一种隧道挖装机挖掘装置的参数化设计研究

隧道挖装机挖掘装置的参数化设计研究第一章 绪论1.1引言1.2隧道挖装机概述1.3隧道挖装机发展概况 1.3.1国外隧道挖装机发展概况 1.3.2国内隧道挖装机发展概况1.4本论文的研究意义与主要内容第二章 隧道挖装机挖掘装置的设计分析2.1隧道挖装机挖掘装置的结构及工作原理 2.1.1隧道挖装机的组成2.1.2挖掘装置的结构及工作原理2.2挖掘装置的工况分析2.3挖掘装置的设计要求2.3.1动臂机构2.3.2连杆机构2.3.3铲斗机构2.4本章小结第三章 隧道挖装机挖掘装置的运动学分析3.1Inventor软件简介 3.1.1 Inventor概述3.1.2 Inventor的设计功能3.2自顶向下设计方法3.3挖掘装置的概念草图建模3.4挖掘装置的运动学仿真及优化3.4.1挖掘装置的运动学仿真3.4.2挖掘装置的铰点位置优化3.5本章小结第四章 隧道挖装机挖掘装置的动力学分析4.1挖掘装置的三维实体建模4.2挖掘装置的挖掘阻力计算4.3挖掘装置的动力学仿真4.4油缸闭锁压力设计4.4整机稳定性的校核4.5本章小结第五章挖掘装置设计的强度分析5.1有限元法概述5.2有限元模型的建立5.3挖掘装置的静力学分析5.4挖掘装置结构的改进及优化5.5本章小结第六章 结论与展望6.1结论6.2展望第一章 绪论1.1引言为加快国民经济发展，我国积极投资基础建设，作为交通命脉之一的铁路近年来进入了大规模建设时期，重点工程由东到西、从南到北全面展开。由于我国南方大多为丘陵或山区地形，因此铁路建设过程中隧道施工难以避免。现阶段，虽然已经将TBM 列为大型隧道施工的重点，但钻爆法仍然是隧道施工的重要技术。实践证明，在钻爆法实施中装碴运输工序是隧洞施工中占用工期最长的工序，对整个工程的进度有直接影响，为了保证施工进度，施工单位在出碴工序都配有较多的机械化出碴设备，对于单线隧道，由于空间小，快速、高效，适合场地狭小空间狭矮作业的隧道挖装机得到了充分的展示。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增多；城市地下空间的开发，浅埋暗挖法的普遍实施，对隧道挖装机这样的设备也有一定的需求。因此，如果能够开发、生产出性能优越，可靠性高的国产隧道挖装机，对降低施工成本，促进施工企业又好又快发展具有非常重要的意义。1.2隧道挖装机概述隧道挖装机又叫扒碴机、挖斗装载机、岩巷掘进机等。常用于铁路、公路、矿业、水利水电等的小断面隧道岩巷的挖掘装运施工。适合在空间狭窄、大型机械难以到位施工的隧道、矿洞、巷道、斜巷斜井、涵洞等进行施工。隧道挖装机集扒、挖、装、运、卸、行走于一体，集成了行走、挖掘、采集、输送、装车、场地平整六种功能。改变了过去隧道施工的半机械化状态，将原有的间断出渣装运并大量人工协同的低速度、高安全风险、高成本状态改为高速、高安全性、低成本的全机械化施工。隧道挖装机按挖掘装载能力分为：小型、中型和大型。隧道挖装机每小时挖装运矿石土料120立方以下属于小型挖装机，每小时挖装运矿石土料300立方以上属于大型挖装机。隧道挖装机按动力系统分为：内燃型、电动型及内燃电动混合动力型。小型隧道挖装机多采用内燃型或电动型，内燃型挖装机机动性好，常用于小型巷道施工，电动型挖装机常用于小型矿井，在瓦斯等环境下采用具有隔爆功能的电机进行驱动。中型和大型隧道挖装机常采用内燃电动混合动力型，适用于各种工作环境。隧道挖装机按走行结构形式分为；轮胎式、履带式、轨道式、履带轨道复合式。小型隧道挖装机多采用轮胎式结构，中型和大型隧道挖装机常采用履带型，为方便地下井巷及隧道施工还专门设计有轨道式隧道挖装机，同时，为了方便大长隧道施工，大型隧道挖装机常加装轨道走行机构。按刮板驱动形式又分为单链、单驱动和双链、双驱动两种形式。中小型隧道挖装机基本采用单链、单驱动形式，大型挖装机一般采用双链、双驱动形式。按爬坡能力分类为普通型和大坡度型。小型隧道挖装机基本属于普通型，中型和大型隧道挖装机由于动力充沛，大部分为适应能力强的大坡度型。1.3隧道挖装机发展概况大型隧道挖装机作为铁路、公路隧道施工的重要设备之一，在隧道施工机械化进程中的地位越来越重要。中小型隧道挖装机在提高市政工程和矿井施工效率中也发挥着自己的积极作用。上世纪80 年代中国中铁开始引进日本隧道挖装机，并用于南昆铁路米花岭隧道的施工，由此开始了隧道挖装机在国内隧道施工中的应用。上世纪90年代，为了提高隧道施工效率，我国利用德国无息贷款大量引进德国夏夫公司生产的隧道挖装机，从此，大型隧道挖装机在我国隧道机械化施工中开始大范围应用。1.3.1国外隧道挖装机发展概况发达国家隧道施工设备总体发展较早，隧道施工机械化程度高，已经形成了一条从开挖到贯通全部机械化施工的工法。隧道挖装机作为隧道施工设备的一个重要门类，技术领先于世界的国家主要有德国、日本、瑞典等。德国较为著名的隧道挖装机机型为Schaeff公司的ITC 312-H4、ITC 312-H3、ITC 312SL等机型，各机型主要技术参数如表1。现阶段国内各施工单位保有量最多的机型为ITC 312-H3，如图1-1,。ITC 312 挖装机主要技术参数型 号ITC 312-H4ITC 312-H3ITC 312SL输送槽能力（m 3/ h）200-250250-300600长宽高（mm ）12950 2400 275012950 2400 275012950 2700 3300设备重量（kg）270002800036000发动机型号F6L912WTCD2013L062VTCD2013L062V输出功率（kW ）63140165卸载高度（mm ）350035003550电机功率（kW ）75(380V/50Hz)90(380V/50Hz)110(400V/50Hz)最大工作压力（bar）250320350输送槽双链条,双马达,刮板式双链条,双马达,板胶式双链条,双马达,胶板式输送槽内部宽（mm ）7008001000表 1 ITC 312 挖装机主要技术参数日本隧道挖装机的代表机型为KEMCO公司生产的KL-20ES和KL-41CN，其中KL-20ES型隧道挖装机曾经是最早引入中国的隧道挖装机机型，KL-41CN的装载能力相当于ITC312H4。瑞典作为欧洲工程机械水平的另一个代表性国家，在隧道施工设备方面也有很高的造诣。其中较为著名的是Atlas copco公司生产的180型双立爪式隧道挖装机，如图1-2，但由于没有反铲式工作装置效率高，在国内施工中使用不多。国外隧道挖装机由于工艺领先、技术先进、可靠性高，在隧道施工中应用十分广泛。 1.3.2国内隧道挖装机发展概况我国隧道挖装机的自主研发起步较晚，并在研发初期将主要精力放在了中小型隧道挖装机上。国产挖装机是从反铲式扒碴机经过学习吸收进口产品的技术特点发展而来的。国内初期研发的隧道挖装机的主要是单动力驱动的小型机，行走和作业均为电机驱动，多为单走行方式，一般为轮轨式和履带式，施工效率都不高，其中主要代表企业有南昌凯马和贵阳力特。其后，隧道施工对机械化要求的提高引起国内对隧道挖装机的需求增加，不少企业开始设计制造中型隧道挖装机，其中比较具代表性的企业有：昆明穿山、山挖重工、山东骏成、青州方圆和青州欧工等公司，为丰富产品应用范围，上述公司还专门开发了适合煤矿中使用的小型矿用挖装机，并以极低的价格弥补了效率和稳定性的不足，在市场上占有一席之地。近两年来，国家开始关注隧道施工机械的国产化开发，2009年铁道部将大型隧道挖装机国产化定为科技计划项目，由石家庄铁道学院攻关研发。于是我国开始研发功能等同于ITC312-H3型的每小时出渣量300m以上的大型隧道挖装机。最终河北冀川实业和江西蓝翔重工分别开发出了WZ330和ZWY-312/110L等机型，填补国内大型隧道施工设备空白，但在现阶段可靠性和稳定性方面相比国外产品还存在一定差距，国内各机型隧道挖装机参数对照如表1-3。表2国产挖装机主要技术参数生产厂家南昌凯马江西蓝翔贵阳力特昆明穿山四川戴克河北冀川型号LW/LWB-150ZWY-312/110LLWZ160LDZ150WZL-100WZ330输送槽能力（m/h）150312160150100330行走方式轨轮式履带式履带式履带式轮胎式履带式刮板传动方式单链、单驱动双链、双驱动双链、双驱动双链、双驱动单链、单驱动双链、双驱动电机功率（kW）45110+2.27845+0.753790卸载高度（mm）200037002700270022003500设备重量（kg）1200023500155009800800032000国产挖装机主要技术参数1.4本论文的研究意义与主要内容随着近年来国内铁路、公路、矿产资源等隧道、巷道施工项目的陆续开展，我国隧道施工机械化程度低，效率低下的特点展露无遗，对隧道、巷道的重要施工设备大型隧道挖装机的需求逐步增大。而国外产品的价格一直居高不下，国内机型虽然有价格优势，但挖掘、装载性能还不能保证满足多样化的施工需求。针对以上情况，我校联合中铁一局建工机械有限公司，在针对施工实际要求的基础上开展了对JGMWZ340大型隧道挖装机的研发，对各项技术难题进行攻关，力求在可靠性和各项功能参数上优于国内外同类产品，真正实现国内产品国际水准。使用计算机辅助设计软件进行产品的虚拟样机开发可以减小研发投如，缩短开发周期，在工程机械行业，大部分企业开始使用PRO/E、Inventor、Soildworks等三维软件对产品进行虚拟开发。然而绝大多数企业在开发过程中采用的是传统的自下而上的零件拼装设计的开发模式，这就不可避免的引起了开发团队中不同设计人员在部件设计完成后，进行产品整机装配的过程中，出现接口尺寸不符，整机性能达不到设计要求等问题。本论文在基于挖掘装置相关设计理论、计算机三维造型、机械运动学、动力学、强度分析理论的基础上，结合Inventor软件自身特点，将参数化设计三维仿真技术应用于JGMWZ340型隧道挖装机挖掘装置的研发上，在挖掘装置设计的不同阶段，具体完成了以下工作：1.在阅读了大量资料的基础上，结合Inventor软件概述了自顶向下设计的特点及应用现状，阐述了建立三维概念骨架模型的基本流程，并分析了它与传统设计方式的区别。2.在建立挖掘装置骨架模型的基础上，对挖掘装置进行运动学模拟仿真，并结合挖掘装置的使用工况和优化理论，对挖掘装置的铰点进行优化设计。3.绘制了挖掘装置的三维实体模型，并将模型导入Inventor的动力仿真模块中，通过对理论挖掘阻力的分析计算，建立挖掘装置动力学分析模型，并对各种工况进行仿真分析。4.模拟作业工况，在应力分析模块中对挖掘装置关键零部件进行有限元分析及优化设计。通过以上工作完成对JGMWZ340型隧道挖装机挖掘装置的设计，使计算机辅助设计软件Inventor的功能得到充分发挥；将项目整体控制和并行工程并用，提高国产工程机械的开发速度，增强了国产产品在国内外市场的竞争力，体现了自顶向下的参数化设计在工程机械开发中的作用，为工程机械的国产化开发提供了一个新的思路。第二章 隧道挖装机挖掘装置的设计分析挖掘装置是隧道挖装机的重要组成部分之一、是隧道挖装机直接用来进行挖掘和扒碴作业的施工工具。根据不同的用途，挖掘装置种类繁多，其中较常用的有反铲装置和立爪装置。反铲装置是大型隧道挖装机的主要工作装置，也是工程施工中运用最广泛的工作装置。本文将结合JGMWZ340型反铲隧道挖装机的挖掘装置进行说明。2.1隧道挖装机的结构及工作原理2.1.1隧道挖装机的组成反铲式隧道挖装机是以一个铲斗进行挖掘、扒渣作业的工程机械，它由挖掘装置、装载装置、司机室、电缆卷筒、机身、底盘、动力系统、液压系统和控制系统组成。如图21所示为JGMWZ340型反铲式隧道挖装机。其挖掘装置采用整体式直动臂结构。这种动臂结构简单、价格低廉，是目前应用最广泛的隧道挖装机挖掘装置结构形式。输送带采用滚子链刮板结构，双链双驱动模式，为方便调整整机长度和出渣高度，输送装置采用拼装结构。考虑隧道施工空间小、光线暗的特点，为方便驾驶员操作采用了简易司机室。设计了电机驱动的电缆卷筒，方便大长隧道施工时的移动取电。为增强设备的整体性，减小接地比压，机身和底盘的连接采用焊接结构及履带行走方式。为增强设备机动性、减小作业污染，动力系统采用了内燃机和电动机的双驱动形式。2.1.2挖掘装置的结构及工作原理直动臂反铲挖掘装置采用连杆机构原理，通过油缸的伸缩来实现各作业工况，其挖掘轨迹取决于油缸的运动及相互配合的情况；主要由动臂、动臂油缸、斗杆、斗杆油缸、铲斗、铲斗油缸、摇杆、连杆、销轴等组成。JGMWZ340隧道挖装机反铲工作装置各运动部件之间全部采用销轴铰接，反铲挖掘装置结构示意图。如图2-2所示。图2-2隧道挖装机反铲工作装置机构模型A点为动臂油缸套与偏转头的铰接点；B点对应动臂液压活塞与动臂的铰接点；C点为动臂与偏转头的铰接点；D点对应动臂与斗杆油缸套的铰接点；E点对应斗杆液压活塞与斗杆的铰接点；F点为动臂与斗杆的铰接点；G点为斗杆与铲斗油缸套的铰接点；M点对应铲斗油缸活塞与连杆的铰接点；K点为铲斗与连杆的铰接点；Q点为斗杆与铲斗的铰接点；N点对应斗杆与摇杆的铰接点； V点对应铲斗齿尖。其中多边形BCDF对应动臂，EFGNQ对应斗杆，三角形KQV对应铲斗，MN对应摇杆，MK对应连杆。动臂油缸用来支撑整个挖掘装置，通过动臂油缸的伸出与缩回可使动臂绕铰点C转动，实现动臂的上升与下降。斗杆铰接于动臂的前端的铰点F，当斗杆油缸伸缩时，斗杆可绕动臂铰点F转动，改变斗杆与动臂的夹角。为增大铲斗转角，将摇杆和连杆与铲斗连接，铲斗可通过铲斗油缸伸缩围绕铰点Q实现转动。2.2挖掘装置的工况分析隧道挖装机挖掘装置的主要工况有：扒渣作业、挖掘作业和场地平整作业。一个扒渣作业循环主要包括以下动作：（1）姿态调整。调整机身位置，偏摆油缸动作，偏转头偏转，将挖掘装置调整到正对物料的工位。（2）扒动物料。动臂油缸伸出将动臂提起，斗杆下摆，将铲斗置于物料前方，铲斗回转到斗齿贴近地面的位置，动臂油缸和斗杆油缸进行复合动作，动臂油缸回缩，斗杆油缸活塞前伸，斗杆回摆，将物料扒进输送装置集料口。（3）空斗返回。扒渣结束，偏转头转动，动臂油缸和斗杆油缸配合，把空斗放到下一个工位，动臂油缸、斗杆油缸同时进行复合动作，将挖掘装置姿态调整到下一工作循环起始状态。隧道挖装机的挖掘作业主要包括：斗杆挖掘和铲斗挖掘，下面具体分析两种挖掘工况。 (1)斗杆挖掘：当仅以斗杆油缸工作进行挖掘时，铲斗的挖掘轨迹为圆弧线，弧线的长度与包角决定于斗杆油缸的行程。当动臂位于最大下倾角，并以斗杆油缸进行挖掘工作时，可以得到最大的挖掘深度尺寸。在进行扒渣作业的过程中，需要斗杆和动臂配合进行反复挖掘动作，故挖装机实际工作中常以斗杆油缸工作进行挖掘，因此在设计中希望挖装机的斗齿最大挖掘力在采用斗杆油缸挖掘时实现。(2)铲斗挖掘。当进行铲斗挖掘时，铲斗挖掘力和挖掘范围与动臂和斗杆的位置无关。其挖掘轨迹只决定于铲斗油缸活塞的伸缩量和铰点Q与斗齿尖V之间的距离。由于作业过程中有时需要破碎物料、清理障碍物，一般需要较大挖掘力。在挖装机的各种工况中，铲斗油缸伸缩都较为频繁。在挖掘装置的实际工作中，为适应实际工况并提高施工效率，常进行复合挖掘动作，此时挖装机的挖掘轨迹是由各油缸单独动作的轨迹复合而成。2.3挖掘装置的设计要求为更好的适应施工需求，保证与国内外同类机型相比时的先进性，针对JGMWZ340型隧道挖装机挖掘装置的设计提出了以下设计要求：（1） 挖掘装置作业范围要求。结合施工需求和土方机械设计国家标准，要求挖掘装置各零部件在不会发生运动干涉的前提下，满足如表 的性能设计要求。 工作参数参数大小最大挖掘高度6400mm最大挖掘深度1400mm最大挖掘半径5650mm动臂最大偏转角55动臂提升力35000N表2- 挖掘范围设计参数表其中，最大挖掘高度为动臂和斗杆处在最高位置，铲斗仰角最大时，斗齿尖V到履带所在地平面的距离，即铲斗齿尖相对于地面所能到达的最高点；最大挖掘深度为动臂处在最低位置，斗齿尖V、铰点Q、铰点F共线且垂直于停机面时，斗齿尖与停机面的距离，即铲斗齿尖相对于地面所能到达的最低点；最大挖掘半径为在挖装机纵向中心平面内斗齿尖V离挖装机偏转头旋转中心的最大距离；动臂最大偏转角为由偏摆油缸伸缩引起的挖掘装置整体围绕偏转头进行回转作业的最大偏摆范围；动臂提升力为在动臂举升的过程中除去工作装置自重所能承受的最小设计负载。 (2)整机挖掘力大小及分布设计要求。挖掘装置设计应满足合理的挖掘力分布特性，不要求在整个作业范围内的任何位置都能实现最大挖掘力，但需要在主要工况下的主要作业区域内可实现最大挖掘力。由于JGMWZ340的挖掘装置没有设计回转支撑结构，因此主要作业区域为停机坪正前方左右偏转55的区域。(3) 经济性评价指标要求。工程机械在进行经济性评价时，一般需要考虑以下指标：能耗指标、作业循环时间、整机重量、维修周期、寿命周期、维修成本和操作舒适性。针对JGMWZ340，为增强市场竞争力，在挖掘装置设计时，要尽量降低消耗在单位土方上的能量，在保证足够挖掘力的基础上减轻结构重量，将工作循环时间减到最小。(4)零部件的通用性和稳定性设计要求。实现零部件的标准化、组件化和通用化，以降低制造成本。尽可能减少零件种类，尤其是易损件的种类；提高隧道挖装机各功能部件的工作可靠性和耐久性，以满足隧道挖装机作业条件恶劣的要求。(5)可靠性设计要求。工作装置应安全可靠，拆装方便，振动和噪声小，易损件更换方便，易保养。(6)特殊工况设计要求。由于隧道、巷道施工的特殊性，在设计中要考虑适当减小各零部件间的装配间隙，保证在隧道、巷道施工中行走的稳定性；同时，为防止隧道顶部落石伤害，对工作装置各工作油缸需增加落物保护装置。(7)整机尺寸要求。隧道挖装机在停放和运输时，挖掘装置都应有合理的姿态，合适的运输尺寸，满足集装箱运输条件。挖掘装置的设计一般要在保证主要设计要求的原则下兼顾其他功能和外观设计要求。2.4本章小结本章介绍了隧道挖装机的结构和工作原理，并对挖装机的扒渣作业和挖掘作业工况进行了分析和介绍，最后提出了JGMWZ340型隧道挖装机挖掘装置的设计要求。66图2-1 履带式反铲隧道挖装机1、铲斗 2、连杆 3、摇杆 4、铲斗油缸 5、斗杆 6、动臂 7、斗杆油缸 8、动臂油缸 9、偏转头 10、偏转油缸11、司机室 12、机身 13、动力系统 14、底盘15、电缆卷筒16、输送装置3.1Inventor软件简介3.1.1 Inventor概述Autodesk Inventor Professional是Autodesk公司出品的基于Microsoft Windows的先进机械设计系统，是一种基于特征的集参数化实体造型技术和自适应技术于一体的三维设计软件。Inventor提供了一套全面的、集成的设计工具，可用于创建完整的数字样机，支持设计者在设计过程中进行各种分析和仿真，以验证设计的外型、结构和功能，保证设计的合理性。 Inventor提供了创新性的自适应技术，以更好的表达设计者的设计意图。使用自适应技术，设计者可通过对设计基准的设定便捷的创建零件关系，同时对部件的装配关系进行管理和编辑。Inventor具有将概念设计和详细设计相结合的协同工作功能，并能够将数据方便地在企业局域网内传输，实现资源共享；同时通过特征造型、参数化驱动技术可动态建立模具标准件库；还可对装配部件进行干涉检查和运动仿真。Inventor在设计过程中具有很好的灵活性，使工作更容易变得规范化和标准化，对缩短设计周期、降低设计成本、加快产品设计的通用化和系列化、提高产品更新换代的速度、适应多变的市场需求提供了更强大的支持。3.1.2 Inventor的设计功能 Inventor作为一种多功能三维仿真设计软件，具有以下主要功能：（1）零件设计Inventor 提供了三种零件设计的方式，第一种是利用设计者的零件草图中的设计尺寸进行拉伸、旋转、扫略等造型方式，第二种是利用自适应功能根据设计基准进行自动造型，第三种是利用特有的iPart技术，通过设置智能零件库，以参数化的方式创建常用零件。 （2）部件设计Inventor提供了两种装配体的设计模式，一种是自底向上的零、部件装配模式，一种是基于概念草图的装配模式，两种模式使用共同的约束方法，并可在装配过程中进行干涉分析和接触检测。同时Inventor还提供了将装配体转化为焊接件及衍生体的功能，方便设计者进行运动仿真及强度分析。（3）钣金设计Inventor提供了便捷的钣金设计功能，可进行板材、折弯方式等各种设置，并可自动对折弯的钣金件进行展开分析，设计者还可在展开模型编辑环境中对展开后的模型进行编辑，以保证工艺设计余量。 （4）布管设计Inventor可以辅助设计各种软管和硬管管路，并能提供多种标准的管材、管件和软管。Inventor还提供了管路干涉检查功能，防止由于设计者三维视角问题引起的设计失误，其中的软管设计功能可自动根据管型进行最小折弯半径约束，并自动计算接头处的舍入增量为硬管铺设和液压布管提供了极大的便利。（5）电缆与线束设计Inventor提供了类似于管路设计的三维电缆和线束设计。能够将电气设计中的电气元件、电缆、线束、排线等集成到数字样机中，协助设计者准确计算路径长度，并确保电气零部件与机械零部件匹配，从而节约大量时间和成本。 （6）资源中心 Inventor自身提供了包含丰富标准件的资源中心。设计者可以方便快捷地访问工程标准件库，简化了企业标准件的创建、管理和重复使用的工作。 （7）运动仿真 Inventor集成了运动仿真模块，在装配环境下可以直接转换成运动仿真模式。软件能够自动分析装配约束，识别相关刚体，并转换成对应的运动连接，同时也提供了手动选择并施加标准运动连接的方式。Inventor的仿真模块中，提供了变化载荷定义、添加弹簧阻尼、轨迹跟踪和输出图示器等功能，可生成仿真过程的三维动画，输出选定点的运动轨迹和设计模型在运动特性周期内位置、力和加速度等参数的变化。 （8）应力分析 Inventor的应力分析模块集成了Stress Analysis有限元分析功能，可用于分析零部件的应力应变，以理论验证所设计零件的刚度和强度符合设计标准。在进行应力分析时，Inventor提供了两种途径，一种是单独对零件定义载荷进行分析，一种是选择运动仿真中某一时刻的运动状态作为载荷条件，执行零件的应力分析。Inventor同时还提供了特征抑制功能，来简化在有限元分析（FEA）过程中的模型结构，从而提高分析效率。 （9）软件接口Inventor 与AutoCad同为Autodesk公司开发的设计软件，两者可以实现无缝对接，无需使用数据转换器，就可以直接复制dwg格式中的二维图型作为创建三维零件模型的草图。Inventor在生成dwg格式二维工程图时还能保持与三维模型的关联性，保证二维尺寸根据三维尺寸的变更进行实时更新。Inventor还预留了方便第三方应用程序使用的程序编程接口支持使用编程语言对软件进行二次开发。3.2自顶向下设计方法简介计算机辅助技术建立在计算机的虚拟几何模型上，各种信息以数据方式储存在三维几何实体中，设计者可以使用虚拟现实技术模拟整个产品的开发过程。但是随着近几年计算机技术的发展，机械设计的理念和过程有了新的变化，各大机械设计软件公司设计开发出了topdown（自顶向下）的设计方法；但大部分公司和设计人员仍然只注重零部件的静态设计，采用bottomup（自下而上）的设计方法，先设计零件，然后将零件组装成部件和产品。自顶向下是一种在上层处理关键信息并把这些数据向较低的产品结构层传递的方法，这不仅保证了各零部件之间的相互关系，使整个设计流程更加清晰，还可以通过控制基础零件实现其他关联零件的更改，从而更高效的对整个设计流程进行管理。Topdown设计方法主要包含三个设计过程：第一步是Concept Design（概念设计），第二步是Detail Design（细部设计），最后一步是Manufacturing Design（生产设计），整个过程由粗到精、由模糊到清晰，完美的将抽象设计和具体设计结合到一起。Inventor采用top-down设计有两种模式，一种是基于概念草图的参数化设计，一种是基于整体实体模型的分解式设计。其中基于概念草图的参数化设计是设计者在概念设计阶段根据产品性能提供的原始参数和技术要求在草图中建立的骨架模型，并在装配环境中，以顶层骨架为基准，创建或引进只有简单的结构关系和基础设计尺寸的非实体骨架模型；然后使用装配环境中的装配约束，将零件约束在部件设计方案中相应的位置上，完成符合设计要求方案设计；最后根据骨架装配模型进行细化的参数化实体设计。基于概念草图的参数化设计适合用于多自由度复杂机械的设计和创造性产品的开发。基于整体模型分解式设计主要用在整体设计完成后的细化设计阶段。首先在产品或部件进行整体的实体化设计，然后通过软件的分割功能将以零件格式存在的部件分解成组成部件的各个零件，在分别对各零件进行细化设计。两种top-down设计模式经常混合使用以提高设计效率，使用top-down设计方法对产品进行设计的流程如图3.1。产品性能要求修正功能设计方案修正功能设计方案建立功能设计方案优化零件模型骨架设计方案建立零件模型骨架设计方案修正装配骨架模型建立装配骨架模型修正零部件的详细设计方案建立零部件的详细 设计方案比较分析设计方案和产品性能要求差异最终设计方案图3.1 产品自顶向下设计流程本课题将使用基于概念草图的topdown设计方法在Inventor中对JGMWZ340型隧道挖装机的挖掘装置进行设计。使用基于概念草图的参数化设计有以下优点：1、便于修正。本设计方法不同于传统的参数化设计，设计人员不仅只需修改尺寸参数，就能通过参数化尺寸驱动完成对设计结果的修改，设计出在几何形状上系列化的产品模型。由于骨架模型中尺寸参数与位置约束的关联性，还可以通过修正装配关系生成不同功能的系列产品。2、便于管理。在运动自由度和装配结构较为复杂的产品设计中，可在概念草图中采用分层设计的方法将结构关系参数化。一般将总装结构作为顶层骨架，控制着整个产品的设计基准、产品外形及装配关系。对上层骨架的更改将被会传递到其下一级的子骨架中。设计者在进行分部设计的时候只需调用概念草图中的部件草图，即部件骨架模型就可以开始对零部件进行细部设计。3、便于仿真。基于概念草图的骨架模型可以和实体模型一样，在运动仿真环境中进行运动学和动力学仿真，帮助设计者体会机构的运动变化，以便根据设计要求对方案进行及时的调整。4、便于组织。装配骨架模型的树形结构可以增强零件在装配中的关联性。这些存在于实际装配中的相互关联和依赖关系可以在总体布局中很好的提取和表现出来，构成顶层基本骨架，为子骨架模型使用。当修改了某一零件的某个参数之后，另外一个以这个零件为参照的零件的参数会自动发生联动变更，可以防止由于设计人员沟通不及时出现接口尺寸错误的情况。5、方便数据共享。有层次参数化概念草图允许信息在不同层次之间共享，如果顶层发生改变，下属任一层级都能够获得这种最新改变的信息，这使设计过程中的并行工程和团队合作成为可能。由于表达总装配关系的顶层骨架在数据结构上的惟一性，各个子团体可以同时分别对不同的子装配和零件进行设计，使一个复杂的装配设计在早期就可以分解成简单的子装配和零件，进而分配给团队中的每个设计者。因此，只需要总设计师在产品设计之初确定了设计意图，不管是创新设计还是改良设计，只要将设计意图草图化。自顶向下的设计方法就可以帮助每个设计者更好地体会设计要求，这无疑将极大限度的提高产品设计效率。3.3挖掘装置的概念草图建模将设计要求和实际工况相结合，参照国内外大型隧道挖装机的挖掘装置，对JGMWZ340挖掘装置初始结构参数设计如表：参数距离（mm）参数距离（mm）CP650AP210CF1980CD355DF1740BC1690BF440EF470EG700FG590FQ1985GN1800FN1740NM525NQ245QK340KM425QV1300KV1375表3-2 挖掘装置初始参数表动臂油缸行程为800mm，活塞全缩尺寸为1250mm；斗杆油缸行程为900mm，活塞全缩尺寸为1300mm；铲斗油缸活塞全缩尺寸为1200mm，行程为800mm。 在进行各零部件的概念草图设计时，需要新建零件，在零件草图环境中对骨架模型进行设计，如果采用草图块的方式，将更大的提高设计效率。在设计过程中尽量采用全尺寸几何约束和全尺寸位置约束的方式对草图和草图块进行约束，以防止由于误操作引起尺寸错误。同时，需尽量采用坐标系中的同一坐标平面为基准进行绘制，在装配模式下引入零部件的过程中将系统将默认在同一平面内表达各个骨架模型。根据以上原则，从简化支撑部分的设计思路出发，本课题采用一根构造线和一个三角形草图块构成偏转头的骨架模型。以三角形斜边上的两点分别代表偏转头上的铰点A和铰点C，竖直直角边代表偏转头的回转中心线，水平的构造线代表挖装机的停机面。 由于连杆结构简单，挖掘装置又是基于二维概念草图的，因此在设计过程中使用双铰点的直杆对结构进行表达。 为简化简单结构的骨架模型，在对摇杆的概念草图进行设计时，本课题在保证运动学仿真过程中铰点运动真实性的基础上暂不考虑连杆与铲斗的运动干涉问题，也采用双铰点直杆对结构进行表达。为便于对动臂和斗杆等复杂机构的实体化设计，在绘制动臂和斗杆的概念草图骨架模型的过程中，不仅对各铰点进行了必要的全尺寸参数化设计，本课题还对动臂和斗杆的外部结构进行了较细致的框架设计，这为后续设计使用并行工程很大的提高了效率，如图为更为形象的表达铲斗机构，在对铰点K、Q和斗齿尖V进行全尺寸约束的同时，也对铲斗机构的外部轮廓进行了规划，如图在对三个油缸进行设计时，由于油缸结构相似，在完成动臂油缸骨架模型的绘制后，本课题通过修改活塞和有缸套的尺寸参数，即完成了斗杆和铲斗油缸的模拟。在完成零件模式下对各部件的概念草图设计后，需要在部件模式下对建立的骨架模型进行装配，组成挖掘装置的概念草图顶层骨架模型。由于在Inventor运动仿真模块中将概念草图模型和三维实体模型均默认为刚体，因此同一个零部件不能做两次及以上的插入约束，所以装配环境下的装配约束和Inventor的运动仿真模块的运动约束有时不能全部按装配约束规则实现转换，在从装配环境切换到仿真环境下对约束关系进行继承时容易出现过约束的情况。本课题针对这种情况，在对骨架模型进行约束时，将有些同轴约束转换为点线约束，这不仅不对运动学和动力学的仿真结果产生影响，还可以防止发生约束冗余的现象。按Inventor的运动学的装配规则在装配环境中对各骨架模型进行装配，除保留铲斗油缸、斗杆油缸和动臂油缸的运动自由度外，对挖掘装置的各部件铰点采用全约束，装配后的挖掘装置概念草图如图所示。3.4挖掘装置的运动学仿真及优化进行运动仿真可模拟挖掘装置运动过程中机构上任意一点的位移、速度和加速度。为了优化初始设计参数，本课题使用运动仿真来模拟挖掘装置的工作范围，验证初始设计参数是否符合设计要求，以便能够及时的修正设计。如果指定了机构各零部件的质量、惯性和外部载荷，运动仿真还可以仿真出挖掘装置运动过程中所需的力和力矩，因此在进行动力学仿真之前进行运动学仿真是必要的。3.4.1挖掘装置的运动学仿真挖掘装置的挖掘轨迹决定于各液压缸的运动及其相互配合运动的情况，其运动形式主要有油缸顺序动作和复合动作两种。令挖掘装置各油缸进行顺序动作可以得到挖掘装置的工作范围。本课题在对概念草图挖掘装置的骨架模型进行运动学仿真前，在铲斗的齿尖V创建了一个轨迹跟踪点，作为铲斗挖掘轨迹及相关运动学参数的测量点，通过对动臂、斗杆、铲斗三组油缸设置不同的驱动函数，来实现工作装置的运动轨迹仿真。为了使模型能真实反映实际运动规律，驱动函数必须精确地描述驱动的的大小和方向。对于挖掘装置这种会产生多自由度复合运动的问题，本课题将挖掘装置整个运动过程分为几个独立的子运动过程。每个子运动过程只有单个自由度，每次只使用驱动函数驱动单个油缸，锁定其余两个油缸的自由度，同时将每个子运动过程的最后运动状态均作为下一个子运动过程的起始状态，对整个运动过程进行控制。将挖掘装置的整个运动过程分为以下10段子运动过程，假设挖掘装置在任一初始位置开始运动，如图：第段（T0- T1）：动臂油缸从全缩状态变化到全伸，斗杆油缸收缩到最短，铲斗液压缸收缩到最短； 第段（T1-T2）：从第段终点开始，动臂油缸保持不变，铲斗油缸保持不变，斗杆油缸从全缩状态开始伸长至铰点F、Q、V在一条直线上； 第段（T2-T3）：以第段的终点开始，斗杆油缸保持不变，铲斗油缸保持不变，动臂油缸收缩至最短； 第段（T3-T4）：从第段终点开始，保持动臂液压缸和斗杆液压缸不变，铲斗液压缸伸出到F、Q、V三点一线时形成； 第段（T4- T5）：保持动臂油缸，铲斗油缸不变，斗杆油缸伸出至最长，形成第段； 第段（T5- T6）：保持动臂油缸，斗杆油缸不变，铲斗油缸开始伸出，伸出到铰点C、Q、V三点一线； 第段（T6- T7）：保持铲斗油缸，斗杆油缸不变，动臂油缸伸出至最长状态； 第段（T7- T8）：保持动臂油缸，斗杆油缸不变，铲斗油缸伸出到最长； 第段（T8- T9）：保持动臂油缸，铲斗油缸不变，斗杆油缸收缩到最短； 第段（T9- T1）：保持动臂油缸，斗杆油缸不变，铲斗油缸收缩到最短形成。在概念草图中进行运动学仿真所绘制的挖掘装置包络图是挖装机在任一工位置，所能达到的最大工作范围。但在隧道挖装机实际进行作业时，包络图中有一部分挖掘区间已经深入到隧道挖装机输送装置集料口的下方，这在实际工作中都是基本不会出现的工况。因此针对以扒渣工况为主要使用工况的隧道挖装机，本课题在设计中主要考虑从T1T4这段轨迹，即要保证最大挖掘深度、最大挖掘高度和最大挖掘半径三个参数。从仿真结果来看，如图，初始设计参数下的挖掘装置工作范围为：最大挖掘高度为6846mm，最大挖掘深度为5280mm，最大挖掘半径为1340mm，不满足挖掘装置的设计要求，需要对铰点进行优化。3.4.2挖掘装置的铰点优化在计算机中进行优化设计是根据最优化条件和优化原理，以人机配合的方式，设计出适合实际工况、满足设计要求的最佳设计方案的一种设计方法，是解决复杂设计问题的有效手段。在优化设计过程中，一般需要建立由设计变量及约束条件组成的包含设计要求和设计意图的约束模型。挖掘装置的设计变量是各机构的尺寸参数，下面分别介绍各机构的约束条件。（1）动臂机构设计1、 为节约结构空间、增大隧道断面工作区域，同时保证结构容易实现，需要将直动臂的仰角控制在45至52之间。2、 由于挖掘装置挖掘半径较小，回转范围有限，自身有输送装置，在设计油缸时不必考虑满斗提升的工况。3、 为保证运动稳定性，动臂油缸的伸缩长度比应在1.45和1.65之间。4、 在动臂油缸伸缩运动的过程中，需保证ABC和 BCF的几何关系成立。（2）斗杆机构设计1、在扒渣作业时，斗杆油缸的伸长起着将物料拉入输送装置的作用，斗杆长度越大，作业范围就越广，但挖掘力将相对减小，为防止扒渣能力不足，斗杆长度FQ和动臂长度CF的比值一般在0.81之间。2、斗杆的摆角要保证在100120之间，在满足工作和运输要求的情况下，尽量减小斗杆的摆角。3、为保证作业范围，EFQ一般取130170，同时在斗杆全缩和全伸的过程中DEF需成立，且保证点E始终在D、F连线的上方。4、为保证斗杆油缸运动的稳定性，斗杆油缸的伸缩长度比也应控制在1.45和1.65之间。（3）铲斗机构设计1、由于隧道挖装机和传统通用式挖掘机的使用范围不同，挖掘装置的铲斗不能直接按标准铲斗进行设计，KQV应在95120之间。2、铲斗机构的挖掘转角应设计为90110，同时为满足隧道挖装机的运输状态总转角要达到140150，同时，在转动范围内需保证斗齿尖V能够出现在铰点F、Q的连线上。3、在进行最高挖掘时，为不使斗杆和斗底先于斗齿接触被挖面，常采取大仰角方式，此时VFQ应在1525之间。4、在整个铲斗挖掘的过程中，铲斗机构需要保证GMK、GMN和四边形MNQK的几何关系保持不变，铰点M点要始终保持在铰点G、K连线的上方。5、为保证斗杆油缸运动的稳定性，铲斗油缸的伸缩长度比也应控制在1.45和1.65之间。由于隧道挖装机挖掘装置的偏摆是由偏摆油缸驱动的，因此在可简化为只考虑动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的运动；同时，为保证优化结果满足设计要求还需结合动臂、斗杆和铲斗对偏转头、斗杆和摇杆进行优化。本文针对上述约束条件对挖掘装置的各参数进行反复优化，优化后的尺寸参数如表：参数距离（mm）参数距离（mm）CP580AP210CF2080CD450DF1765BC1700BF420EF520EG770FG570FQ1930GN1800FN1720NM520NQ240QK340KM420QV1350KV1360表3- 优化后的油缸尺寸参数为：动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸的行程均为为800mm，活塞全缩尺寸均为1350mm。使用优化后的尺寸参数，然后再次对概念草图进行运动仿真，得到的挖掘包络图如图3-；经测量，最大挖掘深度为1402mm，最大挖掘高度为6408mm；最大挖掘半径为5657mm，满足设计要求，因此可根据修正后的尺寸参数进行三维实体建模和动力学仿真。3.5本章小结本章主要介绍了软件Inventor的功能和自顶向下的设计方法。利用初始设计参数建立了挖掘装置概念草图，同时在运动仿真环境中对挖掘装置的工作范围进行了运动学仿真，通过对仿真结果和设计要求的分析比较，发现初始设计参数的不满足设计要求。最后，使用挖掘机工作机构的优化理论对挖掘装置各机构的铰点位置和油缸参数进行了优化，优化后的结果通过了仿真验证，得到了满足设计要求的设计参数。第四章 隧道挖装机挖掘装置的动力学分析4.1挖掘装置的三维实体建模对挖掘装置进行动力学和有限元分析，需要建立包含各机构的质量、材料、转动惯量等物理特征的三维实体模型。实体造型可以精确的表达零件的各种属性，还能直观的表达各零部件之间的装配关系和拓扑结构，可以模拟挖掘装置工作的实际情况；同时，通过实体造型技术，设计者可以方便检验设计中的机械干涉问题并能直接根据三维模型生成二维工程图。近年来，为提高设计效率，减少设计问题的出现，工程机械生产制造之前先进行三维样机的开发已经成为一种趋势。本课题在进行实体建模的过程中，也采用了topdown的设计方法。通过对骨架模型进行旋转、拉伸、布尔运算等实体化操作，在概念草图中对各机构的三维实体进行衍生。在完成对斗杆、动臂等复杂部件的衍生后，使用Inventor中的分割功能，将部件分解成各个零件。 同时，为避免由于零件间的点接触和线接触在有限元分析时引起应力集中、网格划分失败等问题，需要暂不对结构进行焊接坡口的设计，以下为挖掘装置主要部件的三维实体模型，如图。在完成各机构的三维实体绘制后需要在Inventor材料样式库中对机构的材料进行定义，生成密度、泊松比、杨氏模量、屈服强度等主要机械特性参数。在保证结构强度的基础上为减轻机构重量，本课题将挖掘装置的主体结构初始设计为由具有较高屈服强度的Q345钢板焊接构成，轴套采用40Cr为材料，挖掘装置整体结构如图所示。4.2挖掘装置的挖掘阻力计算一般认为，通用挖掘机挖掘装置作业时，铲斗容量小于0.5m的机型采用铲斗挖掘为主，反之以斗杆挖掘为主。由于斗杆挖掘切削土层的厚度比转斗挖掘小，所以斗杆挖掘阻力比转斗挖掘阻力小；同样，由于扒渣作业时挖掘装置受到的主要阻力是物料与地面的摩擦力和斗齿翻扒浅层土壤的阻力，扒渣阻力小于斗杆挖掘力。针对隧道挖装机在扒渣和挖掘作业中的实际工况，结合铲斗油缸和斗杆油缸都是使用较为频繁的工作机构，本节主要对铲斗挖掘阻力和斗杆挖掘阻力进行计算。（1）铲斗挖掘阻力计算铲斗油缸工作时，其挖掘阻力的切向分力可以用以下经验公式计算。W1=CR1-cosmaxcosmax-1.35BAZX+D由于计算出的W1的单位为Kgf，如果要得到以牛顿为单位的力还需要乘以g进行转换。C表示土壤的硬度系数，针对隧道挖装机在隧道和巷道施工中可能遇到的最不利工况，即遇到夹有石块的重质砾岩，重质干粘土，爆破不良的泥灰石的V等级土，取C=10进行计算）；R