大型正鏟液壓挖掘機的工作裝置是由回轉機構、動臂、斗桿、鏟斗等多個構件組成的串聯開鏈機構，具有構造簡單、操作方便、運動靈活等優點，得到越來越廣泛的應用。大型正鏟液壓挖掘機過去基本沿用類比作圖法進行設計，工作煩瑣、設計精度低、周期長，且不易獲得各項性能指標都比較滿意的方案，因此正鏟液壓挖掘機的開發通常需要用物理樣機來評價整機的綜合性能，生成周期長、成本高、修改困難。目前，已有不少企業和研究機構對反鏟挖掘機的工作裝置進行了虛擬樣機研究，但對大型正鏟礦用液壓挖掘機的研究很少。
本文用PRO/E軟件建立了正鏟液壓挖掘機虛擬樣機模型，用ADAMS軟件對工作裝置進行仿真分析，有效地避免了物理樣機開發模式存在的缺陷，使產品的開發周期縮短，設計質量得到提高。通過對制造的物理樣機進行測試，對比分析了試驗測試數據，說明該方法可滿足設計要求，同時為正鏟液壓挖掘機物理樣機的制造和新機型設計方案的評估提供了有效的參考數據。
1、虛擬樣機模型的建立與仿真
1.1 正鏟挖掘機虛擬樣機模型的建立
正鏟液壓挖掘機是由回轉機構、動臂、斗桿、鏟斗、動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸、開斗油缸、底盤等構件組成。以CE750正鏟液壓挖掘機為例，采用PRO/E軟件對正鏟液壓挖掘機組成零件進行三維建模，然后以底盤為基礎進行虛擬樣機模型裝配。正鏟液壓挖掘機二維裝配及運動仿真模型見圖1。
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圖1：挖掘機虛擬樣機模型
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1.2模型轉化
利用MSC公司開發的與PRO/E軟件的專用接口MECH/PRO，將在PRO/E建立的整機模型導入仿真軟件ADAMS中。導入ADAMS中的液壓挖掘機虛擬樣機需要重新給各個零件施加約束，結合實際在開斗油缸、鏟斗油缸、斗桿油缸和動臂油缸上共定義了4個移動副，在回轉底座與行走機構之間定義了1個轉動副，在其他剛體各鉸接點位置分別定義了4個轉動副、4個圓柱副、4個球形副和2個固定副。
1.3添加驅動
在油缸缸筒和油缸活塞桿之間直接添加移動驅動。由于4組油缸的對稱性，故將油缸的驅動定義在中性面上，共計施加4個移動驅動；在回轉平臺與行走機構之問的轉動副上施加1個旋轉驅動。經過樣機模型校核，機構的自由度為5，沒有冗余約束，樣機正確。建立的虛擬樣機模型和樣機檢驗結果如圖1所示。
2、仿真分析
2.1運動學仿真
從正鏟液壓挖掘機的2個典型工況加以說明。
2.1.1挖掘范圍的仿真
將開、斗油缸鎖定，然后把動臂、斗桿、鏟斗3組油缸從全縮狀態運動到全伸狀態，從而得到挖掘機的挖掘范圍包絡圖。選取斗齒尖一maker點，追蹤其運動軌跡，運行仿真后得到的挖掘機的挖掘軌跡包絡圖如圖2所示，測量該點X方向和Y方向的位移，進入ADAMS的后處理界面，依據定義可以得到挖掘機的幾個主要作業尺寸。斗齒尖某點的X方向和Y方向位移圖如圖3所示，其中實線表示X方向位移曲線變化圖，虛線表示Y方向位移曲線變化圖。各作業尺寸的具體數值見表1。
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圖2：挖掘軌跡包絡圖
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表1：工作裝置主要作業范圍參數
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圖3：斗齒尖某點的X方向和Y方向位移圖
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分析表中數據可以看出，正鏟液壓挖掘機虛擬樣機模型仿真數據與設計值基本相等，說明建立的模型和仿真方法是正確的。
2.1.2工作裝置水平推壓仿真
本文所研究的正鏟液壓挖掘機工作裝置屬于挖掘裝載裝置，與普通正鏟的主要區別在于它以實現水平直線挖掘為主。所謂水平直線挖掘軌跡，一是要求鏟斗斗齒在挖掘過程中能沿水平地面作直線運動，二是要求斗的切削角(或者斗底對地面的夾角ａ)保持不變。本文所研究的液壓挖掘機采用水平推壓技術，可使鏟斗在停機面上作水平直線運動。它把鏟斗缸直接鉸接在動臂端部，使斗桿、鏟斗缸、動臂上端部、底卸斗等4部分組成一個近似平行四邊形機構，另外通過液壓回路的控制，可使動臂和鏟斗在斗桿推壓時實現浮動，從而實現水平直線作業。
鑒于水平推壓過程是該類型挖掘機的主要挖掘工況之一，本文對該過程進行了虛擬樣機的動態仿真。
選取斗齒尖一標記點maker-122，測量其Y方向的位移，如圖4所示，可以看出在整個推壓過程中其Y坐標值基本保持不變，說明所設計的正鏟液壓挖掘機能較好完成整個水平推壓運動過程。
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圖4：斗齒maker-122標記點Y方向的位移圖
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2.2動力學仿真
正鏟液壓挖掘機的發展較晚，相關理論的研究也很少，且由于其挖掘過程的復雜性，造成對挖掘阻力直接分析非常困難。目前國內外還沒有關于礦用正鏟液壓挖掘機挖掘阻力的經驗公式可循，因此正鏟液壓挖掘機的動力學仿真，不能像反鏟那樣依據有關理論公式計算出的挖掘阻力值，在仿真時作為已知載倚添加以實現整個仿真過程。本文將某70t級礦用正鏟液壓挖掘機進行現場測試所得到的挖掘阻力值，作為仿真的已知載荷，完成挖掘機的動力學仿真。