（机械设计及理论专业论文）隧道挖装机工作装置的虚拟样机技术分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 隧道挖装机是隧道施工中开挖出碴的最有效的设备之一。在其产品设计中引入虚拟 样机技术，可以提高产品质量，缩短开发周期，提高自主开发能力，具有非常重要的意 义。本论文将虚拟样机设计方法运用到隧道挖装机工作装置的结构设计过程中，主要有 如下工作： 首先采用三维造型软件p r o e 按照测绘得来尺寸和结构对工作装置进行三维造型，并 把p r o e 建造好的三维几何模型导入到m s c a d a m s 中，建立了工作装置的虚拟样机。 接着通过分析其结构特点，编写相应剧本模拟得出其工作范围，通过与原始参数的对比， 验证了虚拟样机的尺寸数据精。其次研究分析了两种最基本的挖装作业工况，计算载 荷，验证机构稳定性，按照其运动规律，模拟这两种工况，在后处理中得出机构任意关 节的受力，渺缸驱动力，位移加速度等随时间变化的曲线，判断油缸是否超负荷，保 证了构件受力数据的可信性一分析了机构中两个重要部件斗杆与动臂的受力状况，为后 续静力学分析提供荷载依据。 最后本文还探讨了有限元方法的原理与一些建模技巧，并利用有限元软件a n s y s 对斗杆与动臂进行有限元分析。分别建立其有限元模型，以动力学仿真得出的受力曲线 作为前提，选取最不利的工况进行加载，直观的得出了两个部件在的应力应变云图。 本课题的研究，为虚拟机机的工程机械增添了一个新的样例，有利于工程机械的设 计改进和产品开发，本研究具有一定得参考价值，也为以后解决问题提供了一个思路。 关键词：隧道挖装机；三维造型；动力学仿真；有限元法； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 - - - _ _ _ _ _ _ _ - 日_ 皇_ 皇量鼍置暑詈寡_ 置| 墨置皇皇詈置量量量鼍昌曼皇皇董_ _ 一i ii _ _ 置一 a bs t r a c t t u n n e lb a c k h o el o a d e ri so n eo ft h em o s te f f e ：c t i v ed e v i c e so ne x c a v a t i o na n dm u c k i n g d u r i n gt u n n e lc o n s t r u c t i o n i n t r o d u c i n gt h ev i r t u a lp r o t o t y p et e c h n i q u ed u r i n gp r o d u c td e s i g n i ss i g n i f i c a n t i tc a ni n c r e a s et h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c t ，d e c r e a s ed e v e l o p m e n tc y c l ea n d e n h a n c et h ea b i l i t yo fi n d e p e n d e n tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t t h i sp a p e ra p p l i e st h ev i r t u a l p r o t o t y p ed e s i g nm e t h o dt ot h es t r u c t u r ed e s i g no fw o r k i n gd e v i c ei nt h et u n n e lb a c k h o e l o a d e r , a n dm a i n l yd o e st h ef o l l o w i n gw o r k f i r s t l y , t h i sp a p e ru s e s3 dm o d e ls o f t w a r ep r 0 et om o d e lt h ew o r k i n gp a r ta c c o r d i n gt o t h ea c t u a ld i m e n s i o na n ds t r u c t u r e i n t r o d u c e3 dg e o m e t r i cm o d e lm a d ew i t hp r o et o m s c a d a m s ，a n de s t a b l i s hv i r t u a lp r o t o t y p eo ft h ew o r k i n gd e v i c e b yr e s e a r c h i n gt h e s t r u c t u r a lf e a t u r e so ft h ew o r k i n gd e v i c e 。y o uc a nw r i t et h ec o r r e s p o n d i n gs c r i p t st os i m u l a t e i t sw o r k i n gr a n g e ，c o m p a r i n gw i t ht h ei n i t i a la r g u m e n t ，a n dt h e nv e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h e m e c h a n i s m s e c o n d l y , i nt h i st h e s i sw eh a v ea n a l y z e dt w ob a s i cc o n d i t i o n so fd i g g i n ga n dl o a d i n g o p e r a t i o n c a l c u l a t ei t s1 0 a d 。v e i l f yc o r r e c t n e s so ft h em e c h a n i s m ，a n ds i m u l a t et h e s et w ok i n d s o fc o n d i t i o n sa c c o r d i n gt h e i rm o t i o n1 a w t h e l ld u r i n gt h es u b s e q u e n tp r o c e s s i n gw eg e tt h e s t r e s so fa n yi o i n to ft h em e c h a n i s ma n dd r i v i n gf o r c eo ft h ec y l i n d e r , c u r v e so fd i s p l a c e m e n t a n da c c e l e r a t i o nc h a n g ew i t ht i m e ，a n dt h u sj u d g ei ft h ec y l i n d e ro v e r l o a d e d ，t h e ng u a r a n t e e t h ec r e d i b i l i t yo ft h ed e v i c ef o r c i n gd a t a i ta l s oa n a l y z e ss t r e s sc o n d i t i o no ft w oi m p o r t a n t c o m p o n e n t so ft h ed e v i c e ，d i p p e rh a n d l ea n db o o m ，s u p p l y i n gl o a db a s i sf o rs u b s e q u e n ts t a t i c a n a l y s i s a tl a s t t h i st h e s i sa l s od i s c u s s e ss o m ep r i n c i p l e sa n ds k i l l so ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n d u s e sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r et oa n a l y z ed i p p e rh a n d l ea n db o o m ，e s t a b l i s h i n gf i n i t ee l e m e n t m o d e ls e p a r a t e l y i ts e t st h ef o r c ec b r v eo fd y n a m i cs i m u l a t i o na sap r e r e q u i s i t e ；s e l e c tt h e w o r s tw o r k i n gc o n d i t i o nt ol o a d a n dg e ts t r e s sd e f o r m a t i o nn e p h o g r a md i r e c t l y r e s e a r c ho ft h i s s u b j e c tp r o v i d e s an e w s a m p l e f o rv i r t u a l p r o t o t y p e o f e n g i n e e r i n gm a c h i n e r y , a n di sb e n e f i c i a lt od e s i g ni m p r o v e m e n ta n dp r o d u c td e v e l o p m e n t i t h a sc e r t a i nr e f e r e n c ev a l u e ，a l s op r o v i d e sa ni d e at os o l v ep r o b l e mi nf u t u r e k e yw o r d s ：t u n n e lb a c k h o el o a d e r 3 - dm o d e ld y n a m i c ss i m u l a t ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西 南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密嘭使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“扩) 学位论文作者签名：差盎曷石指导老师签名枷 日期：耖o ，z 厂 日期：a 卅口广厂 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 利用p r o e 软件按照测绘尺寸对隧道挖装机工作装置进行三维造型。 2 利用a d a m s 软件建立隧道挖装机工作装置的虚拟样机，模拟仿真了两种 基本工况，得出主要关节点受力，为静力学分析提供载荷数据。 3 利用有限元软件a n s y s 对机构中的两个重要构件建立有限元模型。按 照最不利的工况进行加载计算，校核强度。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作 了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：差易歹 日期：纠d s 丛 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 背景 第一章绪论弟一早珀t 匕 随着我国经济的不断发展，大量基础设施建设不断开工，隧道的建设也越来越多， 然而，实践证明，隧道出渣成为限制隧道施工的瓶颈，而研究新型机械和加快隧道施 工机械化对提高隧道施工效率有较大的作用，从而解决隧道施工出渣的难题。 隧道挖装机则是隧道施工中斜井开挖出碴的最有效的设备之一。而挖装机特有的 机构设计使挖装机集合了挖掘和出渣的功能，挖装机通过前部的反铲工作装置将渣石 扒到集料斗，然后直接通过刮板输送机将渣石输送到后部的装渣车斗中，从而克服现 有挖掘机施工时需旋转的不足，克服了施工空间对机械设备使用的限制。与此同时， 公路隧道、海底隧道的大量修建，斜井、联络通道等小断面、长距离辅助坑道数量也 将增多，因此隧道挖装机在今后也会有较大的发展空间。因此，研究高效率隧道挖装 机对加快隧道的建设具有重要的意义。 1 2 挖装机的 目前，国内外都有生产隧道挖装机的厂商。国外的隧道挖装机以德国和日本的产 品为主，但德国s c h a e f f ( 雪孚) 产品占绝对优势。国内隧道挖装机品牌主要为南昌凯 马、江西蓝翔、贵阳力特。随着隧道挖装机的应用更为广泛，有些小厂也开始生产挖 装机。 1 2 1 挖装机国外发展状况 生产隧道挖装机的国外厂商主要为德国的s c h a e f f ，以i t c 3 1 2 系列为主。其 i t c 3 1 2 h 4 是我国引进最早的德国雪孚产挖装机，中国中铁在1 9 9 5 年引进7 台。此后， 中国铁建也陆续引进隧道挖装机。乌鞘岭隧道斜井施工是3 1 2 挖装机购买的高峰期。 石太等客运专线长大隧道的修建，也促进了施工单位购买和保有3 1 2 挖装机。目前， 中国中铁和中国铁建两大系统保有的3 1 2 挖装机已将近5 0 台，以3 1 2 h 3 为主。中铁隧 道集团引进的2 台最新型3 1 2 s l 超级装载挖装机已于近年投入使用，这也是我国市场 目前仅有的2 台。对于i t c 各型号的挖装机参数如表1 1 所示： 31 2 系列的挖装机具有一下几个特点： 1 双动力装置：柴油机和电动机双动力驱动，在电力不足和隧道开完前使用柴油机， 在隧道中使用电动机，以降低改善隧道空气质量。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 表卜1i t c 31 2 挖装机主要技术参数 型号 i t c3 1 2 h 4 i t c3 1 2 h 3 i t c3 1 2 s l 输送槽能力 2 0 0 5 0 02 5 0 3 0 06 0 0 ( m 3 h ) 长宽高( m m ) l2 9 5 0 2 4 0 0 2 7 5 012 9 5 0 2 4 0 0 x 2 7 5 012 9 5 0 2 7 0 0 3 3 0 0 设备重量( 蚝) 2 7 0 0 02 8 0 0 03 6 0 0 0 发动机型号 f 6 l 9 1 2 w t c d 2 013 l 0 6 2 vt c d 2 013 l 0 6 2 v 输出功率( k w ) 6 31 4 01 6 5 卸载高度( n l m ) 3 5 0 03 5 0 03 5 5 0 电动机功率7 5 ( 3 8 0 v 5 0 )9 0 ( 3 8 0 v 5 0 h z ) 11 0 ( 4 0 0 v 5 0 h z ) ( k w ) 最大工作压力 2 5 。 3 23 5 ( m p a ) 输送槽 双链条，双马达， 双链条，双马达，双链条，双马达， 刮板式板胶式板胶式 输送槽内部宽 7 0 08 0 01 0 0 0 ( m m ) 2 双工作装置：具有效率高的反铲作业，又可以换装其他轧岩机械，以利于开挖隧 道作业。实现一机多用的功能。 3 双行走装置：3 1 2 挖装机可以用履带式亦可以用轨行式行走，以适应不同的作业 环境需要。作业时在开挖面，全机支承在履带式行走装置上，充分利用履带式装置接地 比压力小、附着力大的特点。而在挖装机需要较长距离移行到洞外进行保养、调整、 润滑或维修时为了使履带式行走装置避免磨损，则用液压缸将两轨行式轮对向下顶，将 履带悬空，如图1 1 所示，用轨行式牵引车或电瓶车将它拉出洞外。 图1 - 1 挖装机行走装置 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 而最新型的3 1 2 s l 挖装机与其他3 1 2 类型相比，3 1 2 s l 挖装机发动机和电机功率 均有较大提高，特别是其生产能力提高一倍多。不论是电机驱动还是发动机驱动，其 液压系统均采用各自独立的双柱塞泵和齿轮泵驱动。由于其动力性有较大提高，加之 梭槽内部宽度增加到1 0 0 0 m m ，碴土通过能力更强，输送效率更高。采用板胶式更有效 地防止了卡链，在掌子面有较大涌水情况下，也能够保持较强的输送能力。 对于日本的挖装机产品，上世纪8 0 年代，中国中铁就引进2 台日本k l 2 0 e s 隧 道挖装机，用于9 3 9 2 m 长的南昆铁路米花岭隧道施工，曾经创造了月掘进5 2 0 m 的全 国最高记录。k l - 2 0 e s 是日本引进德国i t c 公司技术生产的设备，为双动力双行走方 式，生产能力1 5 0 m 3 h ，与四臂门架式液压凿岩台车和梭式矿车合实现铁路单线隧道 快速机械化施工。日本生产的装载能力相当于3 1 2 h 4 的k l - 4 1 c n 挖装机曾用于鸟鞘 岭隧道施工。其特点与德国3 1 2 类型类似，不过生产能力较低。对于日本生产的挖装 机数据如表1 2 所示： 表1 2 日系挖装机参数翻 k l 4 1k l 2 0 项目 履带式履带，轨行式 总长 n u n1 1 3 6 99 3 2 8 总宽 n 】m2 6 4 518 8 0 总高m m 3 5 2 02 4 4 4 总重 t2 51 3 电机功率k w 9 04 5 底盘 柴油机功率k w 1 0 2 行走速度 k m h2 1 5 2 71 2 轨距 n u l l9 1 4 能力 n 】n 】3 0 01 5 0 链式 宽度 n 】n 11 0 2 06 2 0 入口静空 n 】m1 0 5 07 0 0 输送机 集料斗宽度 n m2 2 3 6 3 5 5 617 0 0 3 0 0 6 种类b 4 1 - q m 6 4 5 0b 2 1 一q m 4 6 0 0 臂长i m 6 4 9 54 6 2 8 大臂 最大挖深 n u n2 2 1 81 3 8 2 挖斗宽 i m1 0 0 07 5 2 最大挖高 n l m6 8 3 74 7 l7 最大挖掘力 t5 84 5 电源 v h za c 4 0 0 5 0a c 4 0 0 5 0 电缆绞盘在左侧 8 0 s q 1 0 0 m2 0 s q 1 0 0 m 电源 电缆截面 i t i i t l 28 02 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 2 2 挖装机国内发展状况 隧道挖装机的特殊用途收到业界认识的认可后，我国也开始研发生产隧道挖装机。 国产挖装机是从立爪式扒碴机经过学习吸收进口产品的技术特点发展而来的。国产挖 装机的主要特点是单动力驱动，行走和作业均为电机驱动，要么为轨行式，要么为履 带式，生产能力都不高。南昌凯马l w l 2 6 0 挖掘装载机的理论装载能力为2 6 0 m 3 h ， 相当于最早引进的3 1 2 h 4 挖装机。表1 3 是我国几个隧道挖装机品牌的生产型号和技术 参数。 表1 - 3国产挖装机主要技术参数嘲 生产厂家南昌凯马江西蓝翔贵阳离特 i j w l w b 1 型号 l w l 2 6 0w d z l l 6 0w d z l 6 0 l w z l 6 0i 5 0 输送槽能力 1 5 02 6 01 6 01 6 01 6 0 ( m 3 h ) 行走方式轨轮式 履带式履带式轨轮式 履带式 刮板传动方单链、单驱双链、双驱单链、单驱单链、单驱 双驱动、双驱动 式动动 动动 电机功率 4 54 5 + 4 5 + 55 5 + 1 15 5 + o 7 57 8 ( k w ) 卸载高度 2 0 0 03 5 0 02 6 8 52 6 8 5 ( 1 t l i n ) 设备重量 1 2 0 0 02 5 0 0 01 3 0 0 01 1 4 0 01 5 5 0 0 ( 蚝) 从表1 3 数据可以看出，受卸载高度影响，国产挖装机主要适合有轨运输矿车除渣 需要。另据有关消息，国产挖装机在隧道正洞开挖、有轨运输中有一定数量的使用， 但在长大斜井无轨运输中比较少见。但我们也可以看到国内隧道挖装机技术上的进步， 比如：南昌凯马公司研发的l w l 2 6 0 履带式挖掘装载机已具备特点：增强了挖斗的挖 掘力和耐用性；尽量加宽输送槽宽度，达到了8 0 0 m m ；输送链的速度设计成双速；采 用大型风冷液压油冷却装置，使液压油温不超过6 0 c ；防护顶棚采用液压升降，提高 了设备的通过性能。因此，对于我国隧道挖装机的发展前景，我们也不应太过悲观。 另外，受至t j s c h a e 脱装机的启发，铁五局工程机械厂从工厂自身的实际情况出发， 研制成功w z l 2 0 型挖装机，使用效果也很好，至1 9 9 9 年8 月，已批量生产1 7 台在各工地 使用。w z l 2 0 型挖装机装有喷水装置，可减少挖装过程中扬起的粉尘其行走装置为液压 马达驱动，经离合器、齿轮传动、链轮传动驱动前后轮，全轮驱动以提高水平挖装力， 它可在小到断面为3 0 0 0 x 2 8 0 0 m m ( 宽x 高) 的导洞中挖装。全机液压系统既可做成直 接操纵式，亦可按购买者的需求，做成先导操纵式。秦岭特长隧道引进4 台德国s c h a e f f i t c 3 1 2 型挖装机，分置于南北口的二线大导洞，挖装爆破后产生的石碴，使用效果很 好。但购入时每台约7 0 万美元，而贵阳w z l 2 0 型挖装机每台只约3 0 万人民币。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 3 课题的研究目的与意义 虚拟样机技术对复杂机械产品开发有着相当大的益处，其通过模拟仿真的方式实 现机构的各种仿真实验，可以辅助物理样机进行设计验证和测试，有着节省成本，减 少产品开发周期，相同时间内“试验更多的设计方案的优点。本课题尝试在不同软 件环境下，并行集成到挖装机工作装置虚拟样机的实现方法和技术研究的工作中。为 将来隧道挖装机产品开发中虚拟样机技术的利用，提供一个参考。 本课题主要内容有如下几个方面： 1 根据现场测量得到数据绘n - 维图形，利用三维造型软件p r o e 野火4 o 对每个零 件进行三维建模。然后按照装配关系把零件装配成部件，再把部件装配成整体。p r o e 与其他c a e 软件有很好的接口，能很完美的链接进行后续分析。 2 把p r o e 文件导入到m a c a d a m s 中进行动力学仿真。在m s c a d a m s 中，创建 相关运动副，定义载荷及驱动，最终建立一个完整的虚拟样机模型。首先按照油缸的 行程设计剧本，验证其工作范围及特殊工作尺寸。选取其两种基本工况，计算相应载 荷，验证机构稳定性。按照其实际工作方式动作，观察各部件油缸是否能满足工作需 求，保证铰点受力的真实性。并根据各铰点的受力曲线，判断动臂与斗杆受力最恶劣 的工况，提取该时刻载荷。 3 利用有限元分析软件a n s y s 对关键构件动臂与斗杆进行分析，根据虚拟样机得 出的最大载荷进行加载计算，查看两构件的应力应变信息，判断其安全性及结构合理 度。 通过以上的工作，试图用虚拟样机设计运用到挖装机的产品设计中去。体现了虚 拟样机在产品开发中的一些作用。如今隧道挖装机我国基本依赖进口，国产的挖装机 多半停留在仿制阶段，本课题探讨的内容为虚拟样机在工程机械开发上的应用打下基 础，为国产化产品改进设计方法的提供一个思路。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第二章挖装机工作装置的实体建模 2 1p r o e 软件简介 三维实体造型软件的出现在设计领域迈出了革命性的一步，它彻底改变了传统的 设计理念，从设计人员依靠想象力绘制各种视图，到直接绘制三维模型，再由计算机 自动生成的视图，这使设计人员从想象各种视图的困境中解脱出来。而且相对平面模 型而言，实体模型不仅可以提供几何拓扑信息，还可以包含模型的材料，质量，质心 位置和转动惯量等信息，实体模型的优势在于瞄1 ： 1 实体模型可通过投影变换成二维图形，只需稍作修改就可以输出工程图； 2 。实体模型可以直接输出到数控机床或快速成型系统，节省时间； 3 实体模型包含大量的物理信息，为动力学分析和有限元分析等带来便利； 4 采用实体模型可以直观的模拟系统的运动，发现构建间的干涉。 目前比较流行的三维设计软件如s o l i dw o r k s ，u g ，p r o e ，c a t i a 等都具有相当完 善的实体建模技术，根据客观条件，本课题选择选择p r o e 野火4 0 版。 p r o e n g i n e e r 是美国p t c 公司研制的一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一 代产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功 能。 p r o e n g i n e e r 是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包括参数化 功能定义、实体零件及组装造型，三维上色实体或线框造型棚完整工程图产生及不同 视图( 三维造型还可移动，放大或缩小和旋转) 。p r o e n g i n e e r 是一个功能定义系统， 即造型是通过各种不同设计专用功能来实现，其中包括：筋( r i b s ) 、槽( s l o t s ) 、 倒角( c h a m f e r s ) 和抽空( s h e l l s ) 等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是 更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。这系统的参数比功能是采用符号式 的赋予形体尺寸，不象其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意 建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其也相关的特征也会自动 修正。这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。造型不单可以在屏幕上 显示，还可传送到绘图机上或一些支持p o s t s c r i p t 格式的彩色打印机。p r o e n g i n e e r 还 可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这些都是 通过标准数据交换格式来实现的，用户更可以配上p r o e n g i n e e r 软件的其它模块或自行 利用c 语言编程，以增强软件的功能。它在单用户的环境下( 没有任何附加模块) 具有 大部分的设计能力，组装能力( 人工) 和工程制图能力( 不包括a n s i ， i s o ，d i n 或j i s 标准) ，并且支持符合工业标准的绘图仪( h p ，肿g l ) 和黑白及彩色打印机 的二维和三维图形输出。 p r o e n g i n e e r 功能如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 特征驱动( 例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等) ； 2 参数化( 参数= 尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等) ； 3 通过零件的特征值之间，载荷边界条件与特征参数之间( 如表面积等) 的关系 来进行设计； 4 支持大型、复杂组合件的设计( 规则排列的系列组件，交替排列，p r o p r o g r a m 的各种能用零件设计的程序化方法等) ； 5 贯穿所有应用的完全相关性( 任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方 的变动) ，其它辅助模块将进一步提高扩展p r o e n g i n e e r 的基本功能。 p r o e n g i n e e r 是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采 用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，可以随意勾 画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易 和灵活。 2 2 挖装机工作装置的实体模型 2 2 1 挖装机工作装置的主要结构 本课题以i t c 3 1 2 h 4 型隧道挖装机为研究对象。i t c 3 1 2 h 4 型隧道挖装机工作装 置的主体结构如图2 1 所示： 图2 - 1 挖装机工作装置结构图 1 斗杆，2 回转前件，3 回转后件，4 动臂，5 底座，6 动臂油缸，7 接头油缸，8 斗杆回转油 缸，9 斗杆油缸，1 0 铲斗，1 1 弯连杆，1 2 直连杆，1 3 铲斗油缸。 其中，由于视图问题，在底座背面还有一组动臂转动油缸未表现出来。反铲机构 运动的实现是通过液压缸的运动来实现的。当动臂液压缸伸缩时，会控制动臂升降进 而带动整个工作机构的升降运动，而铲斗进行挖土的动作是通过铲斗液压缸来实现的， 接头液压缸的伸缩运动可以控制斗杆及铲斗空间角度，达到工作位置。挖装机工作装 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 置还带有两组转向油缸，通过转向液压缸的伸缩可以实现回转前件的旋转，从而带动 小臂和铲斗运动，而通过动臂转向油缸，可以实现动臂的转向，增加作业范围。其基 本工作参数如表2 1 所示： 表2 1 挖装机工作装置参数 工作参数 最大挖高( m m ) 7 2 0 0 最大挖深( m m ) 1 4 1 0 工作宽度( 1 1 u n ) 7 3 7 9 挖掘半径( m m ) 4 9 4 0 动臂最大转向角( o ) 3 5 斗杆最大转动角( o ) 3 5 2 2 2 挖装机的p r o e 建模 一般来说，在p r o e 软件环境下，机械系统的三维建模应该严格按照设计构思或者 图纸为依据进行，尽量保持三维图形数据的完整和正确性。由于本文将进行挖装机工 作装置的动力学分析和部分构件的有限元分析，因此此次建模原则是：挖装机工作装 置建模严格细化，而对除工作装置的主体部件，如车体，输送带等在建模时尽量简化， 只勾勒出外部形状，而内部细节并未详细绘制。进行三维建模时，先按照已有的二维 图纸建立各个零件的三维模型，然后根据各个部件的装配关系建立子装配，然后进行 总转配。按照这样一个由零件一子装配总装配这样的过程进行下来，会给装配工作带来 便利。 模型的主要尺寸与重量参数有，斗杆全长2 1 m ，宽0 2 2 m ，是用1 2 m m 厚度钢板 焊接的箱体，总重5 2 7 5 公斤。动臂全长2 米，宽0 3 6 m ，用1 2 m m 厚度钢板焊接而成 的箱体，内部有加强隔板，总重5 4 5 5 公斤。回转前件长o 5 3 m ，宽0 4 3 m ，高0 9 7 m ， 总重5 5 7 2 公斤。回转后件长0 8 5 m ，宽o 7 6 m ，高0 6 9 r n ，总重5 5 0 6 公斤。底座长 0 6 2 m ，宽0 6 5 m ，高0 8 6 m ，总重1 1 3 0 9 公斤。铲斗宽o 9 m ，斗容o 3 m 3 ，总重5 0 6 3 公斤。车身高2 5 m ，底盘履带宽2 1 6 m ，长3 1 5 m 。图2 2 到2 8 是完成后的零件模型 图。 登里銮翌銮兰翌圭至茎兰兰垫笙兰墨：墨 瞄! 图2 4 5 回转后件 、 圈2 - 3 动臂 屯 图2 - 5 直连杆 ，、 t1 峙 图2 7 弯连杆 笋彰| 霉萨 亘皇銮翌銮兰翌主里耋兰兰簦堡兰兰! ! 墨 图2 - 8 铲斗 2 22 挖装机工作装置总装图 按照图纸整体装配后如图2 - 9 所示 酗2 - 9 工作装置整体装配刚 23 本章小结 本章综合介绍了三维造型软件p r o e 的综述并介绍了挖装机工作装置的些技术 一- f 一鬻 。纛 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 参数，其次根据测绘数据及装配图纸，使用p r o e 软件建立了隧道挖装机工作装置的完 整三维模型，为后续的分析打下了坚实的基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第三章挖装机的动力学分析 3 1 虚拟样机技术 虚拟样机技术是上世纪8 0 年逐渐兴起、基于计算机技术的一个新概念。从国内外 对虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p i n g ，v p ) 的研究可以看出，虚拟样机技术的概念还处 于发展的阶段，在不同应用领域中存在不同定义。 美国国防部对虚拟样机技术有关概念的建设性意见为哺7 1 ： 1 虚拟样机定义，虚拟样机是建立在计算机上的原型系统或子系统模型，它在一定 程度上具有与物理样机相当的功能真实度。 2 虚拟样机设计，利用虚拟样机代替物理样机来对其候选设计的各种特性进行测试 和评价。 3 虚拟样机设计环境，是模型、仿真和仿真者的一个集合，它主要用于引导产品从 思想到样机的设计，强调子系统的优化与组合，而不是实际的硬件系统。 国内外学者对虚拟样机技术的定义大同小异，下面是几种有代表性的论述： 1 虚拟样机技术是将c a d 建模技术、计算机支持的协同工作( c s c w ) 技术、用户 界面设计、基于知识的推理技术、设计过程管理和文档化技术、虚拟现实技术集成起 来，形成一个基于计算机、桌面化的分布式环境以支持产品设计过程中的并行工程方 法。 2 虚拟样机的概念与集成化产品和加工过程开发( i n t e g r a t e dp r o d u c ta n dp r o c e s s d e v e l o p m e n t ，简称i p p d ) 是分不开的。i p p d 是一个管理过程，这个过程将产品概念开发 到生产支持的所有活动集成在一起，对产品及其制造和支持过程进行优化，以满足性 能和费用目标。i p p d 的核心是虚拟样机，而虚拟样机技术必须依赖i p p d 才能实现。 3 虚拟样机技术就是在建立第一台物理样机之前，设计师利用计算机技术建立机械 系统的数学模型，进行仿真分析并从图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特 性，从而修改并得到最优设计方案的技术。 4 虚拟样机是一种计算机模型，它能够反映实际产品的特性，包括外观、空间关系 以及运动学和动力学特性。借助于这项技术，设计师可以在计算机上建立机械系统模 型，伴之以三维可视化处理，模拟在真实环境下系统的运动和动力特性并根据仿真结 果精简和优化系统。 5 虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式探索虚拟物体功 能，对产品进行几何、功能、制造等许多方面交互的建模与分析。它在c a d 模型的基 础上，把虚拟技术与仿真方法相结合，为产品的研发提供了一个全新的设计方法。 虚拟样机技术是一种基于产品计算机仿真模型的数字化设计方法，这些数字模型 即虚拟样机( v p ) 支持并行工程方法学。虚拟样机技术涉及多体系统运动学与动力学 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 建模理论及其技术实现，是基于先进的建模技术、多领域仿真技术、信息管理技术、 交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合应用技术。虚拟样机技术是在c a x ( 如c a d ，c a m ，c a e 等) d f x ( 如d f a ，d f m 等) 技术基础上的发展，它进一步融合 信息技术、先进制造技术和先进仿真技术，并将这些技术应用于复杂系统的全生命周 期和全系统，以便对系统进行综合管理。从系统层面来分析复杂系统，虚拟样机支持 “由上至下”的复杂系统开发模式。利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计、 测试和评估，可缩短开发周期，降低成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场 需求的能力。 虚拟样机技术在产品设计开发中，将分散的零部件设计和分析技术( 指在某一系 统中零部件的c a d 和f e a 技术) 融合在一起，在计算机上建造出产品的整体模型， 并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改 进产品设计，提高产品性能。在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论 证，然后进行产品设计。在设计完成后，为了验证设计，通常要制造物理样机进行试 验，通过试验发现问题，再回头修改设计和进行样机验证。只有通过周而复始的设计 试验设计过程，产品才能达到所要求的性能。这一过程是较长的，尤其对于结构复杂 的系统，设计周期更加漫长，从而无法适应市场的变化，并且物理样机的制造增加了 产品开发的成本。在大多数情况下，工程师为了保证产品按时投放市场而中断物理样 机试验这一过程，使得产品在上市时便有先天不足的问题。在竞争的市场背景下，基 于物理样机的设计验证规程严重制约了产品质量的提高和成本的降低，以及对市场的 占有率。 虚拟样机技术是从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发，解决传统的 设计与制造过程弊端的高新技术。在该技术中，工程设计人员可以直接利用c a d 系统 所提供的各种零部件的物理信息及其几何信息，在计算机上定义零部件问的约束关系 并对机械系统进行虚拟装配，从而获得机械系统的虚拟样机。使用系统仿真软件在各 种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿 真分析，观测并试验各组成部分的相互运动情况。利用虚拟样机技术可方便地修改设 计缺陷，仿真试验不同的设计方案，对整个系统进行不断改进，直到获得最优设计方 案以后，再制造物理样机。 虚拟样机技术可使产品设计人员在各种虚拟环境中真实模拟产品整体的运动及受 力情况，快速分析多种设计方案，进行对物理样机而言难以进行或根本无法进行的试 验，直到获得系统的最佳设计方案为止。虚拟样机技术的应用贯穿于整个设计过程中， 它可用在概念设计和方案论证中，设计者将自己的经验与想象结合在虚拟样机里，让 想象力和创造力得到充分发挥。用虚拟样机替代物理样机验证设计时，不但可以缩短 开发周期，而且设计效率也得到了提高。 a d a m s 拍1 ，即机械系统动力学自动分析( a u t o m a t i cd y n a m i c a n a l y s i so f m e c h a n i c a l s y s t e m s ) ，该软件是美国m d i 公司( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 开发的虚拟样机分析软件。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 目前，a d a m s 已经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。 a d a m s 软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机 械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立 系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速 度、加速度和反作用力曲线。a d a m s 软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动 范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。 a d a m s 是全球运用最为广泛的机械系统仿真软件，用户可以利用a d a m s 在计 算机上建立和测试虚拟样机，实现事实再现仿真，了解复杂机械系统设计的运动性能。 a d a m s 软件由基本模块，扩展模块，接口模块，专业领域模块及工具箱5 类模块 组成。用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用模 块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。 3 2m s c a d a m s 运动学及动力学分析基础 a d a m s 利用带拉格朗日乘子的第一类拉格朗日方程导出最大数量坐标的微分一 代数方程( d a e ) 。它选取系统内每个刚体质心在惯性参考系中的三个直角坐标和确定刚 体方位的三个欧拉角作为笛卡尔广义坐标，用带乘子的拉格朗日第一类方程处理具有 多余坐标的完整约束系统或非完整约束系统，导出以笛卡尔广义坐标为变量的动力学 方程。 3 2 1 参考标架及坐标系的选择啪3 在计算系统中构件的速度和加速度时，需要指定参考标架，作为该构件速度和加 速度的参考坐标系。在机械系统的运动分析过程中，有两种类型的参考标架：地面参考 标架和构件参考标架。地面参考标架是一个惯性参考系，它固定在一个“绝对静止”的 空间中。通过地面参考标架建立机械系统的“绝对静止”参考体系，属于地面标架上的 任何一点的速度和加速度为零。对于每一个刚性体都有一个与之固定的参考标架，称 为构件参考标架，刚性体的各点相对于该构件参考标架是静止的。 机械系统的坐标系广泛采用直角坐标系，运动学和动力学的所有矢量均可以用3 个单位坐标矢量的分量来表示。坐标系可以固定在一个参考标架上，也可以相对于参 考框架而运动。在机械系统运动分析过程中，经常使用以下3 种坐标系： 1 地面坐标系( g r o u n dc o o r d i n a t es y s t e m ) 。地面坐标系又称为静坐标系，是固定在 地面标架上的坐标系。a d a m s 中，所有构件的位置方向和速度都用地面坐标系表示。 2 局部构件参考坐标系( l o c a lp a r tr e f e r e n c ef r a m e ，l p r f ) 。这个坐标系固定在构 件上并随构件运动，每个构件都有一个局部构件参考坐标系，可以通过确定局部构件 参考坐标系在地面坐标系的位置和方向，来确定一个构件的位置和方向。在a d a m s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 中，局部构件参考坐标系默认于地面坐标系重合。 3 标架坐标系( m a r k e rs y s t e m ) 。标架坐标系又称为标架，是为了简化建模和分析 在构件上设立的辅助坐标系，有两种类型的标架坐标系：固定标架和浮动标架。固定 标架固定在构件上，并随构件运动。可以通过固定标架在局部构件参考系中的位置和 方向，确定固定标架坐标系的位置和方向。固定标架可以用来定义构件的形状质心位 置作用力和反作用力的作用点构件之间的连接位置等。 3 2 2a d a m s 运动学方程幢3 利用a d a m s 建立机械系统仿真模型时，系统中构件与地面或构件与构件之间在 运动副的连接，这些运动副可以用系统广义坐标表示为代数方程，这里仅考虑完整约 束。设表示运动副的约束方程数为1 1 l l ，则用系统广义坐标矢量表示的运动学约束方程 组为： 0 k ( 曰) = 【西。k ( 曰) ，m ；( g ) ，中轰( g ) 】7 = 0 ( 3 1 ) 考虑运动学分析，为使系