本發(fā)明屬于挖掘機(jī)工作裝置技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種研究挖掘機(jī)工作裝置應(yīng)力特性的三維圖譜法。

背景技術(shù)：

工作裝置是液壓挖掘機(jī)執(zhí)行部件，對整個(gè)液壓挖掘機(jī)的性能有著重要的影響。因此，國內(nèi)外學(xué)者對液壓挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行了大量的研究。

通過總結(jié)已有研究可知，目前針對反復(fù)處理大量有限元分析時(shí)，大多數(shù)不能實(shí)現(xiàn)工作裝置自動(dòng)規(guī)則六面體網(wǎng)格劃分；也有文獻(xiàn)僅對工作裝置單個(gè)部件進(jìn)行研究，忽略了工作裝置的整體性、協(xié)同性，增大了分析誤差；傳統(tǒng)分級和二維圖譜在面對圖1所示一個(gè)斗齒尖位置對應(yīng)無窮姿態(tài)時(shí)，不能全面分析。此外，在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)大部分結(jié)構(gòu)分析都建立在危險(xiǎn)工況之上，然而目前對危險(xiǎn)工況卻鮮有研究，大多數(shù)文獻(xiàn)直接采用經(jīng)典工況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種一種研究挖掘機(jī)工作裝置應(yīng)力特性的三維圖譜法，簡稱mbrs-3d法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種研究挖掘機(jī)工作裝置應(yīng)力特性的三維圖譜法，包括以下步驟：

s1、測得挖掘機(jī)油缸的實(shí)時(shí)油壓數(shù)據(jù)和動(dòng)臂、斗桿和鏟斗的相對轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)；

s2、通過編制matlab程序反求出挖掘阻力模型中各個(gè)簡化力，即挖掘阻力切向分力ft、挖掘阻力法向分力fn、阻力矩tr；

s3、按式(1)和式(2)計(jì)算出挖掘阻力系數(shù)ε和阻力矩系數(shù)σ的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，得到ε和σ的最大概率值；

ε＝fn/ft(1)

σ＝tr/ft(2)；

s4、從系統(tǒng)集成角度對工作裝置進(jìn)行整體分析，具體包括：

s401、對工作裝置的進(jìn)行區(qū)域規(guī)劃，定域監(jiān)視；

s402、進(jìn)行工作裝置的參數(shù)化建模；

s403、對工作裝置進(jìn)行網(wǎng)格劃分；

s404、工作裝置載荷施加；

s5、通過以上的區(qū)域規(guī)劃、模型建立、網(wǎng)格劃分和載荷施加，運(yùn)用apdl語言建立有限元模型；

s6、將該有限元模型和matlab編寫的挖掘阻力模型集成到框架平臺(tái)，得到整個(gè)工作裝置、動(dòng)臂、斗桿和鏟斗上的最大應(yīng)力以及事先標(biāo)定的區(qū)域編號(hào)；

s7、繪制三維最大應(yīng)力空間圖譜和對應(yīng)的區(qū)域空間圖譜

s8、選取危險(xiǎn)工況，以集成計(jì)算的全工作空間中工作裝置最大應(yīng)力值作為指標(biāo)選取危險(xiǎn)工況。

進(jìn)一步，步驟s401中，對動(dòng)臂劃分出17個(gè)關(guān)鍵區(qū)域，斗桿劃分出8個(gè)關(guān)鍵區(qū)域，鏟斗劃分出5個(gè)關(guān)鍵區(qū)域。

進(jìn)一步，步驟s403中，對工作裝置主要采用六面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，局部采用四面體補(bǔ)充，再由apdl語言結(jié)合集成框架平臺(tái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)劃分。

進(jìn)一步，步驟s404中，建立挖掘阻力模型，綜合考慮液壓挖掘機(jī)油缸閉鎖能力、整機(jī)與地面附著、整機(jī)前傾和整機(jī)后傾等條件限制下，建立力學(xué)方程，再結(jié)合式(1)和式(2)兩個(gè)系數(shù)算式和挖掘阻力系數(shù)、阻力矩系數(shù)的最大概率值，補(bǔ)充方程，求解出各個(gè)分力，用該分力作為有限元分析的施加載荷。

本發(fā)明的有益效果在于：

1、mbrs-3d法從系統(tǒng)集成角度綜合三維建模軟件和apdl語言能夠有效地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的規(guī)則化網(wǎng)格劃分，提高計(jì)算精度的同時(shí)降低計(jì)算規(guī)模，使有限元分析直接應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)優(yōu)化成為可能。

2、mbrs-3d法創(chuàng)新性地將區(qū)域規(guī)劃應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)工作裝置的研究。在對最大應(yīng)力研究時(shí)，能夠很好地追蹤、統(tǒng)計(jì)最大應(yīng)力值所在部位，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

3、mbrs-3d法繪制的三維最大應(yīng)力空間圖譜和最大應(yīng)力空間域圖譜，能夠直觀反映工作裝置及各部件在全工作空間內(nèi)的應(yīng)力特性，清晰地表達(dá)出工作裝置的姿態(tài)與最大應(yīng)力值和區(qū)域之間的關(guān)系。相對于傳統(tǒng)平面圖譜應(yīng)對“一對多”問題時(shí)的不足，能夠更全面的分析全工作空間特性，為工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

4、mbrs-3d法在更全面分析工作裝置應(yīng)力特性的基礎(chǔ)上，按“應(yīng)力越大越危險(xiǎn)”準(zhǔn)則選出危險(xiǎn)工況與傳統(tǒng)方法的經(jīng)典工況對比，表明更具危險(xiǎn)性。該方法選取的危險(xiǎn)工況可以作為經(jīng)典工況的補(bǔ)充，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

附圖說明

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說明：

圖1為技術(shù)路線圖；

圖2為定點(diǎn)姿態(tài)圖；

圖3為鏟斗挖掘工況的挖掘阻力簡化模型；

圖4為斗桿挖掘工況的挖掘阻力簡化模型；

圖5為挖掘阻力系數(shù)特性圖；

圖6為阻力矩系數(shù)特性圖；

圖7為動(dòng)臂關(guān)鍵區(qū)域圖；

圖8為斗桿關(guān)鍵區(qū)域圖；

圖9為鏟斗關(guān)鍵區(qū)域；

圖10為挖機(jī)簡圖；

圖11為鏟斗挖掘工作裝置最大應(yīng)力空間圖譜；

圖12為斗桿挖掘工作裝置最大應(yīng)力空間圖譜；

圖13為鏟斗挖掘工作裝置最大應(yīng)力區(qū)域空間圖譜；

圖14為斗桿挖掘工作裝置最大應(yīng)力區(qū)域空間圖譜；

圖15為鏟斗挖掘動(dòng)臂最大應(yīng)力空間圖譜；

圖16為斗桿挖掘動(dòng)臂最大應(yīng)力空間圖譜；

圖17為鏟斗挖掘動(dòng)臂最大應(yīng)力區(qū)域空間圖譜；

圖18為斗桿挖掘動(dòng)臂最大應(yīng)力區(qū)域空間圖譜；

圖19為鏟斗挖掘斗桿最大應(yīng)力空間圖譜；

圖20為斗桿挖掘斗桿最大應(yīng)力空間圖譜；

圖21為鏟斗挖掘斗桿最大應(yīng)力區(qū)域空間圖譜；

圖22為斗桿挖掘斗桿最大應(yīng)力區(qū)域空間圖譜；

圖23為鏟斗挖掘鏟斗最大應(yīng)力空間圖譜；

圖24為斗桿挖掘鏟斗最大應(yīng)力空間圖譜；

圖25為鏟斗挖掘鏟斗最大應(yīng)力區(qū)域空間圖譜；

圖26為斗桿挖掘鏟斗最大應(yīng)力區(qū)域空間圖譜；

圖27為鏟斗挖掘最大應(yīng)力所在區(qū)域柱狀圖；

圖28為斗桿挖掘最大應(yīng)力所在區(qū)域柱狀圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。

本實(shí)施例結(jié)合某國產(chǎn)液壓挖掘，提出一種研究挖掘機(jī)工作裝置應(yīng)力特性的三維圖譜法，具體流程如圖1所示,分析過程均考慮正載情況，假設(shè)鏟斗斗齒所受載荷沿斗唇均勻分布。具體步驟如下：

s1、測得挖掘機(jī)油缸的實(shí)時(shí)油壓數(shù)據(jù)和動(dòng)臂、斗桿和鏟斗的相對轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)；測試中主要采用了ns-rb型角位移傳感器、nsf型壓力傳感器和ns-dac3000多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。主要參數(shù)如表1和表2：

s2、通過編制matlab程序反求出挖掘阻力模型中各個(gè)簡化力，即挖掘阻力切向分力ft、挖掘阻力法向分力fn、阻力矩tr；

液壓挖掘機(jī)工作裝置在作業(yè)過程中受到了極其復(fù)雜的力，不同研究人員提出了不同的挖掘阻力模型。文獻(xiàn)(s.g.m.dynamicmodellingofhydraulicexcavatormotionusingkane'sequations[j].automationinconstruction,2014)中，將土壤作用于鏟斗的復(fù)雜力系簡化為斗齒尖的一對相互垂直的分力，并將法向分力與切向分力的比值按經(jīng)驗(yàn)定為0.1，使超靜定問題變?yōu)殪o定問題。該模型利于挖掘阻力的求解，但將土壤作用于鏟斗的復(fù)雜力系簡化為一對相互垂直的分力欠妥。文獻(xiàn)(任志貴.反鏟液壓挖掘機(jī)挖掘性能實(shí)驗(yàn)與理論研究[d].重慶：重慶大學(xué)，2014)將土壤作用于鏟斗的復(fù)雜力系簡化為法向力、切向力和力矩，該文獻(xiàn)中的挖掘阻力模型更符合實(shí)際。如圖3和圖4所示分別為鏟斗挖掘工況和斗桿挖掘工況的挖掘阻力簡化模型。為了解決上述阻力分量求解問題，首先定義挖掘阻力系數(shù)ε和阻力矩系數(shù)σ，其中，ε為挖掘阻力系數(shù)；σ為阻力矩系數(shù)；ft為挖掘阻力切向分力；fn為挖掘阻力法向分力；tr為阻力矩。

ε＝fn/ft(1)

σ＝tr/ft(2)

為便于求解，此處規(guī)定切向力的方向與切削刃運(yùn)動(dòng)方向相反，法向力方向垂直于切向力并指向鏟斗斗體，力矩以逆時(shí)針方向?yàn)檎较??；谧枇δＰ拖禂?shù)假設(shè)，為使挖掘阻力系數(shù)更接近實(shí)際，同時(shí)考慮阻力矩的影響，采用ns-rb型角位移傳感器、nsf型壓力傳感器和ns-dac3000多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等裝置實(shí)驗(yàn)，測得三組油缸的實(shí)時(shí)油壓數(shù)據(jù)和動(dòng)臂、斗桿和鏟斗的相對轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)。通過編制matlab程序反求出如圖3和圖4所示挖掘阻力模型中各個(gè)簡化力。按式(1)和式(2)計(jì)算出挖掘阻力系數(shù)ε和阻力矩系數(shù)σ的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以繪制成圖5和6所示的系數(shù)特性圖。由圖5和圖6得知，由于實(shí)際挖掘過程中存在諸多的不確定性因素，挖掘阻力系數(shù)和阻力矩系數(shù)波動(dòng)較大，但相對比較集中。挖掘阻力系數(shù)的均值線基本水平，徘徊于零軸上下，該阻力系數(shù)數(shù)值表現(xiàn)與運(yùn)動(dòng)軌跡切線相反假設(shè)相一致。對于阻力矩系數(shù)，主要為負(fù)值且隨著時(shí)間的推移逐漸變小，這符合土壤破碎過程中，土壤抗扭能力逐漸降低的特性。經(jīng)過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的去噪、統(tǒng)計(jì)、計(jì)算可以得到如表3所示的ε和σ的最大概率值?；谧枇δＰ拖禂?shù)假設(shè)，將該最大概率值用于計(jì)算載荷，為后續(xù)的整體有限元分析做鋪墊。

表3ε和σ的最大概率值

s3、按式(1)和式(2)計(jì)算出挖掘阻力系數(shù)ε和阻力矩系數(shù)σ的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，得到ε和σ的最大概率值；

ε＝fn/ft(1)

σ＝tr/ft(2)；

s4、從系統(tǒng)集成角度對工作裝置進(jìn)行整體分析，具體包括：

s401、對工作裝置的進(jìn)行區(qū)域規(guī)劃，定域監(jiān)視；該步驟中，如圖7-9所示，對動(dòng)臂劃分出17個(gè)關(guān)鍵區(qū)域，斗桿劃分出8個(gè)關(guān)鍵區(qū)域，鏟斗劃分出5個(gè)關(guān)鍵區(qū)域。

表4動(dòng)臂、斗桿、鏟斗區(qū)域編號(hào)

s402、進(jìn)行工作裝置的參數(shù)化建模；本實(shí)施例鑒于液壓挖掘機(jī)工作裝置的復(fù)雜性和ug建模的便捷性，采用ug進(jìn)行液壓挖掘機(jī)工作裝置的參數(shù)化建模，主要的可變參數(shù)如圖10中的θ1、θ2、θ3、lab、lbg、lgj以及其他的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

s403、對工作裝置進(jìn)行網(wǎng)格劃分；ansys是最常用的有限元分析軟件之一，并且ansys有易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的apdl語言。因此，本實(shí)施例采用ansys進(jìn)行有限元分析。網(wǎng)格劃分對有限元分析的準(zhǔn)確性有著重要的意義，六面體網(wǎng)格與四面體網(wǎng)格相比，具有收斂速度快、變形特性好、單元數(shù)量少、求解精度高、計(jì)算成本低等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)值分析中，通常優(yōu)先選擇六面體網(wǎng)格。但是又因?yàn)橥诰驒C(jī)工作裝置是一個(gè)特別復(fù)雜的箱體型結(jié)構(gòu)，采用全六面體規(guī)則化網(wǎng)格，特別是實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)規(guī)則化網(wǎng)格非常困難。因此，本實(shí)施例中的網(wǎng)格主要采用六面體，局部采用四面體補(bǔ)充，再由apdl語言結(jié)合集成框架平臺(tái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)劃分，減少繁雜的重復(fù)工作。

s404、工作裝置載荷施加；建立如圖3、4所示的挖掘阻力模型，在綜合考慮液壓挖掘機(jī)油缸閉鎖能力、整機(jī)與地面附著、整機(jī)前傾和整機(jī)后傾等條件限制下，建立力學(xué)方程，再結(jié)合表3中的兩個(gè)系數(shù)算式和挖掘阻力系數(shù)、阻力矩系數(shù)的最大概率值，補(bǔ)充方程?？梢郧蠼獬鰣D4、5所示各個(gè)分力。該分力即可作為有限元分析的施加載荷。

s5、通過以上的區(qū)域規(guī)劃、模型建立、網(wǎng)格劃分和載荷施加，運(yùn)用apdl語言建立易于參數(shù)化控制、計(jì)算規(guī)模小、計(jì)算精度高的有限元模型；

s6、將該有限元模型和matlab編寫的挖掘阻力模型集成到框架平臺(tái)，得到整個(gè)工作裝置、動(dòng)臂、斗桿和鏟斗上的最大應(yīng)力以及事先標(biāo)定的區(qū)域編號(hào)；

s7、繪制三維最大應(yīng)力空間圖譜和對應(yīng)的區(qū)域空間圖譜，傳統(tǒng)的圖譜分析方法指將三組油缸長度進(jìn)行分級，并對其組合，在整個(gè)工作空間中確定若干種液壓挖掘機(jī)的工作姿態(tài)，計(jì)算出這些姿態(tài)的理論挖掘力并生成相應(yīng)圖譜以評價(jià)挖掘機(jī)的性能。mbrs-3d法為解決圖2所示“一對多”問題提供了新的途徑。采用表5中所示θ1,θ2,θ3的相互組合和圖2所示仿真流程，得到整個(gè)工作裝置、動(dòng)臂、斗桿和鏟斗的最大應(yīng)力值以及其所在區(qū)域值，插值后可得三維最大應(yīng)力空間圖譜和應(yīng)力域圖譜，如圖11至圖25所示。

表5動(dòng)臂、斗桿、鏟斗之間夾角采樣值

全工作空間圖譜三個(gè)坐標(biāo)分別為θ1,θ2,θ3。當(dāng)動(dòng)臂、斗桿和鏟斗長度一定時(shí)，每一個(gè)斗齒尖所能到達(dá)的位置都可以由無數(shù)種θ1,θ2,θ3組合實(shí)現(xiàn)(圖2、圖10)，這些組合在上述圖譜中可以表示為一個(gè)曲面，而這些曲面上所展現(xiàn)的屬性即可以表示該斗齒尖所在位置的全部屬性，實(shí)現(xiàn)圖2所示的“一對多”研究。因此，mbrs-3d法能夠很好而全面地展示液壓挖掘機(jī)工作裝置的最大應(yīng)力特性以及最大應(yīng)力所在區(qū)域特性。

從圖譜中可以很容易得到姿態(tài)與最大應(yīng)力之間關(guān)系的規(guī)律，明確危險(xiǎn)姿態(tài)，指導(dǎo)挖掘操作；可以得到最大應(yīng)力所在區(qū)域信息及其分布規(guī)律，明確工作裝置薄弱部位，從而協(xié)助設(shè)計(jì)；同時(shí)，通過明確全工作空間最大應(yīng)力值的分布，可以更方便、準(zhǔn)確的選出工作裝置的危險(xiǎn)工況，從而為優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

對上述分析進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到如圖26和27所示柱狀圖，該型液壓挖掘機(jī)工作裝置最大應(yīng)力主要出現(xiàn)在2、3、6、16、17、18、22區(qū)域。31、32、33分別為動(dòng)臂、斗桿和鏟斗上除標(biāo)定區(qū)外的其他區(qū)域。該三區(qū)域均未出現(xiàn)最大應(yīng)力，因而說明所選關(guān)鍵區(qū)域已經(jīng)很好的囊括了全工作空間最大應(yīng)力可能出現(xiàn)的部位。對照圖7、8、9可知，工作裝置在可行域內(nèi)作業(yè)時(shí)，最大應(yīng)力主要出現(xiàn)在動(dòng)臂后頂板突變處，動(dòng)臂后頂板與頂板搭接處，動(dòng)臂上斗桿油缸耳板前端與動(dòng)臂本體焊接處，斗桿上斗桿油缸耳板后端與斗桿本體焊接處，斗桿上鏟斗油缸耳板前端與斗桿本體焊接處，斗桿上前側(cè)板、中側(cè)板、頂板三者交匯焊接處，鏟斗耳板與底板交界焊接處等共計(jì)7個(gè)區(qū)域。在該機(jī)型設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中應(yīng)考慮這些部位加強(qiáng)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)工作裝置所受應(yīng)力更均衡，延長使用壽命。

s8、選取危險(xiǎn)工況，以集成計(jì)算的全工作空間中工作裝置最大應(yīng)力值作為指標(biāo)選取危險(xiǎn)工況。

傳統(tǒng)的危險(xiǎn)工況通常被認(rèn)為發(fā)生在油缸力臂最大姿態(tài)或者理論挖掘力最大的姿態(tài)。前者通常對單個(gè)部件進(jìn)行研究，忽略了工作裝置的整體效應(yīng)以及它們之間的耦合；后者忽略了工作姿態(tài)等其他因素的影響，挖掘力大未必是最危險(xiǎn)工況。以集成計(jì)算的全工作空間中工作裝置最大應(yīng)力值作為指標(biāo)選取危險(xiǎn)工況，能夠很好地解決上述問題，從而準(zhǔn)確地確定危險(xiǎn)工況。

以某國產(chǎn)機(jī)型為研究對象，將最大應(yīng)力值作為為指標(biāo)，運(yùn)用mbrs-3d方法得到空間最大應(yīng)力圖譜和應(yīng)力空間域圖譜。從圖譜中遴選出全工作空間的幾個(gè)最大應(yīng)力關(guān)鍵值，如表6所示。

表6危險(xiǎn)工況姿態(tài)

由上表可知，最大應(yīng)力出現(xiàn)在鏟斗挖掘工況。此時(shí)，姿態(tài)角為θ1＝-4.7°、θ2＝-144.5°、θ3＝39.7°，最大應(yīng)力值為195.42mpa，按最大應(yīng)力確定危險(xiǎn)工況準(zhǔn)則，該姿態(tài)即為該機(jī)型的危險(xiǎn)工況。

表7危險(xiǎn)工況對比

表7所示，按文獻(xiàn)(陳國俊.液壓挖掘機(jī)[m].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011)約定的危險(xiǎn)工況，最大應(yīng)力為109.4mpa，文獻(xiàn)(國家標(biāo)準(zhǔn)局.gb9141-88.液壓挖掘機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)方法)經(jīng)典危險(xiǎn)工況中最大應(yīng)力最大為113.91mpa，而mbrs-3d法選出的危險(xiǎn)工況最大應(yīng)力值為195.42mpa。mbrs-3d法較傳統(tǒng)方法危險(xiǎn)工況最大應(yīng)力值最少增大71.6％，表明mbrs-3d法選出的危險(xiǎn)工況相較于傳統(tǒng)方法更具危險(xiǎn)性。

通過mbrs-3d對機(jī)型工作裝置進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)鏟斗挖掘時(shí)最大應(yīng)力主要出現(xiàn)在動(dòng)臂后頂板突變處，斗桿上斗桿油缸耳板后端與斗桿本體焊接處，斗桿上鏟斗油缸耳板前端與斗桿本體焊接處，鏟斗耳板與底板交界焊接處等4部位，概率分別為：21.83％、26.03％、19.01％、13.99％；斗桿挖掘時(shí)最大應(yīng)力主要出現(xiàn)在動(dòng)臂后頂板與頂板搭接處，斗桿上斗桿油缸耳板后端與斗桿本體焊接處，斗桿上鏟斗油缸耳板前端與斗桿本體焊接處，鏟斗耳板與底板交界焊接處，概率分別為：12.37％、54.10％、7.41％、19.44％。對于上述部位應(yīng)該予以結(jié)構(gòu)加強(qiáng)和優(yōu)化。

最后說明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。