1、本科毕业论文（20 届）矿用电动式挖掘机中央枢轴组件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 日毕业设计任务书设计题目： 矿用电动式挖掘机中央枢轴组件三维设计与分析 1设计的主要任务及目标一、在矿用电动式挖掘机中央枢轴组件现有方案的基础上，绘制其组件零件图；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
2、基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中央枢轴组件的主要组成、结构和功能，撰写开题报告一份。熟悉矿用电动式挖掘机中央枢轴组件的各组成零部件，绘制三维模型。根据矿用电动式挖掘机的工况和中央枢轴的主要受载情况，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. 有色设备，2013，4：12-15.3）2100BL 电铲中央枢
3、轴改进方案的探讨J. 铜业工程，2008，3：66-70.4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） 2014.12.012015.12.302 模型建立阶段（中期答辩报告一份） 2015.01.012015.03.153 有限元分析及方案改进阶段 2015.03.162015.04.304 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 日I矿用电动式挖掘机中央枢轴组件三维设计与分析摘要：矿用挖掘机的结构非常复杂，往往都是多发动机同时驱动，它的工作环境非常糟糕，外部载荷随着工作情况的不同而变化，为了使其平安作业，工作顺畅，在矿用电动式挖掘机
4、设计的时候，除了必要的静力计算和强度校核外，还需要利用仿真软件进行运动学仿真和有限元分析，用来确保当初设计的机械强度及挖掘机的可靠性。本文详细了解了电动式单斗挖掘机的组成结构， 根据所掌握的资料和实际测量确定了中央枢轴的结构尺寸。然后将 Pro/e 中建立的中央枢轴的三维模型导入ANSYS 中。最后运用有限元软件 ANSYS，对挖掘机中央枢轴在不同工况下受到的载荷进行了静力分析。然后根据所学习的知识和老师的指导，结合实体模型和仿真分析得出的数据，分析可能出现的失效形式，提出有效的解决方案和改进办法。关键词：中央枢轴，有限元分析，Pro/e，ANSYSMine explosion-proof e
5、lectric excavator central pivot component 3d design and analysisAbstract: Multiple engines are driven simultaneously because of the complex structure of mining excavators.The working environment is worse than others. External loads has been changed with the changing of working conditions. In order t
6、o making work peace and smooth, kinematics simulation and finite element analysis need to be made by using the simulation software besides the static calculation and strength check.This design can be used to make sure that the original design of the mechanical strength and the reliability of the exc
7、avator.This paper writes about the composition of the structure of the electric single - bucket excavator. According to the available information and the actual measurement, the central pivot structure size is determined.Then the three-dimensional model of Pro / e in the establishment of a central p
8、ivot imported into ANSYS. Finally,under different conditions,the central pivot of the excavator were subjected to static analysis by using ANSYS,which is a finite element analysis software. According to the study of knowledge and the teachers guidance, the failure modes that may arise are analysised
9、 combing with the solid model and simulation data. And it is an effective solutions and the way to improve which are put forward.IIKeywords: the central pivot, the finite element analysis, Pro/e, ANSYSIII目录1 绪论 .11.1 概述 .11.2 电动式挖掘机国内外发展状况 .11.3 市场前景分析 .21.4 本论文研究的必要性及意义 .31.5 本论文研究的内容 .32 中央枢轴的结构分析
10、 .42.1 矿用挖掘机工作装置简介 .42.2 中央枢轴的结构分析 .42.3 中央枢轴的零件测绘 .52.4 中央枢轴的应力计算 .92.5 本章小结 .143 中央枢轴模型的建立 .153.1 PROE 概述 .153.1.1 应用软件 PROE 简介 .153.1.2 PROE 软件的特点 .153.2 参考模型的创建 .163.3 中央枢轴模型的导入过程 .253.4 本章小结 .264 中央枢轴的有限元仿真分析 .274.1 有限元方法概述 .274.2 有限元分析方法的步骤 .274.3 应用软件 ANSYS 的介绍 .284.3.1 ANSYS 软件简介 .284.3.2 AN
11、SYS 的主要功能 .294.3.3 有限元模型的建立 .304.4 模型网格划分 .304.4.1 单元类型的选择 .304.4.2 选择网格划分方式 .31IV4.4.3 指定单元划分形状 .314.5 中央枢轴应力分析 .324.6 改进方案 .344.7 本章小结 .345 结论 .35参考文献 .36致 谢 .37太原工业学院毕业设计11 绪论1.1 概述目前，大型矿用电动式挖掘机在国内外工程施工及矿山开采行业中有都着广泛的应用，其功能的优劣对挖掘效率有很大的影响。如今国际市场竞争日趋激烈，怎么样提高产品的质量才是增加市场竞争力的关键。矿用挖掘机的结构非常复杂，往往都是多发动机同时驱
12、动，它的工作环境非常糟糕，外部载荷随着工作情况的不同而变化。为了让它能安全顺利的进行工作，在矿用电动式挖掘机设计的时候，除了必要的静力计算和强度校核外，还需要运用ANSYS 进行运动仿真和有限元分析，用来确保当初设计的机械强度及挖掘机的工作可靠性。1.2 电动式挖掘机国内外发展状况我国的挖掘机自主设计起步较晚，上世纪五十年代初期只能靠引进苏联机械。1957 年我国第一台 W-3 型 3 立方米矿用电动式挖掘机试制成功,标志着我国挖掘机生产的开始。经过近二十年的发展，在 1977 年挖掘机的生产有了重大突破，自主研制出了斗容量为 10 立方的 WK-10 型和斗容量为 13 立方的 WD-200
13、0 型。中国是个矿业大国，采矿业发展迅速，为了适应形式，我国引进美国 P&H 公司的先进技术，结合自己的创新研发了 P&H-2300XPHE P&H-2800XP 两款大型挖掘机，斗容量分别为 16m 3 和 23 m 3 。这两款挖掘机的研发成功，是我国挖掘机工业跨越式的一步。近年来我国电动式挖掘机制造有了明显的进步，但不管从产品质量、工艺水平还是设计水平和那些先进的大国相比还是有一定的差距。改革开放以来，随着我国国民经济的高速发展、人们生活水平的提高，对能源和资源消耗也大大增加，高效化、规模化和清洁化的开采方式成为产品开采的主要方向。根据国家规划，未来几年，国家建设数个现代化大型矿井和千万
14、吨级以上的特大型露天煤矿，煤炭行业发展的主要方向逐渐集中化、大型化，大型矿业基地的建设将增多。随着我国的飞速发展，钢铁的消耗大大增加，钢铁产业的趋势也向设备大型化和矿山大型化发展，所以对大型矿用挖掘机的供应需要也将增大。2自从建国以来以来， 20 至 50 立方米大型矿用挖掘机是我国露天矿山使用最多的机械，但是由于缺乏自主生产的能力，基本都靠进口或与外国公司合作生产，核心制造技术缺乏受制于国外公司。2006 年以来我国成功的研制了具有完全知识产权的 20 m 3 、27 m 3 以及大型的 WK-55 型大型矿用挖掘机，打破了大型矿用挖掘机领域的产品和技术被国外公司垄断的局面，也使我国发展成为
15、世界上屈指可数的自主研发生产大型挖掘机的国家之一。随着高新技术不断的在矿山设备中的应用，以及为了适应日益变大的矿用汽车的铲装需要，对矿用挖掘机的要求更加智能化和大型化。由于挖掘机在土建工程和露天采矿中的应用都非常广泛，很多发达的国家对挖掘机的生产和研发都非常重视。目前，国外制造大型挖掘机的国家主要有日本、美国和德国，其他国家像英国等也有一定的生产规模。以下是几个发达国家的挖掘机生产发展概况：最早研究生产挖掘机的国家是美国，1933 年美国的机械工程师开始单斗挖掘机的研发，经过三年多努力制造出世界上首台机械传动挖掘机。美国的挖掘机的生产技术始终处于领先地位，尤其是大容量铲斗的矿用挖掘机，在世界上
16、几乎处于垄断地位， 在机械结构、产品性能、电器传动技术和售后服务等方面都领先于大多数挖掘机生产国。美国是挖掘机出口最大的国家，每年世界 1/4 以上出口量都是出自于美国。国外主要的挖掘机生产公司有美国的 Harnischfeger 公司（简称 P&H 公司）、Bucyrus&Eris 公司（简称 B&E 公司）等三十余家企业。其中：B&E 公司主要产品有 395-B、295-B、1570-WS、1670-W 等型号；P&H 公司主要产品有 2300-XP、2800-XP 、P&H-1900AL、P&H-2100BL 等型号。美国挖掘机工业的特点是生产专业化、产品高质量、配件充足，其中铲斗、履带
17、板、斗齿、离合器、制动器等都有专业生产厂。1.3 市场前景分析根据国家十一五规划，未来几年，将以建设现代化大型矿井和千万吨级以上的特大型露天煤矿的集中开采模式为主。我国在建的和已经投入运行的大型煤炭生产基地有十三个，还有一批年产量在 5000 万吨以上的大型煤炭企业和 4-6 个上亿吨的特大企业正在规划中，大型矿业基地的形成已经成为煤炭行业以后发展的主要方向。同时从世界供需情况来看，国际矿产品需求量大、供应紧张，也使大型矿用挖3掘机的市场需求保持增长态势。因此我认为，在矿山机械需求大、设备大型化的大背景下，大型矿用挖掘机的销售方面在接下来几年不会有明显的压力。1.4 本论文研究的必要性及意义虽
18、然近年来随着我国经济的发展，挖掘机行业取得了很大的进步，但是由于起步较晚不管在技术水平还是其产品质量方面，与发达国家相比还有一定距离 。 设计方法的落后、前人经验的匮乏是造成这种现状的主要原因。大家都知道，产品的设计质量对产品在实际生产中的使用至关重要，而采用有限元仿真研究的目的就是设法加快产品的研发速度，提高产品的设计质量，从本质上提高产品的质量可靠性。目前，在大型矿用挖掘机的设计水平上、设计手段及产品质量上，国外已经将人机环境作为一个系统开始向高智能化方向发展，提倡绿色环保的低振动、低噪音设计理念，在挖掘机设计过程中普遍应用现代化设计理念，使产品设计更加合理性能更加可靠。而在中国，传统的仿
19、形设计任然是大部分设计师们采用的手段，直到近几来才与世界接轨逐步应用现代化的设计方法来对挖掘机进行设计制造。本文是对挖掘机中央枢轴进行三维设计及有限元静力仿真分析，充分利用手中掌握的数据和前人的研究成果，在单斗电动式挖掘机基础上对的大型矿用电动式挖掘机中央枢轴进行设计分析。在正确地分析载荷和合理地建立模型的基础上，对其进行有限元仿真分析，从而提高设计质量，减少试验环节，加快设计周期，对我国挖掘机行业的机械设计制造具有一定的实际意义和参考价值。1.5 本论文研究的内容本课题的目标是对矿用电动式挖掘机中央枢轴的三维设计及有限元仿真分析。主要内容如下：（1）分析矿用电动式挖掘机中央枢轴的组成结构、设计要求和设计方法，运用三维软 Proe 建立挖掘机中央枢轴模型，并导入 ANSYS 中进行有限元静力分析；
