成品油管道管沟开挖装置的动态仿真

【摘 要】 成品油管道管沟开挖装置的动态仿真主要根据用户输入的设计参数，由计算机生成可视二维实体图形，使设计者通过分析开挖装置的运动轨迹，便可从各个视点观察设计效果并进行结构运动仿真，提高了设计的准确性、可靠性及标准化程度。

【关键词】 模拟 挖掘机 包络图 动态仿真 轨迹

1 概述

近年来，随着国内成品油管道规模的不断扩大的同时，长输管道泄漏事故也不断增加，由于长输管道一般采用埋地敷设，在运行过程中，受到各种各样的自然和人为因素的影响，导致在运行中出现泄漏，而成品油管道输送的压力又较大，最高可达10MPa，大大增加了事故的危险性。为了确保输油生产安全，需要及时对泄漏的管道进行堵漏，而管道管沟的开挖则是管道堵漏的关键。对成品油管道，由于成品油比原油更具有易燃、易爆、易蒸发的特点，极易发生火灾、爆炸事故，需要采用可遥控自动行走的挖掘机，以实现管道在较高压力下泄漏时，远程遥控进行管道泄漏段的自动开挖方案，从而保证维抢修人员的安全。

为了更好了解挖掘机在自动开挖下的状态，利用计算机进行动态仿真无疑是一种好方法，通过对挖掘机开挖动作的模拟，可以确定机器与环境的关系，确定挖掘机的运动路径，判断机械作业的可行性，评定挖掘机的作业性能，使设计人员在极短时间内获得最佳管沟开挖方案。

2 挖掘机二维作业性能仿真

根据用户给定的原始数据，调用挖掘机参数化绘图程序绘制挖掘机图。然后调用VB程序绘制平面简图、包络图及挖掘图并对工作装置进行二维动态仿真[1]。以检查挖掘机的作业范围、主要作业参数、挖掘力等，对设计方案给以初步评价。

挖掘机工作装置是由动臂、斗杆、铲斗及其各自的油缸组成，用来完成挖掘、起升和卸料等运动功能。当其各构件的尺寸确定之后，其运动情况便取决于各个油缸的工作位置。

2.1 挖掘机作业包络图

图1左边显示出挖掘机的作业包络图，即挖掘机工作过程中斗齿尖的运动轨迹所描绘的挖掘机作业范围反映了挖掘机作业能力指标之一，同时也可以事先了解挖掘机作业轨迹。根据不同结构尺寸参数的配合可以得到不同的包络图形状及面积，以适应不同的作业要求。

图1右边数据框显示出挖掘机工作装置处于不同特殊工作位置的斗齿尖位置数据。其中图1左边中的位置对应着图1右边中最大挖掘高度的位置。通过在图1右边中的方框中输入不同参数，取不同的命令按钮就可在图1左边图框中显示出相应的工作位置。并同时在图1右边中显示与该位置相对应的斗齿尖位置参数值。

2.2 挖掘机综合轨迹图

图2表示挖掘机在整个挖掘过程中的综合轨迹线。当动臂缸、斗杆缸和铲缸按一定的顺序动作时，可动态显示出铲斗的挖掘情况，同时绘制出斗齿尖在整个运动过程中的最大范围，构成挖掘包络图，借此可以观察到挖掘机在设计参数下的最大挖掘深度、最大卸载高度及最大挖据半径等。

3 挖掘机工作性能指标分析

在进行挖掘机工作性能分析前，先假设挖掘机的一些基本参数：挖掘机动臂、斗杆和铲斗长分别为：；履带长为：；履带宽（半径）为：；单位均为。动臂的摆角范围为：；斗杆的摆角范围为：；铲斗的摆角范围为：。

挖掘机主要性能指标有：最大挖掘深度、最大卸载高度、停机面最大挖掘半径和最小半径、生产率、挖掘力等。当下置式动臂油缸全缩时，即动臂摆角取下限；斗杆和铲斗都取时，即bcd处于垂直状态时，此时即得到最大挖掘深度：

当下置动臂缸全伸时，即动臂摆角为上限：；斗杆缸全缩，摆角取；铲斗油缸全缩时，即铲斗摆角取其上限为：，即可得到最大挖掘高度：

当下置动臂缸全伸时，即动臂摆角为上限：；斗杆缸全缩，摆角取；铲斗摆角取，即cd连线处于垂直状态时可得到最大卸载高度：

当动臂油缸全伸，bcd三点处于同一水平线，即斗杆和铲斗摆角都取0，且Y=0时，可得到停机面最大挖掘半径：

当动臂油缸全缩，铲斗摆角取，且Y=0时，可得到停机面最小挖掘半径：

挖掘力是由铲斗缸或斗杆液压缸的推力所产生在斗齿尖处的力的大小，可由下式求得：

其中，为铲斗缸或斗杆液压缸的作用力；为其作用面积；为油缸活塞杆到铲斗之间的机构传动比。

挖掘机作业循环时间由下式给出：

式中：、、、分别为挖掘时间、起升时间、回转时间和卸料时间[3]。

挖掘机的生产率是主要技术经济指标之一，它表示单位时间内挖掘土石并卸到车辆上的体积大小，由下式给出：

式中：是铲斗几何容积；是每分钟工作循环次数[4]。

在这里，主要关注挖掘机在不同工况下各杆件的运动、位置情况，而对、和不作具体深入研究。

4 结语

挖掘机计算机仿真是利用VB计算机语言来动态模拟出挖掘机在不同工况下其工作装置在不同位置时各杆件的运动情况，并在屏幕上显示出工作装置的各个工作位置、工作过程及斗齿尖的挖掘轨迹和工作区域。

挖掘机运动模拟软件，能够正确、直观、清晰地反映出各种工况下工作装置的各个工作过程，并可验证工作装置设计的合理性和正确性，同时可为后续挖掘机轨迹控制提供参考。

参考文献：

[1]刘瑞新，李树东等.VisualBasic程序设计教程.电子工业出版社，2000.

[2]黄宗益，王康等.挖掘机工作装置轨迹控制.建筑机械，1998.

[3]于国飞，宋文荣等.基于Matlab的挖掘机工作装置动力学方程.农业机械学报，2003，34（2）.

[4]李杨民，吴洪涛等.液压挖掘机铲斗机构的多体系运动学分析.建筑机械，1993（2）.