吉林大学学报(工学版) ›› 2018, Vol. 48 ›› Issue (3): 821-827.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb20171060

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基于仿生斗齿的反铲液压挖掘机动臂仿真优化设计

李因武1,2, 吴庆文1,2, 常志勇1,2, 杨成2, 3   

  1. 1.吉林大学 生物与农业工程学院,长春 130022;
    2.吉林大学 工程仿生教育部重点实验室,长春 130022;
    3.东风日产乘用车公司 车辆工程技术部,广州 510800;
  • 收稿日期:2017-11-06 出版日期:2018-05-20 发布日期:2018-05-20
  • 通讯作者: 常志勇(1980-),男,高级工程师,博士.研究方向:食品检查技术和农业工程仿生.E-mail:zychang@jlu.edu.cn
  • 作者简介:李因武(1966-),男,副教授,博士.研究方向:工程仿生和地面机器系统分析与模拟.E-mail:lyw@jlu.edu.cn
  • 基金资助:
    吉林省教育厅“十三五”科学技术研究重点项目(吉教科合字[2016]435号); 吉林省教育厅“十三五”科学技术项目(JJKH20170835KJ); 吉林省教育厅“十三五”产业化项目(JJKH20170790KJ;JJKH20170796KJ); 吉林省省级产业创新专项项目(2016C029;2017C051).

Simulation and optimal design of backhoe hydraulic excavator based on bionic teeth

LI Yin-wu1,2, WU Qing-wen1,2, CHANG Zhi-yong1,2, YANG Cheng2,3   

  1. 1.College of Biological and Agricultural Engineering,Jilin University,Changchun 130022,China;
    2.Key Laboratory of Bionic Engineering,Ministry of Education,Jilin University,Changchun 130022,China;
    3.Vehicle Engineering Department,Dongfeng Nissan Passenger Vehicle Company,Guangzhou 510800,China
  • Received:2017-11-06 Online:2018-05-20 Published:2018-05-20

摘要: 首先,结合仿生斗齿研究成果,应用Pro/E软件建立了某型反铲液压挖掘机整体三维仿真模型,并导入ADAMS软件中开展运动学和动力学分析。然后,获取了反铲液压挖掘机工作装置的最大挖掘半径、最大挖掘高度、最大挖掘深度、最大卸载高度、最小回转半径等作业范围参数以及斗杆最大挖掘力、铲斗最大挖掘力等主要性能参数。最后,确定动臂参数仿真优化方案为:外侧线与中线夹角为65°、动臂弯曲处的圆弧半径为210 mm。

关键词: 矿山机械工程, 液压挖掘机, 仿生, 动臂仿真优化

Abstract: Combined with the research results of bionic teeth, a three-dimensional virtual model of the working device of a certain type backhoe hydraulic excavator was built in Pro/E software. The kinematics and dynamics of the model were analyzed in ADAMS software. The parameters of the backhoe hydraulic excavator working device were obtained, such as the maximum excavation height, the maximum excavation depth, the maximum unloading height, the minimum turning radius, the maximum excavation force of the stick and the maximum digging force of the bucket. Optimization results of the parameters of the boom of the working device show that the angle between the arc outer line and center line was 65°, and the arc radius of the boom was 210 mm.

Key words: mine mechanical engineering, hydraulic pressure excavator, bionics, boom simulation and optimization

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[1] Solazzi L, Scalmana R.New design concept for a lifting platform made of composite material[J]. Applied Composite Materials,2013,20(4):615-626.
[2] Solazzi L.Design of aluminium boom and arm for an excavator[J]. Journal of Terramechanics,2010,47(4): 201-207.
[3] 张业祥,赵刚,章翔,等. 液压挖掘机工作装置有限元分析[J]. 现代制造工程,2016(2):89-93,98.
Zhang Ye-xiang,Zhao Gang,Zhang Xiang,et al.Finite element analysis for the hydraulic excavator working device[J]. Modern Manufacturing Engineering,2016(2):89-93,98.
[4] 汪建华,胡晓莉,张华,等. 液压挖掘机动臂有限元分析方法研究[J]. 机械设计与制造,2013(12):170-173.
Wang Jian-hua,Hu Xiao-li,Zhang Hua, et al.Study of finite element analysis method of hydraulic excavator mobile arm[J]. Machinery Design & Manufacture,2013(12):170-173.
[5] Morales D O,Westerberg S,Lahera P X,et al.Increasing the level of automation in the forestry logging process with crane trajectory planning and control[J]. Journal of Field Robotics,2014,31(3):343-363.
[6] Zhang Bin,Wang Shuang,Liu Yu-ting,et al.Research on trajectory planning and autodig of hydraulic excavator[J]. Mathematical Problems in Engineering,2017(1):1-10.
[7] 管成,王飞,张登雨. 基于NURBS的挖掘机器人时间最优轨迹规划[J]. 吉林大学学报:工学版,2015,45(2): 540-546.
Guan Cheng,Wang Fei,Zhang Deng-yu.NURBS -based time-optimal trajectory planning on robotic excavators[J]. Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition),2015,45(2):540-546.
[8] Chen Jin,Qing Fei,Pang Xiao-ping.Mechanism optimal design of backhoe hydraulic excavator working device based on digging paths[J]. Journal of Mechanical Science and Technology,2014,28(1):213-222.
[9] Wang Chun-hua,Gao Yang,Zhang Ying-yin,et al.Dynamic characteristics of the backhoe excavator bucket based on Pro/E and ANSYS[J]. Advanced Materials Research,2013,619(4):30-33.
[10] Ding Hua-feng,Han Lei,Yang Wen-jian,et al.Kinematics and dynamics analyses of a new type face-shovel hydraulic excavator[J]. Journal of Mechanical Engineering Science,2017,231(5):909-924.
[11] Šalini? S,Boškovi? G,Nikoli? M.Dynamic modelling of hydraulic excavator motion using Kane's equations[J]. Automation in Construction,2014,44:56-62.
[12] Bennett N,Walawalkar A,Heck M,et al.Integration of digging forces in a multi-body-system model of an excavator[J]. Journal of Multi-body Dynamics,2016,230(2):159-177.
[13] 邓艳宁,李发宗,王相兵,等. 基于等效有限元方法的液压挖掘机工作装置动力学及特性研究[J]. 机械科学与技术,2016,35(1):73-79.
Deng Yan-ning,Li Fa-zong,Wang Xiang-bing,et al.Study on dynamics for working device of hydraulic excavator based on the equivalent finite element method[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering,2016,35(1):73-79.
[14] 张桂菊,肖才远,谭青,等. 基于虚拟样机技术挖掘机工作装置动力学分析及仿真[J]. 中南大学学报:自然科学版,2014,45(6):1827-1833.
Zhang Gui-ju,Xiao Cai-yuan,Tan Qing,et al.Dynamic analysis and simulation of excavator working device based on virtual prototype technology[J]. Journal of Central South University (Science and Technology),2014,45(6):1827-1833.
[15] 邱清盈,魏振凯,高宇,等. 挖掘机工作装置疲劳分析方法[J]. 吉林大学学报:工学版,2016,46(1):161-165.
Qiu Qing-ying,Wei Zhen-kai,Gao yu, et al. Fatigue analysis method of working devices of hydraulic excavator[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition),2016,46(1):161-165.
[16] 银光球,林述温,张宁. 单斗液压挖掘机反铲装置动力学模型的建立[J]. 中国工程机械学报,2014,12(3):189-193.
Yin Guang-qiu,Lin Shu-wen,Zhang Ning.Dynamical modeling for backhoe device of single-bucket hydraulic excavators[J]. Chinese Journal of Construction Machinery,2014,12(3):189-193.
[17] Guo Xing,Mao Yi-chao,Kang Kai.Dynamic simulation research on hydraulic system of backhoe dredger excavator[J]. Human Centered Computing,2015,8944:757-764.
[18] 杨成. 挖掘机工作装置的斗齿仿生及动臂优化研究[D]. 长春:吉林大学生物与农业工程学院,2013.
Yang Cheng.The bionic bucket teeth and optimization of boom of excavator working device[D]. Changchun: College of Biological and Agricultural Engineering, Jilin University,2013.
[19] 张琰,黄河,任露泉. 仿生挖掘机斗齿减阻试验[J]. 吉林大学学报:工学版,2012,42(增刊1):126-130.
Zhang Yan, Huang He, Ren Lu-quan.Drag reduction experiment of bionic excavator bucket teeth[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition),2012,42(Sup.1):126-130.
[1] 熙鹏,丛茜,王庆波,郭华曦. 仿生条纹形磨辊磨损试验及耐磨机理分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(6): 1787-1792.
[2] 郭昊添,徐涛,梁逍,于征磊,刘欢,马龙. 仿鲨鳃扰流结构的过渡段换热表面优化设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(6): 1793-1798.
[3] 田为军, 王骥月, 李明, 张兴旺, 张勇, 丛茜. 面向水上机器人的水黾运动观测[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(3): 812-820.
[4] 刘汉光, 王国强, 孟东阁, 赵寰宇. 液压挖掘机履带行走装置的合理预张紧力[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(2): 486-491.
[5] 钱志辉, 周亮, 任雷, 任露泉. 具有仿生距下关节和跖趾关节的完全被动步行机[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(1): 205-211.
[6] 田丽梅, 王养俊, 李子源, 商延赓. 仿生功能表面内流减阻测试系统的研制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(4): 1179-1184.
[7] 陈东辉, 刘伟, 吕建华, 常志勇, 吴婷, 慕海锋. 基于虾夷扇贝体表结构的玉米茬根捡拾器仿生设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(4): 1185-1193.
[8] 黄晗, 李建桥, 陈百超, 吴宝广, 邹猛. 着陆器足垫冲击特性模型试验[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(4): 1194-1200.
[9] 王颖, 李建桥, 张广权, 黄晗, 邹猛. 基于多种介质的仿生步行足力学特性[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(2): 546-551.
[10] 彭贝, 高宇, 冯培恩, 邱清盈. 液压挖掘机回转启动过程节能技术[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(6): 1912-1921.
[11] 葛长江, 叶辉, 胡兴军, 于征磊. 鸮翼后缘噪声的预测及控制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(6): 1981-1986.
[12] 李梦, 苏义脑, 孙友宏, 高科. 高胎体仿生异型齿孕镶金刚石钻头[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(5): 1540-1545.
[13] 梁云虹, 任露泉. 自然生境及其仿生学初探[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(5): 1746-1756.
[14] 梁云虹, 任露泉. 人类生活及其仿生学初探[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(4): 1373-1384.
[15] 邱清盈, 魏振凯, 高宇, 冯培恩, 殷鹏龙. 挖掘机工作装置疲劳分析方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(1): 159-165.
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[1] 郭孔辉;王爽;丁海涛;张建伟 . 后悬架非对称式橡胶衬套弹性耦合特性[J]. 吉林大学学报(工学版), 2007, 37(06): 1225 -1228 .
[2] 刘松山, 王庆年, 王伟华, 林鑫. 惯性质量对馈能悬架阻尼特性和幅频特性的影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 557 -563 .
[3] 初亮, 王彦波, 祁富伟, 张永生. 用于制动压力精确控制的进液阀控制方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 564 -570 .
[4] 李静, 王子涵, 余春贤, 韩佐悦, 孙博华. 硬件在环试验台整车状态跟随控制系统设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 577 -583 .
[5] 胡兴军, 李腾飞, 王靖宇, 杨博, 郭鹏, 廖磊. 尾板对重型载货汽车尾部流场的影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 595 -601 .
[6] 王同建, 陈晋市, 赵锋, 赵庆波, 刘昕晖, 袁华山. 全液压转向系统机液联合仿真及试验[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 607 -612 .
[7] 张春勤, 姜桂艳, 吴正言. 机动车出行者出发时间选择的影响因素[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 626 -632 .
[8] 马万经, 谢涵洲. 双停车线进口道主、预信号配时协调控制模型[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 633 -639 .
[9] 于德新, 仝倩, 杨兆升, 高鹏. 重大灾害条件下应急交通疏散时间预测模型[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 654 -658 .
[10] 肖赟, 雷俊卿, 张坤, 李忠三. 多级变幅疲劳荷载下预应力混凝土梁刚度退化[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 665 -670 .