毕业设计（论文）-基于CATIA的装载机实体建模及运动仿真.docx

摘要装载机是一种应用广泛的工程机械。有其广泛的空间，但由于装载机传统开发模式存在开发周期长、过程繁杂、开发成本高、性能测试困难等问题，本文将仿真技术引入装载机开发领域，完成以下工作：1 介绍装载机的发展历史及前景，装载机的种类，介绍仿真技术产生的背景、在国内的发展状况、仿真技术的实际意义。2 对液压缸做出了合理的选择。3 简述catia软件在工程设计中的应用，利用catia软件构建装载机的三维实体模型，并对其进行装配。完成设计图纸。4 在catia软件环境中进行运动仿真，得出装载机工作性能曲线。关键字： 装载机 仿真技术 三维建模abstractloader is a kind of engineer machine that is widely applied in engineer project, which it is wide space, aim to the problems that exist in traditional research of loader .for example the research cycle is long 、the cost is long 、the following research works are completed:1 the development for foreground, the category and loader is history is introduced, also the background of simulation technology come into being, developing status in local and significance of virtual prototype technology is introduced.2 to brief introduce the catia software which application in the field of engineering, the 3d modeling is used by catia software.3 the simulated motion in catia environment is completed, and the capability curve is reached.4 a rational choice for the hydraulic actuating cylinder.keywords: loader； 3d modeling； simulation technology.目录摘要iabstractii第1章 绪论11.1装载机的简介11.1.1装载机的发展史及其前景11.1.2 装载机的种类11.1.3 本章小结41.2 运动仿真技术简介41.2.1运动仿真技术产生的背景41.2.2运动仿真技术41.2.3 运动仿真技术在国内外的发展概况51.2.4 发展运动仿真技术的重要意义51.2.5 总结51.3 catia软件在工程设计中的应用61.3.1 catia软件介绍61.3.2 运动仿真技术对装载机设计理念的影响71.4 本章小结8第2章 小型装载机工作装置的结构及参数的确定102.1 工作装置的结构102.1.1 装载机的工作原理及结构组成102.1.2 装载机工作装置的设计要求112.2工作装置的受力分析及计算122.2.1计算位置的确定122.2.2外载荷的确定132.2.3工作装置的受力分析152.3工作装置油缸作用力的确定182.3.1铲起力的确定202.3.2转斗油缸作用力的确定202.3.3动臂油缸作用力的确定202.3.4转斗油缸与动臂油缸被动作用力的确定212.4小结22第3章装载机工作装置三维实体建模233.1 工作装置零件建模233.1.1 动臂的生成233.1.2铲斗的生成243.1.3底座的生成253.1.4连杆的生成263.1.5 摇臂的生成263.1.6 液压缸筒的生成273.1.7 液压缸盖的生成273.1.8 液压缸活塞的生成283.1.9连接销轴的生成283.2 工作装置装配模型建模293.2.1 底座模型装配303.2.2 动臂模型装配313.2.3 铲斗实体模型装配323.2.4液压缸体模型装配323.2.5 摇臂实体模型的装配连接343.2.6连杆实体模型与铲斗实体模型和摇臂实体模型的装配连接343.2.7销钉实体模型的装配连接343.2.8 本章小结37第4章装载机工作装置运动仿真384.1 概述384.2 创建装载机工作装置的机械运动仿真384.2.1旋转结合设置384.2.2 圆柱结合设置394.3 工作装置的干涉检测404.4 结合运动仿真测量出工作装置的性能曲线404.5 小结42第5章 结论43参考文献44致谢46iv第1章 绪论装载机是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等场所的工程机械，它主要用于铲装土壤、砂石、石灰、煤炭等散状物料，也可对矿石、硬土等作轻度铲挖作业。换装不同的辅助工作装置还可进行推土、吊装和其他物料如木材的装卸作业。在道路、特别是在高等级公路施工中，装载机用于路基工程的填挖、沥青混合料和水泥混凝土料场的集料与装料等作业。此外还可进行推运土壤、刮平地面和牵引其他机械等作业。由于装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点，因此它成为工程建设中土石方施工的主要机种之一，同时也成为工程机械中发展最快、产销量及市场需求最大的机种之一。1.1装载机的简介1.1.1装载机的发展史及其前景我国装载机始于1960年末，发展至今它经历了3个发展阶段，即60年代仿制摸索阶段；70年代自力更生研制阶段；80年代至90年代技术引进、合资合作发展阶段。自1958年，上海港口机械厂首先测绘并试制了67kw（90hp）、斗容量为1的装载机我国自己制造的第一台装载机之后。全国装载机产品从1976年的446台发展到1996年的18310台，二十年内增长41.1倍。同时国民经济的发展与国家基建规模及资金投入的增大，更促进了我国装载机行业的迅速发展。生产企业由1980年的20家增至现在的100余家，初步形成了规格为0.810t约19个型号的系列产品，并已成为工程机械主力机种。自此装载机在全国机械产品中，成为重要代表产品，令世人瞩目。随着我国经济的持续、健康、高速发展，对工程机械的需求将增长，这些需求对工程机械产品既提出了“量”又提出了“质”的巨大市场需求。我国“十一五”期间土石方、路基路面、基础及建筑施工工作量预计比“十五”要大一倍以上，工程机械的总需求量亦将为“十五”期间的二倍，推土机、装载机、轮式起重机、叉车、路面机械、凿岩钻车及挖掘机械等7类主要工程机械“九五”末的年需求量可在11万台以上。而轮式装载机2000年时年需求达2700030000台以上，这就为我国轮式装载机行业的发展提供了一个良好的市场前景，为制订战略发展宏伟目标提供科学决策依据。综观国外装载机的发展特点及外部环境，专家预测未来装载机的主要发展趋势是：（1） 开发节能、高效、可靠、环保型产品，并研制无泄漏装载机。（2） 微电子及机械电子液压一体化技术将获得越来越广泛的应用。（3） 安全性及舒适性是产品发展的重要目标。（4） 大型化与微型化仍是产品系列化的两极方向。（5） 技术进步、人才培养和售后服务将成为企业生存的三大关键内在因素。（6） 集团化、社会化与国际化是企业生存与发展的必由之路。1.1.2 装载机的种类目前，装载机的国际市场分为两类：一类是发达国家市场，二类是发展中国家市场。发达国家市场的产品技术水平和质量要求很高，竞争异常激烈。由于我国装载机产品档次低，不易开拓此类市场，而应重点巩固与继续发展二类市场。二类市场主要包括东南亚、中东、非洲和南美洲四大区域市场，主要由发展中国家组成，与我国有良好的外交关系，往来密切，也是我国装载机出口量最多的地区。因此，发展中国家市场是目前我国装载机进入国际市场的主攻方面。由于受东南亚经济危机持续时间加长、印尼国内动乱及一些国家货币贬值等诸多外部因素的影响，导致了我国装载机出口难度的增加，也给国外装载机及其关键部件的进口创造了外部条件。因此，有关生产装载机企业（包括合资企业）要积极准备，把握时机，迎接挑战，扎实搞好“三大战役”，务求在品种、质量、交货期和售后服务等方面有一个更大的发展。在有限的时间内，集中力量解决目前存在的以下三个问题：相当一批产品水平较低，高科技含量少，可靠性较差；中小型号生产厂家多而杂，产量过剩；产品结构不合理，多数企业形不成规模效益。总的来说，常用的单斗装载机，按行走装置，发动机功率，传动形式，行走系结构，装载方式的不同进行分类。1、行走装置的不同：装载机分为轮胎式和履带式两种。轮胎式装开机由动力装置、车架、行走装置、传动系统、转向系统、制动系统、液压系统和工作装置等组成，其结构简单图如图2所示。轮胎式装载机采用柴油机为动力装置，液力变矩、动力换档变速箱、双桥驱动等组成的液力机械式传动系统（小型轮胎式装载机有的采用液压传动或机械传动），液压操纵，铰接式车架转向，反转连杆机构的工作装置。履带式装载机以专用底盘或工业拖拉机为基础车，装上工作装置并配装相就原操纵系统而构成，如图1所示。履带式装载机的动力装置也是柴油机，机械式传动系统则采用液压助力湿式离合器或湿式双向液压操纵转向离合器和正转连杆机构的工作装置。图1轮胎式装载机图2履带式装载机1-行走机构；2-发动机；3-动臂；4-铲斗；5-转斗油缸；6-动臂油缸；7-驾驶室；8-燃油箱2、发动机功率： 功率小于74kw为小型装载机。 功率在74147kw为中型装载机 功率在147515kw为大型装载机 功率大于515kw为特大型装载机 3、传动形式： 液力机械传动，冲击振动小，传动件寿命长，操纵方便，车速与外载间可自动调节，一般在中大型装载机多采用； 液力传动：可无级调速、操纵间便，但启动性较差，一般仅在小型装载机上采用； 电力传动：无级调速、工作可靠、维修简单、费用较高，一般在大型装载机上采用。 4、行走结构： 轮胎式：质量轻、速度快、机动灵活、效率高、不易损坏路面、接地比压大、通过性差、但被广泛应用； 履带式：接地比压小，通过性好、重心低、稳定性好、附着力强、牵引力大、比切入力大、速度低、灵活性相对差、成本高、行走时易损坏路面。 5、装卸方式： 前卸式：结构简单、工作可靠、视野好，适合于各种作业场地，应用较广； 回转式：工作装置安装在可回转3600的转台上，侧面卸载不需要调头、作业效率高、但结构复杂、质量大、成本高、侧面稳性较差，适用于较狭小的场地。 后卸式：前端装、后端卸、作业效率高、作业的安全性欠好。1.1.3 本章小结本章主要讨论了装载机的发展状况及发展趋势，介绍了装载机的种类，为课题研究的实际意义提供了依据。1.2 运动仿真技术简介1.2.1运动仿真技术产生的背景进入21世纪，科学技术突飞猛进，社会发展日新月异。人们对个性化产品的需求越来越迫切，对产品性能的要求也越来越高，全球化经济已明显地呈现出买方市场的特点。由于这一变化，导致市场竞争日趋激烈，而竞争的核心则主要体现在产品创新上，体现在对客户的响应速度和响应品质上。传统的物理样机在产品的创新开发中，在开发周期、开发成本、产品品质等方面已越来越不能满足市场需求，运动仿真技术正是在这一市场需求的驱动下产生的。1.2.2运动仿真技术运动仿真技术是一种崭新的产品开发方法，是多个相关学科领域交叉、集成的产物，是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。其涉及机械、电子、计算机图形学、仿真建模、虚拟现实等多个领域、多项技术，以计算机仿真和产品生命周期建模为基础，以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，借助成熟的三维计算机图形技术、图形用户界面技术、信息技术、集成技术、多媒体技术、并行处理技术等，将分散的产品设计开发和分析过程集成在一起，使得与产品相关的所有人员能在产品研制的早期直观形象地对虚拟的产品原型进行设计优化、性能测试、制造仿真以及使用仿真等。 换句话说“运动仿真”设计方法就是在建造第一台（件）物理样机之前，利用软件技术建立产品系统计算机模型，通过基于实体可视化的仿真分析，模拟系统在真实工作环境条件下的运动和动力特性，以便反复修改设计方案，最终得到最优设计方案。1.2.3 运动仿真技术在国内外的发展概况国外已在各个领域广泛地应用仿真设计。所涉及到的产品从庞大的卡车到微小的照相机的快门，从火箭到轮船的锚机。在工程矿山机械行业，如约翰迪尔公司利用仿真技术成功地解决了工程机械在高速行驶时出现蛇行现象的问题及在重载下的自激振动这个一直困扰着设计师及用户的难题，大大提高了工程矿山机械高速行驶性能与重载作业性能。卡特彼勒公司利用虚拟样机在切削任何一片金属之前就可快速试验数千种设计方案，不但降低了产品设计成本，缩短了开发周期，而且还制造出性能更为优异的产品。运动仿真技术在国外已有很多应用实例，我国也正极急投身于该项技术的研究中。在传统上，我国引进物理样机，开发人员往往停留在零件照抄的水平上，对于样机缺乏系统水平上的理解和研究，结果虽然投入了大量的人力物力，却收效甚微。但如果采用虚拟样机技术，技术人员便可对引进样机进行深入的研究，可以追踪样机的设计思想，从而真正提高设计人员的水平，开发出能满足市场需求的产品来。1.2.4 发展运动仿真技术的重要意义运动仿真设计方法将分散的零部件设计和分析技术集成在一起，提供一种更全面地了解设备性能的方法。它利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式地探索虚拟物体的功能，对设备进行几何、功能及制造等方面交互的建模与分析。在概念设计和方案论证中，便于设计师将自己的经验与想象融于计算机的虚拟样机设计中，充分发挥想象力和创造力，并替代物理样机进行性能模拟试验。设计师可在计算机上方便地确定、修改设计进程，逐步优化设计方案。通过运动仿真机试验，还可节省建立试验台、安装测试设备和测试仪表等有关的费用，更快地确定影响设计方案性能的敏感参数，达到最优化设计目的。这样，可大大缩短设备研发周期，降低研制成本，提高设计质量和效率，为产品赢得了竞争优势。1.2.5 总结基于运动仿真的设计方法将成为21世纪工矿设备开发、研究的主流。对成本高、系统复杂、工况恶劣，而又不可能制造多台物理样机的设备其应用前景更加广阔，如大型露天矿用设备、煤矿井下综采设备和深海开采设备等。以及那些事关国际名声的骨干行业，如汽车工业、军事工业等，仿真技术在这些行业的应用在带来可观经济效益的同时，亦可提高其产品的设计水平和市场竞争力，有着广阔的发展前景。因此，仿真技术的各项关键技术必将为经济发展、国防建设、科技发展及社会进步做出重大贡献。1.3 catia软件在工程设计中的应用1.3.1 catia软件介绍catia是法国dassault system公司旗下的cad/cae/cam一体化软件，dassault system 成立于1981年，catia是英文 computer aided tri-dimensional interface application 的缩写。 在70年代dassault aviation 成为了第一个用户，dassault aviation 是世界著名的航空航天企业，其产品以幻影2000和阵风战斗机最为著名。 从1982年到1988年，catia 相继发布了1版本、2版本、3版本，并于1993年发布了功能强大的4版本，现在的catia 软件分为v4版本和 v5版本两个系列。v4版本应用于unix 平台，v5版本应用于unix和windows 两种平台。 catia如今其在cad/cae/cam 以及pdm 领域内的领导地位，已得到世界范围内的承认。 其销售利润从最开始的一百万美圆增长到现在的近二十亿美元。雇员人数由20人发展到2，000多人。居世界cad/cae/cam领域的领导地位，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子电器、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，其特有的dmu电子样机模块功能及混合建模技术更是推动着企业竞争力和生产力的提高。 catia 提供方便的解决方案，迎合所有工业领域的大、中、小型企业需要。包括:从大型的波音747飞机、火箭发动机到化妆品的包装盒，几乎涵盖了所有的制造业产品。在世界上有超过13,000的用户选择了catia。catia 源于航空航天业，但其强大的功能以得到各行业的认可，在欧洲汽车业，已成为事实上的标准。catia 的著名用户包括波音、克莱斯勒、宝马、奔驰等一大批知名企业。其用户群体在世界制造业中具有举足轻重的地位。波音飞机公司使用catia完成了整个波音777的电子装配，创造了业界的一个奇迹，从而也确定了catia 在cad/cae/cam 行业内的领先地位。catia拥有远远强于其竞争对手的曲面设计模块，在此有必要介绍一下：1.generic shape design简称gsd，创成式造型，非常完整的曲线操作工具和基础的曲面构造工具，除了可以完成所有曲线操作以外，可以完成凸台，旋转，扫描，边界填补，桥接，修补碎片，拼接，凸点，裁剪，光顺，投影和高级投影，倒角等功能，连续性最高达到g2，生成封闭片体volume，完全达到普通三维cad软件曲面造型功能，比如pro/e。完全参数化操作。2.free style surface简称fss, 自由风格造型，几乎完全非参。除了包括gsd中的所有功能以外，还可完成诸如曲面控制点（可实现多曲面到整个产品外形同步调整控制点、变形），自由约束边界，去除参数，达到汽车classa的曲面桥接、倒角、光顺等功能，所有命令都可以非常轻松的达到g2。凭借gsd和fss，catia曲面功能已经超越了所有cad软件，甚至同为汽车行业竞争对手的ug nx。3.automotive class a简称aca，汽车a级曲面，完全非参，此模块提供了强大的曲线曲面编辑功能，和无比强大的一键曲面光顺 应用catia的丰田f1几乎所有命令可达到g3，而且不破坏原有光顺外形。可实现多曲面甚至整个产品外形的同步曲面操作（控制点拖动，光顺，倒角等）。对于丰田等对a级曲面要求近乎疯狂（全g3连续等）的要求，可应付自如。目前只有纯造型软件，比如alias, rinho可以达到这个高度，却达不到catia的高精度。4.freestyle sketch tracer简称fst，自由风格草图绘制，可根据产品的三视图或照片描出基本外形曲线。5.digitized shape editor简称dse，数字曲面编辑器，根据输入的点云数据，进行采样，编辑，裁剪已达到最接近产品外形的要求，可生成高质量的mesh小三角片体。完全非参。6.quick surface reconstruction快速曲面重构，根据输入的点云数据或者mesh以后的小三角片体，提供各种方式生成曲线，以供曲面造型，完全非参。7.shape sculpter,小三角片体外形编辑，可以对小三角片体进行各种操作，功能强大到与catia曲面操作相同，完全非参。8.automotive biw fastening汽车白车身紧固，设计汽车白车身各钣金零件之间的焊接方式和焊接几何尺寸。9.image & shape可以像捏橡皮泥一样拖动，凸台，扭转产品外形、增加“橡皮泥块”等方式以达到理想的设计外形。可以极其快速的完成产品外形概念设计。 10.healing assistant一个极其强大的曲面缝补工具，可以将各种破面缺陷自动找出并缝补。1.3.2 运动仿真技术对装载机设计理念的影响装载机是一种作业效率高，用途广泛的工程机械，它不仅对松散的堆积物料可进行装运、卸作业，还可对岩石、硬土进行轻度铲掘工作，并能用来清理刮平场地及牵引作业。经过80多年的发展，到今天装载机已经成为一种必不可少的工程用具。目前，世界上已经出现了许多能够满足不同要求的规格种类繁多的装载机产品。随着科技的发展，和设计理念的不断更新，还将出现更多功能和性能优良的装载机产品。本次改装设计的小型装载机主要用于中小型矿井下代替人工，铲装粒度不大的散装物料，对提高中小型矿井的机械化水平有重要意义。通常在对轮式装载机的工作装置进行机构分析时一般采用图解法或解析法，采用图解法精度较低，使用解析法计算又很复杂，因此一般只对几个作业位置进行分析计算，难以了解全部工况的作业性能及负荷变化。为解决这一问题，我们使用机械系统运动学与动力学分析仿真软件对其进行分析。这就要求先进行装载机工作装置的运动仿真设计。装载机工作机构的运动仿真的设计主要是用大型参数化建模工具catia对工作装置先进行三维实体建模，然后实现动态模拟。为能够方便的解决在产品设计阶段中运动构件在运动过程中的运动协调关系、运动范围设计、可能的运动干涉检查等问题找到一个切实可行的新方法。装载机虚拟样机的设计步骤和传统设计步骤基本相同如图1-2-1所示。nyyynny装载机模型设计方案实体建模干涉检查分析n运动分析生成工程图是否符合设计要求设计结果是否满意图1-2-1 装载机工作装置运动仿真设计步骤1.4 本章小结本章主要讨论了运动仿真技术产生的背景、状况及发展趋势，介绍了运动仿真应用的领域和实现的过程，指出了课题研究的背景和实际意义，确定了论文所要完成的主要任务和预期目的。介绍了catia软件在工程设计中的应用。第2章 小型装载机工作装置的结构及参数的确定为设计小型装载机工作装置的虚拟样机，必须对工作装置进行机构设计，通过力学分析确定部分参数，为工作装置虚拟样机应力分析提供理论依据。2.1 工作装置的结构工作装置是完成装卸作业并带液压缸的空间多杆机构，是组成装载机的关键部件之一，其设计水平高低直接影响装载机性能的好坏，进而影响整机的工作效率与经济指标。2.1.1 装载机的工作原理及结构组成装载机是以柴油发动机或电动机为动力源，以轮胎或履带行走机构产生推力，有工作装置来完成土石方工程的铲挖、装载、卸载及运输作业的一种工程机械。一场用的轮胎式装载机为例，期工程过程是发动机的动力传给变速箱，再由变速箱经过前后传动轴分别传送给前、后桥以便车轮转动，使装载机工作装置接近并插入堆料。工作装置动臂的一端铰接在车架上，一端铰接铲斗利用转斗油缸通过摇臂和连杆可使铲斗翻转，利用动臂油缸可使动臂绕铰点旋转，以举升、放下铲斗，完成装载作业。轮式装载机是由动力装置、车架、行走装置、传动系统、制动、液压系统和工作装置等组成。轮式装载机的动力是柴油发动机，大多采用液力变矩器，动力换挡变速箱的液力机械传动形式（小型装载机有的采用液压传动或机械传动），液压操纵、铰接式车体转向、双桥驱动、宽宽基低压轮胎，工作装置多采用反转连杆机构。轮式装载机的工作机构由铲斗、动臂、连杆及液压系统组成，如图2-1所示。铲斗用以铲装物料；动臂和动臂油缸的作用是提升铲斗并使之与车架连接；铲斗油缸通过摇臂连杆使铲斗转动。动臂的升降和铲斗的转动均以液压操纵。装载机工作时，由动臂、动臂油缸、铲斗、转斗油缸、摇臂、连杆及车架相互铰接所构成的连杆机构来保证；当动臂处于某种作业时，在转斗油缸的作用下，提升后下降铲斗的过程中，连杆机构应能使铲斗平移或近似平移；另外在动臂下降时可以将铲斗自动放平，以减轻驾驶员的劳动强度，提高生产率。图 2-1 轮式装载机工作装置图1、 铲斗 2、托架 3、转斗油缸 4、连杆 5、动臂 6、动臂油缸2.1.2 装载机工作装置的设计要求一般的，对于装载机工作装置的设计要求主要包括以下几个方面：1） 铲运功能：铲斗运动轨迹符合作业要求，正常完成铲掘、装载功能；2） 平移性：动臂提升过程中，长都保持平移运动，以免斗中物料洒落，工作装置的平移性就是转斗缸闭锁后，动臂在升举过程中，连杆机构应能使铲斗在收斗位置保持平移，或使斗底面与水平面夹角的变化不大于15度。如果考虑土壤的安息角，动臂从地面铲掘位置提升到运输位置阶段，则希望铲斗收斗要快些；动臂从运输位置升到上限位置阶段，则希望铲斗保持平移。平移性是为了提高装载机工作效率而提出的重要指标，无论大型还是小型装载机都要对平移性有较高的要求。在工作装置整个作业工程中，铲掘工况耗能最多。如果铲斗平移性较差，在铲斗举升过程中，物料就会大量洒落，增加了整机的无功消耗。3） 掘起力：希望掘铲力大，且铲掘是掘起力变化规律符合工作要求。4） 干涉性：工作机构各构件之间不允许发生运动干涉。5） 传动角：传传动角符合某限制范围，以保证工作装置的传动性能良好。6） 机构效率：机构传动省力，作业时消耗功率要尽量小。7） 自动平放：从高位直到最低位置时，颤抖能自动插入物料状态。工作装置的自动放平性就是动臂在上限位置卸料后，转斗缸闭锁，动臂下降至下限位置时，应保持铲斗自动放平，自动进入下一次的铲掘状态。装载机工作装置具有铲斗自动放平性，一方面，可以提高工作效率，减少每一次工作循环的作业时间。另一方面，可以避免铲斗复位不准而引起的的作业阻力增加。对于小型装载机工作装置，由于经济性限制，铲斗的自动放平性主要在设计阶段完成，即通过合理确定连杆的杆长比例力求解决。8） 卸载性：满足卸载高度和卸载距离要求，保证动臂在任何位置都能卸净铲斗中的物料。工作装置的卸载性就是当动臂处于任何作业位置时，在转斗缸作用下，应保证铲斗的卸料角均大于45度，即所谓的“任意位置卸料的可能性”。但从实际情况出发，认为动臂在运输位置以下时，铲斗的卸料角小于45度，也还是可以使用的。因为装载机很少在低位卸料。在工作装置的设计中，卸料性主要受限转斗缸的最小结构长度及其行程。9） 总体布置要求:工作装置的极限工作空间、最大卸载高度及最大卸料距离等应满足整机性能要求。10） 在满足作业要求的前提下，工作结构简单、自重轻、受力合理、强度高；应保证驾驶员具有良好的工作条件，确保工作安全、视野良好、操作简单和维修方便。11） 工作装置的动力性就是铲斗处于地面铲掘位置时，工作装置应有较高的力传动比，以保证有较大的掘起力。动力性好，可充分发挥整机及其液压系统的工作能力，在液压系统压力不变的前提下，可获得较大的掘起力，在设计阶段通过调整各杆长度之间的比例，而获得较好的动力性。除此之外，表征工作装置的性能指标还有举升性能、卸料传动性能及举升颤动性能等。2.2工作装置的受力分析及计算 工作装置的结构计算包括: (1)确定计算位置; (2)选取工作装置受力最大的典型工况，确定外载荷 (3)对工作装置进行受力分析。2.2.1计算位置的确定分析装载机插入料堆，铲起、提升、卸载等作业过程可知，装载机在铲掘物料时，工作装置受力最大。取铲斗斗底与地面的前倾角为5度并假定外载荷作用在铲斗切削刃上的铲掘位置为计算位置，如图2-2所示。图2-2 装载机的铲掘位置图2.2.2外载荷的确定 由于物料种类和作业条件的不同，装载机实际作业是不可能使铲斗切削刃均匀受载，一般可以简化为两种极端情况(1)认为载荷沿切削刃均匀分布，并以作用在铲斗切削刃中点的集中载荷来代替均匀载荷，称为对称受载情况;(2)非对称受载情况，由于铲斗偏铲、料堆密实程度不均，使载荷偏于铲斗一侧形成偏载情况，通常将其简化成集中载荷作用在铲斗最边的斗齿上。 装载机在铲掘过程中通常有如下三种受力情况。 (1)铲斗水平插入料堆，工作装置油缸闭锁，此时认为铲斗切削刃只受到水平力的作用。 (2)铲斗水平插入料堆后，翻转铲斗(靠动臂油缸工作)或提升动臂(靠动臂油缸工作)铲掘时，此时认为铲斗切削刃只受到垂直力的作用。 (3)铲斗边插入边转斗或边插入边提升动臂铲掘时，此时认为水平力与垂直力同时作用在铲斗的切削刃上。综上述分析可得到如下六种工作装置的典型工况，如图2-3所示。图2-3 工作装置受载的典型工况图1水平力（即插入阻力）的大小有装载机的牵引力确定，其最大值为对于轮胎式（由文献32可知）：rx=pkpmax=gs (2-1)式中 pkpmax 装载机空载时的最大牵引力； gs装载机使用重量； 附着系数；2 对称垂直力的工作状况如图2-3(b)所示；垂直力（既铲起阻力）的大小受到装载机的纵向稳定条件所限制，其最大值为 ry=gl1l (2-2)式中 g装载机空载时自重 l1装载机重心到前轮与地面接触点的水平距离 l垂直力ry的作用点到前轮与地面接触点的水平距离3 对称水平力与垂直力同时作用得工况，如图2-3(c)所示；此时垂直力是ry水平力为发动机扣除工作装置油泵功率后所能发出的牵引力pkp（由文献32可知）水平力为pkp=716.2（ne-np）i1rkne (2-3)式中 ne发动机净功率（马力） np产生垂直力n所消耗的工作油泵功率 i1发动机至驱动轮之间的头档总传动比；对于液力机械传动应，包括变距器的变距系数k； ne发动机的转速（转/分）； 传动效率；对液力机械应包括变矩器效率； rk车轮滚动半径m。4 水平偏载的工况5 垂直偏载的工况6 水平偏载与垂直偏载同时作用的工况后三种典型工况的力的计算方法同前，所不同的是仅力作用点假设作用在铲斗边齿尖上。装载机除了上述六种典型工况外，尚需验算切土工况，即装载机利用转斗油缸作用力把铲斗刀刃强制切入土中，其极限情况是整机绕后轮接地点转动，前轮抬起。在铲斗斗刃作用有垂直向上的作用力ry，则 ry=gsl2l3 (2-4)式中gs装载机自重； l2装载机重心至后轮轴线的水平距离； l3斗尖至后轮轴线的水平距离。2.2.3工作装置的受力分析 确定了计算位置及外载荷后，便可对工作装置的受力情况进行分析。工作装置是一个受力比较复杂的空间超静定结构，在国内，目前还是用简化办法，把空间超静定系统简化为平面静定系统来计算，并辅以测试手段加以校核验证。 1.对称载荷工况 为简化计算作如下假定（由文献34可知） (1)忽略铲斗和支撑横梁对工作装置各构建受力和变形的影响。根据这个假设，在对称受载的工况中，如图2-3(a)、 (b)、 (c)利用工作装置的对称性，故两臂承载相等，可取工作装置的一侧进行分析，如图2-4(a)所示。其上作用的载荷取相应工况外载之半进行计算，即: rxa=12rx ； rya=12ry ； 在非对称偏载工况中，如图2-3(d)， (e)，(f)近似地用求简支梁支座反力的方法求出左、右动臂平面内的等效力如图2-4(b)所示。其上作用的载荷为: rxa=a+bbrx ； rxb=rx-rxa 和 rya=a+bbry ryb=ry-rya 。由于rxarxb ；ryaryb ；所以取rxa与rya进行计算。（a） 工作装置一侧受力分析图（b） 左右动臂平面内的等效力示意图图2-4 工作装置受力分析计算图(2)认为动臂轴线与连杆摇臂轴线处于同一平面内，所有作用力都通过杆件(除铲斗外)断面的弯曲中心。即略去了由于安装铰支座而产生的附加扭矩，从而可以用直线、折线或曲线来代替实际的构件。根据上面的假定及分析，就能够将工作装置这样一个复杂的空间超静定结构简化为平面问题进行受力计算。工作装置的受力计算，可用解析法或图解法，下面以工况3为例对工作装置各构件上的力进行分析和计算如图2-5 (a)所示，取铲斗为分离体，根据铲斗静力平衡方程可求出作用在铲斗上的外力，即 mb=0 rxah1+ryal1-pch2cos1+l2sin1=0 (2-5) x=0 rxa+pccos1+xb=0 (2-6) y=0 -rya+pcsin1-yb=0 (2-7)解方程得 pc=rxah1+ryal1h2cos1+l2sin1 (2-8) xb=-(rxa+pccos1) (2-9) yb=-(rya-pccos1) (2-10)由于连杆是一个杆件，故pc=pf ，此时受拉力，如图2-5(b)所示同理，如图2-5(c)所示，根据摇臂静力平衡方程式，可求出摇臂杆上的外力，既由mg=0 pf=h3cos2+l4sin2=pe(h4cos3+l3sin3) (2-11)由 x=0 xg-pfcos2-pe-cos3=0 (2-12) 由 y=0 -yg+pesin3-pfsin2=0 (2-13)解方程得： pe=pfh3cos2+l4sin2h4cos3+l3sin3 (2-14) xg=pfcos2-pecos3 (2-15) yg=pesin3-pfsin2 (2-16)取动臂为脱离体，根据平衡原理，分析动臂受力如图2-5(d)所示：同理可求得： ph=-xgh5+ygl6+xbh7+ybl7h6cos4+l5sin4 (2-17) xa=phcos4+xg+xb (2-18) ya=-(yg+yb+phsin4) (2-19)根据计算工况及其对工作装置各构件进行受力分析后所计算出的外力，便可对动臂、摇臂、连杆、铲斗等零部件进行有限元分析及强度计算（由文献34可知）。 表2-1 工作装置受力分析时各符号的物理意义 2.3工作装置油缸作用力的确定目前大多数装载机的工作装置只有两种油缸即动臂油缸和转斗油缸；而推压(变幅)油缸则采用较少。动臂油缸与转斗油缸的作用力分为两种情况。一种是油缸推动机构运动时的作用力称为主动作用力(简称工作力或作用力)，其最大值决定于液压系统的工作压力和油缸直径(活塞作用面积)；另一种是工作装置工作时作用于闭锁状态下油缸上的作用力，称为被动作用力，其最大值取决于液压系统过载阀的压力值和承载活塞面积。如工作装置的动臂油缸动，靠转斗油缸转动铲斗而进行。图2-5 工作装置受力分析图铲掘作业时，转斗油缸所产生的作用力为主动作用力，动臂油缸所承受的作用力为被动作用力。当油缸最大被动作用力大于外载荷的作用时，油缸无回缩现象，否则因过载阀打开溢流而使油缸发生回缩。 油缸作用力的分析与确定是装载机设计中的重要内容之一。分析装载机的工作情况可知，为保证装载机能正常而有效的工作，油缸作用力应能保证装载机工作时发挥最大的铲起力ng；使铲斗装满。同时动臂油缸的作用力还应保证把满斗的物料提升到所需的卸载高度与卸载距离。所以最大铲起力ng是确定油缸作用力的依据。2.3.1铲起力的确定 装载机的最大铲起力受其稳定条件限制，在一般情况下，由图2-3(b)所示的纵向稳定条件计算，即 ng=ry=gl1l (2-20)式中g装载机空载时的自重 l1装载机重心到前轮与地面接触点的水平距离l垂直力ry的作用点到前轮与地面接触点的水平距离ng装载机的最大铲起力2.3.2转斗油缸作用力的确定 分别取铲斗、连杆、摇臂为分离体如图2-6(a)所示，根据其平衡方程式可以确定转斗油缸的作用力pd即： 由铲斗静力平街方程式: mb=0 pc=pf=l6l5ng+l7l5gk (2-21)由摇臂静力平衡方程式: mg=0 pe=l4l6l3l5ng+l4l7l3l5gk (2-22)考虑到连杆机构传动中的摩捺损失，转斗油缸作用力pd计算如下: pd=12k1pe=k1l42l3l5(l6ng+l7gk) (2-23)式中gk铲斗自重： k1考虑连杆机构摩擦损失系数由（文献34可知），k1=1.252.3.3动臂油缸作用力的确定 如图2-6(d)所示，根据静力平衡条件，确定动臂油缸的作用力pb 。即由 ma=0 ph=llg(ngl10+gkl11+gal12-pel9) (2-24)考虑到连杆机构传动中的摩擦损失，动臂油缸作用力pb计算如下: pb=12k2ph=k22l8（ngl10+gkl11+gal12-pel9） (2-25)式中ga动臂自重； k2考虑连杆机构摩擦损失系数，取（由文献34可知）k2= 1.25 图2-6 油缸作用力计算图2.3.4转斗油缸与动臂油缸被动作用力的确定转斗油缸与动臂油缸的被动作用力 pd，pb 根据装载机工作中工作装置受力最大的计算工况来确定。可以直接利用前面六种工况的计算结果，取其中最大值作为转斗油缸和动油缸的被动作用力，并以此来确定液压系统过载阀的调定压力，通常过载阀的调定压力要比油缸最大被动作用力所产生的压力高20%左右。表2-2 转斗油缸、动臂油缸作用力确定时的各符号的物理意义2.4小结对装载机的工作装置进行了受力分析和计算，为装载机的工作装置虚拟样机分析提供了可靠的理论依据，为工作装置动态载荷加载及有限元分析提供了理论基础：工作装置油缸作用力和可能产生的被动作用力确定后，便可选定液压系统的工作压力，设计液压油缸的缸径和行程，并选择和设计液压系统其他元件。第3章装载机工作装置三维实体建模3.1 工作装置零件建模在传统的工程设计中，设计人员首先在头脑中形成产品的三维轮廓，然后在图纸上利用二维的工程图表示，其他设计人员、工艺生产人员等其他不同部门的工作者再通过二维图纸将产品还原为三维影像。由于图纸的错误和理解的偏差，设计人员的意图并不总能完全实现，因而设计制造的周期较长，产品的质量也受到影响。在产品的形状和结构较为复杂的时候尤其如此。因此计算机三维辅助设计应该是发展趋势。三维模型的发展经历了由线框、曲面到实体的过程。实体模型最真实的反映三维形体的特性，不但包括了形体的几何轮廓，而且由于实体有密度属性，因而可以进行质量计算、干涉检查等操作。基本特征是建模时创建的第一个特征，是零件结构的基本要素。基本特征以后的其他特征依赖于基本特征。基本特征可以是实体特征，也可以是基准特征，正交基准平面就常常被用作基本特征。在catia中进行零件设计的步骤是先创建基本特征，然后添加结构特征。开始做零件之前，应做好充分的准备工作，明确设计意图。认真考虑设计的关键尺寸，可以变动的尺寸与尺寸之间的关系，在装配时与其他零件的装配关系等。由于在catia中实体模型可以有多种不同的生成方法,采取何种方法更为合理、高效,需要有一个经验积累过程。一般来说，要根据图形的形状选择生成模型的方式。草图绘制尽量简化，最好不要绘制过渡圆角、倒角等非关键性信息。如果要像绘制二维平面工程视图那样绘制草图,效率会很低,实践证明也没有这个必要。因为在catia中我们可以对实体进行各种编辑操作，如倒圆角。再就是如果草图绘制过于精细,再生成模型时会耗尽计算机资源,使得三维模型生成速度很慢且易出现问题。3.1.1 动臂的生成图 3-1-1 动臂实体零件图动臂建模实体建模主要采用凸台、新建平面、镜像等操作命令，首先新建一个平面选择该新建进入草图绘制模式，绘制出二维草图，然后在进入三维绘图模式进行凸台生成三维实体，对于另一个动臂我们可以用镜像复制的方法得到。让后在其上面打孔，打孔是我们可以选择用“凹槽”命令也可以用“孔”的命令，可以根据自己的作图习惯进行选择。最后添加一些细节如图3-1-1动臂上的筋板，建立筋板时要注意合理的选择建立新的平面。对于复杂的零件，合理的生成方法就显得尤为重要。因为选择不正确的生成方法不但效率低，而且有些情况根本就不能生成实体模型。因此，设计人员在设计实体模型之前，必须要考虑好模型的生成方法和步骤。这就要求设计人员要有较好的空间感和抽象思维能力，这也是三维建模同二维图形绘制最大的不同点之处。3.1.2铲斗的生成首先进入草图，绘制二维草图采用凸台命令建立铲斗的基本形状，在基本形状上添加加厚版以及肋板。添加耳形状时需要建立新的平面，然后使用镜像命令就可以完成肋板的设计。最后采用凸台、凹槽、阵列等命令建立斗齿。图 3-1-2 铲斗实体图3.1.3底座的生成图 3-1-3 底座实体图 先建立地盘框架，然后采用凸台命令生成草钢结构，在框架上生成后续特征。生成底座实体时主要采用凸台、凹