工程机械臂系统结构动力学及特性分析

程川航

摘要：随着建设生产工作要求的不断升高，其对工程机械臂性能的要求也产生了一些变化。基于此，本文主要针对刚柔耦合多体动力学、等效有限元进行分析，并参照工程机械臂系统结构动力学分析结果，分别从运动分析、动态优化两方面提出改善工程机械臂特性的可行方法，为工程机械臂的实践设计工作提供良好的理论参考，进而提升工程机械臂系统的实用价值。

关键词：工程机械臂系统；动力学；动态特性

前言：作为现代建设生产物料搬运的重要工具，工程机械臂的应用节约了大量的人力及物力资源。在这种背景中，工程机械臂的频繁损伤、故障问题引发了人们对工程机械臂系统性能的担忧。为了满足实际物料搬运工作对工程机械臂的要求，需在充分分析工程机械臂存在不足的基础上，运用适宜的方法开展合理的性能优化设计。

一、工程机械臂系统结构动力学分析

为了更好地分析工程机械臂系统结构动力学，这里以液压挖掘机工作装置机械臂为例，分别从以下几方面入手，进行细化分析：

（一）刚柔耦合多体动力学方面

1. 结构要素分析

从结构来看，液压挖掘机机械臂结构的组成要素主要包含液压驱动缸、末端铲斗、动臂以及斗杆等。为了将工程机械臂系统的结构动力学变得更加清晰，可分别根据其末端铲斗、斗杆等的结构分布，建立相应的运动坐标系，以便利用该运动坐标系及相关方法，分析工程机械臂各组成要素的动能、势能。

2. 动力学模型

将液压挖掘机的柔性机械臂作为参照，利用其广义坐标系，于工程机械臂系统拉格朗日方程中带入重力势能、动能以及弹性势能的数值，获取柔性机械臂的广义坐标力，参照虚功原理将该机械臂广义驱动力所做的功精确计算出来，最终通过整理，获得柔性机械臂的柔性动力学方程。经上述分析可知，液压挖掘机工作装置机械臂系统的弹性运动、刚性运动相互耦合特征。

（二）等效有限元方面

在工程机械臂系统的等效有限元分析中，可将液压挖掘机工作装置机械臂作为原型，利用相关动力学分析软件，开展工程机械臂仿真分析。在整个仿真过程中，将液压挖掘机机械臂系统的相关参数信息输入动力学分析软件中，运用分析软件的参数化建模功能，完成工程机械臂三维模型的建立。同时，运用软件参数化建模功能逐一完成铲斗液压缸、斗杆等结构要素的装配工作，所有配件的建模工作完成后，将其组装在一起，形成完整的工作装置机械臂装配。最后运用液压挖掘机机械臂三维模型开展系统结构的动力学分析。在仿真模拟过程中，挖掘作为液压挖掘机机械臂系统的基本动作，确保其动作设置准确的重要性不言而喻。参照液压挖掘机的运用状况，这里将挖掘动作流程标准设置为：下放铲斗、开展挖掘作业、提高铲斗高度、将铲斗旋转90度、下放铲斗、旋转归位。除了铲斗的动作外，整个挖掘仿真过程还需要借助动臂液压缸、斗杆液压缸等的配合。

二、工程机械臂系统结构动力学特性分析

工程机械臂系统（液压挖掘机工作装置机械臂）的结构动力学特性分析可通过如下方法完成：

（一）运动分析方面

通过我国当前工程机械臂应用状况的分析可知，目前，这种系统已经在开采工程、建筑施工等领域得到了广泛的推广应用。在实际工程施工过程中，工程机械臂的施工质量主要受到机械臂系统结构动力学特性的影响。

为了更好地分析机械臂系统结构的动力学特性，这里将单斗反铲机械臂系统作为研究对象，对其运动过程进行分析：在工作状态下，液压控制系统最先开始作用，促使系统的动臂液压缸产生一定压力，借助压力带动动臂围绕系统铰点进行转动。同时，斗杆液压缸也会产生一定的压力，在这种压力作用的趋势下，斗杆开始将系统的上铰点作为中心进行摆动[1]。而在铲斗正式被铰接于斗杆上之前，铲斗液压缸借助压力作用驱动系统連杆、摇杆同时进行作用，促使铲斗围绕系统的前铰点开始转动。

经过上述分析可知，液压挖掘机机械臂这种多体系统的结构动力学特性优势主要在于：其复杂组成为其在实践工作中的应用提供了灵活的动力学基础。当因施工需要要求变换方向或位置时，液压挖掘机机械臂可于任意角度、任务范围进行变更调整。由于这种工程机械臂受力、运动流程的复杂性，其实际挖掘效率、施工质量与动力学特性之间的关联也变得十分密切。

（二）动态优化方面

随着工程机械臂应用范围的不断扩大，工程机械臂在帮助人们快速完成物料搬运任务的同时，工程机械臂系统的使用问题也逐渐受到越来越多人的关注。

从本质角度来讲，工程机械臂系统使用寿命的缩短主要与其结构动力学特性设计、实际结构强度之间的关系有关。在实际设计过程中，若工程机械臂的结构强度符合结构动力学特性设计的要求范畴，则工程机械臂系统的整体使用寿命相对较长，机械臂能够在开采施工、建筑施工等领域发挥出极大的价值。相反，当工程机械臂的机械结构强度超出结构动力学特性设计标准时，在使用过程中，工程机械臂系统很容易出现损伤或相关故障问题。

因此，参照机械臂系统结构动力学特性进行优化设计具有一定的现实意义。在动态优化设计过程中，将工程机械臂的结构动力学分析结果作为基本资料，按照动力学特性设计的限值，对机械臂整体结构进行合理优化，引入增广拉格朗日乘子法，确定当前工程机械臂系统结构参数的优化值，最后利用所得优化参数对系统性能进行优化更新，实现提高工程机械臂系统性能的目的[2]。

除了上述方法之外，工程机械臂系统特性的优化工作还可以借助BP神经网络来完成。借助BP神经网络的非线性映射功能，对工程机械臂中不同动态特性间的函数关系进行自动模拟分析，如利用非线性映射能力确定机械臂系统二阶固有频率、系统工作装置设计变量的函数关系。为优化对象工程机械臂系统建立对应的神经网络模型，运用遗传算法逐一将机械臂模型各参数的最优化数据确定出来，最后利用上述参数进行优化设计，以降低工程机械臂的最大动应力、动位移等参数，实现改善工程机械臂动态特性的目的。

实验结果表明，运用BP神经网络进行动态优化处理后，与原工程机械臂系统结构动态特性相比，优化后的最大动位移、最大动应力分别减少49%、54%。因此可认为，BP神经网络动态优化方法能够有效改善工程机械臂系统的性能，提升机械臂工作效率与工作质量。

结论：通过上述分析可知，分析工程机械臂系统结构动力学及特性能够为机械臂系统的性能优化提供可靠的理论基础。针对目前工程机械臂系统的广泛应用现状，可将工程机械臂系统结构的动力学分析结果作为基础，通过分析运动特性的方式评估工程机械臂的性能，并利用BP神经网络方法，得出工程机械臂系统参数的优化数值，实现动态优化设计，使得优化后的工程机械臂系统更加符合建筑施工的高强度工作要求。

参考文献：

[1]孙敦元. 工程机械臂系统结构动力学及特性研究[J]. 中小企业管理与科技（下旬刊），2017，（01）：176-177.

[2]]吕晓雯. 柔性机械臂二维平面内轨迹精确跟踪的分数阶PID型迭代学习控制策略研究[D].山东大学，2015.