1、II本科毕业论文（20 届）矿用电动式挖掘机底架梁三维设计与分析所在学院专业班级 机械电子工程学生姓名指导教师完成日期III诚 信 声 明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人完全意识到本声明应承担的法律责任。本人签名： 年 月 日III毕业设计任务书设计题目： 矿用电动式挖掘机底架梁三维设计与分析 1设计的主要任务及目标一、在挖掘机底架梁现有方案的基础上，绘制底架梁部件图及三维模型；二、利用有限元法对三维模型进行分析，得到分析结果；三、根据分析结果对现有方案中的不足提出改进意见，绘制相应的零部件图。2设计的基
2、本要求和内容通过阅读文献和图纸、参观实习等方式，掌握矿用电动式挖掘机底架梁的主要组成、结构和功能，并撰写开题报告一份。熟悉矿用电动式挖掘机底架梁的各组成零部件，绘制底架梁三维模型。根据底架梁部件结构特点，建立有限元分析网格模型，完成中期答辩报告一份。根据矿用电动式挖掘机的工况和底架梁的主要受载情况，分析其易出现的失效形式，然后进行对应的有限元分析。对分析结果进行分析，对现有方案中存在的问题提出改进意见，绘制相应的零部件图若干。撰写毕业论文一篇。3主要参考文献1）ANSYS 14.0 有限元分析从入门到精通M. 北京：机械工业出版社，2013.2）WK 系列大型矿用挖掘机特性介绍及应用J. 有色
3、设备，2013，4：12-15.3）矿用挖掘机底架梁的力学分析及优化设计J. 机械管理开发，2011，6：10-14.4进度安排设计各阶段名称 起 止 日 期1 开题阶段（开题报告一篇） 2014.12.012015.01.162 模型建立阶段（中期答辩报告一份） 2015.01.162015.03.153 有限元分析及方案改进阶段 2015.03.152015.04.304 毕业论文撰写及答辩准备阶段 2015.05.01毕业答辩审核人： 年 月 IV矿用电动式挖掘机底架梁三维设计与分析摘 要：本论文主要内容是了解底架梁的三维设计与分析所要解决的主要问题和特点，绘制底架梁零件图纸，建立底架梁
4、的实体模型，用有限元分析法计算。首先是通过准确的尺寸绘制底架梁零件图，整理所绘制的零件图制作出精确的装配图，确定个零件的位置尺寸。其次是建立零件实体模型，运用 PRO/E 软件建立实体零件模型，在根据所有的装配图组装出底架梁实体模型。再次是有限元分析，利用 ANSYS 进行有限元静力学分析。在分析之前要先有一个大概的整体结构，以便进行简单的的应力分布计算。最后优化设计，对优化挖掘机底架梁有三种方法：选用新型的强度更高的材料；在原有结构上在应力较大的部位进一步加固；改良底架梁的整体结构。关键词：绘制零件图，PRO/E 建模，ANSYS 有限原分析，结构优化。The Three dimension
5、s Design and Analysis of Mine explosion-proof electric excavator chassis beamAbstract: This mainly content of this thesis is to know the main problems and characteristics of chassis beam in the design and the 3 D analysis, also includes chassis beam drawing parts, entity chassis beam model building,
6、 and the finite element analysis calculating.First step is to make chassis beam parts drawing by the accurate size map, make precise assembly drawing by the arrangement of drawings, determine the position of the part size.The second part is to set up entity model and set up entity component mode by
7、using PRO/E software, build the chassis beam entity model according to all the assembly drawing of the assembly. Part three is to analysis finite element, finite element static analysis by using the ANSYS. To build a rough integral structure before analysis so as to calculate simple stress distribut
8、ion. Make the optimization design at last, there are three ways to optimize excavator chassis beam:Use new material with strength higher, reinforced more in the larger stress area and further reinforced on the original structure; improve the overall structure of the chassis beam.Key words:Draw the p
9、art drawing , PRO/E modeling , ANSYS finite analysis , Structure optimization.V目录1 绪论11.1 前言11.2 课题的背景及研究意义21.2.1 历史发展21.2.2 国内发展概况31.2.3 国外发展概况4 1.2.4 论文主要内容4 1.2.5 优化研究意义52 结构分析62.1 机械制图方法概述62.2 绘制零件图62.3 绘制装配图92.4 细化所绘图123 建立零件实体模型133.1 实体建模方法概述133.2 建模软件简单介绍133.3 建立零件模型143.4 建立整体模型173.5 焊缝问题的处理1
10、84 有限元分析194.1 有限元方法概述194.2 ANSYS 软件简介194.3 底架梁应力分布计算194.3.1 回转机构的概述 214.3.2 回转平台上应力计算 214.3.3 行走装置的概述 254.3.4 行走装置的应力计算 254.4 ANSYS 应力分析27VI5 结构优化33结 论35参考文献36致 谢3711 绪论1.1 前言长时间以来，我国的传统制造业技术水平与发达国家相比存再较大的差距，机械制造的自动化.数字化程度不高，企业生产的各个部门的技术设备往往无法满足生产的需要。由于市场竞争激烈伴随着技术的日新月异，国内的传统制造也急需加快向智能化.集成化.数字化转型。基于各
11、种设计制造软件的优化设计分析是智能化的重要环节。挖掘机是重要的工程机械之一，是开挖土石方的主要机械设备，被广泛的应用于工业建设.农业改造.矿山采矿以及现代化军事工程等机械化施工中。因为挖掘机再施工中具有许多的优点，可连续高效的工作，可以大大的减轻劳动强度提高劳动效率，是工程实施中不可缺少的手段。新世纪以来，全世界挖掘机年产量再 20 万上下波动，但挖掘机年产量大大高于装载机和推土机的年产量。据统计全世界各种施工作业场余约有 3/4 的土石方由挖掘机完成。所以从世界范围来看挖掘机的工作量再逐年增加，而挖掘机的技术也在随着工作的要求不断改进。所以对挖掘机进行深入透彻的研究具有重要的社会效益和经济效
12、益。我的毕业设计的主要内容是挖掘机底架梁的优化设计。在工程施工中，工程机械必不可少。挖掘机作为重要的工程机械，它要完成的工作繁重而且工作环境恶劣。比如再矿山遂道施工等，在工作中挖掘机要承受各个方面的作用力。挖掘机底架梁是挖掘机主要受力部件，底架梁的结构直接影响挖掘机工作性能的好坏。我的论文目的是就现行的挖掘机底架梁进行分析优化。首先，要全面了解挖掘机的发展背景和历史，了解国内外的挖掘机发展情况，据此说明挖据机底架梁的优化再整个机器的改进中意义重大。然后是对挖掘机底架梁各个零件的测绘，通过实地测绘的到总共八十多副各种零件图和装配图。应用 PRO/E 根据零件图和装配图建立挖掘机底架梁的实体模型（
13、包括一个整体模型和几十个零件模型）。运用 ANSYS 软件对所建立的模型进行有限元分析，通过分析底架梁模型得出应力分布云图并找出承受应力最大的几处即为危险点或危险截面。到此优化设计的前半部分已结束，后半部分是对底架梁的改进。危险点或危险截面的分析得出给了我解决问题的着力点，一般的方法是增家危险处的筋板或肋板来加固，另一种方法是改变现有部件的内部结构来达到分解应力的目的。经过反复改进分析，尽力得到一种更为合理的结构。谨此分析2设计不一定能得出符合实际要求的构件，但科学的分析方法却是技术进步必不可少的工具。1.2 课题的背景及研究意义1.2.1 历史发展挖掘机，又叫挖掘机械（excavating
14、machinery)，是用铲斗挖掘或高于或低于承机面物料，并装入运输车辆或卸至堆料场的机械。挖掘的物料大多是土壤、煤、泥沙以及经过预松后的土壤或岩石。从近几年工程机械的发展来看，挖掘机的发展相对较快，而挖掘机作为工程建设中最主要的工程机械机型之一，在工程建设中起到重要的作用。第一台手动挖掘机问世到今已有 130 多年的历史，期间经历了由蒸汽动力斗回转挖掘机到电动驱动和内燃机动力回转挖掘机、应用机电液一体化技术的全自动液压挖掘机的发展过程。常见的挖掘机结构包括：动力装置，工作装置，回转机构，操纵机构，传动机构，行走机构和辅助设施等。从外观上看，挖掘机由工作装置，上部转台和行走机构三部分组成。挖掘
15、机一般分为反铲挖掘机和正铲挖掘机。反铲式是我们见过最常见的，向后向下，强制切土。正铲挖掘机的铲土动作形式。正铲的挖斗比同当量的反铲的挖掘机的斗要大一些，可开挖含水量不大于 27%的一至三类土，且与自卸汽车配合完成整个挖掘运输作业，还可以挖掘大型干燥基坑和土丘等。正铲挖土机的开挖方式根据开挖路线与运输车辆的相对位置的不同，挖土和卸土的方式有以下两种: 正向挖土，侧向卸土；正向挖土，反向卸土。社会的现代化建设，各种工程的实施都需要大量的工程机械。挖掘机作为一种重要的工程机械，其的快速发展具有重要的意义。由于挖掘机的工作环境复杂，工作载荷大，再工作过程中受到各个方面冲击力以及机械震动摩擦破坏等。在挖
16、掘机各组成结构中，挖掘机底架梁是一个重要的承载结构。底架梁向上支撑挖掘机的回转机构，向下支撑两边的行走装置。因此底架梁不仅要接受从挖掘臂传递来的冲击力，还要接受地面对挖掘机的各种反力。在这种复杂的情况下，要求底架梁必须是有高强度的材料构成，优秀的结构设计和高水平的焊接链接；这样才可以保证挖掘机在工作是稳定可靠且具有较长的寿命。本论文是基于现代挖掘机底架梁结构，通3过科学的分析方在目前的结构基础上进行改进尤化设计。希望以此来提高底架梁的强度和力学性能，提升挖掘机各种工况下的稳定高效的工作能力。1.2.2 国内发展概况我国的挖掘机生产起步较晚，从 1954 年抚顺挖掘机厂生产第一台斗容量为 1m3
17、的机械式单斗挖掘机至今，大体上经历了测绘仿制、自主研制开发和发展提高等三个阶段。新中国成立初期，以测绘仿制前苏联 20 世纪 3040 年代的 W 系列等型机械式单斗挖掘机为主，开始了我国的挖掘机生产历史。 到 20 世纪 80 年代末，我国挖掘机生产厂已有 30 多家，生产机型达 40 余种。中、小型液压挖掘机已形成系列，斗容有 0.12.5 m3 等 12 个等级、20 多种型号，还生产 0.5-4.Om3 以及大型矿用 10m3、12m3 机械传动单斗挖掘机，1m3 隧道挖掘机，4m3 长臂挖掘机，1000m3h 的排土机等，还开发了斗容量 O.25m3 的船用液压挖掘机，斗容量 O.4
18、m3、O.6m3、0.8m3 的水陆两用挖掘机等。但总的来说，我国挖掘机生产的批量小、分散，生产工艺及产品质量等与国际先进水平相比，有很大的差距。改革开放以来，积极引进、消化、吸收国外先进技术，以促进我国挖掘机行业的发展。这些厂通过数年引进技术的消化、吸收、移植，使国产液压挖掘机产品性能指标全面提高到 20 世纪 80 年代的国际水平，产量也逐年提高。由于国内对液压挖掘机需求量的不断增加且多样化，在国有大、中型企业产品结构的调整，牵动了一些其他机械行业的制造厂加入液压挖掘机行业。随着我国加入 WTO，我国机械制造业直接面对国际同行的竞争压力和挑战。怎样应对激烈的国际竞争和快熟变化的市场需求，不
19、断降低成本提高质量，实现快速响应的手段以便再新的市场竞争中求得生存和发展，已成为我国工程机械行业不可回避的重要问题。但从另一方面来说，加入 WTO 为我们提供了前所未有的机遇，我们必须抓住机遇迎头赶上。各种各样工程机械，建筑机械的智能化已成为当今自动化技术的发展的一个重要方向。1.2.3 国外挖掘机发展概况4工业发达国家的挖掘机生产较早，法国、德国、美国、俄罗斯、日本等是斗容量 3.5-40 m3 单斗液压挖掘机的主要生产国，从 20 世纪 80 年代开始生产特大型挖掘机。例如，美国马利昂公司生产的斗容量 50-150 m3 的剥离用挖掘机，斗容量 132 m3 的步行式拉铲挖掘机，是世界上目
20、前最大的挖掘机。目前挖掘机不论是国内还是国外的发展都向着多样化方向发展，1）开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。2) 重视采用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通用化发展速度。3)更新设计理论，提高可靠性，延长使用寿命。 4)迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。5)更注重环境保护，CAT、小松等厂家纷纷推出满足三次排放要求的挖掘机。纵览挖掘机一百三十多年的发展史。挖掘机由手动操作的机械型到自动全液压设计以及目前的机电液一体化的全自动机器。挖掘机的性能一直向着更稳定，高效，大工率的方向发展。我国的挖掘机设计制造设计起步晚，发展至今大体上经历了测绘仿制、自主研制开发和发展
21、提高等三个阶段。但与国外一些制造商再大功率方向的发展相比有一定的差距。挖掘机的发展不是孤立的某一部件的创新，而是各个部件共同优化创新，才能提高机器的整体性能。底架梁是挖掘机的重要部件，底架梁的优化创新再挖掘机的发展中具有重要的意义。因为只有更优秀更合理的底架梁设计才能支撑起性能更好的挖掘机器。1.2.4 论文主要内容本论文研究的主要内容如下所述：做挖掘机底架梁的三维设计与结构的优化首先要做的是了解底架梁的结构，底架梁是由钢板焊接在一起的复合承重梁，绘制底架梁的零件图以及装配图可以很好的明细底架梁的结构。其次是运用软件制作出底架梁的实体模型，建模软件有很多钟，一般选择 PRO/E 建模软件在建模时即方便又快速高效而且操作简便。论文的第三部分是对底架梁的实体模型加载进行有限元分析，这中间有一点要注意的是把 PRO/E 文件导入到 ANSYS 软件中要通过特殊的中间文件格式 IGS；分析计算之后会得到底架梁的应力云图，可以清晰的看到各个部位的应力分布情况。最后的部分是对底架提出一些改进方案，这里可以根据 ANSYS有限元分析结果拿出一到三种可行的优化设计想法，并且做最后的分析说明。1.2.5 优化研究的意义
