【正文】 鏟斗尖內(nèi)移約100mm處中部加載。在初鏟轉(zhuǎn)斗時(shí)，可認(rèn)為動(dòng)臂油缸和翻斗油缸都不動(dòng)，動(dòng)臂的兩個(gè)鉸銷部位和搖臂的鉸銷部位無(wú)相對(duì)移動(dòng)，使用聯(lián)合鏟取的工況進(jìn)行加載。在模擬偏載工況時(shí)在兩動(dòng)臂缸處施加大阻尼模擬動(dòng)臂缸閉鎖，在距離鏟斗內(nèi)側(cè)壁第一個(gè)斗齒處施加垂直力Ry模擬偏載工作裝置各部件的受力狀況?？紤]到鏟斗的特殊性，對(duì)其變形及破壞不予考慮。根據(jù)圣維南原理，局部載荷不影響遠(yuǎn)處應(yīng)力場(chǎng)的分布，可以知道，在鏟斗尖部附近所施加的點(diǎn)載荷不會(huì)影響除去鏟斗外的工作裝置的應(yīng)力分布。所以這種加載方式是可行的[14]。（2）受力分析在Pro/E機(jī)構(gòu)中，使用靜態(tài)分析對(duì)上述運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)算求解，計(jì)算出各銷軸所受支座反力的大小及方向應(yīng)用Pro/MECHANICA 軟件的功能把計(jì)算結(jié)果從機(jī)構(gòu)模塊傳送到STRUCTURE模塊，為工作裝置的有限元分析中載荷的添加做好準(zhǔn)備。 主要部件的有限元分析 動(dòng)臂的有限元分析 動(dòng)臂是裝載機(jī)工作裝置最重要的構(gòu)件，其強(qiáng)度狀況對(duì)工作裝置的性能和壽命有直接的影響。如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，將導(dǎo)致工作裝置剛度不足，很快失效。借助Pro/E的有限元分析設(shè)計(jì)者可以科學(xué)合理地對(duì)動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少材料用量，降低生產(chǎn)成本。Proe做有限元分析的基本工作流程如下： 41 有限元分析流程圖（1）正常載荷下動(dòng)臂的有限元分析打開設(shè)計(jì)好的動(dòng)臂零件，進(jìn)入Pro/MECHANICA，動(dòng)臂的材質(zhì)為Q345A，查手冊(cè)的彈性模量E=206Gpa，泊松比（?。黄淅鞆?qiáng)度，屈服點(diǎn)，彎曲疲勞極限[15]。插入動(dòng)臂正常工況下的機(jī)構(gòu)負(fù)荷，并進(jìn)行邊界約束，利用Pro/E的“AutoGEM”自動(dòng)網(wǎng)格劃分得到網(wǎng)格劃分，得到離散后動(dòng)臂強(qiáng)度分析力學(xué)模型如圖41。. 圖41 動(dòng)臂網(wǎng)格圖對(duì)動(dòng)臂進(jìn)行靜態(tài)分析，動(dòng)臂應(yīng)力分布云圖如圖42所示。圖42表明, 在正常載荷作用下動(dòng)臂應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)出現(xiàn)在動(dòng)臂與產(chǎn)斗連接的上部,動(dòng)臂板上表面受拉, 下表面受壓, 其應(yīng)力值為110~230 MPa, 動(dòng)臂其余部分應(yīng)力值在70 MPa 左右, 符合設(shè)計(jì)要求且有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備, 足以承受極限偏載所產(chǎn)生的扭矩。圖42 正載動(dòng)臂應(yīng)力圖（2）極限偏載情況下動(dòng)臂的受力分析根據(jù)偏載工況的受力情況，插入動(dòng)臂偏載工況下的機(jī)構(gòu)負(fù)荷、進(jìn)行約束。動(dòng)臂應(yīng)力分布云圖如圖43 所示。圖43表明, 在極限偏載作用下動(dòng)臂應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)出現(xiàn)在受偏載側(cè), 應(yīng)力值為410 MPa,超過(guò)了材料的屈服極限。圖43 偏載動(dòng)臂應(yīng)力圖根據(jù)尋找發(fā)現(xiàn)在動(dòng)臂與動(dòng)臂油缸處，和動(dòng)臂與橫梁的連接處均出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，如圖44所示，認(rèn)為是由偏載產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩以及動(dòng)臂連接處的尖銳造成的，此處為了改善這兩處的的應(yīng)力情況，分別對(duì)兩處采用倒圓角功能。得到動(dòng)臂優(yōu)化后的三維模型如圖45所示。圖44 偏載集中應(yīng)力圖45 優(yōu)化的動(dòng)臂三維圖圖46 優(yōu)化偏載動(dòng)臂應(yīng)力圖仿照上面動(dòng)臂的載荷和約束情況，進(jìn)行動(dòng)臂偏載靜態(tài)分析，動(dòng)臂應(yīng)力分布云圖如圖46所示。圖46表明, 在極限偏載作用下動(dòng)臂應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)出現(xiàn)在受偏載側(cè),該側(cè)動(dòng)臂板上表面受拉, 下表面受壓, 其應(yīng)力值為220~ 320 MPa, 動(dòng)臂其余部分應(yīng)力值在130MPa左右, 符合設(shè)計(jì)要求且有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備。該動(dòng)臂具有良好的剛性, 橫梁面積較大, 足以承受極限偏載所產(chǎn)。 搖臂的有限元分析由于在實(shí)際作業(yè)時(shí)，搖臂做來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所受力大小不斷變化并受交變應(yīng)力作用，受力情況十分復(fù)雜，變硬、斷裂、開焊、等是主要失效事故，利用有限元分析找出其失效原因，對(duì)搖臂進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)搖臂的受力情況，并對(duì)搖臂進(jìn)行約束，選用搖臂的材質(zhì)為Q345A，查手冊(cè)的彈性模量E=206GP，泊松比（取）；其拉伸強(qiáng)度，屈服點(diǎn)，彎曲疲勞極限[15]。插入動(dòng)臂正常工況下的機(jī)構(gòu)負(fù)荷，得到搖臂的應(yīng)力模型如圖47。圖47 搖臂應(yīng)力云圖從圖中可以看到結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為210MP，~，可以判斷該工作裝置搖臂的設(shè)計(jì)符合工作裝置要求。 連桿的有限元分析裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)中連桿主要是用來(lái)連接搖臂與鏟斗的運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中主要受到拉力和壓力的交變載荷，由于其結(jié)構(gòu)形式為細(xì)長(zhǎng)形狀，所以在連桿的校核中還需要采用失穩(wěn)分析，由于裝載機(jī)在水平鏟掘收斗時(shí)連桿受力為拉力最為惡劣，所以以該時(shí)刻的連桿受力進(jìn)行有限元分析[1]。首先對(duì)連桿進(jìn)行約束和載荷，對(duì)連桿的一段采用鉸接另一端施加沿連桿方向的應(yīng)力，大小由裝載機(jī)在掘起工況下靜態(tài)分析中得到，根據(jù)資料連桿材質(zhì)一般選取Q235A，查手冊(cè)得到彈性模量，泊松比選用，抗拉強(qiáng)度，屈服點(diǎn)[15]。首先對(duì)連桿進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力分析得到連桿的應(yīng)力云圖48。圖48 連桿應(yīng)力云圖從上圖中可以看到在連桿的鉸接處出現(xiàn)最大應(yīng)力為711Mpa超過(guò)了該材料的極限應(yīng)力，所以應(yīng)該對(duì)連桿進(jìn)行優(yōu)化，可以在Pro/E中新建一個(gè)靈敏度分析，然后建立優(yōu)化分析，對(duì)連桿鉸接處得外圓進(jìn)行優(yōu)化，限制應(yīng)力小于210Mpa，最終得到搖臂的優(yōu)化后模型，并進(jìn)行應(yīng)力分析得到應(yīng)力云圖如圖49所示。圖 49 優(yōu)化后連桿的應(yīng)力云圖從圖49中可以發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力為215Mpa滿足材質(zhì)的要求，并有較大的應(yīng)力余量，在該靜力分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行連桿的失穩(wěn)分析得到連桿的失穩(wěn)臨界值與連桿的受力進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的連桿受力滿足要求[16]。圖410 連桿的失穩(wěn)變形 本章小結(jié)本章在對(duì)輪式裝載機(jī)工作載荷進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，利用利用已經(jīng)建立的工作裝置三維模型，應(yīng)用Pro/E中的機(jī)構(gòu)模塊和Pro/MECHANICE中的機(jī)構(gòu)模塊直接在Pro/E環(huán)境中對(duì)輪式裝載機(jī)的關(guān)鍵部位進(jìn)行有限元分析，給出分析后的應(yīng)力云圖，并對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。5 總結(jié)與展望 課題總結(jié)輪式裝載機(jī)是用于裝運(yùn)散料為主的工程機(jī)械設(shè)備,由于經(jīng)常工作在各種復(fù)雜的工況下,這就要求其具有良好的適應(yīng)性和可靠性，并且開發(fā)周期長(zhǎng)、所需費(fèi)用高，對(duì)市場(chǎng)反應(yīng)慢等問(wèn)題，本文通過(guò)對(duì)ZL50輪式裝載機(jī)的工作裝置運(yùn)用圖解法進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單快捷，并且引入了虛擬樣機(jī)技術(shù)，為裝載機(jī)工作裝置的運(yùn)動(dòng)和受力進(jìn)行分析，方便快捷，主要工作包括：(1)對(duì)于ZL50輪式裝載機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)采用了類比法，這樣可以減輕工作量，并且是較為經(jīng)濟(jì)且可靠的。(2)裝載機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)最大卸載高度為3068mm，最小卸載距離為 。鏟斗的額定容量為3達(dá)到了要求。(3)反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)在分析設(shè)計(jì)時(shí)采用圖解法，這種圖解法簡(jiǎn)單易懂，布置緊湊。(4)利用Pro/E對(duì)工作裝置進(jìn)行建模，對(duì)連桿系統(tǒng)進(jìn)行分析，工作裝置運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)干涉，動(dòng)臂從最低位置到最大卸載高度的舉升過(guò)程中，保證鏟斗中的物料無(wú)撒落，在卸載后，動(dòng)臂下放至鏟掘位置，鏟斗能自動(dòng)放平。(5)應(yīng)對(duì)裝載機(jī)工作裝置動(dòng)臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，以真實(shí)地反映裝載機(jī)的幾何形狀進(jìn)而反映出各部件空間位置，有效檢測(cè)工作裝置的各部件是否發(fā)生干涉，并及時(shí)解決問(wèn)題。(6)應(yīng)用Pro/E中的有限元分析模塊對(duì)裝載機(jī)工作裝置中的重要零件如動(dòng)臂、搖臂、連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，并對(duì)不合理構(gòu)件進(jìn)行改進(jìn)，省去制造樣機(jī)進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)、修改等環(huán)節(jié)，大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期．降低產(chǎn)品成本。通過(guò)以上工作，基本完成了裝載機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)與研究過(guò)程。運(yùn)用Pro/E軟件通過(guò)對(duì)裝載機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的具體實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析及裝配干涉、運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性的驗(yàn)證。揭示了運(yùn)動(dòng)仿真的特點(diǎn)、方法、對(duì)象和主要應(yīng)用范圍，論證了仿真運(yùn)動(dòng)分析對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)作用。特別是仿真測(cè)量分析，對(duì)獲得機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位置、速度、運(yùn)動(dòng)副之間相互關(guān)系及機(jī)構(gòu)零件載荷情況的綜合數(shù)據(jù)有著創(chuàng)造性的重要意義。使設(shè)計(jì)者能夠直接在計(jì)算機(jī)上修改模型參數(shù)，達(dá)到機(jī)構(gòu)優(yōu)化的目的。 展望由于輪式裝載機(jī)屬于大型復(fù)雜機(jī)械，其設(shè)計(jì)設(shè)涉及的知識(shí)面比較廣，本次設(shè)計(jì)中只是對(duì)工作裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，雖然裝載機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)和性能對(duì)裝載機(jī)的工作性能和工作尺寸有較大影響，但是裝載機(jī)是由許多部件組合起來(lái)的一個(gè)有機(jī)整體，其整機(jī)的性能不僅決定于每個(gè)部件的品質(zhì)，而且主要取決于各部件之間的相互協(xié)調(diào)，這種相互協(xié)調(diào)是通過(guò)總體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，所以要設(shè)計(jì)出好的產(chǎn)品就需要從整體進(jìn)行考慮設(shè)計(jì)。所以本課題的研究在整體的設(shè)計(jì)中就會(huì)存在不足之處，主要集中在一下幾個(gè)方面：(1) 在進(jìn)行工作機(jī)構(gòu)的仿真過(guò)程時(shí)對(duì)油缸的運(yùn)動(dòng)方式?jīng)]有進(jìn)行深入研究，不能更好的仿真出工作裝置的真實(shí)狀況。(2) 在工作裝置的設(shè)計(jì)時(shí)主要應(yīng)用的圖解法，該方法簡(jiǎn)單方便但是設(shè)計(jì)出來(lái)的工作裝置會(huì)有一定的誤差，試湊費(fèi)時(shí)，難以獲得最佳設(shè)計(jì)方案，在對(duì)工作裝置中各個(gè)鉸點(diǎn)的選擇大部分應(yīng)用的是經(jīng)驗(yàn)終結(jié)和類比法，對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)性沒有進(jìn)行過(guò)多的優(yōu)化。(3) 在對(duì)工作裝置的主要部件進(jìn)行有限元分析時(shí)只是對(duì)單個(gè)獨(dú)立零件進(jìn)行分析，沒有對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)做分析，在對(duì)零件施加邊界條件時(shí)對(duì)油缸的邊界條件是使用的大阻尼來(lái)模擬油缸封閉還是不能更好的模擬在偏載情況下大臂的受力情況。最后針對(duì)上面的問(wèn)題和自己的想法，希望輪式裝載機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)能再有以下方面進(jìn)行發(fā)展：(1) 應(yīng)用參數(shù)化建模，現(xiàn)在的商品化的CAD/CAE/CAM軟件都提供了三維參數(shù)化設(shè)計(jì)模型，通過(guò)三維軟件的二次開法使得裝載機(jī)的工作裝置設(shè)計(jì)快捷、高效、精確，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量增強(qiáng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；(2) 對(duì)動(dòng)臂等部件的強(qiáng)度計(jì)算可以針對(duì)工作的實(shí)際受力情況，對(duì)工作裝置進(jìn)行邊界條件設(shè)置，使模型與實(shí)際的狀態(tài)更加的接近，然后使用有限元法做應(yīng)力分析，使設(shè)計(jì)者科學(xué)的對(duì)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，減少材料用量，降低生產(chǎn)成本；(3) 使用ADMAS等軟件對(duì)裝載機(jī)工作裝置的機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可以在軟件中將某些部件的某些性能作為優(yōu)化目標(biāo)，然后對(duì)整個(gè)工作裝置建模，期中影響優(yōu)化目標(biāo)部分進(jìn)行參數(shù)化建模。確定優(yōu)化目標(biāo)后，短時(shí)間內(nèi)即可完成工作裝置上千萬(wàn)工位的運(yùn)動(dòng)及受力分析，很容易實(shí)現(xiàn)理想的設(shè)計(jì)[12]。(1) 輪式裝載機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)化各項(xiàng)性能指標(biāo)，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度及剛度，以使整機(jī)可靠性得到提高；優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)性能；(2) 利用電子技術(shù)及負(fù)荷傳感技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)變速箱的自動(dòng)換擋及液壓變量系統(tǒng)的應(yīng)用，提高效率、節(jié)約能源、降低裝載機(jī)作業(yè)成本；(3) 提高安全性、舒適性；降低噪聲和排放，強(qiáng)化環(huán)保指標(biāo)；廣泛利用新材料、工藝、新技術(shù)，特別是機(jī)、電、液一體化技術(shù)，提高產(chǎn)品的壽命和可靠性；(4) 同時(shí)采用靜液壓技術(shù)，提高傳動(dòng)系統(tǒng)的效率；(5) 采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，在辦公室的控制中心監(jiān)控裝載機(jī)的作業(yè)狀態(tài)，據(jù)此向駕駛員提供基于文字提示的工作裝置狀態(tài)的精確信息。采用聲、光、電及數(shù)字顯示的控制面板，實(shí)現(xiàn)裝載機(jī)工作裝置狀態(tài)的自動(dòng)報(bào)警。最后要最大限度地簡(jiǎn)化維修，盡量減少保養(yǎng)次數(shù)和維修時(shí)間，增大維修空間，普遍采用電子監(jiān)視及監(jiān)控技術(shù)，進(jìn)一步改善故障診斷系統(tǒng)，提供排除問(wèn)題的方法[1]。參考文獻(xiàn)[1] [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005:1105.[2] [J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,26(6):5759.[3] [J].河北工業(yè)科技,2000,17(5):3638.[4] [M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2007:1721.[5] [J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2009,(11):12.[6] GB/T —96．輪式裝載機(jī) 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