装载机工作装置proe运动仿真优化

毕业论文（毕业设计说明书）题目ZL50装载机工作装置设计（2）Z型连杆机构动臂结构院系别机电及自动化学院专业车辆工程级别2005学号0511112012姓名葛永斌指导老师余龙廖水容华侨大学教务处2009年5月华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计论文葛永斌I摘要装载机是一种机动灵活的工程机械，被广泛应用于各大厂矿以及工程施工场所。采用装载机能够提高效率，避免人力和物力的浪费。装载机工作装置是装载机上直接实现铲料、装料和卸料的机构。因此工作装置的合理性直接影响着装载机整机的生产效率、工作负荷、发动机功率等。由于受到设计手段和设计方法等诸多实际因素的限制，传统设计方法很难一次性的完善装载机工作装置总体设计。本文应用虚拟样机技术及PRO/EGINEER以下简称PRO/E的TOPDOWNDESIGN（自顶向下设计）、BMX行为建模）的设计理念，实现了ZL50装载机工作装置（Z型连杆机构）一次性设计成功。并综合传统设计理论和现代设计方法，根据轮式装载机工作装置的工作理论，了解工作装置的运动规律，对工作装置运动过程中的平移性、自动放平性、卸料角、传动角进行运动分析分析工作装置受力情况，对工作装置工作过程中铲斗、连杆、摇臂、动臂的受力情况进行了计算分析,并确定了其基本参数。在进行工作装置系统的运动学分析过程中，利用PRO/E软件的行为建模模块建立了ZL50装载机工作装置的优化数学模型，对工作装置的运动过程进行了动态仿真。自动得到传动角、自动放平性、倍力系数等主要指标性能，并对铲斗的传动角、自动放平性、倍力系数进行仿真优化分析，得到工作装置连杆系统的最终参数。运用PRO/E的自顶向下设计方法，绘制了各个部件的三维图，并实现了工作装置的虚拟样机模型的自动装配。进行了样机模型的运动仿真，并进行了三维可视化的干涉检查。运用PRO/E的有限元分析模块，对装载机工作装置主要零部件进行了有限元分析及相应的结构优化。本文为装载机工作装置设计提供了一种高效、可行、直观的设计方案，所得结论不仅对工作装置物理样机的试制和性能评定具有重要的指导意义，而且对其它类型工作装置的设计、改进设计和创新设计有一定的参考价值。关键词工作装置；仿真；优化；行为建模；自顶向下设计华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计论文葛永斌IIABSTRACTLOADERISAKINDOFENGINEERINGMACHINEWITHTHEFEATURESOFSIMPLEANDCONVENIENTMANEUVERABILITYITISWIDELYAPPLIEDTOTHEDIGGINGSANDCONSTRUCTIONPLACETHEAPPLICATIONOFLOADERWILLIMPROVETHEWORKEFFICIENCYANDAVOIDTHEWASTEOFMANPOWERANDMATERIALRESOURCESLOADERSWORKINGDEVICEISAMECHANISMOFTHEREALIZATIONOFDIREETLYSHOVELING,LOADINGANDUNLOADINGFORTHELOADERTHEREFORE，THERATIONALITYOFWORKINGDEVICEDIRECTLYAFFECTSMANYASPECTSOFTHELOADER,SUCHASPRODUCTIONEFFICIENCY、WORKLOAD、DENGINEPOWER,ECTDUETOMANYLIMITATIONSINREALITYSUCHASDESIGNMETHODSANDMEANS，ITISDIFFICULTTOACCOMPLISHTHEGENERALDESIGNOFTHELOADERSWORKINGDEVICEONCEFORALLBYTRADITIONALDESIGNMETHODINTHISPAPER,USINGTHETHECONOLEGEOFVIRTUALPROTOTYPEANDTHEDESIGNCONCEPTOFTOPDOWN0B铲斗内侧宽度M；G铲斗斗底长度系数，通常G1415，Z后斗壁长度系数，通常Z1112，K挡板高度系数，通常K012014；R斗底和后斗壁直线间的圆弧半径系数，通常R035040；1R挡板与后斗壁问的夹角，通常1R510；0R斗底和后斗壁间的夹角，通常0R4852，有推荐5565将数据带入计算得123011500RMM取12000RMM。斗底长度LG是指由铲斗切削刃到斗底与后斗壁交点的距离005141RRLGG710MM后斗壁长度ZL是指后斗壁上缘到与底相交点的距离002111RRLZZ1350MM挡板高度00140120RRLKK130MM铲斗圆弧半径001400350RRRR440MM铲斗与动臂铰销距斗底的高度0120060RHW125MM铲斗侧壁切削刃相对于斗底的倾角60500A。在选择1时，挡板的夹角为90。图25铲斗基本参数FIGURE25THEBASICPARAMETERSOFTHEBUCKET华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计论文葛永斌10斗容的计算铲斗的斗容量可以根据铲斗的几何尺寸确定。斗容分为几何斗容平装斗容，如图26B；额定斗容堆装斗容，如图26C。A铲斗横截面B几何斗容C额定斗容D铲斗很断面积计算图图26斗容计算FIGURE26BUCKETCAPACITY铲斗堆装的额定斗容是指斗内堆装物料的四边坡度均为12，此时额定斗容可按下式确定。对于装有挡板的铲斗68202CABBBVVKHM32连杆机构尺寸参数的设计轮式装载机连杆机构的设计任务是确定各连杆的尺寸和相互的位置关系，以满足设计任务中所规定的使用性能及技术经济指标。由于连杆尺寸以及销轴位置的相互影响，连杆机构可变性很大，同时又要受结构的限制，可变参数甚多，因而无法单纯采用理论计算的方法来确定，目前，大多采用图解法并配合类比法加以确定。机构分析3反转六杆工作机构简图（如图27所示）。它由转斗机构和动臂举升机构两部分组成。转斗机构由转斗油缸CD、摇臂CBE、连杆FE、铲斗GF、动臂GBA和机架AD六个构架组成。实际上，它是由两个反转四杆机构GFEB和BCDA（即图中GF2E2B和BC2DA）所串联而成。当举升动臂时，若假定动臂为固定杆，则可把机架AD视为输入杆，把铲斗GF看成输出杆，由于AD和GF转向相反，所以把此机构称为反转六连杆机构。根据机械原理可知。连杆机构在整个工作过程中必须保证工作机构正常工作，不得出现“死点”、“自锁”和“机构撕裂”等机构运动被破坏的现象。为保证机构的传动效率，本设华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计论文葛永斌11图28确定动臂铰点位置及长度FIGURE28DETERMINETHEARMLENGTHANDPOSITIONOFHINGE计要求所有传动角必须在15165范围内。插入工况；铲装工况；最高位置工况；高位卸载工况；低位卸载工况图27反转六杆机构简图FIGURE27REVERSESIXBAR铰接点的确定把已经设计好的铲斗横截面图按比例画在XYO坐标里，斗尖对准坐标原点，斗前壁与X轴呈前35度倾角。此为工况I，即铲斗插入料堆时的位置。在此基础上选择下列各点动臂与铲斗铰接点G工况I时的G点，由于其X坐标值越小，铲斗的铲取力就越大。所以G点的选取尽可能小，而Y的坐标值也尽可能的小，由于受整机离地间隙和斗底的限制，一般根据坐标图上工况I时的铲斗实际状况，Y轴值一般取250350MM，X轴值取尽可能不与斗底干涉的位置，从而把G点确定下来。动臂与前车架的铰点A点如图28所示，根据几何关系可知，A点在G3、G连线的垂直平分线上。动臂与车架铰点高度HA通常取1525R0。华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计论文葛永斌12R0为铲斗回转半径。动臂回转角通常取为8090。初始设计时，计算得HA1930MM85。根据几何关系得到，动臂长度20MAX20MINSINCOSRHHRLLLABD2870MM铰点B、C、E、F的确定见图29，由于本设计采用长摇臂短拉杆的结构，故根据统计的经验，设计时初步取LB0607LD；S011018LD；E022024LD；C025032LD。完成上述构件尺寸选择后，就可用图29的作图法来确定连杆EF的长度B、转斗油缸与车架的铰点位置D及其行程。初步取LE1900MM，M470MM，C800MM，E680MM。LB、S分别为摇臂与动臂的铰点B到A的和AG连线的距离，C、E摇臂长短臂的长度。图29确定连杆机构的图解法FIGURE29DETERMINETHELINKAGEMECHANISM在完成上述构件的选取后，用几何作图法来确定转斗油缸与车架铰接点D的位置。（如图29）根据选定参数，选好做图比例，画出铲斗位于地面后倾角为45度时的位置A1G1，再根据已选定的连杆、摇臂，画出其相应的位置E1F1及C1B1E1，由此得出该位置时摇臂与转斗油缸的铰接点C1。保持后倾铲斗的平移性，提升铲斗到不同的高度，依次画出相应的连杆机构位置，得华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计论文葛永斌13出相对应的摇臂与转斗油缸的铰接点位置CI,连接CI各点得曲线N0。过C1点作曲线N0的外包圆弧线N，则圆弧线N的圆心D即为所求的转斗油缸与车架的铰接点。点I、J的选择一般动臂动臂油缸都布置在前桥与前后车架的铰接点之间的空间里，动臂油缸的布置有两种方式，如图210所示，实践证明，卧式油缸能得到更好的提升力特性曲线。本设计也采用这种形式的油缸布置方式。对于卧式J点一般选在AG连线中点附近的上方或者下方。I点的选择一方面要考虑到举升力跟地面掘起力，另一方面还受到油缸行程的限制。A立式油缸B卧式油缸图210动臂油缸两铰接点设计FIGURE210TWOHINGEDARMOILCYLINDER最终确定的原始尺寸参数如图211所示图211初步确定的尺寸参数FIGURE211PRELIMINARYDETERMINATIONOFTHEPARAMETERS华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计论文葛永斌1424本章小结在本章中，给定了ZL50装载机的总体参数及设计任务书上要求的技术指标。介绍了装载机的五个工况，确定了机构设计中要满足的约束条件边界约束和性能约束，在此基础上根据经验公式和图解法进行各个铰点位置的选择确定，获得了下一步参数化所必须的原始尺寸参数。华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计论文葛永斌15第三章基于PRO/E的工作装置连杆系统的参数化设计及优化31参数化概念及PRO/E简介参数化设计4PARAMETRICDESIGN是以规则或代数方程的形式定义尺寸间的约束关系，建立相应的推理和求解驱动机制，把实体模型和曲面模型归于统一的系统，并力图构建统一的模型数据库，以使几何造型、零件部件装配、工艺规划和加工编程实现自动化或部分自动化。在参数化系统出现之前，CAD系统所产生的都是只包含单纯的几何信息，不包含实体间的相互关系的“纯粹”的图形。在绘图时，要求使用者在绘图前就要知道图形的精确的几何形状。使用此类CAD系统绘图必须非常小心，哪怕微小的改动都要重新构造图形。例如一个汽车的装配图，若其中的一个尺寸发生了变化，可能就要更改整张装配图。而将CAD技术和参数化技术相结合的系统则为使用者提供了大得多的灵活性。它可大大提高模型生成和修改的速度，在产品的系列化、相似设计及专用CAD系统开发等方面具有较大应用价值。PRO/E系统是由美国参数技术公司PARAMETRIETEEHNOLOGCORPORATION开发出来的，是当今世界著名的三维CAD/CAM/CAECAD一计算机辅助设计，CAM一计算机辅助制造，CAE一计算机功能仿真系统软件，广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽车、自行车、航天、家电、玩具等各行业，集合了零件设计、产品组合、模具开发、数控加工、饭金件设计、铸造件设计、造型设计、逆向工程、自动测量、机械仿真、应力分析、产品数据库等功能于一体。它是目前专业设计人员使用最为广泛的三维CAD工具。PRO/E的建模原理是将基于特征的造型技术与参数化技术有机地结合起来，实现对多种设计方式自顶向下或自底而上等和设计形式初始设计、相似设计和变异设计等的支持。PRO/E的参数化特征不仅仅是基于尺寸上的特征，也可以是基于用户定义的任何变量的特征，如本设计中的铲斗的斗容、动臂的应力等，PRO/E中进行敏感度分析的约束等都是以特征的形式定义的。在PRO/E中利用这种参数化技术可以便捷的进行模型的灵明度分析和优化设计，具体地说，灵明度分析就是求出当模型中的某个参数（如动臂的长度AG）在一定的范围内变化时，对某个目标（如倍力系数）的影响情况。而优化设计则是当模型的一个或多个参数在一定范围内变化时，求解出满足用户设定的约束条件（如传动角，卸载高度等）下的设计目标如倍力系数、自动放平等的最佳化参数或几何形状。32工作装置参数化设计的意义目前，装载机工作装置的设计大多采用图解法并配合类比法或者程序优化法加以确定。图解并配合类比法是有一定的局限性的，往往要经过反复的修改，试凑才能得到基本满足要求的机构，但是这样得到的机构尺寸参数往往不是最优解。而且，设计出来的产品华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计论文葛永斌16由于不具备参数化的性质，在更改机型时，以往的数据往往无法再次使用，需要重新设计。而程序优化法由于工作装置涉及的变量、约束、优化目标都很多，编程的工作量大，程序复杂，而且没有可视性或者可视性有限。而利用PRO/E的参数化功能并结合其灵敏度和优化分析模块，一方面，由于参数化的特性实现了机型的随时可更改性；另一方面，运用灵敏度和优化分析只需编写几个简单的约束关系式便可迅速得到各个参数对目标的影响程度，并快速得到优化的结果。33工作装置连杆系统参数化设计的实现331铲斗的参数化设计根据第二章232节计算的结果，在PRO/E中新建零件模型CHAN_DOUPRT以FRONT面为草绘面，铲斗外形图，如图31所示图中点F_1、G_1由连杆系统复制而来。A铲斗断面外形尺寸B堆装斗容截面图31铲斗断面外形FIGURE31THESECTIONOFBUCKET用PRO/E自带的区域测量功能，可以自动得到堆装斗容截面积S877132MM2，由第二章232节可知铲斗全宽3000MM，除去两边的板厚各50MM，在PRO/E中建立关系特征VAREAFID_AREA_JIEMIAN（3000502）（式中AREAFID_AREA_JIEMIAN表示铲斗堆装截面面积），软件可自动计算得V2531402E09MM3253M3。满足设计任务书给定的V25MM3。332连杆机构的参数化设计在PRO/E中新建组件模型ZL50_WORKING_DEVICEASM，再新建立整个工作装置的运动骨架模型ZL50_WORKING_DEVICE_SKELASM。以FRONT为平面绘制工作装置简图及卸载高度和距离，并根据第二章232节图211初步确定的尺寸，绘制机构简图。系统会自动给各个尺寸参数赋予对应的参数名D，如图32B所示。华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计论文葛永斌17A工作装置结构简图尺寸参数B机构尺寸参数对应的参数名图32机构简图FIGURE32SCHEMATICDIAGRAMOFMECHANISM在运动骨架模型ZL50_WORKING_DEVICE_SKELASM中分别新建骨架零件模型CHAN_DOU_SKELPRT铲斗，其中铲斗外形由模型CHAN_DOUPRT复制。DONG_BI_SKELPRT（动臂）、YAO_BI_SKELPRT（摇臂）、LA_GAN_SKELPRT（拉杆）ZHUAN_YOUGANG_MAX_SKELPRT（转斗油缸大端）、ZHUAN_YOUGANG_MIN_SKELPRT（转斗油缸活塞杆）、JU_YOUGAN_MAX_SKELPRT（动臂油缸大端）、JU_YOUGAN_MIN_SKELPRT（动臂油缸活塞杆），再分别应用PRO/E的共享数据功能，从运动骨架模型ZL50_WORKING_DEVICE_SKELASM中分别复制出相应表示机构的线段及端点的基准点（如DONG_BI_SKELPRT（动臂）就复制线段AG），并且在得到的各个零件的骨架模型中以各线段的端点做垂直与FRONT平面的轴线，作为机构的铰销回转轴线。将得到的骨架零件的模型以机构运动副的形式组装起来（两动臂梁中间面的距离为1100MM），最终的结果如图33所示。图33组装完成的工作装置连杆机构简图FIGURE33PACKAGEDLINKAGEMECHANISM华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计论文葛永斌18333连杆机构骨架模型的运动仿真及约束变量的获取工作装置装配完成后进入PRO/E中的运动仿真模块。定义驱动器和仿真运动参数，从而建立工作装置的运动模型。为了能够使模型能真实地反映实际结构的运动规律。必须确定装载机的运动规律。根据装载机工作装置的工作情况。在PRO/MECHANISM中定义好各时段运动副的运动方程。装载机工作装置是通过各油缸的闭锁、伸长、收缩来实现运动的。4个连续模拟运动铲斗铲掘后翻斗过程（转斗油缸伸长，动臂油缸闭锁）；动臂举升过程（动臂油缸伸长，转斗油缸闭锁）；铲斗卸料过程（转斗油缸收缩，动臂油缸闭锁）；动臂下降铲刀自动放平过程（动臂油缸收缩，转斗油缸闭锁）。但是，此时还处于初始设计阶段。两种油缸并未最终确定，而且随着模型参数的修改，油缸行程也要做相应的变化，故而，应先在能是机构满足设计要求的各个控制铰点上定义机构的运动参数。通过前面的分析，这里选择动臂与前车架的铰接点A，和动臂与铲斗的铰接点G来定义运动参数来分别保证卸载高度、距离和铲斗后翻角。最终定义的参数如图34所示。图34机构运动参数FIGURE34MOTIONPARAMETERSOFTHEMECHANISM运行运动分析，可以得到工作装置骨架模型的动画，见附录3。启动“测量“命令，分别测量整个装置工作过程各个传动角，如图35所示，铲斗后翻角等设计要求的变量，为后续优化做准备。由图可知传动角的夹角最大值过大，需要进一步优化。图35优化前EFG、BEF的变化FIGURE35THECHANGEOFTHEEFG、BEFBEFORETHEOPTIMIZATION华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计论文葛永斌19特别地，为使装载机工作装置能适应在地面稍下位置的工作，故工作装置应以此位置为最低点，一般取动臂与铲斗铰点距地面位置小于100MM处，本设计取为90MM，称此位置为最低位置。所有运动约束条件在此位置也应满足。34基于PRO/E行为建模技术的工作装置连杆系统的优化341行为建模技术简介二十世纪八十年代，出现了2DCAD系统，并很快被人们接受。随后，又出现了3DCAD线框系统，基本上取代了2DCAD系统，再后来，实体建模又基本上取代了3DCAD线框系统。虽然，在机械设计中这些产品都非常先进，但是它们并没有对设计过程的本质做过任何改进。无论设计是在绘图桌上，还是在计算机显示屏上实现的，其过程本质上都是把工程师的想法描绘出来。但时至今日，制造商还是设法通过首先把与其它产品不同的创新产品推向市场，来击败其竞争对手，这样他们对设计人员的需求就会不断提高。另外，客户要求厂家能够专门针对其独特需求，来定制产品设计，因此要求设计具有很大的灵活性，并且能够接受多次修改。显而易见，设计师需要一些可以把他们的设计水平提高到一个新的层次的工具，从而改进过程本身。行为建模技术不仅仅是表达工程师设计概念的绘图板，而且还能让系统根据从设计师和工程师那里收集的信息以及他们为特殊设计所确定的目标，来自动建立设计。因为可以根据所有基本行为数据来确定模型，所以工程师可以从完成理想性能设计所必需的、重复的、时间密集型工作中解脱出来。这样，他们就能够把更多的注意力集中在难题上，从而更好地发挥他们的创造才能。行为建模包括5定义行为特征。这些特征可以用于推动设计本身的进展。例如，捕获想得到的重量或体积的行为特征，可以用于设计剪草机油箱的大小。评估模型的可行性、灵敏性或优化程度，并理解更改设计目标所带来的效果。行为建模技术能让工程师通过设计研究来评估设计的行为，设计研究可以提供对更改如何影响模型的深入了解。另外，它还可以确定想要进行的更改是否可行。通过实时设计更新和易读的图形结果其中包括图表和彩色框图可以传递这一数据。另外，工程师还可以研究通过交互式拖曳和用户定义的运动来制作部件动画的动态效果。而且，获取离散测量的行为特征可以用于优化设计。这样建立的设计更多地考虑了环境因素。342工作装置连杆系统的优化1确定优化目标倍力系数K是评价工作装置连杆机构力传递性能优劣的重要参数，它的大小由系统的输出力与输入力的比值来确定，如图36所示。本设计取转斗机构倍力系数的最大化为目标。华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计论文葛永斌20图36转斗机构倍力系数分析FIGURE36THEANALYSISOFTHEFORCESRATIO因为铲斗插入料堆后开始转斗铲取时的阻力最大，所需转斗油缸输出力一般也最大，所以采用此时转斗机构的倍力系数作为分析问题的依据。转斗机构倍力系数3412LLLLFFKCSHZB式中SHF，CF分别为转斗机构输出力（最大掘起力）和输入力（转斗油缸输出力）；1L4L分别为工况时G点到SHF作用线距离斗刃100MM处和FE杆，以及B点到FE杆和CF作用线的距离。在PRO/E中建立测量特征G_PT、G_FE、B_FE、B_CD来分别表示1L、2L、3L、4L。建立的操作窗口如图37所示。图37特征B_CD的确定FIGURE37DETERMINEOFFEATURESB_CD华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计论文葛永斌212确定设计变量对工作装置的机构来说，各个杆件的尺寸参数决定其运动的优劣。所以优化设计的变量即为图32所示的各个杆件的尺寸参数。各变量的范围为各原始尺寸的数值10。3确定约束条件根据第二章232节对工作装置的设计要求，将其转化为本机构的不等式约束。由于PRO/E采用的是基于特征的建模方法，故，在PRO/E中将各个约束创建为相应的特征。各个铰点的字母符号如图38所示。图38各个位置的机构简图FIGURE38SCHEMATICDIAGRAMOFMECHANISMOFEACHLOCATION传动角约束。15EFG、BEF165最大卸载高度和最小卸载距离约束HMAX2900MM；LMIN1100MM最高卸载角约束。建立的约束为特征标识ANGLEXIE_ZAI45。最低位置铲斗后翻，摇臂不与车桥、铲斗干涉，铲斗不与前轮干涉的约束。根据地面位置的机构简图，绘制出最低位后翻到45时工作装置的姿态，测量E点到桥壳的距离，并建立特征标识DISTANCE0E0测量摇臂到铲斗的距离并建立特征标识DISTANCEYAO_BI_CHAN_DOU测量前轮到铲斗的距离并建立特征标识DISTANCEQIAN_LUN_CHAN_DOU。华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计论文葛永斌22地面位置E点有一定的高度要求，建立特征标识DISTANCEE_TOP（TOP面为本系统里的地平面）。D点（转斗油缸与车架铰点）位置的约束，建立特征标识DISTANCEAD。自动放平约束，如图57点D_1为C0、C3垂直平分线和C2、C4垂直平分线的交点，当D与D_1接近到一定的范围时，机构便可实现自动放平。建立特征标识DISTANCED_D_1。油缸制造长度约束，建立特征标识L油缸长度限制。（L2LMINLMAX）各个位置的铲斗后翻角与举升稳定性本设计定为举升过程变化为15最低位置后翻角45，最高位置60约束，建立特征标识ANGLE后翻角。以上各变量的约束条件（建立好后）及其取值范围在PRO/E中通过“分析“可行性/优化”点击“添加”选择得到，如图39所示。图39优化目标、部分设计约束及设计变量FIGURE39OPTIMIZINGTARGETS、PARTDESIGNCONSTRAINTSANDDESIGNVARIABLES4优化分析67敏感度分析8所谓敏感度分析，是事先对某些可能变化的因素及其对决策目标优劣性影响程度的反复分析，以揭示决策方案优劣性如何随其变化而变化。利用PRO/E行为建模里的敏感度分析可得到各个尺寸对各个约束量或者优化目标的灵敏度曲线，篇幅所限，在此给出动臂长度尺寸D5ZL50_GU_JIA28502950原始值2870、华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计论文葛永斌23摇臂折角尺寸D9ZL50_GU_JIA130175原始值170，对优化目标“KZB倍力系数”的灵敏度曲线，如图310A、B所示。研究各个尺寸对优化目标的灵敏度能迅速找到对变量影响最大的尺寸即设计过程的控制性尺寸，对迅速得到可行性的方案、最优化的设计有重要意义。A）D5的敏感度分析BD9的敏感度分析图310灵敏度曲线FIGURE310SENSITIVITYCURVE优化结果分析910选定目标函数、设计约束及设计变量后，点击“计算”PRO/E便会自动进行优化设计。当系统提示“此部件优化成功”后，点击图39的“”PRO/E便会自动将各零件尺寸替换成优化后的尺寸，而无需再次进行建模。最终优化后各尺寸及相关参量的仿真结果如图311所示。为了更好的体现优化效果，在表31中列出各个控制量优化前后的对比。A优化后角EFG、BEF的变化曲线华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计论文葛永斌24B优化后的尺寸C优化后任意位置后翻角曲线D优化后倍力系数曲线图311优化后的尺寸及分析结果。FIGURE311THEOPTIMIZEDDIMENSIONSANDANALYSISRESULTS表31优化见后控制量的对比TABLE31AFTEROPTIMIZINGSAWTHEAMOUNTOFCONTROLEFGMINEFGMAXBEFMINBEFMAX最大卸载高度MM最小卸载距离MM最高位卸载角自动放平角倍力系数优化前1716544175290011004512038优化后151634651653085144245610473可见优化后在保证传动角、自动放平、及举升稳定性满足约束条件的前提下，卸载高度、卸载距离及倍力系数都得到了提高。华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计论文葛永斌2535本章小结本章中，以初步确定了连杆系统的尺寸参数为原始参数，在PRO/E中建立了连杆系统骨架的参数化模型。将各个骨架零件以运动副连接、设置运动参数进行运动仿真，获取仿真结果，用以评价原始参数的优劣。使用PRO/E行为建模技术，以倍力系数为目标建立连杆系统的优化模型，对不满足设计要求的相关尺寸参数进行优化，最后将优化后的结果与原始参数取得的结果进行对比分析，结果显示多项指标都优于原始参数，证明优化结果可行。采用编程的传统方法来进行工作装置优化的方法，需要对各个杆件的运动情况做大量的数学分析，解析式复杂、变量多、计算机运行时间长；而PRO/E行为建模技术采用交互式的参数化的软件环境，使工作装置的优化操作简单，且能较快得到结果。华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计论文葛永斌26图41工作装置强度计算位置FIGURE41THECALCULATEDPOSITIONOFWORKDEVICESTRENGTH第四章工作装置的结构设计41工作装置静力学计算411装载机总体受力分析装载机作业条件复杂，作业场地多变，而且即使在同样的作业条件下，由于工作位置及作业工况不同，工作装置受力情况也不一样。因此，进行工作装置强度计算时，必须确定其受力最大的计算位置；选取工作装置受力最大的典型工况，来对工作装置进行分析。分析装载机作业过程看出，行走系和承载构件受力最大有下列四种工况3；1）满载运行工况2）铲斗插入料堆的牵引工况3）后轮离开地面时的牵引工况4）前轮离开地面时的牵引工况分析装载机铲掘、运输、提升及卸载等作业过程，发现装载机在水平面上铲掘物料时，工作装置受力最大，因此对工作装置进行受力分析，我们取装载机在水平面上作业，铲斗斗底与地面的夹角为35铲掘时，如图41所示，作为计算位置。装载机作业过程中，在铲斗插入物料、铲取物料和举升铲斗过程中，铲斗要克服切削物料的阻力、铲斗间的摩擦力和物料自身的重力。这些力构成了装载机工作装置的作业阻力。为了分析问题方便，我们假设外载荷作用在斗刃口向内100MM（美国SAE标准为4IN）并形成两个集中力水平插入阻力和垂直掘起阻力。412工作装置静力学分析1外载荷的确定原则由于作业产地、作业条件及作业对象的不同，装载机在实际作业时，铲斗插入料堆，铲取要克服切削的阻力、物料与铲斗间的摩擦力和物料自身的重力。这些力构成了工作装置的作业阻力，分析各个工况可知，铲斗切削刃所承受的载荷十分复杂并且变化范围也相当大。因此，铲斗切削刃的载荷不可能是均匀分布的，为了计算的方便，将其简化为两种极端情况对称受载即认为外载荷是沿铲斗切削刃均匀分布，并以作用于铲斗切削刃中点的集中载荷来代替其均布载荷。偏载由于铲斗偏铲或物料密实度不均，使载荷偏于铲斗一侧。形成偏载情况时，我华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计论文葛永斌27们认为简化后的集中载荷完全由铲斗一侧第一个斗齿承受。而装载机在铲掘作业过程中，通常有以下三种受力工况。I铲斗水平插入料堆，工作装置油缸闭锁，此时可认为铲斗斗刃只受水平插入阻力的作用。II铲斗水平插入料堆足够深度后，装载机停止运动，翻转铲斗（操纵转斗油缸）或举升动臂（操纵动臂油缸）此时认为铲斗斗刃只受垂直掘起阻力的作用。III铲斗边插入料堆边收斗或插入边举臂进行铲掘时，认为铲斗斗齿受水平插入阻力与垂直掘起阻力同时作用。将对称受载和偏载分别与上述三种典型工况组合，就可以得到铲斗六种典型的受力作用工况，如图42所示。（A）水平对称载荷（B）垂直对称载荷（C）水平垂直对称载荷同时作用（D）水平偏载（E）垂直偏载（F）水平垂直偏载同时作用图42工作装置典型工况简图FIGURE42TYPICALWORKINGCONDITIONSOFWORKDEVICE2外载荷计算3装载机的工作阻力是多种阻力的合力。由于物料性质和工作机构工作方式的不同，工作阻力有不同的计算方法，一般工作阻力通常分别按插入阻力、掘起阻力和转斗阻力矩进行计算。插入阻力插入阻力是装载机铲斗插入料堆时，料堆对铲斗的反作用力。插入阻力分别由以下阻力组成铲斗前切削刃口和两侧壁切削刃口的阻力；铲斗底和侧壁内表面与物料的摩擦阻华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计论文葛永斌28力；铲斗外表面与物料接触时的摩擦阻力。这些阻力与物料的类型、料堆的高度、铲今插入料堆的深度、铲斗的结构等因素有关。251432189BLKKKKFX（N）式中XF铲斗插入阻力N；1K取决于被铲掘物科的块度和松散程度的影响系数；2K物料性质系数；3K物料对高系数；4K铲斗形状系数B铲斗宽度，CM；L铲斗的一次插入深度，CM。掘起阻力掘起阻力是指铲斗插入料堆一定深度后，用动臂油缸提升动臂时，料堆对铲斗的反作用力。掘起阻力同样受到物料的块度、松散性、容积比重、温度、湿度、物料之间及物料与斗壁摩擦之间的影响。最大的铲起力发生在铲斗刚刚开始提升的时刻随着动臂的提升，铲起阻力逐渐减小。CYKBLF22式中K开始举升铲斗时物料的剪切应力。B铲斗宽度，MCL铲斗插入料堆的深度，M。转斗阻力矩转斗阻力矩是当铲斗插入科氓一定深度后，用转斗油缸使铲斗向上翻起时，料堆对铲斗的反作用力矩。YLXFMX4140110式中XF开始转斗时的插入阻力，N；X铲斗回转中心与斗刃的水平距离，M；Y铲斗回转中心与地面的垂直距离，M；L铲斗的插入深度，M。华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计论文葛永斌29应该指出，插入阻力、掘起阻力和转斗阻力矩并不是任何工况都同时存在，而是随着铲掘的方法不同，存在一种、两种或三种。在工作装置的实际计算中，一般都以装载机自身所能发挥的最大主动力来作为工作装置的校核标准。下面计算各个典型工况下的外力。I对称水平载荷工况，如图42A所示，此种工况铲斗的水平载荷由装载机的牵引力决定，水平力的最大值按下式计算GPPRFKXMAXN式中MAXKP装载机空载时驱动轮上的最大切线牵引力。FP装载机空载时滚动阻力，FPGFMS。G装载机附着重量；附着系数，校核计算时，取750。所以，XR1258917000750MGGKN图43工作装置受力计算FIGURE43STRESSCALCULATIONOFWORKDEVICEII对称垂直载荷工况，如图42B所示NLLGRLSY310110270019508917000KN110式中，如图43所示（图中数据与第二章21节给定的总体参数一致）LL装载机重心到前轮与地面接触点的水平距离；LL05532501788MML垂直力ZP的作用点到前轮与地面接触点的水平距离；L2700MM华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计论文葛永斌30III对称水平和垂直载荷工况，如图42C所示。FKXPPRKPEDNRINPNEFP式中KP装载机驱动轮上的切线牵引力；FP装载机空载时滚动阻力NE发动机净功率NP产生垂直力N所消耗的工作油泵功率I发动机至驱动轮之间的头档总传动比EN发动机的转速R/MIN传动系效率对液力机械应包括变距器效率DR车轮滚动半径M。通常为简化计算，此工况下可取GRX32N310383383KN。IV水平偏载的工况，如图42D。V垂直偏载的工况如图42E。VI水平偏载与垂直偏载同时作用的工况如图42F。后三种典型工况的力的计算方法同前，所不同者仅力作用点假设作用在铲边的侧边上。413工作装置受力分析在确定了计算位置及外载荷的大小后，便可进行工作装置的受力分析。以求出相应工况下工作装置各个构件的受力。（1）对称载荷工况对称载荷工况可简化成平面静定系统计算，但需要作如下假定忽略铲斗和支撑横梁对工作装置各构件受力和变形的影响。每一侧连杆机构件轴线均假设在同一平面内，所有作用力都通过各杆断面弯曲中心，忽略各杆件因不在同一平面内所引起的扭矩，计算时可以用构件的中轴线来代替实际构件。华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计论文葛永斌31根据以上假设，就可将工作装置这样一个空间超静定结构，简化为一般平面问题进行受力分析。可取工作装置结构的一侧进行受力分析，如图44所示，其上作用的载荷取相应工况外载荷之半进行分析，即AXR741125313132215621252121水平工况21GGGRX水平垂直同时作用工况KN552/11021YAYRRKN为了分析工作装置各铰点的受力情况，可以选择一种简单的受力工况进行分析计算，对于复杂的受力情况。可转化为几种简单的受力工况的几何叠加。因此，下面以ZL50装载机在如图42C所示的水平垂直对称同时作用工况（此工况下水平牵引力应取417KN）为例进行分析计算，其它工况的受力计算过程与此类似。计算工作装置各构件受力时，首先以铲斗为受力分离体，去掉约束以反力代替，然后，根据构件中的连接顺序，依次求出各构件的受力。此时，工作装置各构件的受力简图如图45所示，并规定任何构件中力的符号以拉力为正，压力为负。这样，根据平面静力学公式可列出工作装置各构件的静力学计算平衡方程式，即图44工作装置整体受力FIGURE44THEWHOLESTRESSOFWORKDEVICE图45A工作装置各构件受力分析FIGURE45AEACHCOMPONENTOFSTRESSANALYSIS华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计论文葛永斌32铲斗为脱离体，根据平衡原理，分析铲斗的受力由0GM121211SINCOSLHLRHRPAYAXF式中各尺寸，如图45A的值如下1H200MM2H5003MM1L1100MM2L153MM1131将数据带入得，FP2140KN由0XCOS1FAXGPRXGX3178KN由0YSIN1FAYGPRYGY586KN取连扦为脱离体，如图45A，二力杆，根据平衡原理，作用于连扦两端的力大小相等，方向相反，即EFPP2140KN（受拉力）注工作装置为单拉杆，故其实际受力为2EP4280KN取摇臂为脱离体，如图45A所示。由0BM33342423SINCOSSINCOSLHLHPPEC式中3H713MM，4H6718MM，3L1057MM，4L3072MM，2131，301将数据带入得，CP4159KN由0X23COSCOSECBPPXBX296KN由0Y32SINSINCEBPPYBY531KN注工作装置为单摇臂，故计算出的CP为摇杆实际受力的一半华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计论文葛永斌33动臂受力分析，如图45B所示，取摇臂为脱离体，根据平衡原理，分析摇臂的受力由0AM45467765SINCOSLHLYHXLYHXPGGBBJ式中5H800MM，6H988MM，7H1827MM，5L1194MM，6L11745MM，7L2300MM，48。图45B动臂受力分析FIGURE45BSTRESSANALYSISOFLIFTINGARM将数据带入得，JP8308KN由0XBGJAXXPX4COSAX5423KN由0Y4SINJBGAPYYYAY161KN（2）偏载的工况3把偏载工况转化为作用在铲斗中点的集中力和一个附加力偶。由于装载机无论是转斗油缸（双摇臂）还是动臂油缸，在作业中，左右油缸的作用力总是相等的（因为左右油缸的油路是并联的，因而可假定附加力偶仅仅作用在铲斗、动臂和横梁上，其它杆件受力不受此力偶的影响。集中力所引起的各杆件的受力计算如同对称工况一样，可以视为一平面力系。附加力偶则在动臂上产生扭矩和侧弯矩。现以水平和垂直偏载工况为例，计算动臂与车架铰接点由于附加力偶所引起的外载荷，如图46所示。华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计论文葛永斌34图46偏载工况受力分析FIGURE46STRESSANALYSISOFPARTIALLOAD把作用在离斗侧壁100左右的外力（垂直力N，水平力P）转化为作用在铲斗中心的水平集中力P，垂直集中力N和力偶MYPL,MXNL。力偶对动臂的作用可分解成一个扭矩MK和一个侧弯矩MG，以矢量式表示，即GYKYYGXKXXMMMMMM式中KXM，KYM由XMYM,所引起的对动臂的弯矩，KXMXMCOSKYMYMSINGXM，GYM分别表示由XMYM,所引起的对动臂的侧弯矩，GXMXMSINGYMYMCOS动臂几何轴线与水平面的夹角合成扭矩KYKXKMMMGYGXGMMM42工作装置结构设计421动臂梁的结构设计（1）动臂形状2的选择华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计论文葛永斌35图47动臂结构外形FIGURE47SHAPEOFLIFTINGARM动臂按其纵向中线形状可分为直线型与曲线型两种，如图48A所示。前者结构简单，腹板变形小，重量轻，而且动臂的受力情况较好，后者可使工作装置的结构布置更为合理。动臂的断面尺寸由强度分析确定。为减轻工作装置重量，提高材料利用率通常按等强度梁设计动臂断面尺寸。另外，由于各个杆件在工作过程中都是相互运动的，所以，必须保证各构件在各个位置上相互之间都不会干涉。这里主要考虑以下两个方面。最低位转斗最大（45）时拉杆EF与动臂AG两铰点连线的夹角即AGF2如图47，结合第三章可知此角度为AGF的最小值。设计保证此时的动臂不与铲斗干涉即可保证铲斗的后翻角足够大和整个工作过程两者都不会干涉；令一方面，我们又希望动臂的外沿能尽量靠近斗壁，这样可以确保不会因为销轴的磨损或转斗油缸过于外伸导致EFG过大，机构失效。综上，将动臂外形线设计成如图47所示。当工作装置在最低位翻至后翻角45时，动臂与铲斗正好开始接触。动臂油缸在举升过程中与动臂的夹角不断变小，且活塞杆JJ0与动臂的铰点J在直线AG的上方。综合，所以动臂的主轴线必须是弯曲的。最终，动臂的主轴线A21G如图48B所示。由主轴线走向，根据材料力学静定原理可计算出各段的内力图。A动臂的线形B）动臂整体受力图华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计论文葛永斌36（C）动臂各段内力计算图图48动臂内力计算图FIGURE48INTERNALFORCEDIAGRAMCALCULATIONOFLIFTINGARM（2）动臂梁结构的内力计算以下式子中的U、V分别表示在XY平面内梁的轴向跟垂直于梁的方向134，2552，3227，4406，1U0410M，2U0762M，3U0258M，4U0320M，5U1298M，1V0302M，2V0188M。A、B、G三点的受力的大小以本章413节对称载荷工况静力学分析结果AX4235KN，AY161KN；BX296KN，BY315KN；GX1783KN，GY865KN；JP3088KN带入计算。G1段由0X111SINCOSGGGNYXF994KN0Y111COSSINGGGQYXF1714KN0GM111UFMGQG703KNM13段0X2231SINCOSGGNYXF307KN0Y2231COSSINGGQYXF1958KN03MGQMUFM1231312194KNM节点“3”华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计论文葛永斌3703M2213134COSSINBBXYVMM2258KNM03U223134COSSINBBNNXYFF1641KN03V223134COSSINBBQQYXFF293KN34段04M3343443UFMMQ2182KNM节点44J段04U44342SINJNNPFF365KN04V44342COSJQQPFF263KN04M424342SINVPMMJ1804KNM2A段0U332SINCOSAAANYXF452KN0V332COSSINAAAQYXF149KN0AM522UFMAQA194KNM对应的梁AG内力图（弯矩、轴力、剪力），如图49所示。A轴力图B剪力图C弯矩图图49动臂内力图FIGURE49FIGUREOFINTERNALFORCEDIAGRAM（3）最危险处的断面尺寸要求根据弯矩图可知动臂的危险断面为节点3的断面MM，如图49，进行分析。在此断面上作用有弯曲应力、拉应力和剪应力。以其合成应力所表示的强度条件进行校核。如图相对纵向面，横向面只有在偏载时会受到载荷，所以断面都设计成如图所示的厚宽比较小的矩形，参考国内外同类机型的板厚B都在45MM50MM之间，材料多为低合金高强华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计论文葛永斌38度结构钢。本设计取板厚B50MM，材料为16MN（Q345）查相关材料手册厚度B50MM的许用