劉 斌 徐滬萍 王 磊
武漢理工大學物流工程學院 武漢 430063

摘 要：以配備液壓破碎錘的反鏟挖泥船反鏟挖泥機為研究對象，簡單介紹加裝液壓破碎錘方案，然后運用動力學理論和相關的動態仿真軟件，通過建立反鏟挖泥機的剛柔耦合模型，模擬計算獲得反鏟挖泥機作業過程中臂架結構的主要節點應力分布情況以及危險節點的動態響應應力歷程，為反鏟挖泥機加裝破碎錘提供一定的參考。

關鍵詞：反鏟挖泥機；動力學；剛柔耦合；動態應力

中圖分類號：TH213.4 文獻標識碼：A 文章編號：1001-0785（2018）07-0108-05

隨著我國疏浚行業的逐步發展，與之配套的疏浚裝備面臨的考驗也越來越多，目前在大型反鏟挖泥機頭部配備液壓破碎錘進行水下破碎作業，能有效縮短施工周期，值得研究、推廣。本文針對HB10000 型液壓破碎錘結構體與挖泥機臂架系統本身連接的可行性進行了分析和研究，運用動力學理論以及相關的仿真軟件（ADAMS）進行臂架結構的動力學分析。

1 反鏟挖泥機加裝破碎錘結構方案
配備有液壓破碎錘（HB10000 型）挖泥船挖泥機裝配總圖如圖1 所示。新設計的破碎錘支承架結構為箱型結構，其與小臂頭部和直連桿連接的銷孔位置鑲有耐磨襯套，連接銷軸和端蓋均采用原鏟斗與小臂及直連桿連接的銷軸。當需要破碎錘進行水下破巖作業時，拆卸鏟斗連接銷軸，安裝破碎錘支承架，然后再安裝破碎錘。

2 反鏟挖泥機剛柔耦合虛擬樣機
對于諸如大臂、小臂、連桿、破碎錘支承架需要重點研究關注其結構強度的構件，把它們作為柔體處理；液壓缸的閉鎖功能使液壓缸皆處于固定狀態，一般只需要在模型仿真分析中提取得到其作用力，因此，將液壓缸組作為剛體處理；同時將破碎錘作為剛體處理。利用Ansys 建立有限元模型生成相應的MNF 模態中性文件，將對應的構件通過ADAMS接口讀取后，添加約束關系。添加約束后的BA1100 反鏟挖泥機剛柔耦合虛擬樣機臂架系統虛擬模型[1，2] 如圖2 所示。

1. 破碎錘 2. 破碎錘支承架 3. 直連桿 4. 鏟斗連桿 5. 鏟斗液壓缸(2 個) 6. 小臂
7. 小臂液壓缸(2 個) 8. 大臂 9. 大臂液壓缸(2 個) 10. 轉臺 11. 回轉支承 12. 支承圓筒
圖1 加裝破碎錘挖泥機裝配總圖

圖2 反鏟機臂架剛柔耦合虛擬樣機

3 工況確定及載荷計算
3.1 工況分類
選擇5 種典型工況進行分析：工況1 反鏟機處于10 m 幅度、水下5 m 挖深位置進行鑿巖作業，水位線以上的臂架結構受到蒲氏8 級風力作用，水位線以下的臂架結構受到水流作用（流速為3.3 m/s），考慮船舶橫傾1°；

工況2 反鏟機處于10 m 幅度、水下25 m 挖深位置進行鑿巖作業，水位線以上的臂架結構受到蒲氏8 級風力作用，水位線以下的臂架結構受到水流作用（流速為3.3 m/s），考慮船舶橫傾1°；

工況3 反鏟機處于20 m 幅度、水下25 m 挖深位置進行鑿巖作業，水位線以上的臂架結構受到蒲氏8 級風力作用，水位線以下的臂架結構受到水流作用（流速為3.3 m/s），考慮船舶橫傾1°；
工況4 反鏟機處于25 m 幅度、水下5 m 挖深位置進行鑿巖作業，水位線以上的臂架結構受到蒲氏8 級風力作用，水位線以下的臂架結構受到水流作用（流速為3.3 m/s），考慮船舶橫傾1°；工況5 反鏟機處于25 m 幅度、水下20 m 挖深位置進行鑿巖作業，水位線以上的臂架結構受到蒲氏8 級風力作用，水位線以下的臂架結構受到水流作用（流速為3.3 m/s），考慮船舶橫傾1°。

3.2 載荷計算
3.2.1 自重載荷
反鏟機臂架系統結構的自重載荷

式中：G1 為轉臺自重，G2 為液壓缸組自重，G3 為大臂結構自重，G4 為小臂結構自重，G5 為液壓破碎錘結構自重，G6 為鏟斗連桿結構自重，G7 為直連桿結構自重，G8 為液壓破碎錘支承架結構自重。

3.2.2 外部載荷
反鏟機進行鑿巖作業時，外部載荷主要有錘體結構的反作用力、臂架系統結構受到水的浮力以及水流的沖擊、海風對臂架系統的風阻力、風浪引起的船舶傾斜載荷。

1）破碎錘反作用力
阿特拉斯科普克液壓破碎錘HB10000 參數為機身質量10 000 kg、驅動液壓16 ～ 18 MPa、打擊頻率250 ～ 380 次/min、最大輸入功率159 kW、緩沖力170 kN。取HB10000 破碎錘最小反作業力為170 kN。

2）水的浮力

挖泥機在水中進行破巖作業時，臂架系統還受到水的浮力作用，有

式中：ρ 為水的密度，V 1 為液壓破碎錘體積，V 2為破碎錘支承架的體積，V 3 為小臂液壓缸體積，V 4 為小臂于水中部分的體積，g 為重力加速度。

3）迎風阻力和水流沖擊載荷
迎風阻力和水流沖擊載荷大小與反鏟機結構所處的工作姿態有關。臂架進行水下破巖作業時，位于水面以下的部分會受到水流的沖擊作用，位于水上的結構將受到風力作用。迎風面積取垂直于臂架系統變幅平面，用S1 表示，根據相關標準，風力系數c=1.5，風壓q=267.8 N/m2，
故風載荷

迎水面積同樣取垂直于臂架系統變幅平面，迎水面積S2，參考風力系數c=1.5，水壓 ， 水流速
度v=3.3 m/s，則水流沖擊載荷

迎風阻力和水流沖擊力的合力F=F風+F水。
迎風阻力和水流沖擊力對挖泥機臂架系統結構作用的加速度

4）船舶橫傾載荷
挖泥船在進行作業時，一般都伴隨有波浪的影響，考慮船舶橫傾角度1°，不考慮船舶縱傾（一般船舶左右搖擺即橫傾角度明顯大于縱傾角度），重力加速度沿水平方向X 軸的加速度分量

重力加速度沿豎直向下方向Y 軸的加速度分量

3.3 載荷組合
挖泥機破巖作業載荷組合見表1。

4 動力學仿真及分析
根據所述5 種典型工況和表1 的載荷組合， 在ADAMS 軟件內對臂架剛柔耦合模型施加邊界條件，進行動力學仿真分析[3]，本文只展示了工況1 最低和最高破碎錘作業頻率的分析結果。

4.1 工況1 破碎錘作業頻率250 次/min
工況1 作業頻率為250 次/min 時，挖泥機臂架系統整機應力云圖見圖3。對應力值較大的節點信息進行提取，如圖4 所示。

圖3 工況1 作業頻率250 次/min 整機應力云圖

圖4 大臂、小臂、支承架最大應力節點動態應力曲線

1）最大應力節點出現在破碎錘支承架上, 最大應力值在0 時刻出現, 說明此工況下破巖作業的初始瞬時階段有較大的沖擊；

2）各個柔性體構件的最大應力值并不是出現在同一時刻；

3）大臂和破碎錘支承架應力值較大，小臂應力值適中，連桿的應力值很小，說明此工況下，大臂、破碎錘支承架以及小臂為主要的承載構件；

4）0 時刻之后，破碎錘支承架上節點應力迅速減小，大臂上節點應力由較大值迅速減小到一較穩定值后呈正弦波動變化, 小臂上節點應力由較小值迅速增大到一較穩定值后呈正弦波動變化，大臂、小臂、支承架明顯受到載荷沖擊；

5）三條曲線0 時刻載荷的驟變反映出，破碎錘破巖初始階段臂架系統受到載荷的沖擊作用較明顯，經過較短時間后節點應力均趨于穩定，呈正弦變化波動，臂架系統整體受載良好。

通過對臂架系統液壓缸組的約束鉸點進行監測，得到液壓缸組（大臂液壓缸、小臂液壓缸、鏟斗液壓缸）的受力曲線，如圖5?？梢园l現：1）初始時刻大臂液壓缸和小臂液壓缸受到載荷波動變化非常明顯，載荷波動很大，液壓缸組結構明顯受到初始載荷的沖擊，鏟斗液壓缸受力相對大、小臂液壓缸組很小；2）液壓缸組的受力在短時間的沖擊之后, 都趨于穩定，呈正弦趨勢變化。

圖5 液壓缸組受力曲線

4.2 工況1 破碎錘作業頻率380 次/min
工況1 作業頻率為380 次/min 時，挖泥機臂架系統整機應力云圖如圖6。對應力值較大的節點信息進行提取，如圖7 所示。

圖6 工況1 作業頻率380 次/min 整機應力云圖

圖7 大臂、小臂、支承架最大應力節點動態應力曲線

1）最大應力節點出現在破碎錘支承架上，最大應力值在0 時刻出現；2）各個柔性體構件的最大應力值并不是出現在同一時刻；3）大臂和破碎錘支承架受力較大，小臂受力適中，連桿的應力值很小，說明此工況下，大臂、破碎錘支承架以及小臂為主要的承載構件；4）0 時刻之后，破碎錘支承架上節點應力迅速減小，大臂上節點應力由較大值迅速減小到一較穩定值后呈正弦波動變化, 小臂上節點應力由較小值迅速增大到一較穩定值后呈正弦波動變化，大臂、小臂、支承架明顯受到載荷沖擊；5）三條曲線0 時刻載荷的驟變反映出，破碎錘破巖初始階段臂架系統受到載荷的沖擊作用較明顯，經過較短時間后節點應力均趨于穩定，應力值大小適中，呈正弦變化波動，臂架系統整體受載良好。通過對臂架系統液壓缸組的約束鉸點進行破巖作業全程力的監測，得到液壓缸組的受力曲線，如圖8。可以發現：1）初始時刻大臂液壓缸和小臂液壓缸受到載荷波動變化非常明顯, 載荷波動很大, 液壓缸組結構明顯受到初始載荷的沖擊, 鏟斗液壓缸受力相對較大、小臂液壓缸組很小；2）液壓缸組的受力經過短時間的沖擊之后，都趨于穩定，呈正弦趨勢變化。

圖8 液壓缸組受力曲線

4.3 對比分析
1）柔性體結構受力對比對工況1 兩種情況下的柔體結構件熱點信息進行對比分析：臂架系統在全程仿真時間3 s 內的最大應力值出現在統一構件、同一時刻，均為0 時刻，應力大小均為64.24 MPa，均為同一節點625。但是通過對柔性體構件的熱點信息統計（如表2），除了支承架外，大臂、小臂、連桿的最大應力值大小、出現時刻、節點號均不同，說明在作用力相同時，載荷頻率的不同對臂架系統的受力有影響。

2）液壓缸受力狀態對比
通過對比兩種頻率下液壓缸的受力曲線可以得到3組液壓缸組的最大推力值（見表3），液壓缸組的受力大小基本相同，但是最大推力值存在不同步現象，另外，高頻下的液壓缸受力曲線的正弦特性有些失真。

受篇幅限制，本文僅展示工況一的分析情況，其他4 種工況與工況1 的分析結果相似，區別在于最大應力值不同。臂架系統18 m 大臂結構和13.5 m 小臂結構材料均選用D550 材料，破碎錘支承架材料為DH36。根據上述5 種典型工況的動力學計算結果分析，大臂結構和小臂結構及破碎錘支承架動態應力均小于材料許用應力。反鏟挖泥機液壓缸組的工作壓力為29 MPa。各工況下最大油壓為17.4 MPa，小于液壓缸組的額定工作油壓，液壓缸組在進行破巖作業時，液壓系統承受的壓力在許用范圍內，液壓缸組能滿足破巖作業要求。

5 結論
利用有限元分析軟件Ansys 建模得到挖泥機臂架系統中大臂、小臂、連桿、支承架的MNF 模態中性文件，進而通過ADAMS 柔性體接口讀取文件得到柔性體, 最后完成挖泥機臂架系統的虛擬樣機模型, 根據工況要求進行了動力學仿真分析。對動力學分析結果的處理：對柔性體構件提取結構件的最大應力節點表和最大應力節點動態應力曲線。仿真分析結果表明反鏟挖泥機臂架系統結構在進行破巖作業過程中大臂、小臂、連桿、支承架等鋼結構件的強度滿足要求。對大臂、小臂、鏟斗3組液壓缸組，分別提取了液壓缸組的受力曲線，提取各工況下各液壓缸的受力最大值換算得到的最大油壓值。仿真計算結果表明，三組液壓缸組均受載良好。對加裝破碎錘后反鏟挖泥機臂架系統動力學計算校核結果表明，“津泰”船反鏟機加裝液壓破碎錘在結構上是可行的，能夠滿足破碎錘水下施工的破巖工作。

參考文獻
[1] 戴洪光. 基于ADAMS 平臺的柔性體仿真理論的若干研究[D]. 合肥：合肥工業大學,2008.
[2] 李華帥. 基于ADAMS 的滾子夾套式回轉支承的動態仿真[J]. 港口裝卸,2015（3）.
[3] 郭衛東．虛擬樣機技術與ADAMS應用實例教程[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2008.

總結

以上是生活随笔為你收集整理的abaqus生成adams柔性体_基于ADAMS 的大型反铲挖泥机加装破碎锤 结构动力学分析的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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