1、广西科技大学普通本科毕业设计（论文）说明书课题名称 装载机铲斗铲装阻力分析及仿真 学 院 机械工程学院 专 业 机械工程及自动化 班 级 学 号 姓 名 指导教师 年 月 日广西科技大学机械工程学院I摘要装载机在现今的各类施工建设中应用广泛，而铲斗是装载机的重要组成构件，在铲装作业过程中发挥重要的作用，因此装载机铲斗的设计是非常重要的。但在以往铲斗正向设计中存在的问题主要在于铲装作业受力的情况。而本课题主要是进行装载机铲斗铲装阻力的分析及仿真，从而获取铲斗铲装作业时的受力曲线。在对本课题研究中，主要是在 ADAMS 仿真软件里面进行装载机的动力学模型建立、材料属性定义、添加运动副、施加驱动等，
2、然后借助 Step 函数设置装载机的几种典型工况的运动，从而对这几个典型的工况进行铲斗的铲装阻力分析,在仿真分析的过程中获取铲斗在不同工况时的受力曲线，因此就能够知道铲斗在铲装作业时的受力情况，这样就可以为铲斗的研发设计提供重要的理论依据。对该课题所进行的研究中，运用装载机的虚拟样机来模拟装载机进行铲装作业，这样能够比较容易的了解铲斗及工作装置各铰接点在进行铲装作业时的受力，不仅为铲斗的研发设计提供了理论依据，同时也为机械产品的研发设计总结了相应的经验。关键词：装载机铲斗； 铲装阻力； ADAMS 仿真； 虚拟样机广西科技大学机械工程学院IIAbstractThe loader is wide
3、ly used in the construction of all kinds of construction，and An important component of loader is bucket,Play an important role in the process of Shovel loading operation, so the design of bucket is very important.But in the past the bucket forward design problems mainly lies in the force of the digg
4、ing and loading operation.And this topic is mainly loader bucket shovelling resistance analysis and simulation, in order to gain bucket shovel working stress curve.In the research of this topic,mainly in the ADAMS simulation software to carry out the dynamic model of the loader,Material attribute de
5、finition, add motion pair, exert drive etc,and with the help of step function loading machine of several typical working conditions of motion, which of the several typical working conditions of bucket shovel loading resistance analysis, in the simulation process to obtain bucket under different cond
6、itions of force curves. So we can know the bearing force of bucket shovel pretend industry, so that it can provide an important theoretical basis for research and design of bucket.In the research of this subject,Using loader virtual prototype simulation loader for digging and loading operation, whic
7、h can more easily understand bucket and working device of each joint contact for digging and loading operation force, not only could provide the theoretical basis for the research and design of bucket, but also for mechanical product development design summarizes experience of the corresponding.Key
8、word: Loader bucket; Shovel loading resistance; ADAMS simulation; virtual prototype 广西科技大学机械工程学院目录摘要 .IAbstract .II1. 绪论 .11.1 课题来源 .11.2 国内外装载机的发展情况 .21.3 铲斗铲装阻力仿真的意义 .31.4 课题研究的主要目的 .41.5 课题研究的方法 .41.6 ADAMS软件简介 .42. 方案设计 .62.1 工作装置结构及基本要求 .62.2 铲斗的结构形式 .72.3 铲斗的截面形状 .82.4 工况和载荷分析 .93. 铲斗及工作装置三维模型
9、建立 .164. 装载机的动力学模型建立 .184.1 运动环境的设置 .184.2 工作装置的材料属性定义 .184.3 运动副的定义 .194.4 添加驱动 .214.5 施加载荷 .225. 装载机及铲斗模型的 ADAMS仿真分析 .245.1 仿真计算方式 .245.2 计算方式的选择 .255.3 仿真控制参数的确定 .265.4 仿真分析的后处理 .265.4.1 绘制数据曲线 .265.4.2 仿真动画 .286. 铲斗铲装阻力分析的结果 .316.1 液压缸受力变化曲线 .316.2 液压缸活塞移动加速度变化曲线 .326.3 动臂的位移曲线和速度变化曲线 .346.4 各机构
10、夹角的变化 .356.5 斗尖相对于地面的高度曲线 .366.6 各铰接点处的受力变化情况 .36结束语 .38致谢 .39参考文献 .40广西科技大学机械工程学院11. 绪论1.1 课题来源随着全球经济建设的快速发展，各类机械产品发挥着越来越重要的作用。而越是发达的国家越重视先进机械的研究制造与发展，从特殊方面来说，先进的机械设备也是代表着一个国家的技术先进水平。机械研究为新技术、新成品的研发和制造提供了重要的基本条件，即便是在机械研究制造方面技术领先的发达国家，也高度关注更加先进机械产品的研究和开发。而在目前所使用的机械运动的仿真研究分析技术是建立在机械系统运动学、动力学理论与计算机技术基
11、础上的一种新型研究分析技术，主要是涉及到机械部件模型建立、仿真运动环境的设置、机械运动操作控制、运动学及动力学等相关方面的内容。在这一技术里面主要是运用计算机来模拟机械的工作装置在现实环境中的运行与受力情况，同时依据机械研发设计的性能及现实情况的要求与仿真分析所得到的结果，对相应的参数进行修改设计，使之能够满足机械性能的指标要求。我国的先进机械研发和制造正在面对庞大的国内市场需求和更为广阔的国际市场，仅是依靠传统的机械产品和技术是难以跟上世界快速发展的步伐。因此缺乏自主创新技术与品牌和先进机械研发能力的机械制造企业，迫切需要提升自己的市场竞争力以及提高自身的研发水平，只有这样才有可能使我国从机
12、械制造大国逐步地迈向先进机械制造强国的行列。目前我国机械制造业面临的挑战主要来自国际市场竞争以及发达国家先进技术打压和技术封锁。为此具有创新研发的精神和先进的技术是目前迫切需要的，先进技术代表着先进生产力，只有在技术上提高了，才能用最小的成本获得更大的回报。随着计算机技术的发展和兴起，计算机的功能也得到了很大开发，运用计算机来模拟机械运动时的仿真受力也越来越广泛，并且是机械研发工作人员得到可靠实验数据的一种有效方法。从数据建模、虚拟环境设置、运动参数设置、仿真受力分析、结果输出到最后得到人们所需要的数据，从而让人们对机械物体受力情况有进一步了解，同时参考现实中的需要修改相应的参数使产品满足机械
13、性能指标要求，并且进一步优化。计算机仿真技术的发展和应用，为人们提供了实现机械虚拟现实运动的技术手段。随着计算机的快速发展，仿真技术也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的实验分析及一步步修改加工及制造的概念发生了很大的转变。虚拟仿真技术使用简单，可以方便的对相应的参数进行修改，从而节省了较多的设计计算时间，对机械研究有重大的贡献。虚拟样机在电脑上就可以模拟机械的运动及与物料的接触碰撞和摩擦，为研发产品和减少或需要增大摩擦的产品也提供了方便。因此，计算机仿真以其快捷的效率、功能的多样化引起人们的重要关注，并引领着机械制造业向更先进的方向快速发展。广西科技大学机械工程学院2在当今社会的发
14、展及建设中，装载机的使用是必不可少的，因此，在很多不同的地方都能看到装载机在进行作业，装载机可以进行铲装、推土、运输、装卸、平整作业 1，但不同的环境及不同的铲装物料对装载机及其铲斗的影响是不一样的，因此在装载机的研究制造过程中也应针对不同环境及铲装物料进行相应的零部件金属性能处理，在相同制造成本的前提下尽量提升产品机械性能，而这一步骤所需的相应数据利用计算机来进行机械运动仿真分析是非常容易得到的。利用计算机进行机械仿真的软件有许多种，并且这些软件都有相关的仿真分析应用，但它们也有不同的主要应用方向。例如：ADAMS,ANSYS,EDEM,PROE,UG，SOLIDWORK等，而本课题主要是运
15、用 ADAMS 来进行研究。1.2 国内外装载机的发展情况国外装载机的发展情况：为了满足装载机在不同地域环境下进行作业，近几十年来，各研究机构及生产厂家都在不断的研究和采用新技术来改进优化装载机。装载机的性能越好、可靠性、舒适性越好、使用年限越长也是人们不断追求的。国外的装载机在研发制造中有许多方面是目前比较领先的。例如：在电子方向和电路控制系统方面，基本上现在的机械产品都离不开电，甚至现在许多机械都只是仅靠电力驱动和工作。而国外机械在电子电路方面的研究有很大的成果，并且还在不断的向更先进的方向研究，因此在电路控制这方面有着突出的一面；在产品自动控制方面，跨入 21 世纪以后，机器自动化是人们
16、的目标，因为自动化程度越高节省的劳动力也就越多，同时，在遇到特殊情况下，装载机能够自动停止运动或减速是非常必要的；在高精密部件的研究使用方面，每一台机器都会有着自己的核心部件，而这些部件有时是非常细小的，但这些零件的机械性能也要达到要求，而这在国外的研究有着独到的一面；在清洁和环保方面，国外的机械非常注重环保，比如为了减少废气的排放而研发并使用比较先进的发动机及排放系统；还有就是维护和保养的方面，在装载机售出后及在进行作业时如果出现了什么问题，厂商会及时的研究处理并针对这一问题进行后续的优化和改进。国内装载机的发展情况：我国目前的装载机品牌主要有柳工、徐工等。从 1966 年柳工生产第一台轮式
17、装载机 Z435 开始，开创了国内轮式装载机的研发和生产历史。从此，装载机的研发是在稳定的进行着。1970 年柳工研制成功 Z450 装载机，进一步的提高了装载机的性能，也能更好的适应作业环境。1976 年 DZL50 井下装载机和 ZL90 研制成功，1988 年 ZL50C 研制成功。1989 年卡特彼勒技术的引进，促进了柳工装载机技术的完善和提高，近些年来，由于一些先进技术的引进，使得装载机的研发和制造技术得到进一步提高。装载机的发展在考虑性能和使用年限的同时也应要考虑人机的结合即人在操作时的舒适性，在追求效率的同时也应追求操作的方便性。目前我国的第三代装载机产品如 ZL50G 在各方面
18、也取得了不错的成绩，它们的优点如：基本上都利用了液压的先导控制，在进行作业的过程中操纵更加方便和灵活，进一步减轻了操作人广西科技大学机械工程学院3员的劳动强度；液压系统的最大工作压力也得到了提升，由之前的 16MPa 提高到了20MPa 以上，提升了液压工作能力 2；在机械、电子电路相结合的运用方面也更加方便，有一些部分的机械液压操作系统利用电脑来进行控制，一体化的水平得到了提高；另外在不同的地域环境也相应的研究有适合该地域的机型。我国第三代装载的机研发技术在总体上接近了世界的先进水平，但在一些如适用性、高智能自动化等方面还有较大的发展空间。1.3 铲斗铲装阻力仿真的意义利用虚拟样机的仿真技术
19、我们能够对现实产品的虚拟样机进行仿真分析，从而可以对相应的参数进行修改，使之符合设计的要求，这样不仅能够减少生产制造成本，也能减少研发的时间，提高研发的效率。伴随着世界经济快速发展的步伐，人们对产品的多功能、实用、寿命等要求也逐步提高，而另一个层次，社会同行竞技和排挤更加严重，产品向更复杂的方面发展，产品设计研发周期逐步缩小，保修和维护要求更高，生产情况更加灵活多变。要解决上面的难题，一个比较见效的方法就是利用虚拟样机进行运动环境虚拟仿真，在没有现实制造出实在的产品之前就进行虚拟运动分析，早一步知道研发物品的各项性能需求，预防各类设计存在的不足，研究出修改和优化的方案。在与传统的设计流程相比，
20、利用计算机仿真进行的设计研发流程更加简便和快速，图 1.10 中就是一般传统的设计过程，图 1.11 是利用计算机仿真进行研究的设计流程。YN图 1.10 传统的设计流程N YNY用户需求和市场分析方案设计技术设计物理样机试制/修改试运行 详细设计批量生产优化设计详细设计虚拟样机CAD/CAM/CAD 模型方案设计用户需求和市场分析技术设计物理样机试制/修改仿真测试批量生产运行实验广西科技大学机械工程学院4图 1.11 计算机仿真的设计流程在仿真技术的应用中，我们可以快速的利用计算机辅助系统所提供的各类所需零部件的主要功能特性机械性能等及其各类尺寸参数，在计算机系统上指定各零部件间的约束条件并
21、对这些装载机的机械部件进行模拟装配，这样是为了获取用于进行仿真实验的整体的虚拟样机。运用计算机对装载机的虚拟样机进行仿真分析，在分析过程中我们能够观察并记录下各组成部分的相互运动情况及它们之间的作用关系 3。同时经过对铲斗铲装阻力的研究能够对装载机铲斗与各部件的受力清楚的了解，知道铲斗在铲装过程中的受力情况，为今后的技术改进和提高机械性能提供有效的依据。1.4 课题研究的主要目的现实环境中如果要进行铲斗的铲装受力分析是比较麻烦的，需要花费很多的时间去进行铲斗受力的感应实验，以及最后还要进行受力曲线的分析。该课题研究的主要目的是为了避免现实中繁杂的实验，而利用计算机来模拟装载机在进行作业时铲斗的
22、仿真受力分析，以及在进行水平插入、物料举升过程中铲斗的受力分析，这样我们就能清楚的了解到铲斗及工作装置的铲装受力情况，为以后装载机各部件的性能优化提供可靠的数据。1.5 课题研究的方法对课题的研究流程如图 1.12 所示。图 1.12 研究流程图1.6 ADAMS软件简介课题研究的方法1、总体方案设计2、零部件及运动仿真模型建立计4、运动仿真分析3、运动环境设置5、仿真结果输出广西科技大学机械工程学院5ADAMS，即机械系统动力学自动分析或多体动力学仿真研究工具，最初是由美国MDI 公司开发，经过几个阶段的发展过程，现已由美国 MSC 公司接手的虚拟样机研究软件。ADAMS 软件采用相互交融、
23、交叉式的作图环境及零部件库、各约束库和各力数据库等，其中常见的基本图库中包含了长方体、圆柱体、球体、圆环、连杆等，开创了较全面参数化的机械部件及机构系统几何模型，它的求解部分主要运用多刚体系统动力学知识里的拉格朗日方程计算方式，并创建系统动力学方程算法，对机械的执行构件进行仿真研究，最后可以得出物体位移、速度、加速度与作用力及反作用力曲线，对产品的研究制造有很大的作用。该软件的虚拟仿真分析可应用在预测机械结构的工作性能、具体运动限制大小、碰撞物体检验、最高值载荷和分析输入载荷等多个方面。ADAMS 是虚拟样机研究开发的重要工具，其较全面的程序结构与多种数据接口，能够当作为一些特殊行业使用者进行
24、特殊方向虚拟样机研发的二次应用开发工具的平台 8。ADAMS 软件集物体部件建模、仿真计算和后续处理于一体，并且由几个模块构成，基本模块主要是 View 模块和 Postprocess 模块。通常的机械结构研究都可以用这两个模块来进行分析，而且在该软件中还应用有一些针对特殊专业方面而单独研发的专用模块与嵌入模块，比如专业模块包含有汽车、发动机、火车、飞机模块等，嵌入模块有振动、耐久性、控制、柔性体模块等。在下面的表 1.10 中包含着一些 ADAMS 的通用模块。表 1.10 ADAMS 的通用模块广西科技大学机械工程学院62. 方案设计2.1 工作装置结构及基本要求装载机作为现代工程机械中的
25、主要成员，并且也是该行业机械领域具有极高代表性的产品之一，在各类工程施工中都发挥着非常关键的作用。装载机归属于铲土铲装运输类机械产品，广泛运用在建筑、公路、铁路、水电、港口、河道、矿山及国防等众多行业和重要部门 10，可以用来铲装卸载各类散状物料，进行短程距离运送施工物料等。装载机能够对多种物料进行作业，但通常是各类土壤、沙土石料、灰料和其它建筑道路用的散状物料等，主要进行铲装、搬运、卸载等施工作业，同样也能够对岩石类、硬土区域进行轻度铲装挖掘作业。在较多国家的农业领域也使用特殊的装载机对稻谷或其它农作物进行装卸。轮式装载机具有一些自身的特点，例如：机体自重较轻、运行速度快、机动性较用户界面模
26、块 ADAMS/View求解器模块 ADAMS/Solver基本模块后处理模块 ADAMS/Postprocessor液压系统模块 ADAMS/Hydraulics振动分析模块 ADAMS/Vibration线性分析模块 ADAMS/Linear高速动画模块 ADAMS/Animation实验设计与分析模块 ADAMS/Insight耐久性分析模块 ADAMS/Durability扩展模块数字化装配回放模块 ADAMS/DMU Replay柔性分析模块 ADAMS/Flex控制模块 ADAMS/Controls图形接口模块 ADAMS/ExchangeCATA 专业接口模块 CAT/ADAMS通用模块接口模块Pro/E 接口模块 Mechanical/Pro
