜油缸的主动作用，进行倾斜动作，提升油缸并没有主动的进行升降动作。

鉴于推土铲倾斜机构的特殊性，在开展推土铲倾斜动力学仿真时，如果仅仅在倾斜油缸处施加驱动，即便是空载时，推土铲也会一边做倾斜运动，一边在重力的作用下绕左、右耳轴的连线做钟摆运动，与实际运动严重不符。究其原因，实际的推土铲机构在进行倾斜时，虽然提升油缸没有像倾斜油缸一样去主动的伸缩，但是提升油缸对刀头会有一个拉力，保证了推土铲不会做钟摆运动。并且，由于左右提升油缸的大、小腔分别联通，且结构相同，因此在实际工作过程中，提升油缸对推土铲的作用力是相等的。如果按照推土铲的实际机构及液压作用机理进行倾斜动力学仿真，推土铲就会出现上述的钟摆运动症状。这也就是推土铲倾斜动力学仿真较难开展的主要原因。

为了能够研究推土铲在倾斜过程中的受力变化，学者对推土铲的倾斜动力学仿真进行了一些尝试，通常的做法就是为左、右提升油缸中的一个施加位移驱动，使其位移变化与另外一个提升油缸的位移变化大小相等、方向相反。这种方法的思想是，推土铲倾斜时，要让倾斜油缸和一个提升油缸共同主动工作。其结果是尽管推土铲能够在重力或载荷的环境里实现倾斜运动，且左、右提升油缸位移变化大小相等、方向相反，但是左、右提升油缸的作用力大小相差数倍，甚至作用力的方向也会颠倒；并且推土铲的铰点作用力与试验值或理论值的误差较大。显而易见，这种方法的思想与实际是不符的，其仿真结果也是不准确的。

综上所述，现有技术的缺点是：

（1）进行推土铲的倾斜动力学仿真分析时，需要为提升油缸增加额外的驱动，与实际推土铲的倾斜原理不符；

（2）左、右提升油缸的受力大小相差过大，不遵循实际的提升油缸受力规律；

（3）仿真分析结果不准确，误差较大。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种推土铲倾斜机构动力学仿真方法，使推土铲倾斜机构动力学仿真分析的结果与实际更加吻合。

本发明的技术方案是：

一种推土铲倾斜机构动力学仿真方法，包括以下步骤：

1）根据推土铲倾斜机构，建立其动力学模型，并对该模型进行动力学仿真；所述动力学模型包括左、右提升油缸和刀头。

2）测量左、右提升油缸与刀头铰接点处的位移，得到曲线A；所述左、右提升油缸与刀头铰接点分别设为上铰点a、上铰点b、下铰点c和下铰点d。

3）在步骤1）所述动力学模型的基础上，使用杠杆机构取代左、右提升油缸，再次进行动力学仿真；所述杠杆机构由左、上、右三个杆组成，左、右杆为二力杆，上杆为杠杆；左、右杆取代了左、右提升油缸的位置，左、右杆的铰点与原左、右提升油缸的铰点位置重合，分别为上铰点a、上铰点b、下铰点c和下铰点d。

4）再次测量上铰点a、上铰点b、下铰点c和下铰点d处的位移，得到曲线B。

5）对比曲线A、曲线B是否吻合；如果吻合，则说明步骤3）建立的动力学模型符合了运动学要求，进行步骤6）；如果不吻合，则说明步骤3）建立的动力学模型出现了偏差，没有符合运动学要求，需要进行参数调整，重新进行步骤1）操作。

通常情况下，A曲线和B曲线是吻合的，存在下列问题时，可能导致A曲线和B曲线不吻合：建立的杠杆机构铰点不对称；杠杆机构的运动副建错等。在这种情况下，需要进行参数调整：检查杠杆机构的运动副是否正确，如果不正确，则调整杠杆机构的运动副；检查机构铰点是否对称，如果否，则调整杠杆机构铰点坐标位置。

6）对步骤3）建立的动力学模型进行动力学仿真计算，得到各个铰点处的作用力大小。

7）搭建推土铲倾斜机构的试验测试平台，并对推土铲进行实验测试，得到推土铲铰接点的位移、作用力的实验结果。

8）将步骤6）得到的仿真结果与步骤7）得到的实验结果进行比对，吻合，则说明步骤3）建立的推土铲倾斜动力学模型合格；不吻合，则说明步骤3）中建立的动力学模型与真实模型存在较大误差，进行参数调整，重复步骤3）操作。

上述推土铲倾斜机构动力学仿真方法，其步骤7）还可以是：根据推土铲的力学特征，建立推土铲铰点受力大小的数学模型；根据数学模型确定推土铲铰点某一姿态下的理论受力大小。相应的，步骤8）是：将步骤6）得到的仿真结果与步骤7）得到的理论计算结果进行比对，吻合，则说明步骤3）建立的推土铲倾斜动力学模型合格；不吻合，则说明步骤3）中建立的动力学模型与真实模型存在较大误差，进行参数调整，重复步骤3）操作。

所述步骤1）中建立的动力学模型包括刀头、托架、倾斜油缸、右推杆、左推杆、右斜支撑、斜撑螺杆、左斜支撑和左右提升油缸；其中右推杆和左推杆平行设置，斜撑螺杆和倾斜油缸平行设置，倾斜油缸、右推杆、斜撑螺杆和左推杆分别与刀头铰接，右斜支撑铰接于右推杆上，斜支撑铰接于左推杆上，刀头固定于右斜支撑和左斜支撑支撑的托架上。

所述步骤1）中进行的运动学仿真是在取消重力、载荷的环境下进行的仿真分析，并且仅仅在倾斜油缸处施加了驱动。

所述步骤1）中动力学模型进行动力学仿真的运动副包括：刀头与左右推杆为球铰副，左右推杆与大地为球铰副，左推杆与斜撑螺杆为旋转副，刀头与斜撑螺杆为球铰副，右推杆与倾斜油缸为旋转副，刀头与倾斜油缸为球铰副，左右斜支撑两端均为球铰副，托架与刀头为旋转副，倾斜油缸为圆柱副；

所述步骤3）中杠杆机构的运动副包括：左杆与刀头为球铰副，左杆与上杆为球铰副，右杆与刀头为球铰副，右杆与上杆为球铰副，上杆与大地（ground）为球铰副，并且，上杆与大地球铰副的铰点为上杆的质心（与中心位置重合）。

本发明工作原理是：用一个杠杆机构取代传统的推土铲倾斜动力学模型中的左、右提升油缸，使得动力学模型真正实现仅仅依靠倾斜油缸的驱动进行倾斜运动；通过校核提升油缸铰点的位移曲线来校核本方法是否符合运动学要求；通过试验测量或理论计算铰点的作用力大小来校核本方法是否符合力学要求。

本发明的有益效果在于：与传统分析方法相比，本发明具有以下优点：

（1）用杠杆机构取代传统的推土铲倾斜动力学模型中的左、右提升油缸，使得动力学模型真正实现仅仅依靠倾斜油缸的驱动进行倾斜运动，避免了传统动力学仿真方法中需要在提升油缸处增加驱动的缺点，本发明提供的方法更遵循推土铲的倾斜原理；

（2）利用杠杆机构的特点，取上杆的中心为铰接点，保证左、右杆的受力大小始终相等，位移变化量相等，这与推土铲倾斜过程中，左、右提升油缸受力特点是符合的；

（3）通过理论计算铰点的作用力大小，本发明方法计算的推土铲倾斜动力学仿真结果更准确。

附图说明

图1为现有技术中推土铲倾斜机构的动力学模型结构示意图；

图2为杠杆机构结构示意图；

图3为本发明中推土铲倾斜动力学模型的结构示意图；

图4为本发明流程图；

图5为实施例中上铰点b和下铰点d处的位移曲线A；

图6为实施例中上铰点b和下铰点d处的位移曲线B；

图7为实施例中推土铲偏载工况的受力示意图。

其中：1、刀头，2、托架，3、倾斜油缸，4、右推杆，5、左推杆，6、右斜支撑，7、斜撑螺杆，8、左斜支撑，9、上铰点a，10、上铰点b，11、下铰点c，12、下铰点d；S、球铰副，R、旋转副，C、圆柱副。

具体实施方式

以下结合附图和实施例具体说明本发明。

实施例：

以某型号推土铲为例，利用本发明方法，开展该推土铲倾斜动力学仿真分析；通过校核右提升油缸铰点的位移曲线证明本方法符合运动学要求；通过理论计算水平姿态下提升油缸、左、右耳轴铰点的作用力大小证明本方法符合力学要求。具体实施过程如下：

1）根据推土铲倾斜机构，建立推土铲倾斜动力学模型，并对该模型进行运动学仿真。具体如下：

如图1所示，建立的动力学模型包括刀头1、托架2、倾斜油缸3、右推杆4、左推杆5、右斜支撑6、斜撑螺杆7、左斜支撑8和左右提升油缸；其中右推杆4和左推杆5平行设置，斜撑螺杆7和倾斜油缸3平行设置，倾斜油缸3、右推杆4、斜撑螺杆7和左推杆5分别与刀头铰接，右斜支撑6铰接于右推杆4上，左斜支撑8铰接于左推杆5上，刀头1固定于右斜支撑6和左斜支撑8支撑的托架2上。按照实际的零件材料定义模型材料。

建立的动力学模型，运动副包括：刀头与左右推杆为球铰副，左右推杆与大地为球铰副，左推杆与斜撑螺杆为旋转副，刀头与斜撑螺杆为球铰副，右推杆与倾斜油缸为旋转副，刀头与倾斜油缸为球铰副，左右斜支撑两端均为球铰副，托架与刀头为旋转副，倾斜油缸为圆柱副；为倾斜油缸的圆柱副施加驱动。

在取消重力、载荷的环境下，对步骤1）建立的推土铲倾斜动力学模型进行仿真分析，仿真时间40s。

2）测量右提升油缸与刀头上铰点b10和下铰点d12处的位移，得到曲线A，如图5所示。0～10s铲刀由水平位置倾斜到左极限位置，10～20s铲刀由左极限位置恢复到水平位置，20～30s铲刀由水平位置倾斜到右极限位置，30～40s铲刀由右极限位置恢复到水平位置。

3）在步骤1）建立的推土铲倾斜机构的基础上，使用杠杆机构取代左、右提升油缸，再次进行动力学仿真；所述杠杆机构由左、上、右三个杆组成，左、右杆为二力杆，上杆为杠杆；左、右杆取代了左、右提升油缸的位置，左、右杆的铰点与原左、右提升油缸的铰点位置重合，分别为上铰点a9、上铰点b10、下铰点c11和下铰点d12。具体如下：

根据左、右提升油缸的上、下铰点坐标，在步骤1）建立的模型基础上建立四个点；用左、上、右三个杆将这个四个点一次连接起来，杆的直径为50mm，材料为钢；左、上、右三个杆两两之间的运动副均为球铰副，上杆质心处与大地之间的运动副也为球铰副。

在重力环境下，为左刀角施加一个竖直向下、大小为1×10⁵N的载荷，进行一次动力学仿真分析，仿真分析的时间为40s。

4）重复测量右提升油缸与刀头上铰点b10和下铰点d12处的位移，得到曲线B，如图5所示。

5）对比曲线A和曲线B，曲线A和曲线B几乎完全吻合，在第10s，两条曲线最大差值仅为0.203mm，说明步骤3）建立的动力学模型已经符合了运动学要求；

6）提取动力学仿真分析的结果，测量铰点力的大小。经过测量，在水平姿态的瞬间，左提升油缸铰点力为84504N，右提升油缸铰点力为84384N，左右提升油缸铰点力相差0.14%，合力为168888N；左耳轴垂直分力为-54136N，方向向上；右耳轴垂直分力为75605N，方向向下。

7）为了对步骤6）的仿真分析结果进行验证，对相关铰点力进行理论验证，校核水平姿态下左、右提升油缸，左、右耳轴铰点力的大小与理论值是否吻合；具体如下：

首先，推土铲的工况为偏载，即推土铲左刀角受一个垂直向下、大小为1×10⁵N的载荷作用；推土铲在这一工况下的受力情况如图6所示；

图6中，P_x为载荷水平方向分力大小，P_z为载荷竖直方向分力大小，G_g为推土铲重力，S为提升油缸提升力大小，l₁为左、右刀角距离，l₂为左、右耳轴距离，l₃为耳轴到提升油缸的距离，l₄为刀角与耳轴的距离，l₅为铲刀重心与耳轴的距离，z_c1为左耳轴竖直方向受力大小，z_c2为右耳轴竖直方向受力大小，θ为提升油缸与水平面的夹角。

其次，根据图6，建立的提升油缸提升力、左右耳轴处竖直方向受力大小的数学模型分别如式（1）和式（2）所示：

$S=\frac{G_g{l}_5+P_z{l}_4}{l_3}---\left(1\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{z}_{c1}=S\frac{\sin \mathrm{\θ}}{2}-P_z\left(\frac{l_1+l_2}{2l_2}\right)-\frac{G_g}{2}\\ z_{c2}=S\frac{\sin \mathrm{\θ}}{2}+P_z\left(\frac{l_1-l_2}{2l_2}\right)-\frac{G_g}{2}\end{array}\right.---\left(2\right)$

最后，查阅某型号推土铲的图纸可以得知，图6中，G_g为29948N，l₁为3638mm，l₂为2772mm，l₃为2793mm，l₄为3876mm，l₅为3451mm，θ为61.588°；将这些数据带入公式（1）和公式（2）中计算得到，推土铲在水平姿态下，提升油缸合力S=175778N，左耳轴竖直方向分力z_c1=-53275N，方向向上，右耳轴竖直方向分力z_c2=77944N，方向向下。

8）对比步骤6）得到仿真结果与步骤7）得到的理论计算结果。其中表1为推土机铰点力S、z_c1、z_c2理论值与实测值的对比，从表1可以看出，在水平姿态下，提升油缸铰点处作用力的理论值与实测值的误差相差3.92%，左耳轴垂直分力z_c1理论值与实测值的误差为1.59%，右耳轴垂直分力z_c2的理论值与实测值的误差为3.09%。S、z_c1和z_c2值的误差均小于5%，说明实施例中建立的动力学模型合格。

表1相关铰点受力的对比

Claims (5)

1.一种推土铲倾斜机构动力学仿真方法，包括步骤：

1）根据推土铲倾斜机构，建立其动力学模型，并对该模型进行动力学仿真；

所述动力学模型包括左、右提升油缸和刀头；

2）测量左、右提升油缸与刀头铰接点处的位移，得到曲线A；

所述左、右提升油缸与刀头铰接点分别设为上铰点a、上铰点b、下铰点c和下铰点d；

3）在步骤1）所述动力学模型的基础上，使用杠杆机构取代左、右提升油缸，再次进行动力学仿真；

所述杠杆机构由左、上、右三个杆组成，左、右杆为二力杆，上杆为杠杆；左、右杆取代了左、右提升油缸的位置，左、右杆的铰点与原左、右提升油缸的铰点位置重合，分别为上铰点a、上铰点b、下铰点c和下铰点d；

4）再次测量上铰点a、上铰点b、下铰点c和下铰点d处的位移，得到曲线B；

5）对比曲线A、曲线B是否吻合；吻合，进行步骤6）；不吻合，进行参数调整后，重新进行步骤1）操作；

6）对步骤3）建立的动力学模型进行动力学仿真计算，得到各个铰点处的作用力大小；

7）搭建推土铲倾斜机构的试验测试平台，并对推土铲进行实验测试，得到推土铲铰接点的位移、作用力的实验结果；

8）将步骤6）得到的仿真结果与步骤7）得到的实验结果进行比对，吻合，则说明步骤3）建立的推土铲倾斜机构动力学模型合格；不吻合，则说明步骤3）中建立的动力学模型与真实模型存在误差，进行参数调整，重复步骤3）操作。

2.根据权利要求1所述的推土铲倾斜机构动力学仿真方法，其特征在于：

所述步骤7）是：根据推土铲的力学特征，建立推土铲铰点受力大小的数学模型；根据数学模型确定推土铲铰点某一姿态下的理论受力大小；

步骤8）是：将步骤6）得到的仿真结果与步骤7）得到的理论计算结果进行比对，吻合，则说明步骤3）建立的推土铲倾斜动力学模型合格；不吻合，则说明步骤3）中建立的动力学模型与真实模型存在误差，进行参数调整，重复步骤3）操作。

3.根据权利要求1或2所述的推土铲倾斜机构动力学仿真方法，其特征在于：

所述步骤1）中的动力学模型包括刀头、托架、倾斜油缸、右推杆、左推杆、右斜支撑、斜撑螺杆、左斜支撑和左右提升油缸；其中右推杆和左推杆平行设置，斜撑螺杆和倾斜油缸平行设置，倾斜油缸、右推杆、斜撑螺杆和左推杆分别与刀头铰接，右斜支撑铰接于右推杆上，左斜支撑铰接于左推杆上，刀头固定于右斜支撑和左斜支撑支撑的托架上。

4.根据权利要求1或2所述的推土铲倾斜机构动力学仿真方法，其特征在于：

所述步骤1）中动力学模型进行动力学仿真的运动副包括：刀头与左右推杆为球铰副，左右推杆与大地为球铰副，左推杆与斜撑螺杆为旋转副，刀头与斜撑螺杆为球铰副，右推杆与倾斜油缸为旋转副，刀头与倾斜油缸为球铰副，左右斜支撑两端均为球铰副，托架与刀头为旋转副，倾斜油缸为圆柱副。

5.根据权利要求1或2所述的推土铲倾斜机构动力学仿真方法，其特征在于：

所述步骤3）中杠杆机构的运动副包括：左杆与刀头为球铰副，左杆与上杆为球铰副，右杆与刀头为球铰副，右杆与上杆为球铰副，上杆与大地为球铰副，并且，上杆与大地球铰副的铰点为上杆的质心。