一种新型正铲挖掘机多环路多体机构动力学建模|CJME论文推荐|运动学|中国机械工程

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引用论文

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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关于文章

研究背景及目的

在工程机械领域，国外已研制出了多款大型正铲液压挖掘机。著名的正铲液压挖掘机生产厂商有美国特雷克斯、美国卡特彼勒、德国利勃海尔和日本小松等。国外性能优异的经典正铲液压挖掘机的核心机构(执行机构)采用的是12杆“强力三角”机构。然而，受到专利限制，国内无法生产这种机型。由于缺乏自主知识产权，国内仅能生产单一的10杆构型的正铲液压挖掘机，性能远不及国外的“强力三角”构型。本团队基于已建立的数字化综合理论，构建了“机构拓扑构型自动综合软件平台”，与三一重机合作研制了我国首台自主产权的大型正铲挖掘机“SY850H（85吨级）”，打破大型正铲挖掘机工作装置（WM）机构被欧美发达国家长期垄断的不利局面。然而目前针对正铲液压挖掘机工作装置这种平面多闭环机构的动力学研究较少，且一般都为简化后的模型，难以精确描述不同构型对WM的动力学特性的影响，更加难以进行后续的深化设计研究。本文针对团队自研国内首台自主知识产权的正铲挖掘机WM，研究具有其多闭环机构特性的完整动力学建模方法，并与传统建模方法进行对比验证。

试验方法

1）基于环路分解，将正铲液压挖掘机的工作装置分解成四个运动子环路，建立子环路中所有运动构件的正向运动学模型；

2）通过环路之间的连接构件，建立各子环路之间的运动关系，在此基础上建立正铲挖掘机工作装置的11个运动构件的正向动力学模型；

3）在正向运动学的基础上，基于虚功原理，建立考虑所有运动构件重力以及惯性力的完整动力学模型；

4）在正向动力学基础上，忽略液压缸等构件的影响，仅考虑动臂、斗杆和铲斗所受外力的简化动力学模型；

5）基于本文建立的两种动力学模型，在Matlab中编写正铲挖掘机工作装置驱动力的求解程序，并分别与Adams中的仿真结果进行对比，分别验证两种模型的有效性；

6）将两种模型在同一运动轨迹下进行Matlab程序下的求解运算和Adams动力学仿真，比较两种模型求解结果与仿真结果的之间的误差。

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

结果

正铲挖掘机工作装置的简化动力学模型和完整动力学模型的驱动力数据在相同的激励轨迹下求解，并对结果进行比较，如图2、图3、图4所示。在图2、图3和图4中，“Complete”是指考虑液压缸等所有主要运动部件计算的驱动力，“Adams”是指Adams软件动力学模拟获得的驱动力结果，“Simple”是指忽略液压缸仅考虑动臂、斗杆和铲斗的动态模型解算结果，“”分别是完整模型与简化模型和Adams模拟结果之间的差异。图2-4（b）显示了两种方法的三组驱动力的结果精度。可以观察到，简化模型的误差比完整模型的误差更明显。为了量化整个轨迹运行过程中的误差与其软件仿真值之间的关系，我们引入了一种周期误差的量化指数。

在遵循论文公式（86）的轨迹的简化动力学模型中，三组驱动力的误差指数分别为0.2109、0.0857和0.0404。在相同轨迹下，完整动力学模型求解结果的误差指数分别为0.0001、0.0002和0.004。对于简化的动力学模型，三个驱动力的误差指数呈下降趋势，这与简化模型简化的载荷在三组驱动副中的下降趋势一致。由于完整模型考虑了作用在所有运动部件上的外力，三种驱动力的误差指数小于简化模型的误差指数。完整模型和模拟之间的细微误差可能是由于某些组件的质量参数和尺寸四舍五入到小数点或软件计算。

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

结论

1）基于环路分解，从正铲挖掘机工作装置的子环路结构中推导出工作装置所有主要运动构件的雅可比矩阵。

2）考虑到包括液压缸在内的主要部件在运动过程中受到的外力，建立了一个更完整的动力学模型。

3）将新的动力学模型与传统简化模型的计算结果进行比较，参考动力学仿真软件的结果，新的完整动力学模型提高了精度。

前景与应用

矿山行业对大型正铲液压挖掘机的需求一直稳定增长。挖掘机在采矿和矿石开采过程中发挥着关键作用，因其高效、强大的挖掘能力和灵活性而受到矿业公司的青睐。然而，由于缺乏自主知识产权，国内仅能生产单一的10杆构型的正铲液压挖掘机，性能远不及国外的“强力三角”构型。目前，本团队研制的国内首台自主知识产权的正铲挖掘机“SY850H（85吨级）”只是一个开端，对其挖掘性能需要进一步深度优化设计，这需要对其建立更完整的动态力学数学模型。本文提出的完整动力学模型建立方法可以极大促进这类大型正铲挖掘机的设计效率，在大型工程机械领域的创新设计方面具有重要意义。

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关于作者

作者团队介绍

丁华锋（通讯作者），二级教授，博士生导师，德国“洪堡学者”，霍英东教育基金获得者。先后获得中、德双博士学位。获第1批中国博士后科学基金特别资助，第43批中国博士后科学基金一等资助，全国百篇优秀博士学位论文提名奖。现为中国机械工程学会理事，中国机械工程学会机器人分会常务理事，武汉市机械工程学会理事长。主持国家、省部级项目18项。发表学术论文100余篇，在研究领域著名期刊Mechanism and Machine Theory、ASME Journal of Mechanical Design、ASME Journal of Mechanisms and Robotics、IEEE/ASME Transactions on Mechatronics、Nonlinear Dynamics等发表SCI收录论文70余篇。获授权发明专利52项，计算机软件著作权22项，出版Springer专著一部。担任国际机构学顶级期刊《Mechanism and Machine Theory》（国际机构与机器理论联合会会刊）副主编（Associate Editor），《中国机械工程》编委。担任国际会议大会主席6次，作大会报告5次。国内外20多个机械领域重要期刊审稿人，国家自然科学基金通信评审人。

丁季松（第一作者），2020年获燕山大学工学硕士学位，2024年获中国地质大学（武汉）工学博士学位。现为江淮前沿技术协同创新中心助理研究员，《Mechanism and Machine Theory》和《IEEE/ASME Transactions on Mechatronics》等期刊审稿人。主要研究方向为平面机构自动综合和动力学建模。

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作者：丁季松

责任编辑：谢雅洁

责任校对：向映姣

审核：张强

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