一种基于VBA系统的挖掘机工作装置性能仿真计算方法与流程

本发明涉及挖掘机工作装置性能仿真计算领域，具体涉及一种基于vba系统的挖掘机工作装置性能仿真计算方法。

背景技术：

液压挖掘机工作装置在实际作业过程中运动和受力情况都较复杂，工况多变，工作装置作为主要执行动作部件，其结构性能对挖掘机的整体性能、工作可靠性和安全性都有重要的影响。工作装置性能包括挖掘力，作业范围，铰点力，连杆机构效率以及吊重能力等多个方面。目前国内对工作装置性能计算的方法有很多种，包括运用动力学软件，语言编程等，但是一般都针对单个性能，其中方便易用，参数化程度高的较少。

目前大多用多体动力学软件计算挖掘机工作装置性能，常规的分析的流程为：

第一步，三维实体造型软件中建立工作装置的三维实体模型；

第二步，利用三维实体造型软件与多体动力学仿真软件的接口，将实体模型导入多体动力学仿真软件中；

第三步，在多体动力学软件中设定运动副装配关系；

第四步，利用软件对工作装置的动力学特性进行分析。

cn104915477b《一种矿用液压挖掘机挖掘阻力的仿真方法》里面公开的基本技术这样的分析流程。

现有的分析流程繁琐，操作复杂；参数化程度低，不便拓展进行其它基本性能分析(挖掘力云图，挖掘范围)；未实现工作装置性能研究模块化；无法自动提取计算结果，不便对输出数据进行对比展示。

技术实现要素：

为了克服目前液压挖掘机工作装置性能计算存在的参数化程度低，不便拓展其他性能计算等问题，本发明提供了一种基于vba系统的挖掘机工作装置性能仿真计算方法，该方法可以帮助设计出合理的挖掘机工作装置，仿真系统将性能计算模块化，统一输入模板，通用参数化多体动力学模型，自动提取结果并进行处理展示。

本发明采用以下的计算方案：

一种基于vba系统的挖掘机工作装置性能仿真计算方法，包括基于vba的仿真系统，基于vba的仿真系统连接有多体动力学软件，基于vba的仿真系统包括设置模块，设置模块连接有挖掘力计算曲线模块、机构性能曲线模块、挖掘范围模块、整车稳定性模块、油缸理论挖掘力模块和云图模块；

计算方法包括以下步骤：

步骤1：打开基于vba的仿真系统界面，通过设置模块导入模型文件，构建工作装置模型；

模型文件包含挖掘机工作装置铰点坐标参数、质量参数和稳定性计算参数文件；

步骤2：根据需要从挖掘力计算曲线模块、机构性能曲线模块、挖掘范围模块、整车稳定性模块、油缸理论挖掘力模块和云图模块中选择一个或多个模块；

步骤3：步骤2中选择的模块将设置模块中的模型文件传递给多体动力学软件，多体动力学软件自动计算，并自动提取结果，结果包括：

(1)各个铰点力，各个方向分力以及合力；

(2)动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的长度、压力以及受力状态；

(3)各个铰点坐标；

(4)各个姿态最大挖掘力；

步骤4：多体动力学软件提取的结果送至对应的模块进行二次处理，生成图表。

优选地，所述设置模块包括构件外形尺寸单元、构件质量属性单元、稳定性计算参数单元和设置动力学软件路径；

所述构件外形尺寸单元包括动臂的各铰点的相对位置尺寸以及夹角，斗杆的各铰点的相对位置尺寸以及夹角，铲斗的各铰点的相对位置尺寸以及夹角，动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸的相关参数：缸径、杆径、工作压力、闭锁压力、安装距和行程；

构件质量属性单元包括动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的质量，以及质心位置；

稳定性计算参数单元包括挖掘机整机各个部件的质量，以及各部件质心到倾翻线的距离，挖掘机整机各个部件包括：配重、发动机总成、主泵，主阀，液压油箱，履带总成，散热器，回转接头；

设置动力学软件路径用于设置需要调用的多体动力学软件的安装路径。

优选地，所述挖掘力计算曲线模块包括输入界面和计算结果显示界面，输入界面能输入动臂油缸长度、斗杆油缸长度和铲斗油缸长度；

计算结果显示界面能查看工作装置在各个姿态下各个铰点的受力情况，以及各个姿态下限制挖掘力的条件。

优选地，所述机构性能曲线模块包括模块界面和输出界面，模块界面有进行计算、查看上次结果和本地数据查看按钮；

输出界面输出动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的相对受力变化，通过曲线趋势的缓急，判断出各油缸最大受力是在油缸伸出长度是多少的时候。

优选地，所述挖掘范围模块能自动绘制出挖掘范围图，并给出各个关键参数，包括最大挖掘高度，最大挖掘深度，最大工作半径，最大卸载高度，最大垂直壁挖深。

优选地，所述稳定性计算模块进行各个姿态的稳定性计算，给出稳定系数，稳定系数与设定值比较，若稳定系数大于设定值，则整车稳定性满足稳定性要求，小于设置值，则整车稳定性不满足稳定性要求。

优选地，油缸理论挖掘力模块用于从理论上研究运动机构的传动比，计算运动机构的传动效率，修改铰点，输出最大油缸理论挖掘力，以及运动机构的传动比值。

优选地，所述云图模块综合反映在给定的工况下，斗齿尖在一系列位置点上所产生最大挖掘力、影响挖掘力发挥因素。

本发明具有的有益效果是：

本发明实现了工作装置多体动力学模型的参数化，计算分析流程的自动化，基本性能计算的模块化，大大提升计算效率，节约了人员和时间成本。由于本发明将工作装置性能计算模块化，共用一个输入文件，改进其中一个模块时只需在输入文件更改，其余模块不需要重新输入，其它模块自动更新结果，模块化提高仿真效率，使用简单、快捷。

本发明将挖掘机工作装置性能计算模块化，实现数据输入输出统一管理，方便多个方案进行对比。本发明实现工作装置动力学模型参数化以及计算流程自动化，省时省力的完成模型的评价验证和模型改进，可实现批量多工况计算，节约成本和时间，减少设计失败，同时方便拓展基本性能研究。

与以往分析方法相比：

本方法分析手法更加规范；

数据统一管理，方便后期处理；

减少重复性工作，减少错误，提高效率；

便于推广，无需专业多体动力学知识。

附图说明

图1为基于vba的仿真系统的原理图。

图2为本发明计算流程图。

图3为设置模块的界面图。

图4为挖掘力计算曲线模块的输入界面图。

图5为挖掘力计算曲线模块的计算结果显示界面图。

图6为机构性能曲线模块的模块界面图。

图7为机构性能曲线模块的输出界面图。

图8为挖掘范围模块的主界面图。

图9为稳定性计算模块的主界面图。

图10为油缸理论挖掘力模块的输出界面图。

图11为云图模块的输出界面图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

结合图1至图11，一种基于vba系统的挖掘机工作装置性能仿真计算方法，包括基于vba的仿真系统，基于vba的仿真系统连接有多体动力学软件。

基于vba的仿真系统包括设置模块，设置模块连接有挖掘力计算曲线模块、机构性能曲线模块、挖掘范围模块、整车稳定性模块、油缸理论挖掘力模块和云图模块。

计算方法包括以下步骤：

步骤1：打开基于vba的仿真系统界面，通过设置模块导入模型文件，构建参数化的工作装置模型。

例如，动臂的铰点发生变化，修改构件外形参数后，计算时动力学模型自动会跟着变化。所谓参数化，以一个铰点位置为例(x,y,z),xyz值都是可以随时更改，这个铰点的变动，自然会导致构件外形发生变化。

模型文件包含挖掘机工作装置铰点坐标参数、质量参数和稳定性计算参数文件等。

步骤2：根据需要从挖掘力计算曲线模块、机构性能曲线模块、挖掘范围模块、整车稳定性模块、油缸理论挖掘力模块和云图模块中选择一个或多个模块。

步骤3：步骤2中选择的模块将设置模块中的模型文件传递给多体动力学软件，多体动力学软件自动计算，并自动提取结果，结果包括：

(1)各个铰点力，各个方向分力以及合力；

(2)动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的长度、压力以及受力状态；

(3)各个铰点坐标；

(4)各个姿态最大挖掘力。

步骤4：多体动力学软件提取的结果送至对应的模块进行二次处理，生成图表。

图3是设置模块界面，设置模块包括构件外形尺寸单元、构件质量属性单元、稳定性计算参数单元和设置动力学软件路径，在这些单元输入数据进行保存后，下一次可以直接导入保存的数据，不需要再次输入。

设置模块有保存至本地和导入本地参数按钮，通过设置模块将挖掘力计算曲线模块、机构性能曲线模块、挖掘范围模块、整车稳定性模块、油缸理论挖掘力模块和云图模块计算时所需要的数据全部设置保存好，以便后面使用时调用。每个挖掘机机型的数据只要输入一次，相关数据以文件形式保存在本地，下次可以通过导入本地参数按钮直接读取。

构件外形尺寸单元包括动臂的各铰点的相对位置尺寸以及夹角，斗杆的各铰点的相对位置尺寸以及夹角，铲斗的各铰点的相对位置尺寸以及夹角，动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸的相关参数：缸径、杆径、工作压力、闭锁压力、安装距和行程等。

构件质量属性单元包括动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的质量，以及质心位置。

稳定性计算参数单元包括挖掘机整机各个部件的质量，以及各部件质心到倾翻线的距离，挖掘机整机各个部件包括：配重、发动机总成、主泵，主阀，液压油箱，履带总成，散热器，回转接头等。

设置动力学软件路径用于设置需要调用的多体动力学软件的安装路径。

挖掘力计算曲线模块包括输入界面和计算结果显示界面。

输入界面能输入动臂油缸长度、斗杆油缸长度和铲斗油缸长度，并直接计算，可以一次计算一个位置姿态，也可以通过导入文件的形式实现批量多姿态计算。如图4所示。

计算结果显示界面能查看工作装置在各个姿态下各个铰点的受力情况(在默认坐标系下的各个铰点位置，x,y,z三方向受力)，以及各个姿态下限制挖掘力的条件。

图5中的右侧栏有力查看、油缸长度、闭锁限制和返回主页的按钮。点击力查看按钮，会在计算结果显示界面上显示图表类型栏，图表类型栏中有a铰点力-fx、a铰点力-fy、b铰点力-fx、b铰点力-fy、动臂油缸力等选择项，点击对应的选择项，会生成该选择项对应的的图表。

例如，在某一姿态下，计算类型为铲斗挖掘，计算出最大挖掘力是20t，此时斗杆油缸达到最大闭锁压力，那么，限制条件就是斗杆油缸闭锁压力；铲斗挖掘工况下：限制条件分别为：铲斗油缸推拉力，斗杆油缸动臂油缸拉压闭锁压力；斗杆挖掘工况下：限制条件分别为：斗杆油缸推拉力，铲斗油缸动臂油缸拉压闭锁压力。

机构性能曲线模块包括模块界面和输出界面。

模块界面有进行计算、查看上次结果和本地数据查看按钮。如图6所示。

输出界面如图7所示，输出界面输出动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的相对受力变化，通过曲线趋势的缓急，可以判断出各油缸最大受力是在油缸伸出长度是多少的时候。

挖掘范围模块的主界面如图8所示。挖掘范围模块能自动绘制出挖掘范围图，并给出各个关键参数，包括最大挖掘高度，最大挖掘深度，最大工作半径，最大卸载高度，最大垂直壁挖深。不同的设计方案生成的挖掘范围图，可以导入在同一个图上对比，以看出不同方案的优劣。

稳定性计算模块的主界面如图9所示，有工作装置参数栏和计算结果栏，工作装置参数栏能输入连杆、摇杆、动臂等的重量和距倾翻线距离，计算结果栏显示动臂油缸长度、斗杆油缸长度、稳定系数等值。

稳定性计算模块进行各个姿态的稳定性计算，给出稳定系数，稳定系数与设定值比较，设定值为1。若稳定系数大于设定值，则整车稳定性满足稳定性要求，小于设置值，则整车稳定性不满足稳定性要求。

油缸理论挖掘力模块的输出界面如图10所示。

油缸理论挖掘力模块不考虑工作装置各部件重力的影响，只从理论上研究运动机构的传动比，便于设计人员计算运动机构的传动效率，修改铰点；输出最大油缸理论挖掘力，以及运动机构的传动比值。

云图模块的输出界面如图11所示。

挖掘云图是在给定的工况下，斗齿尖在一系列位置点上所产生最大挖掘力、影响挖掘力发挥因素等信息的综合反映。包含的信息多，计算过程复杂，常规的计算方法计算量太大，但是基于vba系统可以轻松实现。挖掘云图输出，是工作装置在不同的姿态下，斗齿尖所能提供的最大挖掘力，横坐标是水平方向距离，纵坐标是高度，平面的每个点是斗齿尖的空间位置，有多少个姿态就有多少个点，可以不同方案的工作装置生成的云图进行前后对比。这个没有具体的判断标准，只要关注的区域挖掘力大小达到要求即可。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。