【正文】 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和市場需求的快速變化, 工程機(jī)械產(chǎn)品的生命周期大大縮短, 而且市場對工程機(jī)械產(chǎn)品的性能、規(guī)格、品種不斷提出新的需求。2001年我國裝載機(jī)全行業(yè)總銷售量已突破3萬臺，居世界裝載機(jī)市場的前列。到目前為止，我國輪式裝載機(jī)已經(jīng)發(fā)展到了第三代，但最基本的結(jié)構(gòu)仍然是由Z450（ZL50）演變而來。該標(biāo)準(zhǔn)制訂出來后按當(dāng)時的行業(yè)分工，柳工、廈工制造ZL40以上的大中型輪式裝載機(jī)，成工、宜工制造ZL30以下的中小型輪式裝載機(jī)，逐步形成了柳工、廈工、成工和宜工當(dāng)時的裝載機(jī)四大骨干企業(yè)。1978年，天津工程機(jī)械研究所根據(jù)機(jī)械部的要求，制訂出以柳工Z450為基型的我國輪式裝載機(jī)系列標(biāo)準(zhǔn)。也基本上代表了我國第一代輪式裝載的基本結(jié)構(gòu)。就這樣誕生了我國第一臺鉸接式輪式裝載機(jī)，從而開創(chuàng)了我國裝載機(jī)行業(yè)形成與發(fā)展的歷史。該機(jī)為整體機(jī)架、后橋轉(zhuǎn)向。裝載機(jī)具有作業(yè)速度快、效率高、機(jī)動性好、操作輕便等優(yōu)點(diǎn)，因此成為工程建設(shè)中土石方施工的重要機(jī)械之一，對于加快工程建設(shè)速度，減輕勞動強(qiáng)度，提高工程質(zhì)量，降低工程成本都發(fā)揮著重要的作用，是現(xiàn)代機(jī)械化施工中不可缺少的裝備之一。它廣泛用于公路、鐵路、建筑、水電、港口、和礦山等工程建設(shè)，可對礦石、硬土等作輕度鏟挖作業(yè)。5. 應(yīng)用Pro/M模塊對工作裝置的關(guān)鍵部位進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化。3. 簡述了Pro/E軟件在工程設(shè)計中的應(yīng)用，利用Pro/E構(gòu)建裝載機(jī)的三維實(shí)體模型，并對其進(jìn)行裝配，在Pro/E環(huán)境下進(jìn)行了裝配干涉檢驗(yàn)。由于裝載機(jī)傳統(tǒng)開發(fā)模式存在的開發(fā)周期長、過程繁雜、開發(fā)成本高、性能測試?yán)щy等問題，本文將虛擬樣機(jī)技術(shù)引入裝載機(jī)開發(fā)領(lǐng)域，完成以下工作：1. 介紹了裝載機(jī)的發(fā)展歷史及前景，介紹了虛擬技術(shù)產(chǎn)生的背景、在國內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r以及虛擬技術(shù)的實(shí)際意義。學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目基于Pro/E的ZL50型裝載機(jī)工作裝置的設(shè)計與分析摘 要裝載機(jī)是一種應(yīng)用廣泛的工程機(jī)械。其工作裝置的結(jié)構(gòu)和性能直接影響工程機(jī)械整機(jī)的工作尺寸和性能參數(shù)，工作裝置的合理性直接影響整機(jī)的工作效率、生產(chǎn)負(fù)荷、動力與運(yùn)動特性、不同工況下的作業(yè)效果、工作循環(huán)的時間、外形尺寸和發(fā)動機(jī)功率等。2. 裝載機(jī)工作裝置包括鏟斗，動臂，搖臂及它們相對應(yīng)的油缸，連桿，并對它們進(jìn)行設(shè)計計算。4. 應(yīng)用Pro/E軟件對工作裝置做動態(tài)分析，檢測干涉測繪工作裝置的性能參數(shù)，對其進(jìn)行評價。關(guān)鍵詞：裝載機(jī)，工作裝置，仿真技術(shù)，有限元分析ABSTRACTLoader is a kind of engineer machine that is widely applied in engineer project. The structure and performance of working device directly affects the work size and performance parameters of machine , the reasonableness of equipments directly impact on efficiency of working machine, as well as on the production capacity, power and motion characteristics, effects of different conditions of operation, duty cycle time,dimensions and engine power. Aim to the problems that exist in traditional research way of loader, for example the research cycle is long, the cost is long, the cost is high and the performance test is plex etc, this paper leads virtual prototype technology into research of loader. The following research works are pleted:1. Introduces the development history and prospects of the loader, the background and domestic development situation of virtual technology and the actual meaning .2. Working mechanism of loader, including bucket loaders, boom, arm and their corresponding cylinders, connecting rods, and their design calculations.3. To brief introduce the Pro/E software which application in the field of engineering, the 3D modeling is used by Pro/E software, which is built and interferential test of assembly in Pro/E environment is pleted.4. Application of Pro/E software work device do dynamic analysis, the detection performance of interference surveying and mapping work device parameters of its evaluation.5. Application of Pro/M module of the key parts of the working device in finite element analysis and optimization.Key words：Loaders, work device ，simulation technology, finite element analysis目 錄摘 要 IABSTRACT II目 錄 III1 緒論 1 1 虛擬樣機(jī)設(shè)計技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 2 虛擬原型技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展歷史過程和取得的成就 2 Pro/E在裝載機(jī)工作裝置設(shè)計中的應(yīng)用現(xiàn)狀 32 裝載機(jī)工作裝置設(shè)計 5 裝載機(jī)工作裝置作業(yè)流程 5 基本參數(shù)確定 6 裝載機(jī)工作裝置設(shè)計要求 7 鏟斗設(shè)計 7 鏟斗設(shè)計要求 7 鏟斗結(jié)構(gòu)形式的選擇 7 鏟斗基本參數(shù)的確定 8 斗容的計算 10 平裝斗容 10 額定斗容(堆裝斗容) 11 工作裝置連桿系統(tǒng)設(shè)計 11 工作裝置連桿機(jī)構(gòu)的類型 12 工作裝置動臂設(shè)計及舉升油缸布置 14 工作裝置連桿機(jī)構(gòu) 16 233 工作裝置的仿真與分析 25 Pro/E軟件簡介 25 特點(diǎn)： 25 功能： 26 裝載機(jī)工作裝置三維實(shí)體模型的創(chuàng)建 26 工作裝置零件的三維實(shí)體創(chuàng)建 26 工作裝置三維實(shí)體組裝 29 工作裝置動力學(xué)分析 30 動力學(xué)分析流程 30 設(shè)置運(yùn)動環(huán)境 31 裝載機(jī)工作裝置的干涉檢查 32 裝載機(jī)工作裝置連桿系統(tǒng)分析 32 鏟斗運(yùn)動分析 364 ZL50裝載機(jī)工作裝置的有限元分析 39 Pro/MECHANICA Structure功能介紹 39 工作裝置結(jié)構(gòu)受力破壞與力學(xué)特征 39 工作裝置的結(jié)構(gòu) 39 結(jié)構(gòu)受力與破壞特征 40 外載荷的確定 40 工作裝置受力分析 40 主要部件的有限元分析 41 動臂的有限元分析 41 搖臂的有限元分析 44 連桿的有限元分析 45 本章小結(jié) 475 總結(jié)與展望 49 課題總結(jié) 49 展望 50 50 50參考文獻(xiàn) 53致謝 551 緒論裝載機(jī)屬于鏟土運(yùn)輸機(jī)械類，是一種通過安裝在前端一個完整的鏟斗支撐結(jié)構(gòu)和連桿，隨機(jī)器向前運(yùn)動進(jìn)行裝載或挖掘，以提升、運(yùn)輸和卸載的自行式履帶或輪胎機(jī)械。換裝不同的輔助工作裝置還可進(jìn)行推土、起重和其他物料如木材的裝卸作業(yè)。我國現(xiàn)代輪式裝載機(jī)起始于20世紀(jì)60年代中期的Z435型。經(jīng)過幾年的努力，在吸收當(dāng)時世界最先進(jìn)的輪式裝載機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)成功了功率為162KW的鏟接式輪式裝載機(jī)，定型為Z450（即后來的ZL50），并于1971年12月18日正式通過專家鑒定。Z450型裝載機(jī)具有液力機(jī)械傳動、動力換擋、雙橋驅(qū)動、液壓操縱、鉸接式動力轉(zhuǎn)向、氣推油加力制動等現(xiàn)代輪式裝載機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，為當(dāng)時世界先進(jìn)水平。該機(jī)在總體性能方面具有動力性好，插入力有掘起力大、機(jī)動靈活、操縱輕便、作業(yè)效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)。制訂標(biāo)準(zhǔn)時，保留用Z代表裝載機(jī)，用L取代“4”代表輪式，改Z450為ZL50，就這樣制訂出了以柳工ZL50型為基型的我國ZL輪式裝載機(jī)系列標(biāo)準(zhǔn)，這是我國裝載機(jī)發(fā)展鳴上的重大轉(zhuǎn)折點(diǎn)。到70年代末、80年代初我國裝載機(jī)制造企業(yè)已增加至20多家，初步形成了我國裝載機(jī)行業(yè)。第二代變化不很大，第三代變化稍大一些。因此，目前我國已經(jīng)成了世界上裝載機(jī)產(chǎn)銷大國，但是我國的裝載機(jī)設(shè)計水平還處于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計時期，大部分是通過技術(shù)引進(jìn)實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)還處于應(yīng)用入門或水平較低的普及階段[1]。因此企業(yè)要想在激烈的市場競爭中取勝, 就必須提高設(shè)計新產(chǎn)品的能力和對市場的快速反應(yīng)能力, 快速靈活地組織設(shè)計和生產(chǎn), 大幅度縮短產(chǎn)品研制開發(fā)周期和制造周期, 不斷推出適應(yīng)消費(fèi)者需求變化的新產(chǎn)品。虛擬原型技術(shù)在國內(nèi)的研究始于20世紀(jì)90年代初期, 經(jīng)過幾年的研究和發(fā)展, 已經(jīng)取得了初步的成效: 如徐重集團(tuán)的設(shè)計人員對舉高消防車進(jìn)行了三維可視化造型, 并對產(chǎn)品進(jìn)行裝配干涉檢驗(yàn)和運(yùn)動干涉檢驗(yàn), 取得了較好的效果。但目前工程機(jī)械產(chǎn)品研制開發(fā)周期仍較長, 加上科研投入不足, 使得國內(nèi)工程機(jī)械產(chǎn)品的更新周期普遍較長。 虛擬原型技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展歷史過程和取得的成就虛擬原型技術(shù)是以“虛擬現(xiàn)實(shí)”(VirtualR eality,VD)技術(shù)為基礎(chǔ)，以機(jī)械產(chǎn)品為對象在虛擬環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計的手段。美國Seatte波音高級技術(shù)中心開發(fā)的虛擬空間實(shí)驗(yàn)(VSX)飛行器相當(dāng)于一個飛行器的虛擬原型機(jī)MI。美國通用汽車公司開發(fā)了一個虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，幫助設(shè)計者考察數(shù)學(xué)模型的效果。美國國家超級計算機(jī)應(yīng)用中心開發(fā)了一個虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，能夠考察履帶挖掘機(jī)的動態(tài)性能。虛擬原型技術(shù)在國內(nèi)的研究始于20世紀(jì)90年代初期, 經(jīng)過幾年的研究和發(fā)展, 已經(jīng)取得了初步的成效: 如徐重集團(tuán)的設(shè)計人員對舉高消防車進(jìn)行了三維可視化造型, 并對產(chǎn)品進(jìn)行裝配干涉檢驗(yàn)和運(yùn)動干涉檢驗(yàn), 取得了較好的效果。但目前工程機(jī)械產(chǎn)品研制開發(fā)周期仍較長, 加上科研投入不足, 使得國內(nèi)工程機(jī)械產(chǎn)品的更新周期普遍較長[4]。產(chǎn)品設(shè)計師可以利用該軟件輕松的完成部件、整機(jī)模型的裝配。Pro/E系統(tǒng)提供了完善的仿真功能，通過對機(jī)構(gòu)實(shí)體模型添加運(yùn)動副、驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)對機(jī)構(gòu)運(yùn)動速度、軌跡、位移、運(yùn)動干涉等情況的分析，為機(jī)構(gòu)的設(shè)計與檢驗(yàn)提供數(shù)據(jù)支持，使得原來在二維圖紙上難以表達(dá)和設(shè)計的運(yùn)動變得直觀和易于修改[5]。在實(shí)際作業(yè)時，由于搖臂做來回往復(fù)運(yùn)動，所受力大小不斷變化并受交替應(yīng)力的作用，其受力情況十分復(fù)雜，利用Pro/E自帶的有限元分析可方便的找出其失效原因?qū)u臂的設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)，還可以運(yùn)用Pro/E軟件建立裝載機(jī)工作裝置運(yùn)動學(xué)模型，進(jìn)行動臂的強(qiáng)度分析，精確求解出偏載工況下裝載機(jī)動臂的應(yīng)力，為工作裝置的設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。動臂強(qiáng)度的計算主要借助于有限單元法，利用分析模塊設(shè)計者可以對動臂的尺寸結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，減少材料用量，降低生產(chǎn)成本。所取動臂板厚為56mm, 強(qiáng)度有較大儲備。同時在裝載機(jī)系列化產(chǎn)品設(shè)計中應(yīng)用虛擬原型技術(shù), 可使得樣機(jī)試制一次成功。2 裝載機(jī)工作裝置設(shè)計裝載機(jī)工作裝置是組成裝載機(jī)關(guān)鍵部件之一，裝載機(jī)的鏟掘和裝卸物料作業(yè)是通過其工作裝置的運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的。裝載機(jī)工作裝置由鏟斗連桿搖臂轉(zhuǎn)斗油缸動臂動臂油缸6等組成。鏟斗通過連桿和搖臂與轉(zhuǎn)斗油缸鉸接，用以裝卸物料。鏟斗的翻轉(zhuǎn)和動臂的升降采用液壓操縱。該作業(yè)流程可簡單的分解為：裝→運(yùn)→卸→返回。 基本參數(shù)確定由參考文獻(xiàn)可以知道ZL50型裝載機(jī)的基本工作參數(shù)[6]如表21所示：表21 基本工作參數(shù)公司名稱單位產(chǎn)品型號ZL50額定斗容(通用斗)M33額定載荷Kg5000柴油機(jī)型號　6135K9a飛輪功率Kw額定轉(zhuǎn)遞r/min2200最大掘起力kN160最大牽引力kN146整機(jī)操作質(zhì)量Kg17500傾復(fù)載荷全轉(zhuǎn)位置Kg11900車速I擋 前進(jìn)(后退)Km/h10(13)II擋 前進(jìn)(后退)34III擋 前進(jìn)(后退)　IV擋 前進(jìn)(后退)　最大卸載高度mm3030卸載距離(最大卸高時)mm1100軸距mm3427輪距mm2150最小離地間隙mm485轉(zhuǎn)向角176。35最小轉(zhuǎn)彎半徑輪胎外側(cè)mm6450鏟斗外