拉臂车动力学仿真模型的建立及标定

辛立刚 闫泽双 张桂昌

关键词：拉臂车 测试 动力学仿真 标定

1前言

拉臂车作为目前城市垃圾转运的主力车型.在我国保有量巨大。得益于其使用成本低廉、液压装置稳定可靠等诸多优点.拉臂车深受市政环卫部门的青睐。

在国外，拉臂车的研究及应用已经有几十年的经验，已经形成较为先进的理论和成熟的技术.拉臂钩不但在环卫工作方面得到普遍的应用.在许多涉及集装箱装卸的场合也得到广泛的应用。

国内对于拉臂车的研究比较少，自上世纪80年代引入拉臂机构后，1991年才有产品装车销售。随着国家和社会对于环卫工作的愈发重视。拉臂车生产企业以及研究机构对于拉臂车的研究越来越多。

本文针对以往的研究.提出了一种较为完备的拉臂车动力学仿真模型的建立和标定方法.该方法的特点是将测试与建模过程相耦合.建模后使用測试数据验证模型准确性。这种方法可以有效获得更准确的拉臂车工作过程的载荷曲线，为拉臂车的强度校核及轻量化提供准确的载荷输入，同时也提升了强度校核工作以及轻量化工作的可信度。

2拉臂车动力学模型的建立

2.1试验测试

a.测试样件。额定载质量为14t的拉臂车拉臂机构，被测拉臂机构完成装配并达到出厂验收标准。

b.测试载荷。采用14t质量块代替垃圾装载在测试台架。

c.测试工况。测试拉臂车钩臂钩起载荷的全过程，即钩首钩住垃圾箱钩环，液压缸活塞杆收缩，拉臂机构将垃圾箱从地面拖拽到车架上.装箱过程完成。

d.测试设备。欧尔博DSS-M拉绳式位移传感器、HDA4748-H-0400.000压力传感器、HMG 3010手持式数据采集仪、35MPa液压泵站（为2个液压缸提供动力）及安装平台等。

e.测试方法。如图1所示，拉臂机构的车架固定在安装平台上，安装在液压缸上的欧尔博Dss-M拉绳式位移传感器连接HMG 3010手持式数据采集仪，测取液压缸活塞杆收缩的位移。安装在液压缸有杆腔与无杆腔的HDA4748.H-0400-000压力传感器.也连接HMG 3010手持式数据采集仪，测取液压缸有杆腔与无杆腔的压差，用于计算获取活塞杆的拉力或压力。

￡测试数据处理。HMG3010手持式数据采集仪可实时采集位移传感器数据以及压力传感器数据，采集频率设置为1Hz。将采集到的位移曲线求导获得速度曲线。如图2所示。压力传感器同时获得有杆腔与无杆腔的压力.分别计算有杆腔与无杆腔两端受力.计算差值得到活塞杆的受力。受力曲线如图3所示。

2.2建立模型

建立拉臂车上装部分的模型，该模型主要由图4所示的12个部件组成，为简化模型，将上装的车架与安装平台建模时建成一体。其中油缸与安装平台、活塞杆与钩臂、钩臂与安装平台、车架滚轮与安装平台、载荷架滚轮与载荷架建转动副。油缸与活塞杆建滑动副，载荷块与载荷架、载荷架滑道与载荷架、载荷架挂钩与载荷架、钩首与钩臂、安装平台与地面、地面滑道与地面建立固定副，钩首与载荷架挂钩、载荷架滚轮与地面滑道、载荷架滑道与车架滚轮建立实体接触副，并激活摩擦力计算。该模型涉及到的接触副均为钢与钢的接触，接触刚度设置为2000，阻尼系数为默认值，钩首与负荷架之间采用大的阻尼系数，过滤小振动数据，防止仿真时钩首与载荷架挂钩脱离，此处接触静摩擦因数设置为0.3，动摩擦因数0.1，其余位置的接触静摩擦因数0.1'动摩擦因数0.7，此模型共建立15对固定副、12对转动副、2对滑动副、11对接触副.最终模型如图4所示。

模型建立后对两个滑动副施加速度驱动.活塞杆的运动速度直接关系到载荷的加速度，影响各位置的受力，因此活塞杆速度的正确性.对仿真模型的计算结果影响较大。根据图2所示的测试速度曲线简化得到施加到滑动副上的速度曲线，测试速度波动比较大。为简化计算，将波动

在adams使用step函数方式设置活塞杆运动速度。简化速度曲线的函数表达如下所示：

分别对载荷架以及载荷块设置质量属性.载荷架主要为钢铁结构，密度设置为7800kg/ms，载荷块为钢筋混凝土，平均密度设置为2000kg/ms，总质量为13.2t，与试验测试时的载荷大小相同。

所有滚轮处设置滚动摩擦，参数按照默认系数设置，总共进行43s的动力学仿真.得到拉臂钩拉起大箱整个过程动力学特征曲线。

2.3模型验证

为验证动力学仿真模型的正确性，提取仿真得到的活塞杆受力曲线，对比仿真数据与测试数据。活塞杆测试受力与仿真受力的对比如图6所示。两种受力曲线趋势相同。在最初拉动载荷的时候活塞杆上受力最大。之后随着载荷块的拉起，活塞杆受力减小，直至钩首摆过最高点，开始往下运动时，载荷块压在钩首上，活塞杆受力由拉力变为压力。如图6中A处所示.直至载荷架滑道与车架滚轮相接触，初始接触时，载荷块重心在接触点的外侧，在该重力作用下，活塞杆受力由压力变为拉力。如图6中位置B所示，随着载荷架被拉到安装平台上，载荷块重心转移到接触点的内测。在该重力作用下。活塞杆受力再次由拉力变为压力。如图6中位置C所示.仿真数据曲线与测试曲线趋势完全吻合。

对测试数据及仿真数据取43个整秒的数据，计算测试数据与仿真数据的差值及误差百分比。如图7所示.第2秒时的差值比较大，接近10000N，但误差为4.5%，符合工程计算的需要。43个对比点中，有4个点的误差超过5%，第22s时，差值900 N，误差-6.41%。28s与29s时正是载荷架滑道与车架滚轮相接触时，油缸受力接近零，差值在100N以内，误差分别为7.43%与7.13%。第43 s时，差值2 19N'误差6.08%。43个整数秒数点误差在5%以内的占90.69%。误差在5%-8%以内的占9.31%。仿真精度可以满足工程计算的需求。

3结语

通过试验测试与仿真相结合的方式.可以更加准确地建立拉臂车工作过程的动力学仿真模型。本文通过试验测取到工作过程的油缸位移曲线，计算得出油缸运行的速度，将速度转化为adams中的step函数，精确定义拉臂车动力学模型的驱动速度，并使用测试获得的活塞杆受力验证模型准确性，对比仿真获得的受力曲线以及测试获得的受力曲线，曲线趋势一致，且对比43个取样点，90.69%的数据点误差在5%以内，9.31%的数据点误差在5%～8%。且差值均在1000N以内，满足工程计算的需求。该方法得到的动力学模型可为拉臂车的强度校核及轻量化提供准确的载荷数据。