本毕业设计是对机械专业学生在毕业前的一次全面训练，目的在于巩固和扩大学生在校期间所学的基础知识和专业知识，训练学生综合运用所学知识分析和解决问题的能力。是培养、锻炼学生独立工作能力和创新精神之最佳手段。毕业设计要求每个学生在工作过程中，要独立思考，刻苦钻研，有所创造的分析、解决技术问题。通过毕业设计，使学生掌握装载机的总体设计、变速箱设计、牵引计算等技术工作的实现方法，为今后步入工作岗位打下良好的基础。

2、本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：

（1）设计任务：

①总体参数选择：

1）总体方案及总体参数的确定；

2）牵引计算；

3）变速箱档位、速比的确定，动力换档变速箱型式的选定，学生要进行充分论证。

②变速箱设计（3轴及齿轮）：

1）方案设计，确定传动简图；

2）技术设计；

3）强度、刚度计算。

③变速箱操纵液压系统原理图设计。

（2）技术参数

①额定载重量：1.5T

②工作重量：≯5.5T

③最高车速：≮20km/h

④空载牵引力：3.5～4.4T

⑤爬坡能力：≮20°

⑥最大卸载高度：≮2.35m；最小卸载距离：≮0.75m

⑦掘起力：≮4T

（3）设计要求：

①主要任务：学生应在指导教师指导下独立完成一项给定的设计任务，编写符合要求的设计说明书，并正确绘制机械与电气工程图纸或独立撰写一份毕业论文，并绘制有关图表。

②知识要求：学生在毕业设计工作中，应综合运用多学科的理论、知识与技能，分析与解决工程问题。通过学习、研究与实践，使得理论认识深化、知识领域扩展、专业技能延伸。

③能力培养要求：学生应学会依据技术课题任务，进行资料的调研、收集、加工与整理和正确使用工具书；培养学生掌握有关工程设计的程序、方法与技术规范，提高工程设计计算、图纸绘制、编写技术文件的能力；培养学生掌握实验、测试等科学研究的基本方法；锻炼学生分析与解决工程实际问题的能力。

④综合素质要求：通过毕业设计，学生应能树立正确的设计思想；培养学生严肃认真的科学态度和严谨求实的工作作风；在工程设计中，应能树立正确的生产观点、经济观点与全局观点。

⑤设计成果要求：

1）凡给定的设计内容，包括说明书、计算书、图纸等必须完整，不得有未完成的部分，不应出现缺页、少图纸现象。

2）对设计的全部内容，包括设计计算、机械构造、工作原理、液压系统、整机布置等，均应有清晰的了解。对设计过程、设计步骤有明确的概念，能用图纸完整地表达机械结构与工艺要求，有比较熟练的认识图纸能力。对运输、安装、使用等亦应有一般了解。

3）说明书、计算书内容要精炼，表述要清楚，取材合理，取值合适，设计计算步骤正确，数字计算准确，各项说明要有依据，插图、表格及字迹均应工整、清楚、不得随意涂改。制图要符合机械制图标准，且清洁整齐。

4）对国内外装载机情况有一般的了解，对各种装载机有一定的分析、比较能力。

5）其它各项应符合本资料有关部分提出的要求。

3、对本毕业设计（论文）课题成果的要求（包括图表、实物等硬件要求）：

①计算说明书一份

内容包括：设计任务要求的选型论证、设计计算内容，毕业实习报告等。做到内容完整，论证充分（包括经济性论证），字迹清楚，插图和表格正规（分别进行统一编号）、准确，字数要求不少于2万字。查阅文献15篇以上，翻译机械类外文资料，译文字数不少于3000字；撰写中英文摘要；并引导学生应用计算机进行设计、计算与绘图。

②图纸一套（折合不少于3张0号图）

1）总体布置图一张（0号）；

2）变速箱传动简图一张（1号）；

3）变速箱装配图二张（两个视图）（0号二张）；

4）变速箱操纵液压系统原理图一张（1号）；

5）零件图二张（2号二张）；

4、主要参考文献：

要求按国标GB 7714—87《文后参考文献著录规则》书写。

【1】同济大学主编. 铲土运输机械. 北京: 中国建筑工业出版社，1987

【2】吉林工业大学主编. 轮式装载机设计. 北京: 中国建筑工业出版社，1989

【3】杨晋生主编. 铲土运输机械. 北京: 机械工业出版社, 1987

【4】同济大学主编. 工程机械底盘构造与设计. 北京: 中国建筑工业出版社, 1987

【5】诸文农主编. 底盘设计（上、下）. 机械工业出版社，1981年7月

【6】许镇宇，邱宣怀主编.机械零件(修订版)[M] .北京：人民教育出版社，1981

【7】吉林工业大学主编. 工程机械液压与液力传动. 机械工业出版社，1979

【8】东北工学院主编. 机械零件设计手册. 冶金工业出版社，1997

【9】黄谊主编. 液压与气压传动（第一版）. 北京：机械工业出版社, 2000年5月

【10】成大光主编. 机械设计手册（第一卷）. 北京：化学工业出版社, 2003年9月

成大光主编. 机械设计手册（第二卷）. 北京：化学工业出版社, 2003年9月

成大光主编. 机械设计手册（第三卷）. 北京：化学工业出版社, 2003年9月

成大光主编. 机械设计手册（第四卷）. 北京：化学工业出版社, 2003年9月

成大光主编. 机械设计手册（第五卷）. 北京：化学工业出版社, 2003年9月

【11】董刚, 李建功, 潘凤章主编. 机械设计.北京：机械工业出版社, 1998年7月

【12】刘鸿文主编. 材料力学（第四版）. 高等教育出版社, 2004年1月

【13】路凤仪主编. 机械原理课程设计. 北京：机械工业出版社, 2002年6月

5、本毕业设计（论文）课题工作进度计划：

起迄日期工作内容

2013.2.25-2013.3.4

2013.3.5-2013.3.16

2013.3.17-2013.4.9

2013.4.10-2013.4.16

2013.4.17-2013.5.1

2013.5.2-2013.5.11

2013.5.12-2013.5.19

2013.5.20-2013.5.26

2013.5.27-2013.6.2

2013.6.3-2013.6.16

2013.6.17-2013.6.28

毕业实习及熟悉整理资料并写开题报告

总体方案选择及总体设计

牵引计算

进行总体布置并绘制总体布置图

变速箱设计

绘制传动简图、液压系统图

绘制变速箱装配图

典型零件设计及有限元分析

完善计算书、图纸准备和进行答辩

修改设计图、计算书完善设计成果

教研室审查意见：

摘要

我所设计的ZL15装载机既保留了传统装载机的优点，而且具有新的性能和优点。

本次设计主要进行的是变速箱的设计。ZL15装载机属于小型土方机械，广泛应用于城市建设工地及货场、煤场、仓库等装载及堆放松散货料的场所，并且可以用来完成轻度的挖掘及平整场地作业。

ZL15型装载机属于ZL系列，采用轮式行走系，液力机械传动系，铰接式车架,所以该机具有机动性好、转向灵活、生产率高、操纵轻便等优点。另外，该机后桥布置为摆动桥，增加了整机的稳定性，所以该机的安全性好。

ZL15型装载机采用定轴式变速箱，结构简单，制造成本较低，维修方便，特别是采用离合器外置式时，变速箱体尺寸小，便于总体布置。本机在设计中，参考同类机型，选用最佳传动方案，使机构简单，操作方便，并满足作业要求。定轴式变速箱采用动力换挡，使驾驶室操作便捷，减少劳动强度。

变速箱设计包括：变速箱型式的选择、传动比最终的确定、传动简图设计（前三后三档位）、所有齿轮的配齿计算、Ⅰ轴和Ⅱ轴离合器设计、结构设计（包括轴、轴承以及齿轮的选择校核计算）。最后还运用有CATIA对输出轴的受力情况进行了有限元分析。

【关键词】轮式装载机定轴式变速箱换挡离合器有限元分析

ABSTRACT

This type of ZL15 loader that I have designed has the common virtues of the traditional loaders.And it has some new-improved virtues and function.

In my design progress,I put emphasis on the gearbox design. The ZL15 loader belongs to pint-size earthmoving machine.It is suitable for the construction site, the freight yard and so on, where the bulk materials are placed. Other more, it can dig and level lightly.

ZL15 loader belongs to ZL series, using wheeled walking system, hydro mechanical drive, articulated car frame, so the loader has many advantages, such as good maneuverability、turning agility、high productivity、operate portability, and so on. In addition, setting the latter bridge as Swing Bridge increases the overall stability and the safety of the machine.

The ZL15 loader is adopted fixed-axis gear-box, which can simplifies the structure of the whole machine, lowers production costs and make it easier for general service. In the design, after referring to the same type machine, the best transmission scheme is adopted finally, which can minimize the number of the parts and makes the machine has reasonable transmission ratio, so as to satisfy the demand of operation. The fixed-axis gear-box adopts dynamic gear-shifting, which makes the operation of the cab handier, and reduces the intensity of labor.

Gearbox design, including: the choice of transmission type, to determine the final drive ratio, transmission schematic design (three after three stalls), all gears with teeth, Ⅰaxis and Ⅱaxis clutch design, structural design (including the axis , the choice of bearings and gears check prices). Finally I use CATIA to analyze the stress situation of the output axis.

【KEY WORDS】 wheeled loader fixed-axis gear-box Gear-shifting sleeve

Finite element

第1章前言1

第2章总体设计2

2.1 概述2

2.2 选择确定总体参数2

2.3 装载机底盘部件型式选择12

第3章牵引计算20

3.1 柴油机与变矩器联合工作的输入与输出特性曲线20

3.2 确定档位及各档传动比24

3.3 运输工况牵引特性曲线27

3.4 求出各档最高车速并分析牵引特性29

第4章总体布置35

4.1 估计各部件重量（可根据样机定），并确定部件位置坐标35

4.2 各部件布置35

4.3平衡重计算39

4.4 验算轮胎载荷40

第5章定轴式动力换档变速箱设计42

5.1 传动比的确定43

5.2 传动简图设计45

5.3 配齿计算48

5.4 离合器设计50

5.5 结构设计53

第6章毕业设计小结70

参考文献72

第一章前言

装载机属于铲土运输机械类，是一种通过安装在前端一个完整的铲斗支撑结构和连杆，随机器向前运动进行装载或挖掘，以及提升、运输和卸载的自行式履带或轮胎机械，它广泛应用于公路、铁路、建筑和矿山等工程建设。装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点，因此成为工程建设中土石方施工的主要机种之一，对于加快工程建设速度，减轻劳动强度，提高工程质量，降低工程成本都发挥着重要的作用，是现代机械化施工中不可缺少的装备之一。

ZL15装载机是小型土力机械，广泛应用于城市建设工地及货场、煤场、仓库等装载及堆放松散物料的场所，工作在密实的土壤,并且可以用来完成轻度挖掘及平整场地的作业。

ZL15装载机属于ZL系列，采用轮式行走系；液力机械传动系；铰接式车架；工作装置采用液压操纵，所以该机具有机动性好，转向灵活、生产率高、操纵轻便等优点。另外，该机后桥布置为摆动桥，增加了整车的稳定性，所以，该机安全性好。

ZL15装载机现在普遍采用的设计是分动装置、变矩器和变速箱“三合一”布置。变速箱采用定轴式动力换挡变速箱，动力装置采用高速柴油机。驱动桥为一级减速主传动，轮边行星减速，且采用双桥驱动，采用钳盘式制动器，工作装置采用反转连杆机构。为了适应工作要求，适应生产要求，并尽力向ZL标准系列靠拢，我们在设计过程中，将采用最先进的型式和技术。

第2章总体设计

2.1 概述

总体设计是机械设计中极为关键的环节，它是对所设计机械的总的设想。总体设计的成败，关系到整部机械的经济技术指标，直接决定了机械设计的成败。

总体设计指导机构设计和部件设计的进行，一般由主任工程师（或总工程师）主持进行。在接受设计任务以后，应进行深入细致的调查研究，收集国内外同类机械的有关资料。了解当前国内外装载机的使用、生产、设计和科研情况，并进行分析比较，制定总的设计原则。设计原则应当保证所设计机型符合有关的方针、政策。在满足使用要求的基础上，力求结构合理，技术先进，经济性好，寿命长。

总体设计原则：

1.遵循三化：零件标准化、产品系列化、部件通用化。

2.采用四新：新技术、新结构、新材料、新工艺。

3.满足三好：好制造、好使用、好维修。

4.对零部件设计负责。

制定设计总则以后，便可以编写设计任务书，在调研的基础上，运用所学知识，从优选择确定总体方案，保证设计的成功。

2.2 选择确定总体参数

目前，装载机的总体设计中有计算法、类比法及综合运用计算法和类比等三种设计方法。限于我们的条件，我们的设计采用计算法和类比法综合运用的方法。

总体参数的确定包括以下内容（其余见任务书）：

2.2.1轴距及轮距

轴距和轮距的大小可以影响装载机的使用性能，因此总体设计中的参数，一般是参考同类机型初选，然后通过绘制总体布置图才能准确地选定轴距。

1.轴距L—它的改变会影响以下几个方面的整机性能：

A：影响前后桥轴荷的分配。当各总成（除后桥外）相对于前桥的前后位置不变时，轴距的改变会使前后轴的载荷发生变化。如图2-1所示，后桥载荷，如保持整车重心位置G不变，则增大L，后桥载荷必减小，反之，则增大。因此，改变轴距可调整轴荷分配。

B：影响装载机的纵向稳定性。轴距增大，有利于提高整车的纵向稳定性，如图（2）所示，取临界平衡状态（前桥为支点），如保持前后桥轴荷不变，则增大轴距L值，必增大值，即增加抗整机绕前轴倾翻的力矩(G)。轴距增大还可以减少装载机在行驶中的前后颠簸，提高行驶平稳性，减少司机疲劳。

C：影响最小转弯半径。轴距增大，最小转弯半径增大。

此外，轴距的改变，还会影响车架受力和整机通透性。考虑以上因素，参考天津市政工程机械厂和江西工程机械厂生产的ZL15同类机型。初选轴距L=2050mm。

2.轮距B：

大部分装载机前后轮距相同，且前后轮使用相同轮胎。

A：轮距增加，提高装载机的横向稳定性，但最小转弯半径增加。

B：轮距增大会造成铲斗宽度增加，这样将降低单位斗刃长度上的插入力。

设计中尽可能希望轮距小些。

参考同类机型，选取轮距W=1440mm

2.2.2初选轮胎

轮胎是行走系的主要部件，承担着繁重而复杂的载荷，它对装载机的技术性能和工作指标影响很大，并且还直接影响装载机的安全行驶；从经济指标上看，轮式装载机的轮胎费用占整机购置费的10-15%，占装载机使用费用的25-50%，因此，合理而正确的选择轮胎对扩大装载机的使用范围、降低装载机的使用成本具有很大的意义。

装载机的作业条件是选择其轮胎的重要依据，用于土方工程的装载机常在比压小的软基路面和凹凸不平的路面上行驶作业。另外，装载机的行走装置一般都是与车架刚性连接。所以，在选择轮胎时，除了满足一定的承载能力外，还需要有好的耐磨性、牵引性、通过性及缓冲性能。

1.机构形式的选择

目前装载机广泛采用低压、宽基系列轮胎。

低压轮胎的外形尺寸较大，弹性较好，能增大接

地面积，减少接地比压，所以它能在比压小的软基路面上行驶，下陷小，降低滚动阻力，通过性好；在凹凸路面或碎石路面行驶时，能很好地吸收冲击与振动，缓冲性能好。

宽基轮胎比标准轮胎宽度大，从而接地比压小，在软基路面上通过性能好，牵引力也大。另外具有在同样载荷下使用较低气压的优点。同时又能改善驾驶性能及行驶的稳定性，所以为轮式装载机所广泛采用。

2.轮胎花纹的选用

轮胎胎面上有不同形状的花纹，轮胎花纹的主要作用是保证轮胎和道路之间的良好附着性，传递机械的牵引力与制动力。在本设计中采用混合花纹：中间部分是纵向而两臂部分是横向花纹，其花纹占接地面积的30%，中间纵向花纹可保证纵向稳定，而两臂花纹可提供驱动力与制动力，并且有较好的耐磨性。

3.轮胎尺寸对装载机性能有很大影响，它影响传动系传动比的选择，整机重心高度、离地间隙以及各部件的总体布置等。轮胎尺寸增加，可以增加轮胎的承载能力，能有效地改善附着性能，但它引起机器成本的增加和整机重心的提高。

综合考虑以上因素，参考同类机型，由《工程机

械轮胎手册》表2-3-6和表1-1-5查得：

轮胎型号最大负荷充气压力外直径断面宽度

11.00-202945Kgf7.0

Kg/cm2 1090mm2875mm

2.2.3初定斗宽和斗型

1.斗宽的确定

斗宽B=轮距+轮胎宽+2a （参见设计指导书）

由以上设计知轮距为1440mm，轮胎宽为290mm，取a=50～100mm，则斗宽

B=1440＋290＋2×(50～100)=1830～1930mm

取斗宽B=1900mm。

2.斗型的确定

铲斗是铲装物料的工具,它的斗型与结构是否合理,直接影响装载机的生产率。在设计工作装置连杆机构之前，首先要确定铲斗的几何形状和尺寸，因为它与连杆机构的设计有密切联系。

铲斗首先要有合理的斗型，减少切削和装料阻力，提高作业生产年率，其次是在保证铲斗具有足够强度和刚度的前提下，尽量减少自重；同时也应考虑到更换工作装置和修复易损零件的方便。

铲斗有普通形式的铲斗、蛙式、侧卸式和强制卸料等。普通铲斗有直刀刃、V形刀刃、带斗齿和V形刀刃带斗齿铲斗。直线型斗刃适于装载轻质和松散小颗粒物料，并可利用刀刃作刮平、清理场地工作；V形刀刃便于插入物料堆，有利于改善作业装置的偏载，适宜铲装较密实物料；带斗齿铲斗具有较大的插入料堆的能力，适宜于铲装矿石和坚实物料。齿型的选择应考虑插入阻力和耐磨两个因素，并且要便于更换。尖齿插入力较强，但不耐磨，纯齿则较耐磨，然而插入阻力大，一般轮式装载机多用于前者，大型装载机则常用分体式。这种连接方式便于更换。

ZL15装载机属于中小型装载机，据作业要求，并参考一些同类产品，本机选用直刀刃尖齿铲斗。

参考文献

【1】同济大学主编.铲土运输机械. 北京:中国建筑工业出版社,1987.

【2】吉林工业大学编.轮式装载机设计. 北京:中国建筑工业出版社,1989.

【3】杨晋生主编.铲土运输机械. 北京:机械工业出版社,1987.

【4】同济大学主编.工程机械底盘构造与设计. 北京:中国建筑工业出版社,1987.

【5】诸文农编.底盘设计(上下). 北京:机械工业出版社,1981.

【6】许镇宇，邱宣怀主编.机械零件(修订版)[M] .北京：人民教育出版社，1981

【7】吉林工业大学主编. 工程机械液压与液力传动. 机械工业出版社，1979

【8】东北工学院主编. 机械零件设计手册. 冶金工业出版社，1997

【9】黄谊主编. 液压与气压传动（第一版）. 北京：机械工业出版社, 2000年5月

【10】成大光主编. 机械设计手册（第一卷）. 北京：化学工业出版社, 2003年9月

成大光主编. 机械设计手册（第二卷）. 北京：化学工业出版社, 2003年9月

成大光主编. 机械设计手册（第三卷）. 北京：化学工业出版社, 2003年9月

成大光主编. 机械设计手册（第四卷）. 北京：化学工业出版社, 2003年9月

成大光主编. 机械设计手册（第五卷）. 北京：化学工业出版社, 2003年9月

【11】董刚, 李建功, 潘凤章主编. 机械设计. 北京：机械工业出版社, 1998年7月

【12】刘鸿文主编. 材料力学（第四版）. 高等教育出版社, 2004年1月

【13】路凤仪主编. 机械原理课程设计. 北京：机械工业出版社, 2002年6月

【14】青风，国内轮式装载机的现状和发展趋势，机电信息，2004年第八期

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内容简介：: 河北建筑工程学院200 年本科毕业设计（论文）中期检查表学生姓名班级学号指导教师辅导教师课题名称符合规范化的要求任务书有无选题审批表有无外文翻译质量优良中差学习态度出勤情况好一般差工作进度快按计划进行慢中期工作汇报及解答问题情况优良中差中期成绩评定：指导教师意见：指导教师签字：年月日河北建筑工程学院年毕业设计（论文）基本情况汇总表系: 专业: 1、指导教师情况：学生人数指导教师人数其中高职%中职%其他% 2、课题情况：分组数课题总数课题类别课题性质工程设计施工技术新品开发软件开发科学实验毕业论文实际题目模拟题目（注：%保留小数点后两位数。）填表人：系主任签字：盖章年月日河北建筑工程学院本科毕业设计(论文)答辩记录表学生姓名专业班级学号毕业设计（论文）题目答辩时间年月日 - 时答辩地点一、答辩小组组成：组长：成员：二、答辩记录摘要：1、学生自述情况（时间安排；语言表达是否简练、准确；内容介绍是否层次分明、有概括性；创新情况，具有独特见解。）：2、答辩委员会提问（分条摘要列举）：3、学生回答问题情况（与提问对应）：组长签字：秘书签字：注：本表由答辩小组秘书填写，每名答辩学生一份，以班为单位装订，由系保存。河北建筑工程学院本科毕业设计（论文）成绩评定表专业班级学号姓名题目（设计、论文）一、指导教师评分50%项目比例%优良中及格不及格得分设计计算说明书（立论和论据）151514131211.510.51099 设计图（论文）151514131211.510.51099独立工作能力101098.587.576.566毕业实习及报告101098.587.576.566指导教师（签名）总计二、评阅人评分20%项目比例%优良中及格不及格得分设计计算说明书（立论和论据）101098.587.576.566设计图（论文）101098.587.576.566评阅人（签名）总计三、答辩小组评分30%项目比例%优良中及格不及格得分毕业设计（论文）综合评定151514131211.510.51099口头报告554.543.533回答问题101098.587.576.566答辩组长（签名）总计四、综合成绩：总分成绩等级系主任（签字）：年月日河北建筑工程学院本科毕业设计（论文）指导教师评阅表专业班级学生姓名学号题目指导教师职称（立论和论据）设计计算说明书得分：（满分15分）设计图论文得分：（满分15分）独立工作能力得分：（满分10分）毕业实习及报告得分：（满分10分）总分指导教师签字年月日河北建筑工程学院本科毕业设计（论文）答辩委员会评定表专业班级姓名学号题目本委员会在审议该生所做的毕业设计（论文）工作成果的基础上，通过毕业答辩认为：决定给予成绩：毕业设计（论文）答辩委员会：主任委员：副主任委员：委员：秘书：年月日河北建筑工程学院本科毕业设计（论文）评阅人评阅表专业班级评阅教师职称姓名学号图纸论文部分意见成绩（满10分）计算书立论与论据部分意见成绩（满10分）是否同意答辩年月日河北建筑工程学院本科毕业设计（论文）阶段批阅单共页第页学生姓名班级学号指导教师专业审查阶段差错问题及意见处理情况河北建筑工程学院毕业答辩评分表专业班级 200 年月日答辩委员会委员序号姓名内容综合评定 (15分)口头报告 (5分)回答问题 (10分)总得分备注优良中及格不及格得分优良中及格不及格得分优良中及格不及格得分15141312115105109954.543.5331098.587.576.566河北建筑工程学院毕业设计（论文）外文资料翻译系别：（用三号宋体，下同）专业：班级：姓名：学号：外文出处：（用外文写）附件：1、外文原文；2、外文资料翻译译文。指导教师评语：签字：年月日注：请将该封面与附件装订成册。1、外文原文（复印件）2、外文资料翻译译文译文标题（3号黑体，居中）（小4号宋体，1.5倍行距）。（要求不少于3000汉字）有关毕业设计的表格（教师需填） 1、毕业设计答辩委员会评定表 2、毕业设计成绩评定表 3、毕业设计指导教师评阅表 4、毕业设计评阅人评阅表 5、毕业设计阶段批阅单 6、毕业设计中期检查表毕业实习报告写作要求毕业实习报告是对实习内容全面,系统的总结回顾.内容包括实习目的,实习内容,实习结果,实习总结或体会四个部分,全文字数不得少于3000字。1.实习目的:介绍实习的目的,意义,实习单位的概况及发展情况,实习要求等内容.这部分内容通常以前言或引言形式,不单列标题及序号.2.实习内容:先介绍实习安排概况,包括时间,内容,地点等.然后按照安排顺序逐项介绍具体内容.以记叙或白描手法为基调,在完整介绍实习内容基础上,对自己认为有重要意义或需要研究解决的问题重点介绍,其它一般内容则简述.3.实习结果:围绕实习目的要求,重点介绍对实习中发现的问题的分析,思考,提出解决问题的对策,建议等.分析,讨论及对策,建议要有依据,有参考文献,并在正文后附录.分析讨论的内容及推理过程是实习报告的重要内容之一,包括所提出的对策,建议,是反映或评价实习报告水平的重要依据.4.实习总结或体会:用自己的语言对实习的效果进行评价,着重介绍自己的收获,体会.内容较多时可列出小标题,逐一汇报.总结或体会的最后部分,应针对实习中发现的自身不足之处,简要地提出今后学习,锻炼的努力方向. 河北建筑工程学院毕业实习报告系别机械工程系专业机械设计制造及其自动化班级姓名学号指导教师实习成绩毕业实习正文文本格式要求纸型：A4纸，单面打印；页面设置：左右上下边距2.5cm；字体：正文全部宋体小四；标题宋体小二加粗；小标题宋体小四加粗；行距：固定值20磅。河北建筑工程学院毕业设计（论文）任务书课题名称系：机械工程系专业：机械设计制造及其制动化班级：姓名：学号：起迄日期：设计（论文）地点: 指导教师：辅导教师：发任务书日期：河北建筑工程学院毕业设计（论文）开题报告课题名称系别：机械工程系专业：机械设计制造及其自动化班级：学生姓名：学号：指导教师：课题来源课题类别一、论文资料的准备二、本课题的目的（重点及拟解决的关键问题）三、主要内容、研究方法、研究思路四、总体安排和进度（包括阶段性工作内容及完成日期）五、主要参考文献指导教师意见：指导教师签名：日期：教研室意见：教研室主任签名：日期：系意见：系领导签名：日期：系盖章课题来源：导师课题、社会实践、自选、其他课题类别：工程设计、施工技术、新品开发、软件开发、科学实验、毕业论文。设计题目：（宋体，三号）姓名：班级学号：指导教师：设计题目：（宋体，三号）姓名：班级学号：指导教师：毕业设计成果装订顺序1、封面 2、任务书 3、开题报告 4、中文摘要 5、英文摘要 6、计算书（包含目录、正文、参考文献） 7、外文原文 8、外文翻译 9、毕业实习报告机械工程系关于毕业设计的有关规定机械工程系2005.110关于毕业设计说明书的有关规定（1）毕业设计说明书必须按照规定格式进行打印。（2）毕业设计说明书必须按照规定顺序进行装订。（3）毕业设计说明书中必须包括必需的材料内容。（4）毕业设计说明书内所包含的插图与表格必须按其所在章节统一进行编号。附：毕业设计说明书排序及相关内容如下（1）封面（2）毕业设计任务书（3）毕业设计开题报告（4）目录（5）毕业设计中文摘要（6）毕业设计英文摘要（7）具体内容章节（8）毕业设计小结（9）参考文献（10）外文资料原文（11）外文资料译文（12）毕业实习报告关于毕业设计内容的有关规定（1）充分熟悉自己的设计内容，了解本行业的发展状况，做到设计有自己的新见解与创新。（2）严禁不理解、不假思索的盲目抄袭。对于违反规定者，视情节严重程度予以相应的处理。（3）设计中，必须对产品的经济性予以论述。（4）严格遵循设计进程的安排，指导教师随时抽查设计的进度与效果，并进行批阅。（5）查阅设计成果时，书写底稿也作为成果的一部分进行审查。关于毕业设计出勤的有关规定（1）每天设计时间不得少于8小时（包括：上午、下午、晚上）。（2）继续执行签到制度，做到来、去有详细记载。（3）累计缺勤总设计时间的1/3以上（含1/3者），不准许参加毕业设计答辩，且后果自负。（4）有事、有病者必须及时请假，否则按缺勤处理。（5）签到必须保证真实性。对弄虚作假及代签行为，一旦证实，将予以严肃处理。毕业设计说明书的撰写要求一篇完整的毕业设计说明书或毕业论文通常由题名（标题）、摘要、目次页（目录）、引言（前言）、正文、结论、致谢（谢辞）、参考文献和附录等几部分构成。一、毕业设计说明书撰写的内容与要求一份完整的毕业设计说明书应包括的内容及排序如下：（一）标题设计课题名称，要求简洁、确切、鲜明。（二）中、英文摘要应扼要叙述本设计的主要内容、特点，文字要精练。中文摘要约300字左右；英文摘要不宜超过250个实词。（三）目录（四）前言应说明本设计的目的、意义、范围及应达到的技术要求；简述本课题在国内（外）发展概况及存在的问题；本设计的指导思想；阐述本设计应解决的主要问题。（五）正文这部分要求有经济性分析的论述，主要包括以下内容：1设计方案论证应说明设计原理并进行方案选择。应说明为什么要选择这个设计方案（包括各种方案的分析、比较）；还应阐述所采用方案的特点（如采用了何种新技术、新措施、提高了什么性能等）。2计算部分这部分在设计说明书中应占有相当的比例。在说明书中要列出各零部件的工作条件、给定的参数、计算公式（包括公式的出处）以及各主要参数计算的详细步骤和计算结果；根据此计算应选用什么元、器件或零、部件；对应采用计算机的设计还应包括各种软件设计。3结构设计部分这也是设计说明书中的重要组成部分。应包括机械结构设计、各种电气控制线路设计及功能电路设计、计算机控制的硬件装置设计等。以及以上各种设计所绘制的图纸。4样机或试件的各种实验及测试情况包括实验方法、线路及数据处理等。5方案的校验说明所设计的系统是否满足各项性能指标的要求，能否达到预期效果。校验的方法可以是理论验算（即反推算），包括系统分析；也可以是实验测试及计算机的上机运算等。6结论概括说明本设计的情况和价值，分析其优点、特色，有何创新，性能达到何水平，并应指出其中存在的问题和今后改进的方向，特别是对设计中遇到的问题要重点指出并加以研究。7谢辞简述自己通过本设计的体会，并应对指导教师和协助完成设计的有关人员表示谢意。8参考文献与附录在说明书的谢辞之后，应列出主要参考文献（15本以上）。并将各种篇幅较大的图纸、数据表格、计算机程序、设计中用到的原始曲线或原始数据表等材料附于说明书之后。9英文资料原文及译文。10毕业实习报告。毕业实习报告内容应包括：（1）阅读与课题有关的资料摘录与心得；（2）对收集到的现场资料的整理加工；（3）对研究对象的合理性、先进性、经济性等方面的分析论证意见；（4）对设计研究课题的初步探讨，利用现场条件进行的初步验证结果。机械工程学科毕业设计（论文）的成果形式一、工程设计类侧重于设计、计算与绘图能力的培养和工程基本训练。设计说明书不少于2万字；工程绘图量不少于折合成图幅为A0号的图纸3张；查阅文献15篇以上，翻译与课题有关的外文资料，译文字数不少于3000字；并引导学生应用计算机进行设计、计算与绘图。二、工程技术研究类侧重于实验、测试能力的培养和科学研究方法的基本训练。实验、测试报告或生产、模拟性试验报告及论文正文的撰写字数不少于2万字；查阅文献15篇以上，翻译与课题有关的外文资料，译文字数不少于3000字；工程绘图量一般不少于折合成图幅为A0号的图纸1张；并引导学生应用计算机进行实验数据处理与实验结果分析。三、软件工程类侧重于软件开发能力的培养。设计说明书在2万字以上。软件工程文档应包括：有效程序软盘和源程序清单；软件设计说明书；软件测试分析报告；项目开发总结。学生答辩前该专业教研室应组织软件验收。要求查阅文献15篇以上，翻译与课题有关的外文资料，译文字数不少于5000字。关于机械工程学科毕业设计（论文）有关规定机械工程学科毕业设计（论文）包括工程设计、工程技术研究与软件工程等三种类型的课题，均以解决工程问题为核心。机械工程学科毕业设计的选题，以工程设计课题为主。工程问题的解决，需要回答下述五个基本问题：1）“能不能做”是工程问题得以解决的前提。2）“会不会做”是工程问题得以解决的核心。3）“值不值得做”是工程问题得以解决的必要条件。4）“允不允许做”是工程问题得以解决的最重要的外部约束条件。5）“是复现还是创新”是工程问题得以解决的生命力之所在。机械工程学科毕业设计（论文）教学基本要求体现在以下几个方面：（1）主要任务。学生应在指导教师指导下独立完成一项给定的设计任务，编写符合要求的设计说明书，并正确绘制机械与电气工程图纸或独立撰写一份毕业论文，并绘制有关图表。（2）知识要求。学生在毕业设计（论文）工作中，应综合运用多学科的理论、知识与技能，分析与解决工程问题。通过学习、研究与实践，使得理论认识深化、知识领域扩展、专业技能延伸。（3）能力培养要求。学生应学会依据技术课题任务，进行资料的调研、收集、加工与整理和正确使用工具书；培养学生掌握有关工程设计的程序、方法与技术规范，提高工程设计计算、图纸绘制、编写技术文件的能力；培养学生掌握实验、测试等科学研究的基本方法；锻炼学生分析与解决工程实际问题的能力。（4）综合素质要求。通过毕业设计（论文），学生应能树立正确的设计思想；培养学生严肃认真的科学态度和严谨求实的工作作风；在工程设计中，应能树立正确的生产观点、经济观点与全局观点。毕业设计计算书与外文翻译的要求按照河北建筑工程学院毕业设计（论文）规范的要求，特做以下说明：（一）、设计计算书1、毕业设计计算书（论文）应独立按要求的顺序装订成册：2、中、英文内容摘要是毕业设计（论文）的内容不加注释和评论的简短陈述，具有独立性和自含性。包括：课题来源、主要设计、实验方法。摘要是本人主要完成成果的高度概括。要求不少于400汉字，并将中文摘要对应译成英文。 3、计算书的目录一律按三级要求编写，即有章、节、条三个层次，以方便阅读。4、毕业设计计算书（论文）字数不少于2万字，并按规定格式要求全部单面打印；外文参考资料阅读量不少于10万印刷符。（1）标题的设置在正文中要求各项标题层次分明。标题中的章、节、条、款、项等层次一律用阿拉伯数字连续编号，不同层次的数字之间加下圆点相隔（即圆点加于数字的右下角），最末数字后面不加标点。标题层次的划分，一般不宜超过3节，3节不够时，可将层次再细划分。不出现“孤立”编号，例如，不应出现只有1.1.1而无1.1.2等后续编号的情况；如确实需要该标题，可采用不带编号和标志的标题，字体字号与同等层次标题相同(目录中不必列出)。章节编号数码与标题之间应空一个汉字距离，条款数码与标题之间应空半个汉字距离。标题编号不准用Word的自动编号功能，一律用手工编号。标题末不加任何标点符号。例如：第一级标题第1章第二级标题1.1第三级标题1.1.1第四级标题1.第五级标题1)第六级标题(1)（2）标题的文字标题的文字要精练明确，一般不超过15个字。其具体处理如下：标题应准确贴切地概括本层次正文的内容。标题应以名词或名词性词组为主，尽可能避免用非名词结构的词语（例如：提高系统的可靠性）。尽量不用虚词（例如：的、地、之等）。同一标题下属的同级标题，其结构形式、语言风格应尽可能一致。标题中不易产生歧义时，尽量不用标点。例如：“图表的使用”中“图”和“表”间省去顿号后不易产生歧义。标题中应尽可能避免带括号的同义词、外文缩写词等，必要时可将带括号的部分转移至其正文中。例如：“File(文件)”不宜用作标题。若确实无法避免带括号的部分，则目录也应与正文标题一致，且同级标题形式相对要统一。标题中的英文及数字字体应与该标题中的中文一致。5、文字要求全书采用统一的风格组织语言和内容。科技文章重在内容与技术含量，一般比较正式、死板，不得随意使用口语、不规范用语，不得兴之所致行文，不讲章法。名词术语应用要准确，遵守语法规则、正确使用字词。文字通顺，语言流畅，无错别字。正确使用标点符号，力避一“逗”到底的现象。计算机录入中，极易出现英文的拼写错误与汉字的同音别字，应随时检查录入错误，尽量避免同音错字、外文拼写错误。6、图纸要求毕业设计图纸可使用计算机绘制和手工绘制两种。为避免相互拷贝，计算机绘制的图应为绘图总量的1/3，且需指导教师进行指定。图纸尺寸标注应符合国家标准。图纸应按“规范”叠好。7、图、表要求（1）图图包括曲线图、构造图、示意图、图解、框图、流程图、记录图、布置图、照片、图版等。不得徒手绘制图，必须按国家规定标准或工程要求绘制。图应具有“自明性”，即只看图、图题和图例，不阅读正文，就可理解图意。每一图应有简短确切的题名，连同图号（按章进行排序，例：图2-3，即为第2章的第3个图）置于图下，居中，不带标点。必要时，应将图上的符号、标记、代码，以及实验条件等，用最简练的文字，横排于图题下方，作为图例说明。插图宽度一般不超过10cm。曲线图的纵、横坐标必须标注“量、标准规定符号、单位”。此三者只有在下必要标明（如无量纲等）的情况下方可省略。坐标上标的量的符号和缩略词必须与正文中一致。图号用x-xx的形式(比如图1-1)分别按章编排，序号必须连续。分图号均用（a）（b）（c）形式，分图题位于主图题下方，分图题间以分号间隔，最后以句号结尾，如图3-1所示。（a） (b)图3-1 两种矩形（a）矩形；(b)椭圆。图在正文中均应有索引处，索引只允许用“如图X-Y所示”，“见图X-Y”或“图X-Y”，不得用“如下”“以下”之类表方位的词。在正文中引用图、表中的对象和文字时一定要与其拼写一致（尤其要注意大小写）。一律先见文，后见图，且图在同页紧跟文。（2）表每一表应有简短确切的题名，连同表号置于表上，居中。不带标点。必要时，应将表中的符号、标记、代码，以及需要说明的事项，以最简练的文字，作为附注横排于表下。表内附注的序号宜用小号阿拉伯数字加圆圈置于被标注对象的右上角，如，不宜用星“*”，以免与数学上共轭和物质转换的符号相混。表的各栏均就标明“量或测试项目、标准规定符号、单位”。只有无必要标注的情况下方可省略。表中的缩略词和符号，必须与正文中一致。表内数字必须上下对齐。表内不宜用“同上”、“同左”、“ ”和类似词，一律填入具体数字或文字。表内“空白”代表末测或无比项。表一律排封闭表，表线外框略粗于内线，表格整体居中。表号用x-xx的形式(比如表1-1，表示第1章第1个表)分别按章编排，序号必须连续。表在正文中均应有索引处，索引只允许用 “如表X-Y所列”， “见表X-Y”或 “表X-Y”，不得用“如下”“以下”之类表方位的词。在正文中引用表中的对象和文字时一定要与其拼写一致（尤其要注意大小写）。一律先见文，后见表，且表在同页紧跟文。表跨页时要加表头，并在表格的右上角加“(续表)”标志。例如：图2-53 车床专用夹具1支承板 2浮动盘 3卡爪 4定位销5工作 6夹具体 7连接盘 8边接套 9拉杆表1.3罩子排风量Q的计算名称型式罩型罩子尺寸比例排风量计算公式（m3/s）备注条箍侧吸罩无边图（用铅笔书写）h条箍高度（m）B罩宽（m）尘源至罩口距离（m）控制风速（m/s）有边图（用铅笔书写）台上图（用铅笔书写）无边有边8、符号的使用要求主体符号应以一个字母表示，上、下标可采用字母、缩写词、数字或其他标记表示。上标一般只有一个，下标可采用一个或多个。当采用一个以上的下标时，可根据表示材料的种类、受力状态、部位、方向、原因、性质和次序排列。如果各下标连续书写其涵义有可能混淆时，各下标之间应加逗号分隔。如：fpy、fcmk、fcu.ko。各符号的书写和印刷规则如下：主体符号主体符号采用下列三种字母，一律用斜体字母书写和印刷：斜体大写拉丁字母：如M、V、A；斜体小写拉丁字母：如b、h、d；斜体小写希腊字母：如p 。应当注意，小写希腊字母除等外，一般只用于表示无量纲符号。上、下标上标采用标记或正体小写拉丁字母，下标采用正体小写拉丁字母或正体数字。如、fp.min、fy、fcu.k、c.maxo。应注意区别的各种字符如：拉丁文、希腊文、俄文、德文花体、草体；罗马数字和阿拉伯数字；字符的正斜体、黑白体、大小写、上下角标（特别是多层次，如“三踏步”）、上下偏差等。如：I，l，1,i；C，c；K，k,k；O，o,0()；S，s,5;Z，Z,2;B,；W，w,。对于易混淆的字符的文种、大小写、正斜体、上下标等应标注清楚。9、公式、算式公式、算式，要求统一采用二级编序，一律用阿拉伯数字连续编排序号。序号统一按出现先后顺序分章依序编码，公式编号加圆括号，居行尾。在公式下方要对公式中的参数简单说明。例如：（5.9）参考书P40公式2-5（为参考书的编号）式中 Pm切削功率（kW）Fz切削力（N）；切削速度（m/s）；Fx进给力（N）；nw工作转速（r/s）；进给量（mm/r）。10、计量单位的要求使用各种量、单位和符号，必须遵循国家标准的规定执行。单位名称和符号的书写方式一律采用国际通用符号。物理量的符号用斜体，单位符号用正体。坐标标值线朝里。标值的数字尽量不超过3位数，或小数点以后不多于1个“0”。如用30km代替30000m，用5g代替0.005mg等，并与正文一致。11、文本格式要求（1）基本要求纸型：A4纸，单面打印；页边距：上2.54cm，下2.54cm，左3.0cm、右2.0cm；页眉：1.5cm，页脚：1.75cm，左侧装订。字体：正文全部宋体、小四；行距：固定值20磅；页码：居中、小五、底部。（2）封面格式封皮：河北建筑工程学院（二号、黑体、居中）本科生毕业设计（论文）（二号、黑体、居中）系：（四号、黑体）专业：（四号、黑体）学生姓名：（四号、黑体）指导教师：（四号、黑体）完成日期：（四号、黑体）内封：河北建筑工程学院本科生毕业设计（论文）（四号、宋体）题目（二号、黑体、居中）；毕业设计（论文）页（五号、宋体）表格表（五号、宋体）插图幅（五号、宋体）（3）中英文摘要中文摘要：标题“摘要”（三号、黑体、居中）正文（不少于400字）关键词（五号、黑体）：3-5个主题词（五号）。英文摘要（另起一页）：标题“Abstract”（三号、黑体、居中）正文（必须用第三人称）关键词：“Key words”（五号、黑体）：3-5个主题词（五号）与中文关键词对应（4）目录标题“目录”（三号、黑体、居中）；章标题（四号、黑体、居左）；节标题(小四、宋体、居左)；页码（小四、宋体、居右）。（5）论文正文页眉：论文题目（居中、小五、黑体）；章标题（三号、黑体、居中）；节标题（四号、黑体、居左）；正文（小四、宋体）（6）参考文献标题：“参考文献”（小四、黑体、居中）示例如下：（字体为五号、宋体）12、参考文献要求参考文献总数不少于15篇。（1）本计算书的编写应用并遵照执行国家标准GB7714-87文参考文献著录规则。本计算书参考文献集中列于计算书末。（2）参考文献格式（采用顺序编码制）。参考文献的著录，按文稿中引用顺序排列，并在文内相应位置用上标标注。书作者1，作者2，作者n.书名.版本.出版地:出版者,出版年.页次期刊作者1，作者2，作者n.文章名.期刊名（版本）,出版年 ,卷次（期次）.页次会议录，论文录，论文汇编作者1，作者2，作者n题（篇）名In（见）：整本文献的编者姓名ed.（多编者用eds.），文集名，会议名，会址，开会年，出版地：出版者，出版年：页次科学技术报告作者1，作者2，作者n题（篇）名报名题名，编号，出版地：出版者，出版年：页次学位论文作者1，作者2，作者n题（篇）名学位授予单位编号或缩微制品序号，年专利文献作者1，作者2，作者n题（篇）名专利文献种类，专利号，年：页次例如：【1】李启明. 现代企业管理. 北京：高等教育出版社，1999 【2】依法约束政府行政行为. 华商报. 2003-11-17(11)【3】（日）占部都美. 现代管理论. 北京：新华出版社，1984【4】（美）帕金森. 帕金森定律及关于行政的其它研究(官场病). 陈休征. 1. 北京：三联书店，1982 【5】刘志惠. 管理效率与信息有序化. 湘潭大学学报（哲学社会科学版）,1997(2): 112-115【6】郑红亮等. 中国经济大论战(第五辑). 北京：经济管理出版社，2000【7】（美）法约尔. 工业管理和一般管理. 北京：中国社会科学出版社，1982【8】田则林曾令香. 农村行政管理学. 北京：农业出版社，1991【9】现代汉语词典. 北京：商务印书馆，1992【10】管理者必须把握的两个基本问题目标与环境/news/hotspot/2001-4-23-9-28-9.htm注：在计算书中绝对杜绝相同的“复制”与“粘贴”的产物。严重者延期毕业或不准毕业。（二）外文翻译1、每名本科学生（外语系除外）在毕业设计（论文）期间，应完成不少于1.5万印刷符的外文翻译。译文不少于3千汉字。2、译文内容必须与题目（或专业内容）有关。3、译文应用标准A4纸单面打印成文。4、译文应于毕业设计中期完成，交指导教师进行批阅。5、将原文同译文统一打印成A4纸，顺序为原文在前，译文在后。6、英文译文按照教务处要求格式进行打印。可到教务处网站下载。下附：毕业设计计算书格式：河北建筑工程学院本科毕业设计（论文）题目学科专业班级姓名指导教师辅导教师摘要（三号、黑体、居中）(不少于400字)关键词（五号、黑体）：（五号）ABSTRACT（三号、黑体、居中）KEY WORDS：（五号、黑体）：（五号）目录（三号、黑体、居中）第1章前言1第2章总体设计2 2.1 概述2 2.2 选择确定总体参数2 2.3 装载机底盘部件型式设计2第3章牵引计算3 3.1 柴油机与变矩器联合工作的输入与输出特性曲线3 3.2 确定档位及各档传动比3 3.3 运输工况牵引特性曲线3 3.4 求出各档最高车速并分析牵引特性4第4章工作装置设计5 4.1 设计要求5 4.2 铲斗设计5 4.3 动臂设计54.4 连杆机构设计64.5 工作装置装配图设计64.6 动臂强度验算6第5章工作装置液压系统设计7第6章总体布置8第7章毕业设计小节9参考文献10毕业实习报告11附录或后记12附：英文翻译英文原文河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：郭秀云肖溪朱春华马轶群王占英设计题目：设计人：设计项目计算与说明结果第1章前言（三号、黑体、居中下同）（宋体、小四下同）页面设置：A4纸，单面打印，页边距：上2.54厘米，下2.54厘米，左3厘米，右2厘米。左侧装订。9河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：郭秀云肖溪朱春华马轶群王占英设计题目：设计人：设计项目计算与说明结果第2章总体设计2.1 概述（四号、黑体、居左下同）2.2 选择确定总体参数2.3 转载机底盘部件型式设计第3章牵引计算3.1 柴油机与变矩器联合工作的输入与输出特性曲线3.2 确定档位及各档传动比3.3 运输工况牵引特性曲线3.4 求出各档最高车速并分析牵引特性第4章工作装置设计4.1 设计要求4.2 铲斗设计4.3 动臂设计4.4 连杆机构设计4.5 工作装置装配图设计4.6 动臂强度验算第5章工作装置液压系统设计第6章总体布置第7章毕业设计小节B=3000mm(下同)参考文献（小四、黑体、居中）【1】作者. 文献名. 出版地点：出版社，出版日期（五号、宋体下同）【2】作者. 文献名. 出版地点：出版社，出版日期【3】作者. 文献名. 出版地点：出版社，出版日期【4】作者. 文献名. 出版地点：出版社，出版日期【5】作者. 文献名. 出版地点：出版社，出版日期毕业实习报告（小四、黑体、居中）（五号、宋体）附录或后记（小四、黑体、居中）（五号、宋体）The numerical modelling of excavator bucket filling using DEMC.J. Coetzee*, D.N.J. ElsDepartment of Mechanical and Mechatronic Engineering, University of Stellenbosch, Private Bag X1, Matieland 7602, South AfricaReceived 15 February 2007; received in revised form 25 February 2009; accepted 28 May 2009Available online 25 June 2009AbstractThe filling of an excavator bucket is a complex granular flow problem. In order to optimize the filling process, it is important to under-stand the different mechanisms involved. The discrete element method (DEM) is a promising approach to model soil-implement inter-actions and it was used in this study to model the filling process of an excavator bucket. Model validation was based on the accuracy withwhich the model predicted the bucket drag force and the development of the different flow regions. Compared to experimental measure-ments, DEM predicted lower bucket drag forces, but the general trend was accurately modelled. At the end of the filling process the errorin predicted drag force was 20%. Qualitatively, there was a good agreement between the observed and the modelled flow regions in termsof position and transition from one stage to the other. During all stages of filling, DEM was able to predict the volume of material insidethe bucket accurately to within 6%.? 2009 ISTVS. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.1. IntroductionEarthmoving equipment plays an important role in theagricultural, earthmoving and mining industries. Theequipment is highly diverse in shape and function, but mostof the soil cutting machines can be categorised into one ofthree principal classes, namely blades, rippers and buckets(shovels). This paper focuses on the numerical modelling ofexcavator bucket filling using the discrete element method(DEM).Buckets are found on a number of earthmoving machin-ery. Draglines are used to remove blasted overburden fromopen cut mines. Its removal exposes the coal depositsbeneath for mining. A dragline is a crane-like structurewith a huge bucket of up to 100 m3in volume suspendedby steel ropes. Draglines are an expensive and essential partof mine operations and play an important role in the com-petitiveness of South African mines. In the coal miningindustry it is generally accepted that a 1% improvementin the efficiency of a dragline will result in an R1 millionincrease in annual production per dragline 1. Bucketsare also found on hydraulic excavators, loaders and shovelexcavators.The filling of a bucket is a complex granular flow prob-lem. Instrumentation of field equipment for measuringbucket filling is difficult and expensive. It is possible touse small-scale (usually 1/10th scale) experimental rigs toevaluate bucket designs 1,2 but they are expensive andthere are questions regarding the validity of scaling 3,4.To scale-up results from model experiments is problematicsince there are no general scaling laws for granular flows asthere are for fluid dynamics 5.According to Cleary 5 the filling of buckets, in theabsence of very large rocks, is observed to be relativelytwo-dimensional with little motion in the transverse direc-tion. The flow pattern along a cross-section of the bucket inthe drag direction is the most important aspect of fillingand can be analysed satisfactorily using two-dimensionalmodels. Rowlands 2 made similar observations based ondragline bucket filling experiments.According to Maciejewski et al. 6, in practical caseswhen the motion of a bucket or bulldozer blade is dis-cussed, plane strain conditions apply only in some defor-mation regions. The plane strain solution for such toolscan be assumed only with limited accuracy. Maciejewski0022-4898/$36.00 ? 2009 ISTVS. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.doi:10.1016/j.jterra.2009.05.003*Corresponding author. Tel.: +27 21 808 4239; fax: +27 21 808 4958.E-mail address: ccoetzeesun.ac.za (C.J. Coetzee)./locate/jterraAvailable online at Journal of Terramechanics 46 (2009) 217227JournalofTerramechanicset al. 6 also investigated the assumption of plane strainconditions in soil bins where the soil and tool motion isconstrained between two transparent walls. For measure-ments in such a bin, the force acting on the tool due tothe friction between the soil and the sidewalls has to be esti-mated or neglected. They have shown that for a high num-ber of teeth on the bucket, the teeth do not act as separatethree-dimensional objects but as one wide tool built upfrom several modules. The deformation pattern in frontof such an assembly of teeth was found to be plane straindeformation. The authors, however, concluded that thiswas true for the particular cohesive soil (sandy clay) andmay not apply to other (especially rocky and brittle) mate-rials. In this study the bucket had a full-width lip with noteeth and based on the findings by Maciejewski et al. 6,the assumption of plane strain was made and two-dimen-sional DEM models were used.Analytical methods 711 used to model soiltool inter-action are limited to infinitesimal motion of the tool andthe given geometry of the problem. These methods werenot expected to be valid for the analysis of the subsequentstages of advanced earth digging problems 12. The analyt-ical methods are based on Terzaghis passive earth pressuretheory and assumptions of a preliminary soil failure pattern13. Complicated tool geometry (such as buckets) and largedeformations cannot be modelled using these methods 14.The discrete element method is a promising approach tomodel soil-implement interaction and can be used to over-come some of the difficulties encountered by analyticalmethods 15. In DEM, the failure patterns and materialdeformation are not needed in advance. The tools are mod-elled using a number of flat walls and the complexity of thetool geometry does not complicate the DEM model. Largedeformation in the granular material and the developmentof the granular material free surface are automatically han-dled by the method.Cleary 5 modelled dragline bucket filling using DEM.Trends were shown and qualitative comparisons made, butno experimental results were presented. The process ofhydraulic excavator bucket filling was investigated experi-mentally by Maciejewski and Jarzebowski 12. The aim oftheir research was optimization of the digging process andbucket trajectories. It is shown that the most energy efficientbucket is the one where the pushing effect of the back wall isminimized.Owenetal.21modelled3Ddraglinebucketfill-ing. In there approach, the bucket was modelled with thefinite element method and the soil with DEM. Ellipsoidsand clumped spheres were used to approximate the particleangularity. The bucket followed a prescribed path.Esterhuyse 1 and Rowlands 2 investigated the fillingbehaviour of scaled dragline buckets experimentally withthe focus on rigging configuration, bucket shape and teethspacing. They have shown that the aspect ratio of thebucket (width to depth) plays and important role in thedrag distance needed to fill a bucket. The bucket with theshortest fill distance was found to produce the highest peakdrag force.The main objective of this study was to demonstrate theability of DEM to predict the drag force on the bucket andthe material flow patterns that develop as the bucket fillsup. The DEM results were compared to experiments per-formed in a soil bin.2. The discrete element methodDiscrete element methods are based on the simulation ofthe motion of granular material as separate particles. DEMwas first applied to rock mechanics by Cundall and Strack16. In this study, all the simulations were two-dimensionalandperformedusingcommercialDEMsoftwarePFC2D17.A linear contact model was used with a spring stiffness knin the normal direction and a spring stiffness ksin the sheardirection (Fig. 1). Frictional slip is allowed in the tangentialdirectionwithafrictioncoefficientl.Thedampingforceactson a particle in the opposite direction to the particle velocityand is proportional to the resultant force acting on the par-ticle with a proportionality constant (damping coefficient)C 17. For a detailed description of DEM, the reader isreferred to Cleary and Sawley 18, Cundall and Strack16, Hogue 19 and Zhang and Whiten 20.3. ExperimentalTwo parallel glass panels were fixed 200 mm apart toform the soil bin. The bucket profile was fixed to a trolleywhich was driven by a ball screw and stepper motor. TheFrictionknksFig. 1. DEM contact model.218C.J. Coetzee, D.N.J. Els/Journal of Terramechanics 46 (2009) 217227complete rig could be set at an angle h to the horizontal asshown in Fig. 2a. The first arm was then rotated and fixedsuch that both arms remained vertical. The second armremained free to move in the vertical direction. First, coun-terweights were added at position A (Fig. 2a) to balancethe combined weight of the bucket profile and the secondarm assembly. This resulted in a weightless” bucket.Counterweights were then added at position B to set theeffective” bucket weight. Since arm 2 was always verticaleven for rig angles other then zero, the effective bucketweight always acted vertically downwards (Fig. 2c). Bucketweights of 49.1 N, 93.2 N, 138.3 N and 202.1 N were used.When the bucket was dragged in the direction as indi-cated, it was also free to move in the vertical direction asa result of the effective bucket weight and the force of thegrains acting on it. The bottom edge of the bucket wasalways set to be parallel to the drag direction and the mate-rial free surface. This type of motion resembles that of adragline bucket which is dragged in the drag direction bya set of ropes, but with freedom of motion in all otherdirections 2.Spring loaded Teflon wipers were used to seal the smallopening between the bucket profile and the glass panels. Aforce transducer was designed and built to measure the dragforce on the bucket. A set of strain gauges was bonded to asteel beam of which the position is shown in Fig. 2a. Theset of four strain gauges was used to measure the force inthe drag direction. Other force components were notmeasured. The force transducer was calibrated and thecalibration checked regularly to avoid drift in the measure-ments. For rig angles other than zero, the force transducerwas zeroed before the drag commenced. This compensatedforthecomponentofthebucketweightthatactedinthedragdirection. The vertical displacement of the bucket was mea-sured with a linear variable differential transformer (LVDT)andusedasinputtotheDEMsimulation. Inboththeexper-imentsandtheDEMsimulationsthebucketwasgivenadragvelocity of 10 mm s?1. The dimensions of the bucket profileare shown in Fig. 2b.In this study corn grains were used. Although the corngrains are not real soil, Rowlands 2 observed that seedgrains are suitable for experimental testing and closelyresemble natural soil flow into dragline buckets.4. DEM parameters and numerical modelFig. 3 shows the range of measured grain dimensionsand the equivalent DEM grain. A normal distributionwithin the range of dimensions given was used to createthe clumped particles. Clumps can be formed by addingtwo or more particles (discs in 2D and spheres in 3D)together to form one rigid particle, i.e. particles includedin the clump remain at a fixed distance from each other17. Particles within a clump can overlap to any extentand contact forces are not generated between these parti-cles. Clumps cannot break up during simulations regardlessof the forces acting upon them. In the model 20,00030,000clumped particles were used.A calibration process, presented in another paper, wasdeveloped for cohesionless material. The particle size, shapeand density were determined from physical measurements.The laboratory shear tests and compressions tests were usedto determine the material internalfriction angleandstiffnessrespectively. These tests were repeated numerically usingDEM models with different sets of particle friction coeffi-cientsandparticle stiffness values.Thecombinationofsheartestandcompressiontestresultscouldbeusedtodetermineaunique set of particle friction and particle stiffness values,Table 1.ADirection of drag Direction of vertical motion 2nd Arm1st ArmBForce transducer 100 mm200 mm150 mm Max volume 35 mm45WbcosWbCounter weights abcFig. 2. Experimental setup.5 - 98 - 125 - 64 - 53 - 6R 2.5 - 4.5 R 1.5 - 3.0 3.0 - 5.0 abFig. 3. (a) Physical grain dimensions and (b) DEM grain model.Dimensions in (mm).C.J. Coetzee, D.N.J. Els/Journal of Terramechanics 46 (2009) 217227219In the software used, PFC2D, so-called walls are used tobuild structures. The test rig and the bucket, with the samedimensions as in the experiment, were built from walls. Thewalls are rigid and move according to prescribed transla-tional and rotational velocities. The forces and momentsacting on the walls do not influence the motion of the wall.During the experiments a constant drag velocity of10 mm s?1was applied while the vertical displacementwas measured. The vertical displacement was influencedby both the rig angle and the effective bucket weight. A typ-ical result is shown in Fig. 4. Except for the initial transi-tion, the vertical velocity was nearly constant, for a givensetup, and increased with an increase in bucket weight. Inthe DEM model, the drag velocity was set to 10 mm s?1and the measured vertical displacement was read from adata file and applied to the bucket.Standard functions build into PFC2Dwere used toobtain the forces and moments acting on individual wallsand on the bucket as a whole. For rig angles other thanzero, the rig was kept horizontal but the gravity compo-nents were set accordingly.5. Results and discussionIt is difficult to make quantitative comparisons regard-ing flow patterns. When comparing the material freesurface, some comparisons could however be made. Figs.5 and 6 show how the material flowed into the bucket forrig angles of h = 0? and h = 20?, respectively. When com-paring the shape of the material free surface, the simula-tions were able to predict the general shape during theinitial stages of filling. The simulations however failed toaccurately predict the material free surface during the finalstages of filling.Curves were fitted to the experimental free surface andoverlaid on the numerical results in Figs. 5 and 6. The max-imum difference between the two free surfaces (heapheight) was measured along the direction perpendicularto the drag direction. Two measurements were made, onewhere DEM predicted a higher heap height, and onemeasurement where DEM predicted a lower heap height.The values and the positions where they were measuredare indicated in the figures. Taking the nominal particlesize as 10 mm, DEM predicted the heap height accuratelywithin 1.54.5 particle diameters.Fig. 7 shows typical drag forces obtained from experi-ments and simulations. The large jump in the drag forceat the beginning of the experiment was observed in mostof the runs and could not be explained and needs furtherinvestigation. From this result, it is clear that the DEMmodel captured the general trend in drag force, but it pre-dicted lower values compared to the measured values. Overthe complete drag of 800 mm, the model predicted a forcewhich was 1550 N lower than the measured force. At theend of the drag the error was 20%. The frictional forcebetween the Teflon wipers and the glass panels was mea-sured in a run without grains. This frictional force was sub-tracted from the measured drag force. Frictional forcesbetween the grains and the side panels would also havean influence on the measured results. These frictional forcescould not be measured or included in the 2D DEM modeland might be the reason why the model predicts lower dragforces 6.The drag energy was defined as the area under the dragforcedisplacement curve. Making use of different rigangles h and effective bucket weights Wb, the drag energyE700up to a displacement of 700 mm is compared in Fig. 8.The first observation that could me made was that withan increase in effective bucket weight, for a given rig angleh, there was a linear increase in required drag energy. Acloser investigation showed that with an increase in bucketweight, the bucket was forced deeper into the materialwhich caused a higher drag force when compared to abucket with less weight.The second observation that can be made is that with anincrease in the rig angle, there is a decrease in drag energy.The effective bucket weight Wbalways acted verticallyTable 1Summary of corn properties and DEM parameters used.Macro propertyMeasuredDEMInternal friction angle23?24?Angle of repose25 2?24 1?Bulk density778 kg m?3778 kg m?3Confined bulk modulus1.60 MPa1.52 MPaMaterial-steel friction14?14?Calibrated DEM propertiesParticle stiffness, kn= ks450 kN/mParticle density, qp855 kg/m3Particle friction coefficient, l0.12Other propertiesDamping, C0.2Model width0.2 m0100200300400500Drag displacement mm60070020406080100Vertical displacement mm120Wb= 202.1 N138.3 N93.2 N 49.1 N Fig. 4. Measured vertical displacement of the bucket with h = 10? andfour values of effective bucket weight Wb.220C.J. Coetzee, D.N.J. Els/Journal of Terramechanics 46 (2009) 217227downward (Fig. 2c) so that the normal force pushing thebucket into the material is given by Wb? cos (h). Thus, withan increase in rig angle, there is a decrease in the normalforce pushing the bucket into the material. This caused areduction in the drag force, and hence a reduction in thedrag energy, when compared to results using a lower rigangle. The DEM simulations were able to capture the gen-eral trends, but it predicted drag energies lower than themeasured. The reason for this is that the predicted dragforces were too low due to the exclusion of the frictionforces between the grains and the glass panels. It would,however, still be possible to use the simulation results forqualitative optimization of bucket filling.Using the simulation results it was possible to identifyhow much of the total force was exerted on each of thebucket sections. In Fig. 9 the bucket was divided into sixsections. The graphs show, as a ratio of the total dragforce, the force on each of the sections. From the startup to a displacement of 200 mm (25% of total displace-ment) the total force acted mainly on the lip and the bot-tom section. As material started to flow into the bucket,the other sections came into play, first the inner curveand finally the front section. Less than 5% of the forceacted on the top section. This was far less than the bottomsection (30%). The reason for this is that the material insidethe bucket showed little movement relative to the bucketFig. 5. Bucket filling results with rig angle h = 0?.C.J. Coetzee, D.N.J. Els/Journal of Terramechanics 46 (2009) 217227221and the pressure on the top section was only due to theweight of the material inside the bucket. On the bottomsection, the pressure was due to the combined weight ofthe material inside the bucket and the weight of the bucketitself. During the complete filling process, 2030% of thedrag force acted on the lip. This shows that the design ofthe lip and teeth is important. It is well known that thelength of the lip/teeth and the angle of attack are importantfactors influencing bucket filling 2 .Rowlands 2 made use of mixtures of millet, peas andcorn in his 2D test rig. The observation of the filling behav-iour led to the development of a theory that describes theflow characteristics and patterns of material entering thebucket. Rowlands 2 named this concept the Shear ZoneTheory. He observed that definite planes of shear (rupture)formed between distinct moving material regimes. Theseshear planes changed orientation and location dependingon initial setup and during different stages of the filling pro-cess itself. The generalised theory is shown in Fig. 10. Thedifferent flow regions, as named by Rowlands 2, are indi-cated on the figure. The movements of the material relativeto the bucket are indicated by the arrows.The virgin material remains largely undisturbed until thefinal third of the drag during which bulldozing” occurs.The initial laminar layer flows into the bucket during thefirst third of the drag (Fig. 10a). After entering to a certaindistance, this layer fails at the bucket lip and subsequentlybecomes stationary with respect to the bucket for theFig. 6. Bucket filling results with rig angle h = 20?.222C.J. Coetzee, D.N.J. Els/Journal of Terramechanics 46 (2009) 217227remainder of the drag (Fig. 10b and c). At steeper dragangles, the material flows more rapidly towards the rearbecause of the added gravitational assistance. This effectcan be seen by comparing Figs. 5 and 6.With the laminar layer becoming stationary, a new zone,the active flow zone, develops (Fig. 10). In this zone, thematerial displacement is predominantly in the verticaldirection. The active dig zone is located above the teethand bucket lip. This area develops as material starts toenter the bucket and increases in size after failure of the ini-tial laminar layer. In this zone, the virgin material fails andeither flows into the bucket as part of the laminar layerduring the first part of filling or moves into the active flowzone during the latter part of filling.The dead load that has resulted from live” material inthe active flow zone ramps up and over the initial laminarlayer. Some of the material in the initial laminar layer failsand starts to form part of the dead load (Fig. 10c). Duringexperiments and while the material was flowing, a definiterupture or shear line could be observed here. With anincrease in drag angle, the active dig zone and active flowzone tended to join into one continuous band.1002003004005006007008000ExperimentSimulation250200Drag force N 15010050Displacement in drag direction mm Fig. 7. Typical bucket drag forces with rig angle h = 10? and a bucketweight Wb= 138.3 N. = 0 = 10 = 20 Experiment Simulation 40 40220200 180160140120WbN 10080 60 506070 80100 120 110 90E700 J Fig. 8. Bucket drag energy E700as a function of the bucket weight Wbfordifferent rig angles h.010020030040050060070080000.40.5Displacement mm Drag force ratio FrontInner curveTopLip Bottom Outer curve LipTopBottomFrontInner curveOuter curveFig. 9. Bucket drag force distribution with h = 10?.Active dig zone Initial laminar layer Active dig zone Initial laminar layerActive flow zone Virgin material Active dig zone Dead loadActive flow zone Initial laminar layer Shear lineShear line Shear line Dead load shear line Virgin material Virgin material bcaFig. 10. The Shear Zone Theory according to Rowlands 2.C.J. Coetzee, D.N.J. Els/Journal of Terramechanics 46 (2009) 217227223It should be noted that Fig. 10 only shows three stagesof the filling process, but in reality there is a gradual tran-sition from one stage to the next. It should also be notedthat this is a generalised theory and there will be variationsin the results when different materials and bucket geome-tries are used. During experiments two definite shear linescould be observed. The one extended from the tip of thelip up to the free surface. This is named the cutting shearline. The second line is the one between the initial laminarlayer and the dead load, called the dead load shear line.Making use of DEM and investigating the flow regionsfurther, the following procedure was devised. The bucketwas moved through the material and paused” after each100 mm. The displacement vector of each particle was thenset to be zero after which the bucket was given a furtherdisplacement of 1015 mm (13 particle lengths). The par-ticle displacement ratio PDR was defined as the ratio of themagnitude of the particle absolute displacement vector tothe magnitude of the bucket absolute displacement vector.The particles were then coloured according to their individ-ual PDR values. A PDR equal to unity means that the par-ticle is moving with the bucket. The result is shown inFig. 11. This is in effect the average velocity ratio over ashort period.The flow regimes as predicted by the Shear Zone Theoryare indicated on the figure. The three pictures correspondFig. 11. Flow regions using the particlebucket displacement ratio.224C.J. Coetzee, D.N.J. Els/Journal of Terramechanics 46 (2009) 217227to the three pictures given in Fig. 10. After a displacementof 100 mm, the active dig zone is clearly visible with0.40 6 PDR 0.65. The initial laminar layer moves intothe bucket with 0.10 6 PDR 0.25. This corresponds wellto the flow zones shown in Fig. 10a.After 500 mm, the characteristic V” shape of the activeflow zone can be seen with 0.10 6 PDR 0.25. Althoughthe PDR is relatively low, the displacement is predomi-nantly in the vertical direction. The active dig zone is stillpresent and in the back of the bucket, the initial laminarlayer starts to become stationary relative to the bucket.This is visible by the PDR values that increase towardsthe back of the bucket. This corresponds well to the flowzones shown in Fig. 10b.After 800 mm the existence of the dead load shear line isclearly visible. When compared to Fig. 10c, the active flowzone and active dig zone cannot be distinguished from thedead load. The reason for this is that at a bucket displace-ment of 800 mm, the bulldozing effect is large and over-shadows the other flow zones.Dragline bucket optimization is very important in termsof force and energy requirements and cycle time. In someapplications it would be advantageous to fill the bucketusing the minimum amount of energy. In other applica-tions, it would be advantageous to fill the bucket as quicklyas possible to decrease cycle time 1. To investigate fillrates, images from the experiment were taken at differentstages of filling, the outline of the material digitized, andthe volume of material inside the bucket calculated andexpressed as a percentage of the maximum bucket volume.The maximum bucket volume of 0.0146 m3is defined inFig. 2b. Using the DEM results, the same procedure wasfollowed and the results compared.Fig. 12 shows the experimental results using three differ-ent rig angles. The bucket fill percentage is plotted againstbucket displacement in terms of bucket-lengths. In thedragline industry, the target is to get the bucket completelyfilled in 23 bucket-lengths. With an increase of the rigangle from 0? to 10?, there is a slight increase in fill percent-age towards the latter stages of filling. This is due to thefact that when material is disturbed, it flows more easilyinto the bucket. When the rig angle is further increasedto 20? there is, however, a decrease in fill percentage. A fur-ther investigation showed that with an increase in rig angle,the bucket displacement into the material is less. It hasbeen shown that the force perpendicular to the materialsurface is given by Wb? cos (h). Hence, with an increasein the rig angle, the force component forcing the bucketto dig in, decreases. When this force component decreases,the penetration depth of the bucket into the material isreduced and the bucket scoops up less material. Whenthe bucket scoops up less material, there is a decrease in fillpercentage.The comparison between experimental and DEM fillpercentages is summarised in Fig. 13. Using three rigangles h = 0?, 10? and 30? and two effective bucketweights Wb= 49.1 N and 138.3 N, the fill percentagewas calculated at displacements of 100, 200, 300, 400,500, 600 and 700 mm. The 42 data points were plottedand the two lines indicate that in all cases, except fortwo, the DEM results were within 6% of the experi-mental results.In practice, the bucket is rotated to prevent the majorityof the material to fall out when the bucket is disengaged.This principle is depicted in Fig. 14 where, at the end ofits displacement, the bucket was lifted out of the materialand kept at the rig angle. The effect of bucket orientationis clear on the amount of material that the bucket couldhold. Again, the experimental free surface outline is shownon the DEM results with good agreement for h = 0?. Forh = 20?, the DEM model predicts additional material inthe back of the bucket which can be explained by the differ-ence in the final fill state as seen in Fig. 6 at a displacementof 800 mm.0.511.522.50102030405060708090100Displacement bucket lengthBucket fill % = 0 = 10 = 20 Fig. 12. Bucket fill percentage as a function of bucket displacement fordifferent rig angles. = 0, Wb = 49.1 N = 10, Wb = 49.1 N = 20, Wb = 49.1 N = 0, Wb = 138.3 N = 10, Wb = 138.3 N = 20, Wb = 138.3 N102030Experimental %405060010203040Simulation %5060- 6% + 6% Fig. 13. Comparison between experimental and DEM fill percentages.C.J. Coetzee, D.N.J. Els/Journal of Terramechanics 46 (2009) 2172272256. ConclusionsThe main objective of this paper was to demonstratehow accurately the discrete element method can predictthe process of excavator bucket filling. The flow patternsof

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