【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 計(jì)。 裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)的 運(yùn)動(dòng)仿真 的設(shè)計(jì)主要是用大型參數(shù)化建模工具 CATIA 對(duì)工作裝置先進(jìn)行三維實(shí)體建模，然后實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬。為能夠方便的解決在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段中運(yùn)動(dòng)構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)關(guān)系、運(yùn)動(dòng)范圍設(shè)計(jì)、可能的運(yùn)動(dòng)干涉檢查等問(wèn)題找到一個(gè)切實(shí)可行的新方法。裝載機(jī)虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)步驟和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟基本相同如圖 121 所示。 圖 121 裝載機(jī)工作裝置運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)步驟 N Y Y Y N N Y 裝載機(jī)模型 設(shè)計(jì)方案 實(shí)體建模 干涉檢查分析 N 運(yùn)動(dòng)分析 生成工程圖 是否符合設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)結(jié)果是否滿(mǎn)意 9 本章小結(jié) 本章主要討論了運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)產(chǎn)生的背景、狀況及發(fā)展趨勢(shì)，介紹了運(yùn)動(dòng)仿真應(yīng)用的領(lǐng)域和實(shí)現(xiàn)的過(guò)程，指出了課題研究的背景和實(shí)際意義，確定了論文所要完成的主要任務(wù)和預(yù)期目的。介紹了 CATIA 軟件在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。 10 第 2 章 小型裝載機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)及參數(shù)的確定 為設(shè)計(jì)小型裝載機(jī)工作裝置的虛擬樣機(jī)，必須對(duì)工作裝置進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)， 通過(guò)力學(xué)分析確定部分參數(shù)，為工作裝置虛擬樣機(jī)應(yīng)力分析提供理論依據(jù)。 工作裝置的結(jié)構(gòu) 工作裝置是完成裝卸作業(yè)并帶液壓缸的空間多桿機(jī)構(gòu)，是組成裝載機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其設(shè)計(jì)水平高低直接影響裝載機(jī)性能的好壞，進(jìn)而影響整機(jī)的工作效率與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。 裝載機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)組成 裝載機(jī)是以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，以輪胎或履帶行走機(jī)構(gòu)產(chǎn)生推力，有工作裝置來(lái)完成土石方工程的鏟挖、裝載、卸載及運(yùn)輸作業(yè)的一種工程機(jī)械。一場(chǎng)用的輪胎式裝載機(jī)為例，期工程過(guò)程是發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳給變速箱，再由變速箱經(jīng)過(guò)前后傳動(dòng)軸分別傳送給前、后橋以便車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使裝載機(jī)工作裝置接近并插入堆料。工作裝置動(dòng)臂的一端鉸接在車(chē)架上， 一端鉸接鏟斗利用轉(zhuǎn)斗油缸通過(guò)搖臂和連桿可使鏟斗翻轉(zhuǎn)，利用動(dòng)臂油缸可使動(dòng)臂繞鉸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，以舉升、放下鏟斗，完成裝載作業(yè)。 輪式裝載機(jī)是由動(dòng)力裝置、車(chē)架、行走裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)、液壓系統(tǒng)和工作裝置等組成。輪式裝載機(jī)的動(dòng)力是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，大多采用液力變矩器，動(dòng)力換擋變速箱的液力機(jī)械傳動(dòng)形式（小型裝載機(jī)有的采用液壓傳動(dòng)或機(jī)械傳動(dòng)），液壓操縱、鉸接式車(chē)體轉(zhuǎn)向、雙橋驅(qū)動(dòng)、寬寬基低壓輪胎，工作裝置多采用反轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)。 輪式裝載機(jī)的工作機(jī)構(gòu)由鏟斗、動(dòng)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(dòng)臂和動(dòng)臂油缸的作 用是提升鏟斗并使之與車(chē)架連接；鏟斗油缸通過(guò)搖臂 —— 連桿使鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)。動(dòng)臂的升降和鏟斗的轉(zhuǎn)動(dòng)均以液壓操縱。 裝載機(jī)工作時(shí)，由動(dòng)臂、動(dòng)臂油缸、鏟斗、轉(zhuǎn)斗油缸、搖臂、連桿及車(chē)架相互鉸接所構(gòu)成的連桿機(jī)構(gòu)來(lái)保證；當(dāng)動(dòng)臂處于某種作業(yè)時(shí)，在轉(zhuǎn)斗油缸的作用下，提升后下降鏟斗的過(guò)程中，連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)能使鏟斗平移或近似平移；另外在動(dòng)臂下降時(shí)可以將鏟斗自動(dòng)放平，以減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率。 11 圖 21 輪式裝載機(jī)工作裝置圖 鏟斗 托架 轉(zhuǎn)斗油缸 連桿 動(dòng)臂 動(dòng)臂油缸 裝載機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)要求 一般的，對(duì)于裝載機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)要求主要包括以下幾個(gè)方面： 1） 鏟運(yùn)功能：鏟斗運(yùn)動(dòng)軌跡符合作業(yè)要求，正常完成鏟掘、裝載功能； 2） 平移性：動(dòng)臂提升過(guò)程中，長(zhǎng)都保持平移運(yùn)動(dòng)，以免斗中物料灑落，工作裝置的平移性就是轉(zhuǎn)斗缸閉鎖后，動(dòng)臂在升舉過(guò)程中，連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)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(dòng)臂從地面鏟掘位置提升到運(yùn)輸位置階段，則希望鏟斗收斗要快些；動(dòng)臂從運(yùn)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(jī)工作效率而提出的重要指標(biāo)，無(wú)論大型還是小型裝載機(jī)都要對(duì)平移性有較高的要求。在工作裝置整個(gè)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(guò)程中，物料就會(huì)大量灑落，增加了整機(jī)的無(wú)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(jī)構(gòu)各構(gòu)件之間不允許發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉。 5） 傳動(dòng)角：傳傳動(dòng)角符合某限制范圍，以保證工作裝置的傳 動(dòng)性能良好。 6） 機(jī)構(gòu)效率：機(jī)構(gòu)傳動(dòng)省力，作業(yè)時(shí)消耗功率要盡量小。 7） 自動(dòng)平放：從高位直到最低位置時(shí)，顫抖能自動(dòng)插入物料狀態(tài)。 工作裝置的自動(dòng)放平性就是動(dòng)臂在上限位置卸料后，轉(zhuǎn)斗缸閉鎖，動(dòng)臂下降至下限位置時(shí)，應(yīng)保持鏟斗自動(dòng)放平，自動(dòng)進(jìn)入下一次的鏟掘狀態(tài)。裝載機(jī)工作裝置具有鏟斗自動(dòng)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(shí)間。另一方面，可以避免鏟斗復(fù)位不準(zhǔn)而引起的的作業(yè)阻力增加。對(duì)于小型裝載機(jī)工作裝置，由于經(jīng)濟(jì)性限制，鏟斗的自動(dòng)放平性主要在設(shè)計(jì)階段完成，即通過(guò)合理確定連桿的桿長(zhǎng)比例力求解決。 12 8） 卸載 性：滿(mǎn)足卸載高度和卸載距離要求，保證動(dòng)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(dāng)動(dòng)臂處于任何作業(yè)位置時(shí)，在轉(zhuǎn)斗缸作用下，應(yīng)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(shí)際情況出發(fā)，認(rèn)為動(dòng)臂在運(yùn)輸位置以下時(shí)，鏟斗的卸料角小于 45度，也還是可以使用的。因?yàn)檠b載機(jī)很少在低位卸料。在工作裝置的設(shè)計(jì)中，卸料性主要受限轉(zhuǎn)斗缸的最小結(jié)構(gòu)長(zhǎng)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(yīng)滿(mǎn)足整機(jī)性能要求。 10） 在滿(mǎn)足作業(yè)要求的前提下，工作結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自重輕、 受力合理、強(qiáng)度高；應(yīng)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(jiǎn)單和維修方便。 11） 工作裝置的動(dòng)力性就是鏟斗處于地面鏟掘位置時(shí)，工作裝置應(yīng)有較高的力傳動(dòng)比，以保證有較大的掘起力。動(dòng)力性好，可充分發(fā)揮整機(jī)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(shè)計(jì)階段通過(guò)調(diào)整各桿長(zhǎng)度之間的比例，而獲得較好的動(dòng)力性。 除此之外，表征工作裝置的性能指標(biāo)還有舉升性能、卸料傳動(dòng)性能及舉升顫動(dòng)性能等。 工作裝置的結(jié)構(gòu)計(jì)算包括 : (1)確定計(jì)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(duì)工作裝置進(jìn)行受力分析。 計(jì)算位置的確定 分析裝載機(jī)插入料堆，鏟起、提升、卸載等作業(yè)過(guò)程可知，裝載機(jī)在鏟掘物料時(shí)，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(jì)算位置，如圖 22 所示。 13 圖 22 裝載機(jī)的鏟掘位置圖 外載荷的確定 由于物料種類(lèi)和作業(yè)條件的不同，裝載機(jī)實(shí)際作業(yè)是不可能使鏟斗切削刃均勻受載，一般可以簡(jiǎn)化為兩種極端情況 (1)認(rèn)為載荷沿切削刃均勻分布，并以作用在鏟斗切削刃中點(diǎn)的集中載荷來(lái)代替均勻載荷，稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)受載情況 。(2)非對(duì)稱(chēng)受載情況，由于鏟斗偏鏟、料堆密實(shí)程度不均，使載荷偏于鏟斗一側(cè)形成偏載情況，通常將其簡(jiǎn)化成集中載荷作用在鏟斗最邊的斗齒上。 裝載機(jī)在鏟掘過(guò)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(shí)認(rèn)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(zhuǎn)鏟斗 (靠動(dòng)臂油缸工作 )或提升動(dòng)臂 (靠動(dòng)臂油缸工作 )鏟掘時(shí)，此時(shí)認(rèn)為鏟斗切削刃只受到垂直力的作用。 (3)鏟斗邊插入邊轉(zhuǎn)斗或邊插入邊提升動(dòng)臂鏟掘時(shí)，此時(shí)認(rèn)為水平力與垂直力同時(shí)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(jī)的牽引力確定，其最大值為 對(duì)于輪胎 式（由文獻(xiàn) [32]可知） ： Rx=PKpmax=Gsφ (21) 式中 PKpmax 裝 載 機(jī) 空 載 時(shí) 的 最 大 牽 引 力 ； Gs裝載機(jī)使用重量； φ 附著系數(shù)； 2 對(duì)稱(chēng)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(jī)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(jī) 空 載 時(shí) 自 重 L1 裝 載 機(jī) 重 心 到 前 輪 與 地 面 接 觸 點(diǎn) 的 水 平 距 離 l 垂 直 力 Ry的作用點(diǎn)到前輪與地面接觸點(diǎn)的水平距離 3 對(duì)稱(chēng)水平力與垂直力同時(shí)作用得工況，如圖 23(c)所示； 此時(shí)垂直力是 Ry水平力為發(fā)動(dòng)機(jī)扣除工作裝置油泵功率后所能發(fā)出的牽 引力 PKP（由文獻(xiàn) [32]可知） 水平力為 PKP=（ Ne?Np） η iΣ 1rkne (23) 式中 Ne 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 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(dòng)機(jī)至驅(qū)動(dòng)輪之間的頭檔總傳動(dòng)比；對(duì)于液力機(jī)械傳動(dòng)應(yīng)，包括變距器的變距系數(shù) k； ne 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 速 （ 轉(zhuǎn) /分）； η 傳 動(dòng) 效 率 ； 對(duì) 液 力 機(jī) 械 應(yīng) 包 括 變 矩 器 效 率 ； rk 車(chē) 輪 滾 動(dòng) 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(shí)作用的工況 后三種典型工況的力的計(jì)算方法同前，所不同的是僅力作用點(diǎn)假設(shè)作用在鏟斗邊齒尖上。 裝載機(jī)除了上述六種典型工況外，尚需驗(yàn)算切土工況，即裝載機(jī)利用轉(zhuǎn)斗油缸作用力把鏟斗刀刃強(qiáng)制切入土中，其極限情況是整機(jī)繞后輪接地點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jī)自重； L2裝載機(jī)重心至后輪軸線(xiàn)的水平距離； L3斗尖至后輪軸線(xiàn)的水平距離。 工作裝置的受力分析 確定了計(jì)算位置及外載荷后，便可對(duì)工作裝置的受力情況進(jìn)行分析。 16 工作裝置是一個(gè)受力比較復(fù)雜的空間超靜定結(jié)構(gòu)，在國(guó)內(nèi)，目前還是用簡(jiǎn)化辦法，把空間超靜定系統(tǒng)簡(jiǎn)化為平面靜定系統(tǒng)來(lái)計(jì)算，并輔以測(cè)試手段加以校核驗(yàn)證 。 為簡(jiǎn)化計(jì)算作如下假定（由文獻(xiàn) [34]可知） (1)忽略鏟斗和支撐橫梁對(duì)工作裝置各構(gòu)建受力和變形的影響。根據(jù)這個(gè)假設(shè)，在對(duì)稱(chēng)受載的工況中，如圖 23(a)、 (b)、 (c)利用工作裝置的對(duì)稱(chēng)性，故兩臂承載相等，可取工作裝置的一側(cè)進(jìn)行分析，如圖 24(a)所示。其上作用的載荷取相應(yīng)工況外載之半進(jìn)行計(jì)算，即 : Rxa = 12Rx ； Rya = 12Ry ； 在非對(duì)稱(chēng)偏載工況中，如圖 23(d)， (e)， (f)近似地用求簡(jiǎn)支梁支座反力的方法求出左、右動(dòng)臂平面內(nèi)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(jìn)行計(jì)算。 （ a） 工作裝置一側(cè)受力分析圖 （ b） 左右動(dòng)臂平面內(nèi)的等效力示意圖 圖 24 工作裝置受力分析計(jì)算圖 17 (2)認(rèn)為動(dòng)臂軸線(xiàn)與連桿 —— 搖臂軸線(xiàn)處于同一平面內(nèi)，所有作用力都通過(guò)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(xiàn)、折線(xiàn)或曲線(xiàn)來(lái)代替實(shí)際的構(gòu)件。 根據(jù)上面的假定及分析，就能夠?qū)⒐ぷ餮b置這樣一個(gè)復(fù)雜的空間超靜定結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題進(jìn)行受力計(jì)算。 工作裝置的受力計(jì)算，可用解析法或圖解法，下面以工況 3為例對(duì)工作裝置各構(gòu)件上的力進(jìn)行分析和計(jì)算