反铲式挖泥船反铲装置的理论分析与动态仿真

维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年２月　农机化研究　第２期　反铲式挖泥船反铲装置的理论分析与动态仿真　王志飞，尚士友，丁海泉，韩青松　（内蒙古农业大学湖泊环境研究所，呼和浩特０１Ｏ０１８）　摘　要：采用虚拟样机技术，对液压挖泥船反铲工作装置进行了六连杆机构自由度的计算，并进行了三维　实体建模、虚拟装配、运动仿真与动态模拟，对潜在设计问题进行了预测分析。在实验室内对土壤进行反　铲斗挖掘做了试验研究，将所观察到的实验值与仿真值进行了比较，并分析了运动仿真的正确性与实用性，　为挖泥船物理样机的制造和新机型设计方案的评估提供有效参考数据。　关键词：水力机械；压挖泥船；理论研究；反铲装置；运动仿真　中图分类号：￥９６９．１　１：￥９５１．２　文献标识码：Ａ　文献编号：１　００３—１　８８Ｘ（２００８）０２－－００１　９・０３　０　引言　杂　。所以，对反铲装置的六连杆机构进行了结构　形式、自由度和挖掘力的计算与确定，并进行了三　挖泥船是技术复杂、’建造工艺要求高且设施配　维实体建模、虚拟装配、运动仿真与动态模拟，对　备齐全的工程船。按照工作原理一般分为两大类，　潜在的各种设计问题进行预测分析。通过在实验室　即机械式挖泥船和水力式挖泥船。目前，挖泥船的　内对土壤反铲斗挖掘的试验研究，在样机的制造和　设计与制造集中在荷兰与德国等少数国家“　。我国　实验前，优化设计方案，提出一套虚拟样机设计方　还缺乏设计与建造的经验，加上国内挖泥机具与设　法，并给出了液压挖泥船反铲装置的一种设计方案。　备不配套，国内疏浚企业目前只能依靠数家外国公　司的先进技术、进口设备或整船进口挖泥船　。挖　１　六连杆机构自由度的计算　泥船广泛应用于江河湖库的清淤整治、港口航道的　反铲液压装置是由挖掘臂、上斗杆、铲斗油缸、　建设与维护、填海造地以及城乡现代化建设等国民　连杆、摇杆和铲斗组成的６连杆机构，如图１所示。　经济基础建设领域，而用于湿地环境保护的却很少。　目前，国际上对“通过控制营盐来控制湖泊营　养状况的途径”　的提议已达成共识。１９９０年，在　第四届国际湖泊会议上，内蒙古农业大学提出了以　机械化方式控制湖泊富营化的实用技术，中国环境　科学研究院认为此项技术是湖泊富营养化适度控制　与水生资源开发利用兼顾的技术典型　，可以转移　氮、磷营养盐，适度控制湖泊富营养化。采用挖泥　船对湖底淤泥进行挖掘，转移氮、磷营养成分，不　图１　斗杆油缸的六连杆机构　仅可以改善水体空间环境，而且淤泥可以作为优质　Ｆｉｇ．１　Ｓｔｉｃｋ　ｔ０　ｔｈｅ　Ｓｉｘ—ｂａｒ　ｔａｎｋ　肥料和建筑原料。利用液压挖泥船对湖底淤泥进行　挖掘，由于反铲式液压挖泥船的工作特性不同于其　１．１　自由度的计算　它形式的挖掘机，其结构设计要考虑外在边界条件　该连杆机构是具有６个构件的平面机构，有５　和建立力学模型的要素很多，按照船舶结构力学理　个活动构件。在５个活动构件中，有７个低副，没　论进行船舶的实际设计程序与步骤也相当繁琐、复　有高副（如图１所示）。　由机械原理可知，其自由度为　收稿日期：２Ｏ０７－０４—２３　Ｆ　３ｎ一２ｐ１一ｐｈ＝１　（１）　基金项目：国家自然科学基金项目（３０５６００２９）　铲斗连杆机构有１个自由度和１个原动件，其　作者简介：王志飞（１９８卜），男，内蒙古鄂尔多斯人，在读硕士，　运动就可以唯一确定。　（Ｅ－ｍａｉ　１）ｗａｎｇｆｅｉ５４１８８＠１６３．ｃｏｍ。　通讯作者：尚士友（１９４３一），男，教授，博士生导师，（Ｅ－ｍａｉ１）　１．２总传动比的计算　ＳｈａｎｇＳｈｉＹｏｕ＠１６３．ｃｏｍ。　铲斗连杆机构总传动比ｉ的计算公式为　一１９一　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年２月　＝—农机化研究　１２４　ｓｉｎ（ｇｔ２２＋￣ｔ３０）ｓｉｎ￣ｔ２９—第２期　（２）　２）挖掘机工作装置的总装图实体模型的建立　是实现ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ一体化的基础。既然组件要运　ｒ２×１３　１３　ｓｉｎ　８　１．３理论挖掘力的计算　铲斗液压缸理论挖掘力的计算公式为　Ｐ＝Ｐ３×ｉ＝３３×Ｐ×ｉ＝，（Ｌ３）　（３）　动，在组件组装时就不能被死锁（完全约束），而是　要部分约束。所谓部分约束，并不是组装不完全，而　是根据各组件的运动形态及彼此间的相对运动情　况，通过各种连接（ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）的设定，来限制组　式中Ｐ　一铲斗液压缸的理论推力；　一铲斗液压缸大腔作用面积；　件的运动自由度。在ＰＲＯ／Ｅ中提供了８种连接形式，　即ｒｉｇｉｄ（固定）、Ｐｉｎ（销钉）、Ｓ１ｉｄｅｒ（滑块）、　Ｐ一液压系统工作压力。　从式（２）和式（３）可以看出，利用公式（２）直接计　ｃｙ１ｉｎｄｅｒ（圆柱）、Ｐ１ａｎａｒ（平面）、ｂｕｌ１（球）和　算传动比的最大值比较困难。铲斗液压缸的理论挖　ｈｅａｒｉｎｇ（轴承）。总装配如图３所示。　掘力与传动比成正比关系，提高传动比能提高铲斗　液压缸的理论挖掘力。　其　它　零　２反铲装置虚拟样机的建立　２．１　反铲装置三维零件模型的建立　一部　件　｛Ｉ茎　Ｉ　ｌ嘉｛｛　｛；要Ｊ　ｌ　ｌ　Ｉ萎　动臂零件　过施加不同的连接方式（圆柱、销钉等）　般来说，在Ｐｒｏ／Ｅ软件环境下，机械系统的三　维建模应该严格按照设计构思或者以前期图纸为依　据进行，尽量保持三维图形数据的完整和正确性。　因为将进行挖泥船虚拟样机的动态仿真，所以此次　建模原则是挖泥船反铲装置建模尽量细化，包括动　建立各零部件的约束　臂、斗杆等内部的加强筋需详细建模，除工作装置　以外的部件在建模时则尽量简化。比如，回转平台　和行走装置等只是勾画出外部形状，而内部细节并　未详细绘制。　２．２液压挖泥船反铲装置虚拟样机分析装配模型　１）挖泥船反铲装置主由是铲斗、大梁、臂梁、　图３挖泥船工作装置虚拟样机的建模过程（按工艺流程）　Ｆｉｇ．３　Ｄｅｖｉｃｅ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｉ　ｒｌｇ　ｐｒｏｃｅＳＳ　ｄｒｅｄｇｅｒ　挖掘船反铲工作装置虚拟样机　（Ｂｙ　ｐｒｏｃｅＳＳ）　油缸和顶杆等组成（如图２所示），是一个典型的液　压传动机构。工作装置各零部件实体模型的建立是　３挖泥船工作装置的运动仿真与实验对比　在Ｐｒｏ／Ｅ软件的Ｐｒｏ／ｍｅｃｈａｎｉ　ｓｍ模块下，对挖　泥船工作装置在挖掘过程的动态模拟仿真进行如下　设定，以便完成挖掘动作模拟。分别在动臂油缸、　斗杆油缸、铲斗油缸上施加４个伺服电动机；在回　采用ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ一体化，运动仿真比较直观地反　应了机器的工作原理。　转平台与行走机构的“连接”轴上施加１个“伺服　电动机”。设定各个“伺服电动机”，以挖泥船挖掘　初始状态为起始位置，并根据“作业循环时间表”　设定各个“伺服电动机”的起始时间。与挖泥船实　际挖掘动作相比，模拟过程完全相符，证明在Ｐｒｏ／Ｅ　软件环境的运动仿真是正确的。　铲斗在最大挖掘深度处（铲斗回转９０。时），　切线阻力的计算值与实验值基本一致。尤其是阻力　的最大值不出现在最大挖掘深度处，而是出现在最　大挖掘深度以后的１Ｏ０ｏ左右处，这一点计算值与　实验值几乎完全一致。因此，可以认为基本方程式　是可以成立的。因为最需要了解即是最大挖掘阻力　图２工作装置各零部件模型　Ｆｉｇ．２　Ｄｅｖｉｃｅ　ｍｏｄｅｌＳ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐａｒｔＳ　值，它是计算整机性能的根本依据。整个挖掘过程　的动作模拟图如图４所示。　一２０—　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００８年２月　农机化研究　第２期　（ａ）挖掘时初始状态　（ｂ）挖掘　铲斗倾角／（。）　图５挖掘阻力实验值与仿真值对比曲线图　Ｆｉｇ．５　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｃｏｍｐａｒｉ　ｓｏｎ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｅｘｃａｖａｔｉｎｇ　ｒｅＳｉ　ｓｔａｎｃｅ　ｃｕｒｖｅＳ　阻力的最大值不是出现在最大挖掘深度处，而　是出现在最大挖掘深度以后的８。左右处，这一点　仿真值与实验值几乎完全一致。最需要了解的即是　最大挖掘阻力值，它是结构设计和运动仿真的根本　（Ｃ）提臂　（ｄ）回转　依据。因此，可以认为运动仿真是正确的。　４结论与讨论　１）采用Ｐｒｏ／Ｅ进行三维实体建模、虚拟装配、　骧　运动仿真与动态模拟，为挖泥船物理样机的制造与　新机型设计方案的评估提供了有效参考数据。　∞∞∞㈣㈣㈣　∞　∞　㈣　Ⅺ∞　　Ｏ。　２）与挖泥船实际挖掘动作相比，模拟过程完全　相符，Ｐｒｏ／Ｅ软件环境的运动仿真是正确的。　３）仿真值曲线与实验值曲线拟合较好，误差相　（ｅ）卸载　（ｄ）回转并降臂　差较小，可以认为运动仿真是正确的。　图４整个挖掘循环过程的动作模拟　４）在最大挖掘深度处（即铲斗回转９０。时），　Ｆｉｇ．４　Ｍｏｄｅｌ　ｔｈｅ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｎｔｉｒｅ　ｍｉｎｉｎｇ　ｃｙｃｌｅ　铲斗切线阻力的仿真值与实验值基本一致。　在模拟仿真的过程中，铲斗在最大挖掘深度处　参考文献：　（铲斗回转９０。时）切线阻力的仿真值与实验值基　［１］　王　艳，谢海英．国内外疏浚市场现状及发展［Ｊ］．　本一致，如表１和图５所示。　上海船舶运输科学研究所学报，２００４（１２）：１１０—１１３．　表１挖掘阻力实验值与仿真值　［２］　向　宏．国内外挖泥船结构设计方法探讨［Ｊ］．广　Ｔａｂ．１　Ｍｉｎｉｎｇ　ｒｅＳｉ　ｓｔａｎｃｅ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ａｎｄ　东造船，２００５（１）：１卜１２．　Ｓｉｍｕｌａｔ　ｉｏｎ　［３］　尚士友，申庆泰．内蒙古乌梁素海沉水植物的收割　工程技术［Ｊ］．湖泊科学，２００４，１６（２）：１６９—１７０．　铲斗倾角　最大挖掘深度的挖掘力／Ｎ　／（。　）　［４］　尚士友，杜建民．沉水植物资源开发与湖泊保护的　实验值　仿真值　研究［Ｊ］．农业工程学报，１９９７，１３（３）：１１—１２．　［５］　许伟文．关于挖泥船稳性计算探讨［Ｊ］．广东造　船，２００５（４）：１９－２０．　［６］　尚士友，杜健民．草型富营养化湖泊生态恢复工程　技术的研究［Ｊ］．生态学杂志，２００３，２２（６）：５７—６２．　［７］　魏　阳，王书义．基于Ｐｒｏ／Ｅ的机械系统运动仿真　分析［Ｊ］．现代机械，２００４（５）：５５—５６．　［８］　葛　云，罗冬梅，陈志刚，等．基于ＰＲＯ／Ｅ的挖掘　机铲土装置的建模与运动仿真［Ｊ］．（下转第２５页）　一２１．　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００８年２月　社，１９９３：儿８一ｌ４０．　农机化研究　第２期　宋　戈，吴次芳，王　杨．城镇化发展与耕地保护关系　研究［Ｊ］．农业经济问题，２００６（１）：６６．６７．　李春华．湖北省城市化过程中耕地资源转用效率分析　［Ｊ］．湖北大学学报，２＇００５，２７（３）：２９４．　楼　江．提高城市土地利用效率初探［Ｊ］．上海土　地，２０００（２）：３０—３１．　谭永忠，吴次芳．２Ｏ世纪９Ｏ年代浙江省耕地非农化过程　分析［Ｊ］．地理科学，２００４，２０（１）：１６—１８．　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇ　Ｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃｕｌｔｉｖａｔｅｄ　Ｌａｎｄ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅ　ｉｎ　Ｃｉｔｙ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｑｕａｎｚｈｏｕ　ＹＡＮ　Ｌｉ—ｎａ，ＣＨＥＮ　Ｓｏｎｇ—ｌｉｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｆｕｊｉａｎ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｚｈｏｕ　３５０００７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｃｉｔｙ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｔｈｅ　ｕｒｂａｎｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｉｎｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｕｌｔｉｖａｔｅｄ　ｌａｎｄ　ｒｅｓｏｕｒｃｅ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｆｉｎｄ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｎｇｅ　ｃｏｕｒｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｕｌｔｉｖａｔｅｄ　ｌａｎｄ　ｒｅｓｏｕｒｃｅ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｔｈｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｕｌｔｉｖａｔｅｄ　ｌａｎｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｍａｒｇｉｎａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｄｒａｗｓ　ａ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｕｌｔｉｖａｔｅｄ　ｌａｎｄ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｌｕｃｔｕａｔｌｙ，ｂｕｔ　ｄｅｖｅｌｆｏｐｓ　ｔｏｗａｒｄｓ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｔｒｅｎｄ．Ｌａｓｔｌｙ，ｓｏｍｅ　ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒａｔｉｏｎａｌ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｕｌｔｉｖａｔｅｄ　ｌａｎｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ａｒｅ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　ｅｃｏｎｏｍｙ；ｃｕｌｔｉｖａｔｅｄ　ｌａｎｄ　ｒｅｓｏｕｒｃｅ；ａｎａｌｙｓｉｓ；ｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；Ｑｕａｎｚｈｏｕ　Ｃｉｔｙ　（上接第２ｌ页）　计算机应用技术，２００５，３２（６）：４３—４４．　［１１］李滨城．液压挖掘机反铲工作装置计算机辅助设计方　法的研究［Ｄ］．镇江：江苏工学院，１９９３．　［９］郭卫，杨武成，张传伟，等．基于Ｐｒｏ／Ｅ的液压挖　掘机工作装置运动仿真［Ｊ］．建筑机械，２００６（６）：　７ｌ一７３．　［１２］王国彪，曹旭阳．谈谈反铲液压挖掘机的挖掘力　［Ｊ］．矿山机械，２００３（２）：１５～１７．　［１３］安国明，反铲斗挖掘土壤实验研究与挖掘阻力计算　［１０］于珊珊，徐尚德．多连杆机构分析和虚拟样机技术的　发展［Ｊ］．机械设计制造，２００４（５）：１　１８～１２０．　［Ｊ］．设计研究ＣＯＭ综合篇，２００５（４）：２６～２７．　Ａｂｓｔｒａｃｔ　ＩＤ：１００３．１８８Ｘ（２００８）０２－００１９－ＥＡ　Ｔｈｅ　Ｂａｃｋｈｏｅ　Ｄｒｅｄｇｅｒ　ｏｆ　Ｂａｃｋｈｏｅ　Ｄｅｖｉｃｅ　Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ＷＡＮＧ　Ｚｈｉ・ｆｅｉ，ＳＨＡＮＧ　Ｓｈｉ—ｙｏｕ，ＤＩＮＧ　Ｈａｉ・ｑｕａｎ，ＨＡＮ　Ｑｉｎｇ・ｓｏｎｇ　（Ｌｏｋｅ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇａｌｉａ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｕｂｅｈａｏｔｅ　０１００１８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　Ｂ　ａｃｋｈｏｅ　Ｄｒｅｄｇｅｒ，Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｉｘ・ｂａｒ　ｂａｃｋｈｏｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｒｅｅｄｏｍ．Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　３Ｄ　Ｓｏｌｉｄ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ，　Ｖｉｒｔｕａｌ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｔｈｅ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ，Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ａｂｏｕｔ　ｂａｃｋｈｏｅ　ｅｘｃａｖａｔｉｎｇ　ｓｏｉｌ　ｉｓ　ｄｏｎｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ．Ａｆｔｅｒ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｃｏｍｐａｒｅｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｖａｌｕｅｓ，Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｉｓ　ｐｒｏｖｉｄｅｄ　ｅｆｆｅｃｔｕａｌｌｙ　ｆｏｒ　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ａｎｄ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｏｆ　ｎｅｗ　ａｉｒｃｒａｆｔ　ｄｅｓｉｇｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗａｔｅｒｐｏｗｅｒ　ｍａｃｈｉｎｅｒｙ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃ；ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａ１　ｒｅｓｅａｒｃｈ；ｂａｃｋｈｏｅ　ｄｅｖｉｃｅ；ｍｏｔｉｏｎ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　２５．