【文章內容簡介】 計。 裝載機工作機構的 運動仿真 的設計主要是用大型參數(shù)化建模工具 CATIA 對工作裝置先進行三維實體建模，然后實現(xiàn)動態(tài)模擬。為能夠方便的解決在產(chǎn)品設計階段中運動構件在運動過程中的運動協(xié)調關系、運動范圍設計、可能的運動干涉檢查等問題找到一個切實可行的新方法。裝載機虛擬樣機的設計步驟和傳統(tǒng)設計步驟基本相同如圖 121 所示。 圖 121 裝載機工作裝置運動仿真設計步驟 N Y Y Y N N Y 裝載機模型 設計方案 實體建模 干涉檢查分析 N 運動分析 生成工程圖 是否符合設計要求 設計結果是否滿意 9 本章小結 本章主要討論了運動仿真技術產(chǎn)生的背景、狀況及發(fā)展趨勢，介紹了運動仿真應用的領域和實現(xiàn)的過程，指出了課題研究的背景和實際意義，確定了論文所要完成的主要任務和預期目的。介紹了 CATIA 軟件在工程設計中的應用。 10 第 2 章 小型裝載機工作裝置的結構及參數(shù)的確定 為設計小型裝載機工作裝置的虛擬樣機，必須對工作裝置進行機構設計， 通過力學分析確定部分參數(shù)，為工作裝置虛擬樣機應力分析提供理論依據(jù)。 工作裝置的結構 工作裝置是完成裝卸作業(yè)并帶液壓缸的空間多桿機構，是組成裝載機的關鍵部件之一，其設計水平高低直接影響裝載機性能的好壞，進而影響整機的工作效率與經(jīng)濟指標。 裝載機的工作原理及結構組成 裝載機是以柴油發(fā)動機或電動機為動力源，以輪胎或履帶行走機構產(chǎn)生推力，有工作裝置來完成土石方工程的鏟挖、裝載、卸載及運輸作業(yè)的一種工程機械。一場用的輪胎式裝載機為例，期工程過程是發(fā)動機的動力傳給變速箱，再由變速箱經(jīng)過前后傳動軸分別傳送給前、后橋以便車輪轉動，使裝載機工作裝置接近并插入堆料。工作裝置動臂的一端鉸接在車架上， 一端鉸接鏟斗利用轉斗油缸通過搖臂和連桿可使鏟斗翻轉，利用動臂油缸可使動臂繞鉸點旋轉，以舉升、放下鏟斗，完成裝載作業(yè)。 輪式裝載機是由動力裝置、車架、行走裝置、傳動系統(tǒng)、制動、液壓系統(tǒng)和工作裝置等組成。輪式裝載機的動力是柴油發(fā)動機，大多采用液力變矩器，動力換擋變速箱的液力機械傳動形式（小型裝載機有的采用液壓傳動或機械傳動），液壓操縱、鉸接式車體轉向、雙橋驅動、寬寬基低壓輪胎，工作裝置多采用反轉連桿機構。 輪式裝載機的工作機構由鏟斗、動臂、連桿及液壓系統(tǒng)組成，如圖 21 所示。鏟斗用以鏟裝物料；動臂和動臂油缸的作 用是提升鏟斗并使之與車架連接；鏟斗油缸通過搖臂 —— 連桿使鏟斗轉動。動臂的升降和鏟斗的轉動均以液壓操縱。 裝載機工作時，由動臂、動臂油缸、鏟斗、轉斗油缸、搖臂、連桿及車架相互鉸接所構成的連桿機構來保證；當動臂處于某種作業(yè)時，在轉斗油缸的作用下，提升后下降鏟斗的過程中，連桿機構應能使鏟斗平移或近似平移；另外在動臂下降時可以將鏟斗自動放平，以減輕駕駛員的勞動強度，提高生產(chǎn)率。 11 圖 21 輪式裝載機工作裝置圖 鏟斗 托架 轉斗油缸 連桿 動臂 動臂油缸 裝載機工作裝置的設計要求 一般的，對于裝載機工作裝置的設計要求主要包括以下幾個方面： 1） 鏟運功能：鏟斗運動軌跡符合作業(yè)要求，正常完成鏟掘、裝載功能； 2） 平移性：動臂提升過程中，長都保持平移運動，以免斗中物料灑落，工作裝置的平移性就是轉斗缸閉鎖后，動臂在升舉過程中，連桿機構應能使鏟斗在收斗位置保持平移，或使斗底面與水平面夾角的變化不大于 15 度。 如果考慮土壤的安息角，動臂從地面鏟掘位置提升到運輸位置階段，則希望鏟斗收斗要快些；動臂從運輸位置升到上限位置階段，則希望鏟斗保持平移。平移性是為了提高裝載機工作效率而提出的重要指標，無論大型還是小型裝載機都要對平移性有較高的要求。在工作裝置整個作業(yè)工程中，鏟掘工況耗能最多。如果鏟斗平移性較差，在鏟斗舉升過程中，物料就會大量灑落，增加了整機的無功消耗。 3） 掘起力：希望掘鏟力大，且鏟掘是掘起力變化規(guī)律符合工作要求。 4） 干涉性：工作機構各構件之間不允許發(fā)生運動干涉。 5） 傳動角：傳傳動角符合某限制范圍，以保證工作裝置的傳 動性能良好。 6） 機構效率：機構傳動省力，作業(yè)時消耗功率要盡量小。 7） 自動平放：從高位直到最低位置時，顫抖能自動插入物料狀態(tài)。 工作裝置的自動放平性就是動臂在上限位置卸料后，轉斗缸閉鎖，動臂下降至下限位置時，應保持鏟斗自動放平，自動進入下一次的鏟掘狀態(tài)。裝載機工作裝置具有鏟斗自動放平性，一方面，可以提高工作效率，減少每一次工作循環(huán)的作業(yè)時間。另一方面，可以避免鏟斗復位不準而引起的的作業(yè)阻力增加。對于小型裝載機工作裝置，由于經(jīng)濟性限制，鏟斗的自動放平性主要在設計階段完成，即通過合理確定連桿的桿長比例力求解決。 12 8） 卸載 性：滿足卸載高度和卸載距離要求，保證動臂在任何位置都能卸凈鏟斗中的物料。工作裝置的卸載性就是當動臂處于任何作業(yè)位置時，在轉斗缸作用下，應保證鏟斗的卸料角均大于 45 度，即所謂的“任意位置卸料的可能性”。但從實際情況出發(fā)，認為動臂在運輸位置以下時，鏟斗的卸料角小于 45度，也還是可以使用的。因為裝載機很少在低位卸料。在工作裝置的設計中，卸料性主要受限轉斗缸的最小結構長度及其行程。 9） 總體布置要求 :工作裝置的極限工作空間、最大卸載高度及最大卸料距離等應滿足整機性能要求。 10） 在滿足作業(yè)要求的前提下，工作結構簡單、自重輕、 受力合理、強度高；應保證駕駛員具有良好的工作條件，確保工作安全、視野良好、操作簡單和維修方便。 11） 工作裝置的動力性就是鏟斗處于地面鏟掘位置時，工作裝置應有較高的力傳動比，以保證有較大的掘起力。動力性好，可充分發(fā)揮整機及其液壓系統(tǒng)的工作能力，在液壓系統(tǒng)壓力不變的前提下，可獲得較大的掘起力，在設計階段通過調整各桿長度之間的比例，而獲得較好的動力性。 除此之外，表征工作裝置的性能指標還有舉升性能、卸料傳動性能及舉升顫動性能等。 工作裝置的結構計算包括 : (1)確定計算位置 。 (2)選取工作裝置受力最大的典型工況，確定外載荷 (3)對工作裝置進行受力分析。 計算位置的確定 分析裝載機插入料堆，鏟起、提升、卸載等作業(yè)過程可知，裝載機在鏟掘物料時，工作裝置受力最大。取鏟斗斗底與地面的前傾角為 5 度并假定外載荷作用在鏟斗切削刃上的鏟掘位置為計算位置，如圖 22 所示。 13 圖 22 裝載機的鏟掘位置圖 外載荷的確定 由于物料種類和作業(yè)條件的不同，裝載機實際作業(yè)是不可能使鏟斗切削刃均勻受載，一般可以簡化為兩種極端情況 (1)認為載荷沿切削刃均勻分布，并以作用在鏟斗切削刃中點的集中載荷來代替均勻載荷，稱為對稱受載情況 。(2)非對稱受載情況，由于鏟斗偏鏟、料堆密實程度不均，使載荷偏于鏟斗一側形成偏載情況，通常將其簡化成集中載荷作用在鏟斗最邊的斗齒上。 裝載機在鏟掘過程中通常有如下三種受力情況。 (1)鏟斗水平插入料堆，工作裝置油缸閉鎖，此時認為鏟斗切削刃只受到水平力的作用。 (2)鏟斗水平插入料堆后，翻轉鏟斗 (靠動臂油缸工作 )或提升動臂 (靠動臂油缸工作 )鏟掘時，此時認為鏟斗切削刃只受到垂直力的作用。 (3)鏟斗邊插入邊轉斗或邊插入邊提升動臂鏟掘時，此時認為水平力與垂直力同時作用在鏟斗的切削刃上。 綜上述分析可得到如下六種工作裝置的典型工況，如圖 23 所示。 14 圖 23 工作裝置受載的典型工況圖 1 水平力（即插入阻力）的大小有裝載機的牽引力確定，其最大值為 對于輪胎 式（由文獻 [32]可知） ： Rx=PKpmax=Gsφ (21) 式中 PKpmax 裝 載 機 空 載 時 的 最 大 牽 引 力 ； Gs裝載機使用重量； φ 附著系數(shù)； 2 對稱垂直力的工作狀況如圖 23(b)所示； 15 垂直力（既鏟起阻力）的大小受到裝載機的縱向穩(wěn)定條件所限制，其最大值為 Ry=GL1l (22) 式中 G 裝 載 機 空 載 時 自 重 L1 裝 載 機 重 心 到 前 輪 與 地 面 接 觸 點 的 水 平 距 離 l 垂 直 力 Ry的作用點到前輪與地面接觸點的水平距離 3 對稱水平力與垂直力同時作用得工況，如圖 23(c)所示； 此時垂直力是 Ry水平力為發(fā)動機扣除工作裝置油泵功率后所能發(fā)出的牽 引力 PKP（由文獻 [32]可知） 水平力為 PKP=（ Ne?Np） η iΣ 1rkne (23) 式中 Ne 發(fā) 動 機 凈 功 率 （ 馬 力 ） Np 產(chǎn) 生 垂 直 力 N所消耗的工作油泵功率 iΣ 1發(fā)動機至驅動輪之間的頭檔總傳動比；對于液力機械傳動應，包括變距器的變距系數(shù) k； ne 發(fā) 動 機 的 轉 速 （ 轉 /分）； η 傳 動 效 率 ； 對 液 力 機 械 應 包 括 變 矩 器 效 率 ； rk 車 輪 滾 動 半 徑 m。 4 水平偏載的工況 5 垂直偏載的工況 6 水平偏載與垂直偏載同時作用的工況 后三種典型工況的力的計算方法同前，所不同的是僅力作用點假設作用在鏟斗邊齒尖上。 裝載機除了上述六種典型工況外，尚需驗算切土工況，即裝載機利用轉斗油缸作用力把鏟斗刀刃強制切入土中，其極限情況是整機繞后輪接地點轉動，前輪抬起。 在鏟斗斗刃作用有垂直向上的作用力 Ry，則 Ry=GsL2L3 (24) 式中 Gs裝載機自重； L2裝載機重心至后輪軸線的水平距離； L3斗尖至后輪軸線的水平距離。 工作裝置的受力分析 確定了計算位置及外載荷后，便可對工作裝置的受力情況進行分析。 16 工作裝置是一個受力比較復雜的空間超靜定結構，在國內，目前還是用簡化辦法，把空間超靜定系統(tǒng)簡化為平面靜定系統(tǒng)來計算，并輔以測試手段加以校核驗證 。 為簡化計算作如下假定（由文獻 [34]可知） (1)忽略鏟斗和支撐橫梁對工作裝置各構建受力和變形的影響。根據(jù)這個假設，在對稱受載的工況中，如圖 23(a)、 (b)、 (c)利用工作裝置的對稱性，故兩臂承載相等，可取工作裝置的一側進行分析，如圖 24(a)所示。其上作用的載荷取相應工況外載之半進行計算，即 : Rxa = 12Rx ； Rya = 12Ry ； 在非對稱偏載工況中，如圖 23(d)， (e)， (f)近似地用求簡支梁支座反力的方法求出左、右動臂平面內的等效力如圖 24(b)所示。其上作用的載荷為 : Rxa = a+bb Rx ； Rxb = Rx ? Rxa 和 Rya = a+bb Ry Ryb = Ry ?Rya 。由于 Rxa Rxb ； Rya Ryb ；所以取 Rxa與 Rya進行計算。 （ a） 工作裝置一側受力分析圖 （ b） 左右動臂平面內的等效力示意圖 圖 24 工作裝置受力分析計算圖 17 (2)認為動臂軸線與連桿 —— 搖臂軸線處于同一平面內，所有作用力都通過桿件 (除鏟斗外 )斷面的彎曲中心。即略去了由于安裝鉸支座而產(chǎn)生的附加扭矩，從而可以用直線、折線或曲線來代替實際的構件。 根據(jù)上面的假定及分析，就能夠將工作裝置這樣一個復雜的空間超靜定結構簡化為平面問題進行受力計算。 工作裝置的受力計算，可用解析法或圖解法，下面以工況 3為例對工作裝置各構件上的力進行分析和計算