【正文】 鏟斗尖內(nèi)移約100mm處中部加載。在初鏟轉(zhuǎn)斗時，可認為動臂油缸和翻斗油缸都不動，動臂的兩個鉸銷部位和搖臂的鉸銷部位無相對移動，使用聯(lián)合鏟取的工況進行加載。在模擬偏載工況時在兩動臂缸處施加大阻尼模擬動臂缸閉鎖，在距離鏟斗內(nèi)側(cè)壁第一個斗齒處施加垂直力Ry模擬偏載工作裝置各部件的受力狀況。考慮到鏟斗的特殊性，對其變形及破壞不予考慮。根據(jù)圣維南原理，局部載荷不影響遠處應力場的分布，可以知道，在鏟斗尖部附近所施加的點載荷不會影響除去鏟斗外的工作裝置的應力分布。所以這種加載方式是可行的[14]。（2）受力分析在Pro/E機構(gòu)中，使用靜態(tài)分析對上述運動學模型進行運算求解，計算出各銷軸所受支座反力的大小及方向應用Pro/MECHANICA 軟件的功能把計算結(jié)果從機構(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備。 主要部件的有限元分析 動臂的有限元分析 動臂是裝載機工作裝置最重要的構(gòu)件，其強度狀況對工作裝置的性能和壽命有直接的影響。如果設(shè)計不當，將導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)計者可以科學合理地對動臂的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，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）正常載荷下動臂的有限元分析打開設(shè)計好的動臂零件，進入Pro/MECHANICA，動臂的材質(zhì)為Q345A，查手冊的彈性模量E=206Gpa，泊松比（取）；其拉伸強度，屈服點，彎曲疲勞極限[15]。插入動臂正常工況下的機構(gòu)負荷，并進行邊界約束，利用Pro/E的“AutoGEM”自動網(wǎng)格劃分得到網(wǎng)格劃分，得到離散后動臂強度分析力學模型如圖41。. 圖41 動臂網(wǎng)格圖對動臂進行靜態(tài)分析，動臂應力分布云圖如圖42所示。圖42表明, 在正常載荷作用下動臂應力危險區(qū)出現(xiàn)在動臂與產(chǎn)斗連接的上部,動臂板上表面受拉, 下表面受壓, 其應力值為110~230 MPa, 動臂其余部分應力值在70 MPa 左右, 符合設(shè)計要求且有足夠的強度儲備, 足以承受極限偏載所產(chǎn)生的扭矩。圖42 正載動臂應力圖（2）極限偏載情況下動臂的受力分析根據(jù)偏載工況的受力情況，插入動臂偏載工況下的機構(gòu)負荷、進行約束。動臂應力分布云圖如圖43 所示。圖43表明, 在極限偏載作用下動臂應力危險區(qū)出現(xiàn)在受偏載側(cè), 應力值為410 MPa,超過了材料的屈服極限。圖43 偏載動臂應力圖根據(jù)尋找發(fā)現(xiàn)在動臂與動臂油缸處，和動臂與橫梁的連接處均出現(xiàn)較大的應力集中現(xiàn)象，如圖44所示，認為是由偏載產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩以及動臂連接處的尖銳造成的，此處為了改善這兩處的的應力情況，分別對兩處采用倒圓角功能。得到動臂優(yōu)化后的三維模型如圖45所示。圖44 偏載集中應力圖45 優(yōu)化的動臂三維圖圖46 優(yōu)化偏載動臂應力圖仿照上面動臂的載荷和約束情況，進行動臂偏載靜態(tài)分析，動臂應力分布云圖如圖46所示。圖46表明, 在極限偏載作用下動臂應力危險區(qū)出現(xiàn)在受偏載側(cè),該側(cè)動臂板上表面受拉, 下表面受壓, 其應力值為220~ 320 MPa, 動臂其余部分應力值在130MPa左右, 符合設(shè)計要求且有足夠的強度儲備。該動臂具有良好的剛性, 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際作業(yè)時，搖臂做來回往復運動，所受力大小不斷變化并受交變應力作用，受力情況十分復雜，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，對搖臂進行改進。根據(jù)搖臂的受力情況，并對搖臂進行約束，選用搖臂的材質(zhì)為Q345A，查手冊的彈性模量E=206GP，泊松比（取）；其拉伸強度，屈服點，彎曲疲勞極限[15]。插入動臂正常工況下的機構(gòu)負荷，得到搖臂的應力模型如圖47。圖47 搖臂應力云圖從圖中可以看到結(jié)構(gòu)的最大應力為210MP，~，可以判斷該工作裝置搖臂的設(shè)計符合工作裝置要求。 連桿的有限元分析裝載機工作機構(gòu)中連桿主要是用來連接搖臂與鏟斗的運動，在運動過程中主要受到拉力和壓力的交變載荷，由于其結(jié)構(gòu)形式為細長形狀，所以在連桿的校核中還需要采用失穩(wěn)分析，由于裝載機在水平鏟掘收斗時連桿受力為拉力最為惡劣，所以以該時刻的連桿受力進行有限元分析[1]。首先對連桿進行約束和載荷，對連桿的一段采用鉸接另一端施加沿連桿方向的應力，大小由裝載機在掘起工況下靜態(tài)分析中得到，根據(jù)資料連桿材質(zhì)一般選取Q235A，查手冊得到彈性模量，泊松比選用，抗拉強度，屈服點[15]。首先對連桿進行靜態(tài)應力分析得到連桿的應力云圖48。圖48 連桿應力云圖從上圖中可以看到在連桿的鉸接處出現(xiàn)最大應力為711Mpa超過了該材料的極限應力，所以應該對連桿進行優(yōu)化，可以在Pro/E中新建一個靈敏度分析，然后建立優(yōu)化分析，對連桿鉸接處得外圓進行優(yōu)化，限制應力小于210Mpa，最終得到搖臂的優(yōu)化后模型，并進行應力分析得到應力云圖如圖49所示。圖 49 優(yōu)化后連桿的應力云圖從圖49中可以發(fā)現(xiàn)最大應力為215Mpa滿足材質(zhì)的要求，并有較大的應力余量，在該靜力分析的基礎(chǔ)上進行連桿的失穩(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)本章在對輪式裝載機工作載荷進行分析的基礎(chǔ)上，利用利用已經(jīng)建立的工作裝置三維模型，應用Pro/E中的機構(gòu)模塊和Pro/MECHANICE中的機構(gòu)模塊直接在Pro/E環(huán)境中對輪式裝載機的關(guān)鍵部位進行有限元分析，給出分析后的應力云圖，并對機構(gòu)進行優(yōu)化。5 總結(jié)與展望 課題總結(jié)輪式裝載機是用于裝運散料為主的工程機械設(shè)備,由于經(jīng)常工作在各種復雜的工況下,這就要求其具有良好的適應性和可靠性，并且開發(fā)周期長、所需費用高，對市場反應慢等問題，本文通過對ZL50輪式裝載機的工作裝置運用圖解法進行詳細設(shè)計，簡單快捷，并且引入了虛擬樣機技術(shù)，為裝載機工作裝置的運動和受力進行分析，方便快捷，主要工作包括：(1)對于ZL50輪式裝載機工作裝置設(shè)計采用了類比法，這樣可以減輕工作量，并且是較為經(jīng)濟且可靠的。(2)裝載機工作裝置的設(shè)計最大卸載高度為3068mm，最小卸載距離為 。鏟斗的額定容量為3達到了要求。(3)反轉(zhuǎn)六連桿機構(gòu)在分析設(shè)計時采用圖解法，這種圖解法簡單易懂，布置緊湊。(4)利用Pro/E對工作裝置進行建模，對連桿系統(tǒng)進行分析，工作裝置運動平穩(wěn)、無干涉，動臂從最低位置到最大卸載高度的舉升過程中，保證鏟斗中的物料無撒落，在卸載后，動臂下放至鏟掘位置，鏟斗能自動放平。(5)應對裝載機工作裝置動臂結(jié)構(gòu)進行動態(tài)仿真，以真實地反映裝載機的幾何形狀進而反映出各部件空間位置，有效檢測工作裝置的各部件是否發(fā)生干涉，并及時解決問題。(6)應用Pro/E中的有限元分析模塊對裝載機工作裝置中的重要零件如動臂、搖臂、連桿結(jié)構(gòu)進行有限元分析，以驗證設(shè)計的合理性，并對不合理構(gòu)件進行改進，省去制造樣機進行反復實驗、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。通過以上工作，基本完成了裝載機工作裝置的設(shè)計與研究過程。運用Pro/E軟件通過對裝載機機構(gòu)運動仿真的具體實踐，實現(xiàn)了運動學、動力學分析及裝配干涉、運動協(xié)調(diào)性的驗證。揭示了運動仿真的特點、方法、對象和主要應用范圍，論證了仿真運動分析對機構(gòu)設(shè)計的指導作用。特別是仿真測量分析，對獲得機構(gòu)運動位置、速度、運動副之間相互關(guān)系及機構(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)計者能夠直接在計算機上修改模型參數(shù)，達到機構(gòu)優(yōu)化的目的。 展望由于輪式裝載機屬于大型復雜機械，其設(shè)計設(shè)涉及的知識面比較廣，本次設(shè)計中只是對工作裝置進行了設(shè)計與分析，雖然裝載機工作裝置的結(jié)構(gòu)和性能對裝載機的工作性能和工作尺寸有較大影響，但是裝載機是由許多部件組合起來的一個有機整體，其整機的性能不僅決定于每個部件的品質(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)是通過總體設(shè)計實現(xiàn)的，所以要設(shè)計出好的產(chǎn)品就需要從整體進行考慮設(shè)計。所以本課題的研究在整體的設(shè)計中就會存在不足之處，主要集中在一下幾個方面：(1) 在進行工作機構(gòu)的仿真過程時對油缸的運動方式?jīng)]有進行深入研究，不能更好的仿真出工作裝置的真實狀況。(2) 在工作裝置的設(shè)計時主要應用的圖解法，該方法簡單方便但是設(shè)計出來的工作裝置會有一定的誤差，試湊費時，難以獲得最佳設(shè)計方案，在對工作裝置中各個鉸點的選擇大部分應用的是經(jīng)驗終結(jié)和類比法，對整個機構(gòu)的協(xié)調(diào)性沒有進行過多的優(yōu)化。(3) 在對工作裝置的主要部件進行有限元分析時只是對單個獨立零件進行分析，沒有對整個機構(gòu)做分析，在對零件施加邊界條件時對油缸的邊界條件是使用的大阻尼來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。最后針對上面的問題和自己的想法，希望輪式裝載機工作裝置的設(shè)計能再有以下方面進行發(fā)展：(1) 應用參數(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)計模型，通過三維軟件的二次開法使得裝載機的工作裝置設(shè)計快捷、高效、精確，縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期，提高設(shè)計質(zhì)量增強產(chǎn)品的市場競爭力；(2) 對動臂等部件的強度計算可以針對工作的實際受力情況，對工作裝置進行邊界條件設(shè)置，使模型與實際的狀態(tài)更加的接近，然后使用有限元法做應力分析，使設(shè)計者科學的對尺寸進行優(yōu)化，減少材料用量，降低生產(chǎn)成本；(3) 使用ADMAS等軟件對裝載機工作裝置的機構(gòu)進行優(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，然后對整個工作裝置建模，期中影響優(yōu)化目標部分進行參數(shù)化建模。確定優(yōu)化目標后，短時間內(nèi)即可完成工作裝置上千萬工位的運動及受力分析，很容易實現(xiàn)理想的設(shè)計[12]。(1) 輪式裝載機在設(shè)計時優(yōu)化各項性能指標，強化結(jié)構(gòu)件的強度及剛度，以使整機可靠性得到提高；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)及負荷傳感技術(shù)來實現(xiàn)變速箱的自動換擋及液壓變量系統(tǒng)的應用，提高效率、節(jié)約能源、降低裝載機作業(yè)成本；(3) 提高安全性、舒適性；降低噪聲和排放，強化環(huán)保指標；廣泛利用新材料、工藝、新技術(shù)，特別是機、電、液一體化技術(shù)，提高產(chǎn)品的壽命和可靠性；(4) 同時采用靜液壓技術(shù)，提高傳動系統(tǒng)的效率；(5) 采用網(wǎng)絡通信技術(shù)，在辦公室的控制中心監(jiān)控裝載機的作業(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，實現(xiàn)裝載機工作裝置狀態(tài)的自動報警。最后要最大限度地簡化維修，盡量減少保養(yǎng)次數(shù)和維修時間，增大維修空間，普遍采用電子監(jiān)視及監(jiān)控技術(shù)，進一步改善故障診斷系統(tǒng)，提供排除問題的方法[1]。參考文獻[1] [M].北京:化學工業(yè)出版社,2005:1105.[2] [J].南京林業(yè)大學學報,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 基本參數(shù)[S]．天津：中華人民共和國機械工業(yè)部， 1997.[7] 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