毕业设计（论文）-装载机的工作机构的设计.doc

南昌航空大学科技学院学士学位论文 III 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论.1 1.1 课题背景 .1 1.2 课题学术意义及实用价值 .2 1.3 本文的主要任务.3 1.4 本章小结.3 第二章第二章 装载机工作装置简介装载机工作装置简介.4 2.1 装载机工作装置的结构形式与特点 .4 2.1.1 工作装置的总体结构与布置 .4 2.1.2 TZ08D 型前装载机结构简况及设计参数 .4 2.2 液压油缸设计计算.6 2.2.1 液压缸主要尺寸的计算 .6 2.2.2 液压缸性能参数的计算 .8 2.3 工作装置连杆机构的结构形式与特点 .9 2. 4 装载机工作装置的基本概念.9 2. 5 装载机工作装置的设计要求.10 2. 5. 1 装载机典型作业工况及其描述 .10 2. 5. 2 工作装置的设计要求 .11 2.6 本章小结.12 第三章第三章 装载机工作装置三维模型的建立装载机工作装置三维模型的建立.14 3.1 三维实体几何模型的建立.14 3.1.1 Pro/e 软件特点 .15 3.1.2 Pro/e 建模方法 .17 3.2 装载机工作装置三维实体模型的创建 .19 3.2.1 零件三维模型的建立 .19 3.2.2 标准件的建立 .19 3.2.3 工作装置装配模型的建立 .19 3.3 本章小结 .20 南昌航空大学科技学院学士学位论文 IV 第四章第四章 工作装置动臂的强度校核工作装置动臂的强度校核.21 4.1 计算载荷工况.21 4.2 建立动臂强度分析力学模型（模型的简化） .22 4.2.1 支座的简化 .22 4.2.2 载荷的简化 .23 4.3 动臂的校核 .23 4.3.1 弯矩的计算 .23 4.3.2 弯矩图的绘制 .25 4.3.3 弯曲应力的计算 .25 4.4 结论.26 4.5 本章小结 .26 结论.27 参考文献.29 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1课题背景课题背景 TZ08D 型前装载机是山东省农业机械科学研究所现代农业装备工程技术公司设 计的第四代小型装载机,是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建 设工程的土石方施式机械，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、起 重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。 过去，工作装置基本上沿用类比法和作图试凑法进行设计，工作繁琐、设计精 度低、周期长，且不易获得各项性能指标都比较满意的设计方案。尽管在长期实践 南昌航空大学科技学院学士学位论文 V 中积累有一定的设计经验，但由于缺乏现代设计理论与方法的指导，设计时仍存在 较大的盲目性.为了寻求一组满意的方案，常常需要完成大量的手工作图工作。这样， 不仅设计效率很低，对物理样机的依赖性也很大，难于创新。 近几年来，无论在国内还是在国外，装载机品种和产量都得到了迅猛发展，已 成为工程机械的主导产品之一。70 年代中期以来，国外一些大型装载机制造公司己 将优化设计、有限元分析及 CAD 等现代设计理论与方法应用于装载机工作装置的实 际产品设计之中，取得了较好的经济效益。国内一些单位于 80 年代初开始了这项研 究工作，并初见成效。近 20 多年来出现并迅速发展起来的即优化设计、可靠行设计、 有限元分析、动态设计及 CAD 等于一体的现代设计方法学，已广泛应用于常规的机 械产品设计之中.早在 70 年代，装载机工作装置的优化设计在国外便不再是独立进 行，而是与有限元的结合使用，己使这种理论在实践中日趋完善。美国学者 D.L.Bartel 和 D.C.Swann 的前端式装载机动臂总成优化便是巨大的成功范例。另外.卡 特彼勒、日本小松制作所和意大利菲亚特一阿里斯等大型装载机制造公司也于 70 年 代中期将优化设计、有限元分析及 CAD 现代设计理论与方法应用于装载机及其工作 装置的实际产品设计之中，并取得了较好的经济效益。我国在“七五”和“八五” 期间，我国一些工程机械厂从美国和日本等国家引进其 70 年代中、后期的产品进行 批量生产，以提高我国装载机的设计水平和产品质量。 为了提高我国装载机的设计水平和产品市场竞争力，缩小与国外先进水平的差 距，从 80 年代开始，国内一些高等院校和研究单位广泛开展了装载机工作装置的理 论研究，并作了大量的基础工作。研究内容设计诸多方面，如“装载机工作装置的 优化方法及微机程序设计” 、 “装载机工作装置摇臂的有限元分析及优化” “装载机 工作装置运动特性动态仿真” 、 “装载机工作装置优化设计” “轮式装载机转斗六连 杆机构的优化设计”等等。但国内对装载机工作装置的研究目前还仅局限于单一设 计理论方法的使用，过多偏重于理论上的分析与计算，即缺乏系统的现代设计理论 作为主导，理论研究有为真正应用于实际产品的设计之中，绝大多数工程机械厂采 用传统的作图试凑法设计工作装置。因此，开展装载机工作装置现代设计方法的研 究，对推广现代设计理论与方法，提高我国装载机的设计水平与产品质量，都具有 十分重要的理论意义与现实意义。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 VI 装载机工作装置的设计，应保证铲斗在装载过程中平移或接近平移运动。以使 物料在提升的过程中，不致由于铲斗的倾斜而掉落。过去在解决这类问题时，常采 用作图的方法加以解决。在当前市场竞争日益激烈，用户要求在不断变化的情况下。 设计者能迅速设计出满足用户要求的新工作装置。为了克服上述设计方法存在的不 足，本文主要对装载机工作装置进行实体建模，为设计出的工作装置进行运动仿真、 有限元分析做准备，以检验设计的合理性及正确性，这样在很大程度上可缩短设计 周期，提高设计水平。它不但可精确合理地使各零部件的设计选用成为可能，而且 还可使产品的制造降低，性能提高。 1.21.2课题学术意义及实用价值课题学术意义及实用价值 随着科学技术的不断发展，利用先进的 CADCAE 工具对机械系统开展研究已成 为一种趋势。Pro/ENGINEER(ProE)是集 CADCAM/CAE 于一体的大型设计软件计， 其中 CAE 常用的模块有 Mechanism Design eXtension(MDX)ProMECHANICA(ProM)。 比起十分专业的分析软件，ProE 无法匹敌，但 ProE 却是今天使用率最高的三 维 CAD 软件。比起准确率 99的分析，顺手就能完成的趋势评估，更贴近绝大多数 的使用者。 装载机工作装置是一个较为复杂的机械系统。借助 ProE 软件进行装载机工做 装置的三维实体设计，不仅可以真实地反映装载机的几何形状还可以反映出各部 件空间位置，有效检测工作装置的各部件是否发生干涉，并及时解决问题。 此外， 它还能够对关键部件（动臂）进行有限元分析，验证设计的合理性，省去了制造样 机进行反复实验、修改等环节，大大缩短了产品的开发周期，降低产品成本 。 本课题以 TZ08D 装载机为实例，结合现代计算机技术，利用 PRO/E 软件建立装 载机工作装置力学模型。由于装载机本身是一个复杂的系统，外界载荷的作用复杂， 加上人车环境的相互作用，给工作装置的分析研究带来了很大困难。所以本课 题也是在建立一个合理的装载机分析模型方面的一个探索。在此模型的基础上利用 PRO/MECHNICA 软件的分析功能，以增强工作装置的强度为目标，对工作装置的动臂 进行分析优化，最终得出一个合理的方案。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 VII 1.31.3 本文的主要本文的主要任务任务 本论文希望通过 Pro/ENGINEER 软件对 TZ08D 型装载机进行简单设计和三维建模 分析。具体任务如下： (1)TZ08D 型装载机工作装置的液压油缸设计计算。 (2)TZ08D 型装载机工作装置实体建模。 1.41.4 本章小结本章小结 本章首先提出了课题的来源，并就课题意义及实用价值做出了说明。然后简单 介绍了装载机工作装置实体建模的一般方法，提出了本文研究的内容以及需要研究 和解决的关键问题。 第二章第二章 装载机工作装置简介装载机工作装置简介 2.12.1装载机工作装置的结构形式与特点装载机工作装置的结构形式与特点 2.1.12.1.1工作装置的总体结构与布置工作装置的总体结构与布置 工作装置是装载机的重要组成部分。装载机的铲装、翻斗、提升以及卸料都是 通过工作装置的有关运动来实现。在一般情况下，装载机的工作装置由铲斗、动臂、 动臂后座、叉子挂接框以及转斗油缸和动臂油缸等组成。铲斗是装载物料的容器， 具有两个铰点，一个与动臂铰接，另一个通过叉子挂接框而与转斗油缸连接，操纵 转斗油缸即可使铲斗翻转或卸料。动臂与车架铰接，操纵动臂油缸即可举升或降落 动臂和铲斗。 2.1.22.1.2 TZ08DTZ08D型前装载机结构简况及设计参数型前装载机结构简况及设计参数 按行走装置的不同，装载机分为轮胎式和履带式两种。 轮胎式装载机由动力装 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 南昌航空大学科技学院学士学位论文 VIII 图 2-1 TZ08D 装载机工作装置实体图 装置等组成。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，反转杆机构的工作装置。 如图 2-1 所示，工作装置由铲斗、叉子挂接框、动臂、横梁、支撑杆、拉杆、 动臂后座等组成。各构件之间由销轴联接，有相对转动。在计算时，可以将其视为 一体。在用 PRO/E 对其做有限元静力分析中，认为工作装置各铰接处没有相对转动。 动臂是工作装置的主要受力部件，其截面形状为矩形；又因其长、宽方向远大于厚 度方向，故可以用板壳元对动臂进行离散。横梁也为矩形管。东北后座和叉子挂接 框是焊接结构，其焊接板的截面均为矩形。考虑各构件的厚度远小于其它两个方向 的厚度，可以认为均为板类零件. 南昌航空大学科技学院学士学位论文 IX 图 2-2 TZ08D 型装载机外形图 操作重量：17.5t 额定功率：158Kw 额定载荷：5t TZ08D 型装载机主要设计参数由厂方提供，具体见表 2-1 所示。 表 2-1 TZ08D 型装载机主要设计参数 TZ08D 装载机 配套拖拉机 最 高位置铲 斗销高度 (mm) 最 大卸载高 度(mm) 卸载距离 (mm) 卸 料角度 () FT604/704A C D E FT604/70431002300114045 TZ08D 装载机 铲斗到前 轮中心距离(mm) 掘起 角() 挖 掘深度 （mm） 斗宽 （mm） 斗 容 （m3） FGH 23203414016520.43 2.22.2 液压油缸设计计算液压油缸设计计算 (1)根据主机的运动要求，从机械设计手册选择液压缸的类型，这里选择双作用 单活塞杆液压缸。根据机构的结构要求，从机械设计手册选择安装方式，这里选择 头部耳环型安装方式； (2)根据主机的动力分析和运动分析，确定液压缸的主要性能参数和主要尺寸。 如液压缸的推力、速度、作用时间、内径、行程及活塞缸直径等； (3)根据选定的工作压力和材料进行液压缸的结构设计。如缸体壁厚、缸盖结构、 南昌航空大学科技学院学士学位论文 X 密封形式、排气与缓冲等； (4)液压缸性能的验算。 2.2.12.2.1液压缸主要尺寸的计算液压缸主要尺寸的计算 液压缸的主要几何尺寸，包括液压缸的内径，活塞缸直径和液压缸的行程等液 压缸内径的计算工程上，计算液压缸的内径通常有两种方法： 根据载荷力的大小和选定的系统压力来计算液压缸内径 计算公式可由式导出： AL=3.57x10-2x 公式（2-1） P F 式中AL液压缸内径 m F液压缸推力 KN P选定的工作压力 Mpa 对动臂进行受力分析得 F=49850 N P=16 Mpa 由公式（2-1）得AL=3.57x10-2x =63 mm 16 49850 方法二略 活塞杆直径的计算 活塞杆直径的计算通常也有两种方法; 根据速度比要求来计算活塞杆直径 MM=AL 公式（2-2） 1 式中MM活塞杆直径 AL液压缸直径 速度比 南昌航空大学科技学院学士学位论文 XI = 公式（2-3） 22 2 1 2 MMAL AL V V 式中 V2活塞杆的缩入速度 V1活塞杆的伸出速度 液压缸的往复运动速度比，一般有 2、1.46、1.33、1.25、1.5 几种，这里选择 =1.46 所以有公式（2-2）计算得到MM=35 mm 液压缸行程的确定 液压缸行程主要依据机构的运动要求而定，但为了简化工艺和降低成本应尽量 采用 GB2349-80 中给出的标准系列值。 这里动臂油缸行程选择 610 mm 翻斗油缸行程选择 210 2.2.22.2.2 液压缸性能参数的计算液压缸性能参数的计算 F1=P1A1x103 公式（2-4） 式中 F1液压推力 KN P1工作压力 Mpa A1活塞的面积 A1= 公式（2-5） 2 4 AL 式中活塞的直径 AL 由公式（2-4）计算得到 F1=4.99x104 N F2=P2A2x103 公式（2-6） 式中 F2液压缸拉力 KN P2工作压力 Mpa A2活塞有腔作用的面积 A2=） 公式（2-7） 22 ( 4 MMAL 南昌航空大学科技学院学士学位论文 XII 式中活塞的直径 AL MM活塞杆直径 由公式（2-7）计算得到 A2=2154 由公式（2-6）计算得到 F2=3.45x104 由以上分析计算选择翻斗油缸 HSGL01-63/35 动臂油缸 HSGL01-63/35 2.32.3工作装置连杆机构的结构形式与特点工作装置连杆机构的结构形式与特点 由装载机工作装置的自由度分析可知，工作装置的连杆机构均为封闭运动链的 单自由度的平面低副运动机构，其杆件数目应为 4, 6, 8, 10 等等。对装载机工作 装置而言，尽管杆件数目越多越能实现复杂的运动，但同时铰接点的数目亦随之增 加，结构越复杂，就越难在动臂上进行布置。因此，装载机工作装置的连杆机构多 为八杆以下机构。这样按组成工作装置连杆机构构件数不同，装载机工作装置可分 为三杆、四杆、五杆、六杆和八杆机构;按输入与输出杆转向不同，又可分为正转和 反转机构。正转机构是指输入与输出杆的转向相同，反转机构是指输入与输出杆的 转向相反。由于 TZ08D 装载机使用的是正转四杆机构，所以这里只介绍正转四杆机 构。 该机构结构最为简单，易设计成铲斗举升平动，前悬较小。缺点是铲掘转斗时 油缸小腔作用，输出力小，连杆机构的传力比难以设计成较大值，所有铲掘力相对 较小，转斗缸行程大，油缸结构较长，铲斗卸载时，活塞杆易于铲斗底部相碰，减 小了卸料角:机构不易实现铲斗自动平放。 2.42.4装载机工作装置的基本概念装载机工作装置的基本概念 (1)掘起力 掘起力是指具有标准适用重量的装载机停放在坚硬的水平面上，铲斗斗刃底部 平行于地面，且在地面上下偏差不超过 25cm 的情况下，当转斗或升臂时，后轮不准 离地或即将离地。这时工作装置所产生的作用在铲斗斗刃后 10cm 处的最大垂直向上 的力。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 XIII (2)传力比 装载机工作装置的传力比分为连杆机构的传力比和举升机构的传力比两大类。 连杆机构的传力比是指单位转斗缸力所获得的铲斗掘起力;举升机构的传力比是指单 位动臂举升缸力所获得的铲斗掘起力。显然，传力比越大，工作装置的铲掘性能越 好。 (3)铲斗自动放平 铲斗自动放平是指铲斗在某一常用位置(通常是动臂上限位置)卸料后，转斗缸 闭锁不做收斗行程，当动臂举升缸下放动臂至地面位置时，由连杆机构自身运动实 现自动放平，铲斗进入下次插入状态。铲斗自动放平并不是绝对的，它只能保证机 构在某一个位置卸料后实现铲斗自动放平，其他位置则无此特性。要保证机构的每 个位置卸料后均能实现铲斗的自动放平，必须增设自动放平装置。这里所指的铲斗 自动放平是利用工作装置机构本身特性实现常用卸料位置的放平。 (4)铲斗靠挡块 通常可以发现，有的装载机在运输物料过程中，铲斗会绕动臂下铰接点转动， 即发生“点头”现象。尤其是当车体碰到障碍物或紧急制动时， “点头”现象更加显 著，严重时会破坏连杆、油缸等一些薄弱杆件。因此，必须提出解决办法，要消除 铲斗在运输过程中产生的“点头”现象，必须保证铲斗紧靠动臂。这就是所谓的铲 斗靠挡块，他通常是通过铲斗与动臂的强制干涉来实现的。 2.52.5装载机工作装置的设计要求装载机工作装置的设计要求 2.5.12.5.1 装载机典型作业工况及其描述装载机典型作业工况及其描述 工作装置的作业过程通常由以下 5 种典型工况组成，如图 2-3 (1)地面插入工况 I 动臂下放至下限位置，铲斗插入地面，斗尖触地，开动装 载机，铲斗借助机器的牵引力插入料堆。此时，UG=UG4, U=Ui=-50(通常取其 上限值)。 (2)下限收斗工况 II 完成工况 I 以后，转动铲斗，铲取物料，操作转斗缸实现 收斗作业过程。UG=UG4, U=U2=4045(一般由用户确定)。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 XIV (3)重载运输工况 III 转斗缸闭锁，举升动臂，将工况 II 的铲斗升高到适当的 运输位置(以斗底离地的高度小于最小允许距离为准)，然后驱动装载机，载重驶向 卸料点。UG=UG7, U=U 运输。 (4)上限举升工况 IV 保持转斗缸长度不便，操作举升缸，将动臂升至上限位置。 此时，UG=UG6, U=U 上收。 图 2-3 装载机工作装置典型作业工况 I-地面插入工况 II-下限收斗工况 III-重载运输工况 IV-上限举升工况 5-上限卸料工况 (5)上限卸料工况 V 在上限收斗工况 IV 下，操作转斗缸翻转铲斗，向运输车辆 或固定料仓卸料。UG=UG6, U=U3=-45。 卸载结束后，操作举升缸下放动臂，实现铲斗自动放平，再次进入地面插入工 况，并进行下一循环作业过程。 2.5.22.5.2工作装置的设计要求工作装置的设计要求 各类装载机工作装置的设计都应满足如下基本要求: (1)生产率高; (2)插入和铲取能力大、能耗小； (3)结构和工作尺寸适应生产条件需要； 南昌航空大学科技学院学士学位论文 XV (4)零部件受力状态良好，强度和寿命合理； (5)结构简单、紧凑，制造、维修容易，操作、使用方便； 轮式装载机除满足上述 5 条基本要求外，还应由下列特点和要求： (1)由于铲斗宽度和容积都较大，所以铲装阻力大，装满系数小。因此，设计时 必须合理选取铲斗的结构和尺寸，以减小工作阻力，达到装满、卸净，运输平稳。 (2)工作装置连杆机构能产生较大的插入和掘起力，功耗低，零部件受力状态良 好。 (3)铲斗由工况 II 被举升到上限卸料位置的过程中，为避免物料散落，要求铲 斗作“平移运动” 。绝对要求铲斗举升过程中的平动是很困难的，它将给设计工作带 来诸多麻烦，并将急剧降低工作装置的其他性能。从不易撒落这一目的出发，要求 绝对平动并无必要，只要把铲斗举升时的倾角变化量限制在某一许可范围之内即可。 (4)保证必要的卸料角、卸料高度和卸料距离。要求铲斗在工况 II 至上限位置 之间都能干净地卸料。为此，铲斗瞬时地卸料角均须大于或等于 45。铲斗在上限 位置卸料时，最大卸载高度和最小卸载距离，必须与配套的载货汽车车厢尺寸相适 应。 (5)铲斗自动放平。他对定点高度卸料很有意义，因为汽车就在装载机近旁，若 卸料后，下放动臂的同时，装载机驶向装载点。当到达装载点时，铲斗正好呈开始 插入状态，即可开始新的装、运、卸工作循环。如此，能省去两次操作。既能提高 装载工作效率，又可减轻司机的劳动强度。 (6)装载机工作装置属于连杆机构，设计时要个别注意防止各个工况出现构件相 互干涉、 “死点” 、 “自锁”或“机构撕裂”等现象。 (7)应尽量减小工作装置的前悬、长度和高度，以提高装载机的稳定性和司机的 视野。 装载机工作装置优化设计必须保证上述设计要求，即使牺牲目标函数无法达到 的最优状态，也不能破坏设计要求。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 XVI 2.62.6 本章小结本章小结 本章首先介绍了装载机的结构形式和特点，然后介绍了 TZ08D 装载机工作装置 的几个基本概念，最后介绍了装载机工作装置的设计要求。 第三章第三章 装载机工作装置三维模型的建立装载机工作装置三维模型的建立 目前应用较为普遍的 Pro /Engineer 软件，是集 CADCAE 于一体的大型设计软 件，其中用于仿真和分析的模块是 Mechanism Design extension(MDE)。Pro /Engineer 可以用来建立实体几何模型，对所建模型进行仿真和分析，通过模拟真 实环境的工作状况对其进行分析判断和干涉检查，以尽早发现设计缺陷和潜在的失 败可能，提前进行改善和修正。从而减少后期修改而付出的昂贵代价，缩短设计周 期。装载机工作装置的设计是一个比较复杂的设计过程，其设计好坏直接影响整机 的工作性能。本章以 TZ08D 型装载机为例，在 ProEngineer 软件环境下，对装载 机工作装置进行三维实体建模为进一步的干涉检查、运动仿真与分析做准备， 以期 实现在 Pro /Engineer 软件环境下的装载机工作装置的优化设计。 3.13.1 三维实体几何模型的建立三维实体几何模型的建立 传统的 2D 绘图给整个产品设计和制造带来很大麻烦，而 3D 绘图给人直观、形 象的感觉。美国 90 年代初致力于使用权新的设计及生产技术如实体模型 Solid Modeling、快速成型机，以及工程分析系统等，其成效是有目共睹的，但这些生产 技术都离不开以造型技术为基础。过去，我们国家各个地区都以平面、线框、曲面 造型为手段，但为了要适应国际市场的大趋势，实体模型技术必会逐渐为用户所认 识和使用。 以输入方式分类，目前三维建模的方法有两种:三维数字化仪输入和手工输入。 单位数字化仪价格昂贵，客观条件也不允许。 三维实体建模，与二维图形相比，其优势主要在于： (1)三维 CAD 可视化程度高、形象直观、设计效率高，能为企业数字化提供完整 的设计、工艺和制造信息； 南昌航空大学科技学院学士学位论文 XVII (2)三维 CAD 可以更加准确地表达技术人员的设计意图，使设计过程更加符合设 计习惯和思维方式，从而使技术人员更加专注于产品设计本身，而不是产品的图形 表示； (3)三维 CAD 系统具有高级曲面造型工具，能够构造各种复杂的产品形状； (4)实现产品的装配设计，进行千涉检查、运动仿真； (5)进行产品结构分析和各种物理特性计算； (6)产品的三维模型可以通过投影自动生成二维工程图，各视图之间完全相关， 当三维模型修改时，二维工程图可以自动完成更新；同时，设计结果也可以为后续 设计模块，如工程分析、数控加工等应用，实现 CAD/CAE/CAPP/CAM 的集成。 3.1.13.1.1 Pro/EngineerPro/Engineer软件特点软件特点 Pro /Engineer 是美国参数技术公司 1988 首家推出的使用参数化特征造型技术 南昌航空大学科技学院学士学位论文 XVIII 的大型 CAD/CAM/CAE 集成软件，具有造型设计、零件设计、装配设计、二维工程图 制作、结构分析、运动仿真、模具设计、钣金设计、管路设计、数控加工、数据库 管理等功能。近年来，在我国大型工厂、科研单位和部分大学得到了较为普遍的应 用，深受三维产品设计和研究人员的喜爱。 Pro /Engineer 是一个全方位的三维产品设计和开发软件，它集零件设计、产 品装配、模具开发、数控加工、钣金设计、铸造件设计、造型设计、逆向工程、自 动测量、机构仿真、应力分析、电路布线、装配管路设计等功能模块和专有模块于 一体，可以实现面向制造的设计(Design For Manufacturing，DFM)、面向装配的设 计(Design For Assembly，DFA)、逆向设计(Inverse Design，ID)、并行工程 (Concurrent Engineering，CE)等先进的设计方法和模式。 Pro /Engineer 参数化设计的特性包括： (1)三维实体模型 三维实体模型除了可以将用户的设计理念以最真实的模型在计算机上表现以外， 还可以随时计算出产品的体积、面积、质心、质量和惯性矩等，以便了解产品的真 实情况，可以减少对以上参数的人为计算时间。 (2)单一数据库 Pro /Engineer 是建立在单一数据库上的，即工程的资料全部来自一个库，使 多个独立用户可以同时处理同一个产品的造型。并可随时由三维实体模型产生二维 工程图，而且自动标注工程图的尺寸。在三维实体模型或二维图形上作尺寸修正时， 其相关的二维图形或三维实体模型均自动修改，同时装配、制造等相关设计也会自 动修改，这样可确保数据的正确性，避免了耗时的反复修改。 (3)以特征作为设计的单元 Pro /Engineer 以最自然的思考方式从事设计工作，如凸起(Protrusion)、切 削(Cut)、钻孔(Hole)、开槽(Slot)、圆角(Round)、斜角(Chamfer)、圆轴(Shaft)、 轴颈(Neck)、凸缘(Flange)、薄壳(Shell)、加强肋(Rib)及管件(Pipe)等均视为基 本特征。也正因为以特征作为设计的单元，因此可随时对特征做出合理、不违反几 何关系的修改操作，如重新定义(Redefine)、重新排序(Reorder)、重新参考 南昌航空大学科技学院学士学位论文 XIX (Reroute)、插入模式(Insert Mode)、替换模式(Change Mode)和删除(Delete)等。 (4)参数式设计 配合单一数据库，所有的设计过程中使用的尺寸(参数)都存储在数据库中，设 计者只要更改三维零件(Part)的尺寸，则二维工程图(Drawing)、三维装配图 (Assembly)、模具(Mold)等立即依照尺寸的更改做几何形状的变化，这样可以保证 设计修改工作的一致性。正因为用参数式的设计，用户可以运用强大的数学运算方 式，创建各尺寸参数间的关系式，自动计算出模型应有的外形，减少了逐一修改尺 寸的时间，并可避免错误的发生。 Pro /Engineer 野火版具有多项新特征和附加功能，使用起来更加直观。它增 加了自由形式曲面处理等新技术，强化了建模和模型检测等原有的模块。PTC 公司 同时提供了新的装配功能、数据管理功能、仿真功能，并扩展了 Pro/ENGINEER 的使 用范围。 （1） 直接建模：让用户在最小限度的界面交互和较少使用鼠标的情况下，交 互地建立和修改特征。 （2）灵活的草绘和骨架：柔性特征可以很容易地对复杂的几何体进行有效更改。 （3） 过程变形：能够对变形进行详尽的更改，而不需要修改原设计。 （4）自由形式曲面处理：使用方便的工具栏和鼠标，自由设计美学曲面和曲线。 （5） 行为建模：行为建模(BMX)已经成为设计过程自动化的流行工具。 （6）小组数据管理：具有安全多点协作功能，便于本地数据管理。 （7）系统互连设计：用于制作电路图，以及过程和测量示意图。 （8）全相关二维制图：新的智能化约束捕捉功能加快了制图实体的创建。 （9） 制造：高速加工的改进功能。 （10） 仿真：Pro/MECHANICA 是一个分析工具，可单独使用。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 XX （11） 模型检查：Model CHECK 使 CAD 检查过程自动化。 （12） 造船：具有船体整体布局和细分的船体概念设计功能，具有建立详尽的 船舶结构化框架的钢结构生成功能。 Pro /Engineer (Pro/E)是集 CAD/CAM/CAE 于一体的大型设计软件，其中 CAE 常 用的模块有 Mechanism Design extension(MDX)和 Pro/MECHANICA(Pro/M)。 Pro/MECHNICA 的三种工作模式： （1）FEM(Finite Element Modeling)模式 FEM 模式没有求解器，能够完成对模型的网格划分、边界约束、理想化等前置 处理，随后需要使用第三方软件进行求解，如 NASTRAN、ANSYS 等 （2）集成模式 集成模式运行于 Pro /Engineer 平台之上，操作及界面与 Pro /Engineer 相同， 能够直接使用 Pro /Engineer 的参数进行分析及优化。 （3）独立模式 独立模式不需要 Pro /Engineer 平台的支持，能够独立运行，可导入第三方软 件的模型，功能要比集成模式稍强，但与 Pro /Engineer 的集成性不佳，其操作及 界面更接近 UNIX 环境，较不容易掌握。 3.1.23.1.2 ProPro /Engineer/Engineer建模方法建模方法 一般来说，装载机工作装置的建模方法要根据图形的形状来选定，选择原则是 绘制图形尽量简化，最好不要绘制过渡圆角、倒角等非关键性信息。建模工作主要 是利用 ProEngineer 中的拉伸、旋转、扫描等基本操作，建立工作装置三维实体 模型。其中建模难点在于辅助平面和辅助点的建立，只有建立好辅助平面和辅助点， 才能保证零件模型的精确性。由于装载机工作装置一般是对称分布的，所以建模过 程中要利用好镜像的建模方法。 本文所使用的 Pro /Engineer（3.0）野火版，其零件的三维建模方法主要是基 于实体特征的建模方法。从技术基础上看，有参数化技术和变量化技术两种。产品 的建模方法基于装配建模。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 XXI （1） 实体建模方法（Solid Modeling） 实体造型技术能够精确地表达零件的全部属性，可以表达和处理模型的质量、 重心、转动惯量等物理特性，在理论上有助于统一 CAD、CAE、CAM 各应用模块的模 型表达，使 CAD/CAE/CAM 的一体化成为可能。 实体造型技术是用点、曲线和曲面来创建模型，不同的实体之间没有相关性。 （2）参数化建模方法（Parametric Modeling） 参数化建模方法是基于特性的实体建模方法，下面列出其主要优点: 基于特性：零件模型是由具有一定几何形状的特性所组成，通过不同特征在一 定位置约束下的不同组合而得到模型。特征可以是添加材料（如块、凸台） ，也可以 是切除材料的(如孔、槽)。 全尺寸约束：用尺寸参数来约束特征及其他几何对象的形状，通过尺寸约束来 控制和修改几何形状，所有这些尺寸参数都可调的变量参数。 尺寸驱动：当需要修改几何对象的形状时，只要编辑与该形状相关的尺寸参数 即可。这种技术是现 CAD 系统的基本功能之一。 （3）Pro /Engineer 的复合建模方法（Hybrid Modeling） Pro /Engineer 的复合建模方法也是基于特征的实体建模方法，是在参数化建模 方法的基础上采用了一种所谓“变量化技术”的实体建模方法。 全数据相关：模型的形状与其约束各几何对象的尺寸完全相关。几何实体之间 也是相关的，几何对象相应的尺寸参数的修改将使同一模型在不同应用模块中的相 关尺寸自动更新，不需要人工干预，对参数化建模技术进行了改进。他保留了参数 化技术的主要优点，但同时增加了一些新的功能，是设计建模过程更加灵活，可提 高设计效率。 在变量化技术中，将参数化技术中的单一的尺寸参数分为“形状约束”和“尺 寸约束” ，形状约束通过几何对象之间的几何位置关系来确定。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 XXII 3.23.2装载机工作装置三维实体模型的创建装载机工作装置三维实体模型的创建 3.2.13.2.1零件三维模型的建立零件三维模型的建立 装载机工作装置没有涉及到特别复杂的曲面、曲线，基本上零件的建模方法： 先建立二维草图，然后进行拉伸、旋转等操作得到零件实体特征 3.2.23.2.2标准件的建立标准件的建立 下载标准件的零件库，然后导入 Pro /Engineer 中，具体使用方法是先打开 零件库，找到所需要的零件然后保存到其他零件所在的文件即可。 3.2.33.2.3工作装置装配模型的建立工作装置装配模型的建立 在 Pro /Engineer 软件中首先以动臂处于最低位置、铲斗斗底与地面成 5 度倾 角的计算位置对工作装置进行装配。装配的时候不仅要保证零件的位置，还要定义 运动副，即各构件之间组成的可动联接。如动臂与后座、动臂油缸与动臂、动臂与 铲斗、翻斗油缸与叉子挂接框的销钉(Pin)联接，油缸内杆与缸筒的滑块(Slider)联 接等。装配零件时，可能发生位置偏差、不准确或是无法装配的情况，搭配使用平 移(Translate)、旋转(Rotate)、调整(Adjust)等功能，会得到较佳的效果。以此创 建的装载机的装配模型。 组装时第一个零件的选择是相当重要的，必须参考零件的特征。在组装工作装 置的时候应先选择动臂，然后其余所有的零件或者组件最后都将被组装在主要构件 上。因此，第一个主结构件成为第一个零件是理所当然的。 具体装配过程如下： （1）调入元件 步骤 1：在组件模型文件的工作环境中，单击插入元件按钮，弹出“打开”对 话框。 步骤 2：在打开对话框的查找范围下拉列表中，选择需要组装到当前组模型的 动臂前梁，系统显示该零件和放置选项对话框。 （2）设置装配约束 在放置对话框中，选中默认放置。接着调入动臂后梁，利用匹配对齐约束方式 南昌航空大学科技学院学士学位论文 XXIII 对其进行刚性连接，最后分别调入叉子挂接框、动臂后座、铲斗等组件完成工作装 置的装配。 最后装配结果见图 3-1 图 3-1 TZ08D 装载机工作装置装配结构图 3.33.3本章小结本章小结 本章首先介绍了文中采用的软件 Pro/E(Pro /Engineer),然后建立了三 维几何实体模型，最后介绍了装载机工作装置三维装配模型的创建。 第四章第四章 工作装置动臂的强度校核工作装置动臂的强度校核 装载机是一种用途较广的施工机械。广泛应用于建筑公路矿山及国防工程中， 对加快工程速度、保证工程质量、降低工程成本具有重要作用。因此，近几年来， 装载机品种和产量都得到了迅猛发展，已成为了工程机械的主导产品之一。而工作 装置是完成铲、装、运、卸等作业并带有液压缸的空间多杆机构。工作装置设计水 平的高低直接影响装载机作业性能的好坏，进而影响整机工作效率。装载机提升能 力是衡量整机性能的一个重要参数。提升能力不足是指装载机不能将额定的载荷举 升到额定高度。提升能力不足将影响整机性能的发挥，降低工作效率，因此必须加 南昌航空大学科技学院学士学位论文 XXIV 以改进。另外，为了特殊的用途，在原有提升能力基础上增加提升能力，同样可采 用本文所述的方法。提升能力的判断就是本章所要讲的强