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一種新型正鏟挖掘機多環路多體機構動力學建模|CJME論文推薦

2025-04-10 17:10:40　來源: 機械工程學報

北京舉報

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引用論文

Ding, J., Ding, H. & Yang, W. Dynamic Modeling of a Novel Multi-Loop Multi-Body Mechanism of Face-Shovel Excavator. Chin. J. Mech. Eng. 38, 38 (2025). https://doi.org/10.1186/s10033-024-01166-7

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研究背景及目的

在工程機械領域，國外已研制出了多款大型正鏟液壓挖掘機。著名的正鏟液壓挖掘機生產廠商有美國特雷克斯、美國卡特彼勒、德國利勃海爾和日本小松等。國外性能優異的經典正鏟液壓挖掘機的核心機構(執行機構)采用的是12桿“強力三角”機構。然而，受到專利限制，國內無法生產這種機型。由于缺乏自主知識產權，國內僅能生產單一的10桿構型的正鏟液壓挖掘機，性能遠不及國外的“強力三角”構型。本團隊基于已建立的數字化綜合理論，構建了“機構拓撲構型自動綜合軟件平臺”，與三一重機合作研制了我國首臺自主產權的大型正鏟挖掘機“SY850H（85噸級）”，打破大型正鏟挖掘機工作裝置（WM）機構被歐美發達國家長期壟斷的不利局面。然而目前針對正鏟液壓挖掘機工作裝置這種平面多閉環機構的動力學研究較少，且一般都為簡化后的模型，難以精確描述不同構型對WM的動力學特性的影響，更加難以進行后續的深化設計研究。本文針對團隊自研國內首臺自主知識產權的正鏟挖掘機WM，研究具有其多閉環機構特性的完整動力學建模方法，并與傳統建模方法進行對比驗證。

試驗方法

1）基于環路分解，將正鏟液壓挖掘機的工作裝置分解成四個運動子環路，建立子環路中所有運動構件的正向運動學模型；

2）通過環路之間的連接構件，建立各子環路之間的運動關系，在此基礎上建立正鏟挖掘機工作裝置的11個運動構件的正向動力學模型；

3）在正向運動學的基礎上，基于虛功原理，建立考慮所有運動構件重力以及慣性力的完整動力學模型；

4）在正向動力學基礎上，忽略液壓缸等構件的影響，僅考慮動臂、斗桿和鏟斗所受外力的簡化動力學模型；

5）基于本文建立的兩種動力學模型，在Matlab中編寫正鏟挖掘機工作裝置驅動力的求解程序，并分別與Adams中的仿真結果進行對比，分別驗證兩種模型的有效性；

6）將兩種模型在同一運動軌跡下進行Matlab程序下的求解運算和Adams動力學仿真，比較兩種模型求解結果與仿真結果的之間的誤差。

Figure 1 Structure of the WM of face-shovel hydraulic excavator

結果

正鏟挖掘機工作裝置的簡化動力學模型和完整動力學模型的驅動力數據在相同的激勵軌跡下求解，并對結果進行比較，如圖2、圖3、圖4所示。在圖2、圖3和圖4中，“Complete”是指考慮液壓缸等所有主要運動部件計算的驅動力，“Adams”是指Adams軟件動力學模擬獲得的驅動力結果，“Simple”是指忽略液壓缸僅考慮動臂、斗桿和鏟斗的動態模型解算結果，“”分別是完整模型與簡化模型和Adams模擬結果之間的差異。圖2-4（b）顯示了兩種方法的三組驅動力的結果精度。可以觀察到，簡化模型的誤差比完整模型的誤差更明顯。為了量化整個軌跡運行過程中的誤差與其軟件仿真值之間的關系，我們引入了一種周期誤差的量化指數。

在遵循論文公式（86）的軌跡的簡化動力學模型中，三組驅動力的誤差指數分別為0.2109、0.0857和0.0404。在相同軌跡下，完整動力學模型求解結果的誤差指數分別為0.0001、0.0002和0.004。對于簡化的動力學模型，三個驅動力的誤差指數呈下降趨勢，這與簡化模型簡化的載荷在三組驅動副中的下降趨勢一致。由于完整模型考慮了作用在所有運動部件上的外力，三種驅動力的誤差指數小于簡化模型的誤差指數。完整模型和模擬之間的細微誤差可能是由于某些組件的質量參數和尺寸四舍五入到小數點或軟件計算。

Figure 2 Comparison of solution results of the 1th group of driving forces: (a) Driving force of three models, (b) Driving force error of two models

Figure 3 Comparison of solution results of the 2th group of driving forces: (a) Driving force of three models, (b) Driving force error of two models

Figure 4 Comparison of solution results of the 3th group of driving forces: (a) Driving force of three models, (b) Driving force error of two models

結論

1）基于環路分解，從正鏟挖掘機工作裝置的子環路結構中推導出工作裝置所有主要運動構件的雅可比矩陣。

2）考慮到包括液壓缸在內的主要部件在運動過程中受到的外力，建立了一個更完整的動力學模型。

3）將新的動力學模型與傳統簡化模型的計算結果進行比較，參考動力學仿真軟件的結果，新的完整動力學模型提高了精度。

前景與應用

礦山行業對大型正鏟液壓挖掘機的需求一直穩定增長。挖掘機在采礦和礦石開采過程中發揮著關鍵作用，因其高效、強大的挖掘能力和靈活性而受到礦業公司的青睞。然而，由于缺乏自主知識產權，國內僅能生產單一的10桿構型的正鏟液壓挖掘機，性能遠不及國外的“強力三角”構型。目前，本團隊研制的國內首臺自主知識產權的正鏟挖掘機“SY850H（85噸級）”只是一個開端，對其挖掘性能需要進一步深度優化設計，這需要對其建立更完整的動態力學數學模型。本文提出的完整動力學模型建立方法可以極大促進這類大型正鏟挖掘機的設計效率，在大型工程機械領域的創新設計方面具有重要意義。

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關于作者

作者團隊介紹

丁華鋒（通訊作者），二級教授，博士生導師，德國“洪堡學者”，霍英東教育基金獲得者。先后獲得中、德雙博士學位。獲第1批中國博士后科學基金特別資助，第43批中國博士后科學基金一等資助，全國百篇優秀博士學位論文提名獎。現為中國機械工程學會理事，中國機械工程學會機器人分會常務理事，武漢市機械工程學會理事長。主持國家、省部級項目18項。發表學術論文100余篇，在研究領域著名期刊Mechanism and Machine Theory、ASME Journal of Mechanical Design、ASME Journal of Mechanisms and Robotics、IEEE/ASME Transactions on Mechatronics、Nonlinear Dynamics等發表SCI收錄論文70余篇。獲授權發明專利52項，計算機軟件著作權22項，出版Springer專著一部。擔任國際機構學頂級期刊《Mechanism and Machine Theory》（國際機構與機器理論聯合會會刊）副主編（Associate Editor），《中國機械工程》編委。擔任國際會議大會主席6次，作大會報告5次。國內外20多個機械領域重要期刊審稿人，國家自然科學基金通信評審人。

丁季松（第一作者），2020年獲燕山大學工學碩士學位，2024年獲中國地質大學（武漢）工學博士學位。現為江淮前沿技術協同創新中心助理研究員，《Mechanism and Machine Theory》和《IEEE/ASME Transactions on Mechatronics》等期刊審稿人。主要研究方向為平面機構自動綜合和動力學建模。

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作者：丁季松

責任編輯：謝雅潔

責任校對：向映姣

審核：張強

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