1、 广西科技大学 普通本科毕业设计（论文）说明书 课题名称 基于灵敏度分析的轮式装载机 铲斗变型设计 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 摘 要 传统基于经验和类比的设计方法，并不能定量的分析铲斗形状变化对装载机斗容和掘起力的影响问题，因此本文提出了基于灵敏度分析的铲斗设计方法，通过灵敏度分析得到铲斗回转半径与铲斗斗容，装载机掘起力之间的关系，进而得出在满足设计允许误差的条件下，装载机掘起力最大点所对应的铲斗截面几何参数，进行铲斗设计。 同时由于课题要进行的是变型设计，而变型设计的目的是使的产品能够快速变型，以适应市场不断变化的需求，所以
2、在 Pro/E 软件中对所得的铲斗截面数据进行参数化建模，达到能变型的目的。 为了使变型界面简洁、清晰，变型操作简单、明了，采用了 Visual Studio软件作为开发工具，并结合 Pro/E 软件自身携带的 Pro/Toolkit，对 Pro/E 自身进行了适当的二次开发，使得铲斗变型设计成为了一个相对独立的模块。并使用灵敏度分析所得出的参数数据进行验证，给出了实例演示。 关键词： 装载机；铲斗；变型 设计；灵敏度分析；参数化建模；二次开发 ABSTRACT The traditional design method based on experience and analogy, and
3、 not quantitative analysis of bucket shape change of loader bucket capacity and breakout force influence. Therefore, this paper puts forward the bucket design method based on the sensitivity analysis and the sensitivity analysis get bucket radius of gyration and the bucket bucket capacity and loadin
4、g the relationship between machine digging force, to meet the design allows for error conditions, select the loader digging force maximum point corresponds to the bucket sectional geometric parameters and design of bucket and obtained. Also due to variant design is subject to be carried out, and the
5、 purpose of variant design is to make their products to the rapid variant, in order to adapt to the changing market demand, so in Pro / E software bucket section data on income were parameterized modeling, can be modified to achieve the purpose of. In order to enable variant interface is simple, cle
6、ar, variant operation is simple, clear, the visual studio software as a development tool, and combined with the Pro / E software to carry their own Pro / Toolkit, appropriate secondary development of Pro / E, the bucket variant design has become a relatively independent modules. The parameters obtai
7、ned from the sensitivity analysis are verified, and an example is given. Key words: loader； bucket； variant design； sensitivity analysis； parametric modeling； secondary development 目录 第一章 绪论 . 1 第一节 课题研究背景 . 1 第二节 课题研究的目的和内容 . 1 一、课题研究的目的 . 1 二、课题研究的内容 . 2 第三节 课题研究现状与国内外发展趋势 . 2 第 二章 基于灵敏度的铲斗优化设计 .
8、4 第一节 灵敏度的概念 . 4 一、灵敏度的定义 . 4 二、灵敏度的作用 . 4 第二节 回转半径对斗容的灵敏度分析 . 4 一、公式及参数范围的选择 . 4 二 、 分析过程 . 6 第三节 回转半径对掘起力的灵敏度分析 . 10 一、掘起力及相关公式的介绍 . 10 二 、 分析过程 . 11 第四节 斗容与掘起力的共同分析 . 14 一、铲斗设计的方法 . 14 二、最优数据的选取 . 14 第三章 基于 Pro/E 软件的铲斗变型 . 16 第一节 建模软件的选择 . 16 第 二节 参数化建模过程及变型 . 16 一、建模过程 . 16 二、变型过程 . 19 第三节 对铲斗变型
9、的思考 . 20 第四章 面向 Pro/E 软件的二次开发 . 21 第一节 二次开发软件介绍 . 21 第 二节 二次开发过程 . 21 一、开发环境配置 . 21 二、 总体框架的设计及进行 . 24 第三节 二次开发成果演示 . 30 结束语 . 32 致 谢 . 33 参考文献 . 34 附录 1 . 36 附录 2 . 40 附录 3 . 41 1 第一 章 绪论 第一节 课题研究背景 装载机是一类主要用来往其他机械设备（货运车辆、传送带、火车等）中“装载”产品货物的工程机械（工程车辆）设备。它在减轻劳动强度，加速工程建设，提升工程质量，降低工程成本等方面起着十分重要的作用，正是由于
10、存在这些优势所以装载机广泛地运用于各类工程建设之中，是现代化机械施工中不可缺少的主要设备之一。目前，我国国内装载机的保有量约为 70 万台左右，但随着我国经济的不断发展，各类工程建设的不断出现，装载机的需求量将会不断增长。在未来，装载机将具有非常广阔的市场前景。 装载机主要由：动力 装置、传动系统、液压系统、工作装置、制动装置、电力系统、驾驶室总成、车架、平衡重以及一些覆盖件和附件组成。其中的工作装置是装载机实现物料铲装的直接机构，它毫无疑问是装载机结构中重要的一环，而本课题的研究的对象 铲斗，则是装载机工作装置中的重要组成部分。主要是对铲斗在变型设计领域里的研究。 铲斗是转载机上直接用来切削
11、、收集、运输和卸出物料的装置，装载机工作时的插入能力及铲掘能力都是通过铲斗直接发挥出来的，铲斗的结构形状及尺寸也直接影响装载机的工作能力和效率，所以铲斗设计的好坏对于装载机的性能有着直接且重要的 影响。对于设计上存在缺陷的铲斗，能在最短时间内修正是极为重要的，同时在不同的工作环境下，对于铲斗的要求也会各自不同，所以铲斗的设计要具有一定的灵活性。 但目前国内的铲斗设计还基本停留于传统的经验设计法和类比设计法中，这样的设计方法不但无法对铲斗进行定量的分析，而且会 使得其设计成本的增加，同时也延长了产品的开发周期，已经逐渐满足不了市场快速变化的需求，为了能够较快地响应市场的变化，缩短产品开发周期，同
12、时能够保证产品质量和产品的可靠性，本文提出了通过对其进行灵敏度的分析来进行变型设计。 第二节 课题研究的目的和 内容 一、课题研究的目的 变型设计的主要目的是在于最大程度地重用企业的现有资源，使其能够在最短的时间内，用较低的成本，针对客户所提出的不同要求，提供能满足其需求的高质量产品。使产品具有灵活性，紧贴市场需求，能够快速抢占市场，有利于企业不断的发展壮大。总而言之，变型设计的作用是 : 1、最大程度地重用企业现有成熟产品资源，加快产品设计效率 ; 2、加强企业快速响应市场变化需求的能力，提高企业核心竞争力 ; 2 3、保证产品的质量、可靠性，减轻开发成本，缩短开发周期。 所以，本课题铲斗的
13、变型设计在研究时，会遵从以 上的设计理念，把铲斗做为研究对象，对其进行变型设计。研究目的是为了设计出一个可变型的铲斗模型，而变型的基础是基于铲斗的灵敏度分析，其具体来说就是铲斗斗容与铲斗回转半径之间的灵敏度分析以及铲斗掘起力与铲斗回转半径之间灵敏度分析。 二、课题研究的内容 本课题研究的主要内容为运用 MATLAB 软件，通过对铲斗进行灵敏度分析，建立铲斗回转半径与铲斗斗容之间的变化曲线，接着通过分析得到的变化曲线，得出最满足斗容误差的几个点，并对这些点进行掘起力的分析，最后得到在铲斗回转半径变化的同时，斗容变化对装载机掘起力变化的影响。 并且得出在满足斗容误差的条件下装载机掘起力最大的点以及
14、这个点处的各尺寸参数，根据这些参数建立可变型的铲斗三维模型。其具体的阶段性的研究内容如下： 1、根据选定的铲斗额定斗容 rV 和铲斗内壁宽度 0B ，通过计算机选定各相关参数 、 1 、 g 、 z 、 k 和 r ，计算相应的铲斗回转半径 R 和对应的斗容误差 ，同时列表记录下计算出的数据及各自的系数； 2、 在表中筛选去除斗容误差 范围超出 2.5%的数据； 图 1 铲斗截面形状 3、根据表中余留下来的数据，利用 MATLAB 软件分析铲斗斗容与回转半径间的灵敏度关系； 4、根据表中余留下来的数据，利用 MATLAB 软件分析掘起力与回转半径间的敏度关系； 5、结合以上的灵敏度分析的结果，
15、再进行更进一步的共同分析，确定出斗容误差位于极小值时，对应的装载机掘起力是极大值的点，同时将这一点处的参数数据，通过 Pro/E 软件的参数化建模，建立铲斗的三维模型，达到可变型的目的。 6、运用 Visual Studio 软件进行二次开发编程，简化铲斗变型过程。 第三节 课题研究现状与国内外发展趋势 3 这里要指出的是，虽然本课题的名称为基于灵敏度分析的轮式装载机铲斗变型设计，但是铲斗只是作为一个研究对象，灵敏度只作为一个研究指标，论文重点进行考虑的是变型设计这方面的内容，所以这里介绍的现状及发展趋势主要是针对变型设计的。目前变型设计的理论已经较为完善，它的主要的设计过程也被许多研究人员所
16、认可，通过查阅资料可以知道，主要的变型 设计方法有以下五种： 1、 基于装配模型的变型设计理论 2、 模块化变型设计 3、 基于相似性设计理论的变型设计方法 4、 基于变量化和参数化设计方法的变型设计 5、 基于 事物特性表的变型设计方法 目前，国内外已存在不少的研究机构或者个人对变型设计展开了研究，也做出了不少的具有相当价值的研究成果。例如，国内的有浙江大学的研究人员根据变型设计的基本特点，提出了以基于实例的推理为基础，综合运用规则和约束来完成产品的变型设计，他们还对关于变型设计的知识表达模型、混合求解模型、近似匹配算法以及实例模板选择算法进行了研究。国外的有美国的研究人员根 据他们所建立的
17、装配产品模型各零部件之间的尺寸相互约束，将变型设计的整体过程归纳到一个混合整数线性规划的问题并用数学上的整合求解过程，实现了装配产品变型设计的优化。 令人感到遗憾的是虽然变型设计的研究已经取得了不少的成果，但是大多还是集中于某些特定的方面，对于变型设计这整块的研究还是存在着相当多的困难。例如，目前大部分的研究只停留在理论研究阶段，实用的产品变型系统还很难见。而且还缺乏系统集成方面的研究（产品变型设计的过程是一个有机整体只有将与产品变型设计有关的各方面的资源集成起来，才能真正进行有效的变型设计） 以及知识库（实例库）的内容较为单一等。 虽然存在不少的短板与困难，但是国内外关于变型设计的研究还是在
18、源源不断的进行着，并且吸引着越来越多的研究者踊跃参与其中，为变型设计的发展提供新的动力。所以变型设计的研究毫无疑问是值得肯定并具有远大发展前景的，我相信在不久的将来运用变型设计来进行产品的设计和修改无疑会成为工程领域的一种新常态。 4 第二章 基于灵敏度的铲斗优化设计 第一节 灵敏度的概念 一、灵敏度的定义 灵敏度分析又称敏度分析，表示设计变量的变化对函数变化的影响大小。因此若函数表示为 , 21 nxxxf ,则函数对参数的导数或者偏导数就是参数对函数的灵敏度，表达式为： dxdfSen / 或者 ixfSen / ，其中 i=1,2， n1。是一种探究和剖析一个体系（或者模型）的状况（或者
19、输出变化）对系统相关参数变化（或者系统以外条件变化）灵敏程度的方法。 二、灵敏度的作用 灵敏度主要用来体现由于设计变量值的改变而导致的目标 函数变化率大小的变化，从而能辨别出相对重要的设计变量，计算出优化参数，减少变量的维度，提升优化的效率，并能够更进一步地了解设计变量跟目标函数相互的联系，增强研究人员对研究目标的理解等。 正是由于拥有这些优势，所以在目前几乎所有的运筹学方法以及对各类方案所进行的研究评估时，都会或多或少的运用到灵敏度的分析。 第二节 回转半径对斗容的灵敏度分析 一、公式及参数范围的选择 铲斗的回转半径 R 的计算公式如下所示： )1 8 01(5.02c o ts i nc
20、o s5.02.1 210 rkzgrBVR (1) 公 式中 0B 斗内壁宽度，在设计时选用 3500mm； rV 额定斗容，在设计时选用 3.5 109mm3； g 斗底长系数， 53.140.1g ； z 斗后壁长系数， 2.11.1z ； k 挡板高度系数， 14.012.0k ； 5 r 斗底圆弧半径系数， 4.035.0r ； 张开角， 5245 ； 1 挡板与斗后壁夹角，选择 1 时应使侧壁切削刃与挡板的夹角为 90。通过向有实际经验的工厂师傅请教 后再结合文献 1的研究资料，选取 30101 铲斗截面各边尺寸如下： 斗底长度： gg RL ； (2) 斗后壁长度： zz RL
21、； (3) 挡板高度： kk RL ； (4) 斗底圆弧半径： rRr 。 (5) 设计斗容 hV 计算公式如下： 6 )(832 20220 cLLBLLLSBV kDCDCDCkh (6) 其中 DCL 指的是铲斗的开口长度 (见图 1)； c 为物料堆积高度； S 为铲斗截面 的面积，它主要由 5个几何图形组成（见图 1）。它们的计算公式如下： c o s2222 gzkgzDC LLLLLL ； (7) 22241kDCkDCDC LL LLLc ； (8) C N DC G NG ACG FNAG F SSSSSS 扇形 ； (9) ）（）（扇形 -1803602GFS A G F
22、； (10) 2t a n2121rLrFNGFSzGF N ； (11) 2t a n2121rLrCAGASgG A C ； (12) NGlCGlCNllS C GN ； (13) 6 其中 )(21 CNNGCGl c o s222zgzg LLLLCN 222ta n rLrCG g 2ta n2rLrNGz (14) c o s22121 22zggzkC N D LLLLLCNNDS ； (15) 斗容误差的计算公式如下： rrh VVV /)( (16) 所以根据以上所列出的所有公式，结合灵敏度定义可知铲斗回转半径 R 与铲斗斗容 hV 灵敏度之间的关系为： RVVSen hh
23、 /_ ，在 MATLAB 软件中运用微分函数 diff 进行计算。 二、 分析过程 （一） 符号运算 由于通过各类资料所查得的公式基本上都是零散的，而设计需要的是建立铲斗斗容、斗容误差，各自分别与回转半径 R之间的直接对应关系，并且还要通过铲斗斗容和回转半径 R 之间的联系得出回转半径 R与斗容的灵敏度之间的关系，所以首先要将所查得的公式进行相应的合并。但是基于公式自身的复杂性以及公式数目的较为繁多，直接人力进行合并的话不仅费时，而且还不能保证合并后所得出的公式的准确性，所以本文在合并时利用了 MATLAB 软件所具有的符号运算能力，来进行公式的合并计算。 为能够较为方便输入，在使用 MAT
24、LAB 软件中，分别用 a， b,c,d,e,f,g 依次代替了斗底长系数 g ，斗后壁长系数 z ，挡板高度系数 k ，斗底圆弧半径系数r ，张开角 ，挡板与斗后壁夹角 1 ，斗容误差。考虑到 c与物料堆积高度 c的符号冲突了，在 MATLAB 中又用 C1代替了物料堆积高度。分别用 s1， s2， s3，s4， s5 依次带替 AGFS扇形 ， GFNS ， GACS ， CGNS ， CNDS 这 5 个图形面积。 符号运算使用 MATLAB 软件中的 sym 及 syms 函数，它们各自的用法如下： sym 函数一般调用格式为： 符号量名 =sym（符号字符串） syms 函数的一般调用格式为： syms 符号变量名 1 符号变量名 2 符号变量名 n
