【正文】 ro/PROGRAM的各種能用零件設(shè)計的程序化方法等)。其它輔助模塊將進(jìn)一步提高擴(kuò)展 Pro/ENGINEER的基本功能[10]。a. 搖臂的三維圖b. 動臂的三維圖c. 連桿的三維圖d. 搖臂液壓缸三維圖e. 動臂液壓缸三維圖f. 鏟斗三維圖圖31 工作裝置三維零件圖 工作裝置三維實體組裝(1) 通過Pro/ENGINEER軟件，將上面建立的三維零件進(jìn)行組裝，最終得到工作裝置的三維圖形，如圖32所示。仿真分析有助于理解和分析工作裝置運動時產(chǎn)生的結(jié)果，并提供相應(yīng)的改進(jìn)設(shè)計的信息。運動仿真是使用機(jī)械設(shè)計功能來創(chuàng)建機(jī)構(gòu)，定義特定運動副，創(chuàng)建使其能夠運動的伺服電動機(jī)，實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運動模擬。也可以創(chuàng)建軌跡曲線和運動包絡(luò)，用物理方法描述運動。可以對機(jī)構(gòu)設(shè)置材料、密度等基本屬性特征，使其更加接近現(xiàn)實中的機(jī)構(gòu)，達(dá)到真實模擬現(xiàn)實的目的，所以本次設(shè)計仿真分析主要應(yīng)用動力學(xué)分析。動力學(xué)分析就是根據(jù)機(jī)構(gòu)上實際受力情況對機(jī)構(gòu)添加多個建模圖元，包括彈簧、阻尼器、力和力矩負(fù)載和重力，根據(jù)電動機(jī)所施加的力及其位置、速度來定義電動機(jī)，以檢測連接上的力以及點定點和連接軸的速度或加速度[11]。完成以上6個工況共需設(shè)置4 種在不同時刻伺服電動機(jī)的工作形式，根據(jù)圖218動臂油缸和翻斗油缸行程的計算分別得到動臂油缸和搖臂油缸在插入工況、鏟裝工況、最高位置工況、高位卸載工況時的長度，計算出動臂油缸和搖臂油缸的伺服電動機(jī)的伸縮距離，結(jié)合ZL50型裝機(jī)工作參數(shù)中工作提升所需時間，分別計算出動臂油缸和搖臂油缸隨時間變化的函數(shù)，在伺服電動機(jī)設(shè)置里面選用類型—輪廓里面設(shè)置電動機(jī)在不同時間的位置函數(shù)，得出搖臂油缸和動臂油缸的位置、速度、加速度的曲線如圖34此處沒有對油缸的運動做深入研究將油缸的運動全部以勻速計算[12]。對機(jī)構(gòu)添加相應(yīng)的要素，如伺服電動機(jī)、力/力矩、質(zhì)量屬性等后，就可以對機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的分析，在Pro/E中提供了五種分析類型：位置、運動學(xué)、動態(tài)、靜態(tài)、力平衡。 裝載機(jī)工作裝置的干涉檢查干涉檢查的目的是分析裝載機(jī)工作裝置連桿機(jī)構(gòu)可能出現(xiàn)的運動干涉及“死點”位置，這是保證工作裝置能正常工作的必要條件。傳統(tǒng)的干涉檢查是通過各個桿件的長度，利用各桿件的運動關(guān)系計算并畫圖檢查，這使得干涉檢查效率低且準(zhǔn)確度不高。在“Proe/Engineer”環(huán)境中干涉檢查的步驟是：(1)選擇“機(jī)構(gòu)”中的“回放”命令。(3)單擊“播放當(dāng)前結(jié)果集”，進(jìn)行全局干涉檢查分析。通過“ Proe/Engineer ” 環(huán)境中的全局干涉檢查判斷ZL50裝載機(jī)工作裝置干涉問題，經(jīng)過檢查，ZL50 裝載機(jī)工作裝置在鏟斗收斗時由于收斗角過大造成后擋板與搖臂產(chǎn)生輕微的干涉，通過調(diào)整翻斗油缸的伸長長度后，工作裝置不存在干涉情況。 裝載機(jī)工作裝置連桿系統(tǒng)分析在模塊中，使用“測量”命令，可創(chuàng)建一個或多個分析測量特征，這類特征用一條或一組曲線表示某個運動的分析結(jié)果。（1）鏟斗斗尖的位置分析為了驗算裝載機(jī)工作裝置是否滿足設(shè)計要求，對鏟斗斗尖處一點的位置進(jìn)行動態(tài)測量，其運動曲線如圖35和圖36。滿足設(shè)計要求。對裝載機(jī)工作裝置中動臂油缸受力進(jìn)行分析結(jié)果如圖37和圖38。結(jié)合設(shè)計任務(wù)的要求以及裝載機(jī)工作裝置的設(shè)計特點，分別測量出連桿與搖臂鉸點、搖臂與翻斗油缸活塞桿鉸接點、動臂與前車架鉸接點三個關(guān)鍵鉸接點的運動仿真分析結(jié)果如圖3圖3圖311所示。從圖39 中可以看出，該鉸接點的位置、速度及加速度在工作裝置整個運動中的情況，與所設(shè)定的初始條件吻合，整個曲線與各個工況運動情況一致。在動臂舉升與下降過程中，連桿基本保持相對靜止?fàn)顟B(tài)。從圖310可見，搖臂在運動過程中，只有在鏟斗收斗、翻斗運動時才有相對運動。另外曲線在一定程度上的傾斜，是為了保證鏟斗在舉升和下降時保持水平，給連桿一定的補(bǔ)償，這也與工作裝置實際運動狀態(tài)吻合。從圖37可見，動臂在舉升和下降時是直線型的。這些都與實際工作裝置相符合。 鏟斗運動分析在裝滿物料被舉升到最高卸載位置的過程中，為了避免鏟斗中物料撒出，要求鏟斗做近似于平動，即鏟斗傾角變化不應(yīng)大于15176。這樣使鏟斗在運動過程中不會由于轉(zhuǎn)動而將物料灑落，符合裝作裝置的設(shè)計要求?；具_(dá)到要求。4 ZL50裝載機(jī)工作裝置的有限元分析 在裝載機(jī)的實際工作過程中, 鏟斗經(jīng)常受偏載作用, 此時工作裝置除承受正載外還要受附加彎矩作用, 從而導(dǎo)致鏟斗和動臂的變形。如設(shè)計不當(dāng)將導(dǎo)致工作裝置剛度不足而失效。在處理空間力學(xué)系統(tǒng)問題時, 施加于模型上載荷的大小及方向常常人為地簡化, 求得的結(jié)果與實際存在一定的誤差。 Pro/MECHANICA Structure功能介紹 Pro/MECHANICA Structure是集靜態(tài)、動態(tài)結(jié)構(gòu)分析于一體的有限元模塊，能夠模擬真實環(huán)境為模型施加約束及載荷，計算模型的應(yīng)力應(yīng)變、位移等參數(shù)，進(jìn)行靜態(tài)、模態(tài)、翹曲、疲勞、動態(tài)響應(yīng)、振動等分析；通過指定設(shè)計參數(shù)，能夠在給出的變化范圍內(nèi)進(jìn)行敏感度分析，并借助優(yōu)化分析為模型尋找最佳參數(shù)。 工作裝置結(jié)構(gòu)受力破壞與力學(xué)特征 工作裝置的結(jié)構(gòu)工作裝置由鏟斗、動臂、橫梁、支撐、搖臂、拉桿等組成。為了增強(qiáng)搖臂、支撐的剛度，在搖臂及支撐之間有筋板連接，在計算時，可以將其視為一體。用Pro/E對其做有限元靜力分析中，認(rèn)為工作裝置各鉸接處沒有相對轉(zhuǎn)動。橫梁截面為箱形，為焊接結(jié)構(gòu)?？紤]各構(gòu)件的厚度遠(yuǎn)小于其它兩個方向的厚度，可以認(rèn)為均為板類零件。分析裝載機(jī)插入、鏟起、舉升、卸載等的作業(yè)過程可知，裝載機(jī)載初鏟時，工作裝置受力最大。由于物料種類和作業(yè)的條件不同，裝載機(jī)工作時鏟斗切削刃并非均勻受載，一般可以簡化為兩種極端情況：（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的集中載荷來代替均布載荷，稱其為對稱受載情況；（2）非對稱受載情況，由于鏟斗偏鏟、料堆密集情況不均，使載荷偏于鏟斗一側(cè)，通常將其簡化為集中載荷作用在鏟斗最邊緣的斗齒上。當(dāng)結(jié)構(gòu)受力超過其極限載荷，材料發(fā)生塑性變形直至開裂（焊接部位）或斷裂。 (2)垂直力（即鏟起阻力）在工作裝置的參數(shù)中可以得到：Ry=160KN 工作裝置受力分析 根據(jù)文獻(xiàn)以轉(zhuǎn)斗掘起偏載工況作為動臂強(qiáng)度計算工況計算工作裝置的應(yīng)力，建立工作裝置運動學(xué)模型，首先在Pro/ENGINEER 中建立工作裝置各部件的三維立體模型以動臂處于最低位置鏟斗斗底與地面成5176。取額定裝載量，按靜力等效的原則將力施加在鏟斗尖內(nèi)移約100mm處中部加載。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。根據(jù)圣維南原理，局部載荷不影響遠(yuǎn)處應(yīng)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(yīng)力分布。（2）受力分析在Pro/E機(jī)構(gòu)中，使用靜態(tài)分析對上述運動學(xué)模型進(jìn)行運算求解，計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。如果設(shè)計不當(dāng)，將導(dǎo)致工作裝置剛度不足，很快失效。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(jìn)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(qiáng)度，屈服點，彎曲疲勞極限[15]。. 圖41 動臂網(wǎng)格圖對動臂進(jìn)行靜態(tài)分析，動臂應(yīng)力分布云圖如圖42所示。圖42 正載動臂應(yīng)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(jī)構(gòu)負(fù)荷、進(jìn)行約束。圖43表明, 在極限偏載作用下動臂應(yīng)力危險區(qū)出現(xiàn)在受偏載側(cè), 應(yīng)力值為410 MPa,超過了材料的屈服極限。得到動臂優(yōu)化后的三維模型如圖45所示。圖46表明, 在極限偏載作用下動臂應(yīng)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(yīng)力值為220~ 320 MPa, 動臂其余部分應(yīng)力值在130MPa左右, 符合設(shè)計要求且有足夠的強(qiáng)度儲備。 搖臂的有限元分析由于在實際作業(yè)時，搖臂做來回往復(fù)運動，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，對搖臂進(jìn)行改進(jìn)。插入動臂正常工況下的機(jī)構(gòu)負(fù)荷，得到搖臂的應(yīng)力模型如圖47。 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(xì)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(jī)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(jìn)行有限元分析[1]。首先對連桿進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力分析得到連桿的應(yīng)力云圖48。圖 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]。5 總結(jié)與展望 課題總結(jié)輪式裝載機(jī)是用于裝運散料為主的工程機(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、所需費用高，對市場反應(yīng)慢等問題，本文通過對ZL50輪式裝載機(jī)的工作裝置運用圖解法進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，簡單快捷，并且引入了虛擬樣機(jī)技術(shù)，為裝載機(jī)工作裝置的運動和受力進(jìn)行分析，方便快捷，主要工作包括：(1)對于ZL50輪式裝載機(jī)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(jì)且可靠的。鏟斗的額定容量為3達(dá)到了要求。(4)利用Pro/E對工作裝置進(jìn)行建模，對連桿系統(tǒng)進(jìn)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。(6)應(yīng)用Pro/E中的有限元分析模塊對裝載機(jī)工作裝置中的重要零件如動臂、搖臂、連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jìn)行改進(jìn)，省去制造樣機(jī)進(jìn)行反復(fù)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。運用Pro/E軟件通過對裝載機(jī)機(jī)構(gòu)運動仿真的具體實踐，實現(xiàn)了運動學(xué)、動力學(xué)分析及裝配干涉、運動協(xié)調(diào)性的驗證。特別是仿真測量分析，對獲得機(jī)構(gòu)運動位置、速度、運動副之間相互關(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。 展望由于輪式裝載機(jī)屬于大型復(fù)雜機(jī)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(jìn)行了設(shè)計與分析，雖然裝載機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)和性能對裝載機(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的一個有機(jī)整體，其整機(jī)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(jìn)行考慮設(shè)計。(2) 在工作裝置的設(shè)計時主要應(yīng)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(yīng)用的是經(jīng)驗終結(jié)和類比法，對整個機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)性沒有進(jìn)行過多的優(yōu)化。最后針對上面的問題和自己的想法，希望輪式裝載機(jī)工作裝置的設(shè)計能再有以下方面進(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)計模型，通過三維軟件的二次開法使得裝載機(jī)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(qiáng)產(chǎn)品的市場競爭力；(2) 對動臂等部件的強(qiáng)度計算可以針對工作的實際受力情況，對工作裝置進(jìn)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(yīng)力分析，使設(shè)計者科學(xué)的對尺寸進(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)，然后對整個工作裝置建模，期中影響優(yōu)化目標(biāo)部分進(jìn)行參數(shù)化建模。(1) 輪式裝載機(jī)在設(shè)計時優(yōu)化各項性能指標(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)來實現(xiàn)變速箱的自動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) 同時采用靜液壓技術(shù)，提高傳動系統(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。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(jìn)一步改善故障診斷系統(tǒng)，提供排除問題的方法[1]。在此我要衷心地感謝 老師在設(shè)計過程中給予我的指導(dǎo)和關(guān)心，從選題到實際的設(shè)計過程之中，每一個環(huán)節(jié)都凝聚了曹老師的心血。還要感謝我們班上同學(xué)們對我的支持，他們在我遇到問題的時候都能夠全心全意的幫助我，在此，表示深深的感謝！通過這次畢業(yè)設(shè)計，使自己將四年大學(xué)所學(xué)的知識進(jìn)行了系統(tǒng)的歸納和應(yīng)用，是對所學(xué)知識的一次全面的考察與應(yīng)用，不僅對所學(xué)的理論基礎(chǔ)知識能夠更充分的去理解，同時也將理論和實際相結(jié)合起來，培養(yǎng)了自學(xué)、查資料、獨立思考的能力，為以后的工作、學(xué)習(xí)和深造打下了良好的基礎(chǔ)。在設(shè)計中，雖然查閱了大量的資料，并聽取了不少老師和同學(xué)的建議，但由于自身的知識水平和認(rèn)知能力有限，所做的設(shè)計中難免有錯誤和不足之處，在此懇請廣大老師和同學(xué)們批評指正，提出寶貴的意見，以便我汲取經(jīng)驗教訓(xùn)，