ZL50装载机的三维建模与动态仿真毕业设计【含CAD图纸、SW三维建模】
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内蒙古科技大学毕业设计I摘摘要要装载机是一种用途十分广泛的工程机械,可以用来铲装、 搬运、 卸载、 平整散装物料,工作装置对于装载机来说是重中之重,装载机工作装置的结构和性能直接影响整机的工作尺寸和性能参数,因此,工作装置的合理性直接影响装载机的生产效率、工作负荷、动力与运动特性、不同工况下的作业效果等。但由于装载机传统开发模式存在的开发周期长、过程繁杂、开发成本高、性能测试困难等问题,本文将仿真技术引入装载机开发领域,完成以下工作:(1) 介绍了装载机的发展历史及前景, 装载机的种类, 介绍了仿真技术产生的背景、在国内的发展状况以及仿真技术的实际意义。(2) 对液压缸作出了合理的选择。(3) 简述了 Pro/E 软件在工程设计中的应用, 利用 Pro/E 构建装载机的三维实体模型,并对其进行装配,在 Pro/E 环境下进行了装配干涉检验。(4) 在 Pro/ENIEER MECHANISM 环境下进行运动仿真,得出装载机工作的性能曲线。关键字:关键字:装载机 工作装置 液压缸仿真技术 三维建模内蒙古科技大学毕业设计IIAbstractLoaders is widely used in mechanical engineering, and can be used for transporting,shovels, unloading, flat bulk materials, the working device is the most important to loader, andit directly affects the structure and properties of the machine work size and performanceparameters, therefore, the rationality of the work unit directly affects the efficiency ofproduction and work loads of loader, motivation and movement characteristics under differentworking conditions, the effect of the operation, etc. Aim to the problems that exist intraditional research way of loader, for example the research cycle is long, the cost is long, thecost is high and the performance test is complex etc, this paper leads virtual prototypetechnology into research of loader. The following research works are completed:1.The development foreground, the category and loaders history is introduced, also thebackground of simulation technology come into being, developing status in local andthe significance of virtual prototype technology is introduced.2.To brief introduce the Pro/E software which application in the field of engineering,the 3D modeling is used by Pro/E software, which is built and interferential test ofassembly in Pro/E environment is completed.3.The simulated motion in Pro/E environment is completed, and the capability curve isreached.4.Arational choice for the hydraulic actuating cylinder.Keywords: Loader, Working mechanism, hydraulic actuating, Simulation technology, 3Dmodeling内蒙古科技大学毕业设计III目录摘要.IAbstract. II第 1 章 引言.11.1 装载机的简介.11.1.1 装载机的发展历史及前景.11.1.2 国内外装载机发展现状.21.1.3 装载机的种类.31.2 运动仿真技术简介.61.2.1 运动仿真技术产生的背景.61.2.2 运动仿真技术.61.2.3 运动仿真技术在国内外的发展概况.71.2.4 发展运动仿真技术的重要意义.71.3 Pro/ENGINEER 软件在工程设计中的应用. 81.3.1 Pro/ENGINEER 软件介绍.81.3.2 运动仿真技术对装载机设计理念的影响.101.4 本章小结.12第 2 章 液压缸的选择.132.1 转斗油缸的选择.132.1.1 转斗油缸作用力的确定.132.1.2 根据载荷和系统压力计算油缸内径 D.142.1.3 确定活塞杆直径 d.142.2 动臂油缸的选择.15内蒙古科技大学毕业设计IV2.2.1 动臂油缸主动力的确定.152.2.2 根据载荷和系统压力计算油缸内径 D.152.2.3 确定活塞杆直径 d.16第 3 章 尺寸参数设计.173.1 动臂与铲斗、摇臂、机架的三个铰接点 G、B、A 的确定.173.1.1 确定坐标系.173.1.2 画铲斗图.173.1.3 确定动臂与铲斗的铰接点 G.173.1.4 确定动臂与机架的铰接点 A.183.1.5 确定动臂与摇臂的铰接点 B. 193.2 连杆与铲斗和摇臂的两个铰接点 E、F 的确定. 193.2.1 按双摇杆条件设计四杆机构.193.2.2 确定 E、F 的位置.203.3 转斗油缸与摇臂和机架的铰接点 C 和 D 的确定.213.3.1 确定 C 点.213.3.2 确定 D 点.213.4 动臂举升油缸与动臂和车架铰接点 H 点及 M 点的确定.21第 4 章 装载机工作装置三维实体建模.224.1 工作装置零件建模.234.1.1 动臂的生成.244.1.2 铲斗的生成.254.1.3 连杆的生成.254.1.4 摇臂的生成.26内蒙古科技大学毕业设计V4.1.5 液压缸筒的生成.274.1.6 液压缸活塞杆的生成.284.1.7 连接销轴的生成.294.1.8 销钉的生成.294.1.9 车体的生成.314.2 工作装置装配模型建模.324.2.1 底座模型装配.334.2.2 动臂模型装配.344.2.3 铲斗模型装配.354.2.4 液压缸体模型装配.364.2.5 摇杆模型的装配连接.374.2.6 连杆模型与铲斗模型和摇杆模型的装配连接.374.2.7 销钉模型的连接.374.2.8 本章小结.39第 5 章 装载机工作装置运动仿真.405.1 概述.405.2 创建装载机工作装置的机械运动仿真.405.2.1 连接轴设置.405.2.2 创建快照.425.2.3 定义伺服电动机.425.2.4 运行运动.465.2.5 结果回放动态干涉检查与制作播放文件.485.2.6 测量.50内蒙古科技大学毕业设计VI第 6 章 结 论.54第 7 章 致 谢.55参考文献.56附表.57内蒙古科技大学毕业设计1第第 1 1 章章引言引言装载机是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建设工程的土石方施式机械,它主要用于铲装土壤、砂石、石灰、煤炭等散状物料,也可对矿石、硬土等作轻度铲挖作业。换装不同的辅助工作装置还可进行推土、起重和其他物料如木材的装卸作业。在道路、特别是在高等级公路施工中,装载机用于路基工程的填挖、沥青混合料和水泥混凝土料场的集料与装料等作业。此外还可进行推运土壤、刮平地面和牵引其他机械等作业。由于装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点,因此它成为工程建设中土石方施工的主要机种之一,同时也成为工程机械中发展最快、产销量及市场需求最大的机种之一。1.11.1 装载机的简介装载机的简介1.1.11.1.1 装载机的发展历史及前景装载机的发展历史及前景我国装载机始于 1960 年末,发展至今它经历了 3 个发展阶段,即 60 年代仿制摸索阶段;70 年代自力更生研制阶段;80 年代至 90 年代技术引进、合资合作发展阶段。自1958 年,上海港口机械厂首先测绘并试制了 67KW(90hp) 、斗容量为 13m 的装载机我国自己制造的第一台装载机之后。全国装载机产品从 1976 年的 446 台发展到 1996年的 18310 台,二十年内增长 41.1 倍。同时国民经济的发展与国家基建规模及资金投入的增大,更促进了我国装载机行业的迅速发展。生产企业由 1980 年的 20 家增至现在的100 余家,初步形成了规格为 0.810t 约 19 个型号的系列产品,并已成为工程机械主力机种。自此装载机在全国机械产品中,成为重要代表产品,令世人瞩目。随着我国经济的持续、健康、高速发展,对工程机械的需求将增长,这些需求对工程机械产品既提出了“量”又提出了“质”的巨大市场需求。我国“九五”期间土石方、路基路面、基础及建筑施工工作量预计比“八五”要大一倍以上,工程机械的总需内蒙古科技大学毕业设计2求量亦将为“八五”期间的二倍,推土机、装载机、轮式起重机、叉车、路面机械、凿岩钻车及挖掘机械等 7 类主要工程机械“九五”末的年需求量可在 11 万台以上。 而轮式装载机 2000 年时年需求达 2700030000 台以上,这就为我国轮式装载机行业的发展提供了一个良好的市场前景,为制订战略发展宏伟目标提供科学决策依据。综观国外装载机的发展特点及外部环境,专家预测未来装载机的主要发展趋势是:(1) 开发节能、高效、可靠、环保型产品,并研制无泄漏装载机。(2) 微电子及机电液仪一体化技术将获得越来越广泛的应用。(3) 安全性及舒适性是产品发展的重要目标。(4) 大型化与微型化仍是产品系列化的两极方向。(5) 技术进步、人才培养和售后服务将成为企业生存的三大关键内在因素。(6) 集团化、社会化与国际化是企业生存与发展的必由之路。1.1.21.1.2 国内外装载机发展现状国内外装载机发展现状目前国内装载机工作装置大多采用反转六连杆机构,因它具有掘起力大、高位自动放平、结构简单等优点,具有广泛的适用性。而在国外普遍流行的正转八连杆机构,不仅可以象普通装载机一样完成物料作业,还具有平动性好等优点,其配置货叉、夹钳等机具的应用也非常广泛,并且工作装置可通过快换机构,使作业机具的转换非常方便。在 1996 年卡特彼勒公司首次在矿用大型装载机上采用了单动臂铸钢结构的特殊工作装置,即所谓的 Versa Link 机构1。这种机构替代综合多用机上的八杆平行举升机构和传统的 Z 型连杆机构,可承受极大的扭矩载荷和具有卓越的可靠性(耐用性) ,驾驶室前端视野开阔。OK 公司研制的创新 LEAR 连杆机构,专为小型装载机而设计。Schaeff公司于 2000 年 3 月在 Intermat 展览会上展出的高卸位式 SK L873 型轮式装载机的可折叠式创新连杆机构工作装置,进一步增加了轮式装载机的工作装置的种类。内蒙古科技大学毕业设计3装载机工作装置的设计, 是通过建模与仿真完成。 ZL 系列装载机是一种高效率的工程机械,具有结构先进,性能可靠,机动性强,操纵方便等优点。广泛应用于矿山,建筑工地,道路修建,水利工程,港口,货场,电站以及其他工业部门,进行装载,推土,铲挖,起重,牵引等多种作业。对加快工程建设速度减轻劳动强度提高工程质量降低工程成本都发挥着重要作用,因此近几年来无论在国内还是国外装载机品种和产量都得到迅速发展,成为工程机械的主导产品之一。1.1.31.1.3 装载机的种类装载机的种类目前,装载机的国际市场分为两类: 一类是发达国家市场, 二类是发展中国家市场。发达国家市场的产品技术水平和质量要求很高,竞争异常激烈。由于我国装载机产品档次低,不易开拓此类市场,而应重点巩固与继续发展二类市场。二类市场主要包括东南亚、中东、非洲和南美洲四大区域市场,主要由发展中国家组成,与我国有良好的外交关系,往来密切,也是我国装载机出口量最多的地区。因此,发展中国家市场是目前我国装载机进入国际市场的主攻方面。由于受东南亚经济危机持续时间加长、印尼国内动乱及一些国家货币贬值等诸多外部因素的影响,导致了我国装载机出口难度的增加,也给国外装载机及其关键部件的进口创造了外部条件。因此,有关生产装载机企业(包括合资企业)要积极准备,把握时机,迎接挑战,扎实搞好“三大战役”,务求在品种、质量、交货期和售后服务等方面有一个更大的发展。在有限的时间内,集中力量解决目前存在的以下三个问题:相当一批产品水平较低,高科技含量少,可靠性较差;中小型号生产厂家多而杂,产量过剩;产品结构不合理,多数企业形不成规模效益。总的来说,常用的单斗装载机,按行走装置,发动机功率,传动形式,行走系结构,装载方式的不同进行分类。1、行走装置的不同:装载机分为轮胎式和履带式两种。内蒙古科技大学毕业设计4轮胎式装开机由动力装置、车架、行走装置、传动系统、转向系统、制动系统、液压系统和工作装置等组成,其结构简单图如图 1.1 所示。轮胎式装载机采用柴油机为动力装置,液力变矩、动力换档变速箱、双桥驱动等组成的液力机械式传动系统(小型轮胎式装载机有的采用液压传动或机械传动) ,液压操纵,铰接式车架转向,反转杆机构的工作装置。履带式装载机以专用底盘或工业拖拉机为基础车,装上工作装置并配装相就原操纵系统而构成,如图 1.2 所示。履带式装载机的动力装置也是柴油机,机械式传动系统则采用液压助力湿式离合器或湿式双向液压操纵转向离合器和正转连杆机构的工作装置。图 1.1 轮胎式装载机内蒙古科技大学毕业设计5图 1.2 履带式装载机1-行走机构;2-发动机;3-动臂;4-铲斗;5-转斗油缸;6-动臂油缸;7-驾驶室;8-燃油箱2、发动机功率:功率小于 74kw 为小型装载机。功率在 74147kw 为中型装载机功率在 147515kw 为大型装载机功率大于 515kw 为特大型装载机3、传动形式:液力机械传动,冲击振动小,传动件寿命长,操纵方便,车速与外载间可自动调节,一般在中大型装载机多采用;液力传动:可无级调速、操纵间便,但启动性较差,一般仅在小型装载机上采用;电力传动:无级调速、工作可靠、维修简单、费用较高,一般在大型装载机内蒙古科技大学毕业设计6上采用。4、行走结构:轮胎式:质量轻、速度快、机动灵活、效率高、不易损坏路面、接地比压大、通过性差、但被广泛应用;履带式:接地比压小,通过性好、重心低、稳定性好、附着力强、牵引力大、比切入力大、速度低、灵活性相对差、成本高、行走时易损坏路面。5、装卸方式:前卸式:结构简单、工作可靠、视野好,适合于各种作业场地,应用较广;回转式:工作装置安装在可回转 360O 的转台上,侧面卸载不需要调头、作业效率高、但结构复杂、质量大、成本高、侧面稳性较差,适用于较侠小的场地。后卸式:前端装、后端卸、作业效率高、作业的安全性欠好。1.21.2 运动仿真技术简介运动仿真技术简介1.2.11.2.1 运动仿真技术产生的背景运动仿真技术产生的背景进入 21 世纪,科学技术突飞猛进,社会发展日新月异。人们对个性化产品的需求越来越迫切, 对产品性能的要求也越来越高, 全球化经济已明显地呈现出买方市场的特点。由于这一变化,导致市场竞争日趋激烈,而竞争的核心则主要体现在产品创新上,体现在对客户的响应速度和响应品质上。 传统的物理样机在产品的创新开发中, 在开发周期、开发成本、产品品质等方面已越来越不能满足市场需求,运动仿真技术正是在这一市场需求的驱动下产生的。1.2.21.2.2 运动仿真运动仿真技术技术运动仿真技术是一种崭新的产品开发方法, 是多个相关学科领域交叉、 集成的产物,是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。其涉及机械、电子、计算机图形学、仿真建模、虚拟现实等多个领域、多项技术,以计算机仿真和产品生命周期建模为内蒙古科技大学毕业设计7基础,以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心,借助成熟的三维计算机图形技术、图形用户界面技术、信息技术、集成技术、多媒体技术、并行处理技术等,将分散的产品设计开发和分析过程集成在一起,使得与产品相关的所有人员能在产品研制的早期直观形象地对虚拟的产品原型进行设计优化、性能测试、制造仿真以及使用仿真等。换句话说“运动仿真”设计方法就是在建造第一台(件)物理样机之前,利用软件技术建立产品系统计算机模型,通过基于实体可视化的仿真分析,模拟系统在真实工作环境条件下的运动和动力特性,以便反复修改设计方案,最终得到最优设计方案。1.2.3 运动仿真运动仿真技术在国内外的发展概况技术在国内外的发展概况国外已在各个领域广泛地应用仿真设计。所涉及到的产品从庞大的卡车到微小的照相机的快门,从火箭到轮船的锚机。在工程矿山机械行业,如约翰迪尔公司利用仿真技术成功地解决了工程机械在高速行驶时出现蛇行现象的问题及在重载下的自激振动这个一直困扰着设计师及用户的难题,大大提高了工程矿山机械高速行驶性能与重载作业性能。卡特彼勒公司利用虚拟样机在切削任何一片金属之前就可快速试验数千种设计方案,不但降低了产品设计成本,缩短了开发周期,而且还制造出性能更为优异的产品。运动仿真技术在国外已有很多应用实例,我国也正极急投身于该项技术的研究中。在传统上,我国引进物理样机,开发人员往往停留在零件照抄的水平上,对于样机缺乏系统水平上的理解和研究,结果虽然投入了大量的人力物力,却收效甚微。但如果采用虚拟样机技术,技术人员便可对引进样机进行深入的研究,可以追踪样机的设计思想,从而真正提高设计人员的水平,开发出能满足市场需求的产品来。1.2.41.2.4 发展运动仿真技术的重要意义发展运动仿真技术的重要意义运动仿真设计方法将分散的零部件设计和分析技术集成在一起,提供一种更全面地了解设备性能的方法。它利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式地探索虚拟物内蒙古科技大学毕业设计8体的功能,对设备进行几何、功能及制造等方面交互的建模与分析。在概念设计和方案论证中,便于设计师将自己的经验与想象融于计算机的虚拟样机设计中,充分发挥想象力和创造力,并替代物理样机进行性能模拟试验。设计师可在计算机上方便地确定、修改设计进程,逐步优化设计方案。通过运动仿真机试验,还可节省建立试验台、安装测试设备和测试仪表等有关的费用,更快地确定影响设计方案性能的敏感参数,达到最优化设计目的。这样,可大大缩短设备研发周期,降低研制成本,提高设计质量和效率,为产品赢得了竞争优势。1.31.3 Pro/ENGINEERPro/ENGINEER 软件在工程设计中的应用软件在工程设计中的应用1.3.11.3.1 Pro/ENGINEERPro/ENGINEER 软件介绍软件介绍Pro/ENGINEER 和 Pro/MECHANICA 是由美国参数技术公司推出的一套博大精深的三维 CAD/CAM 参数化软件系统, 被广泛应用于工程技术领域。Pro/ENGINEER 和Pro/MECHANICA 不仅能够实现机械二维和三维动态造型仿真设计、机械设计、模具设计、加工制造设计、而且还能够实现机构仿真、结构分析、优化设计、电路设计以及数据库管理等多种技术目的。应用领域包括航空航天、汽车、机械、NC 加工,电工等诸多行业。由于其强大而完美的功能 Pro/ENGINEER 几乎成为三维 CAD/CAM 领域的一面旗帜和标准。 它在国外大学院校里以成为学生工程必修的专业课程, 也成为工程技术人员必备的技术,是目前国际上专业设计人员使用最为广泛的、先进的、具有多种功能的动态设计仿真软件。随着我国加入 WTO ,一场新的工业设计领域的技术革命正在兴起。作为提高生产率和竞争力的有效手段 Pro/ENGINEER 也在国内形成一个广泛应用的热潮。Pro/ENGINEER WILDFIRE 是美国 PTC 公司于 2003 年新推出的 Pro/ENGINEER 系内蒙古科技大学毕业设计9列产品中的旗舰产品 该软件在原有的 2001 版本基础上新增了重多功能 , 特别强调了设计过程的易用性以及设计人员之间的互联性。 原有的 Pro/ENGINEER 产品的升级周期为半年一次 ,而本次升级却花了两年的时间 ,其产品性能有了本质性的改善。PTC 的系列软件不但包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能,还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。Pro/ENGINEER 提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。它的技术特点在于以下两个方面。1Pro/E 参数化设计特征和功能Pro/ENGINEER 是采用参数化设计的、基于特征的实体的建模工具,工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型,如 Hole(孔) 、Shell(壳) 、Chamfer(倒角)及 Round(倒圆角) 。用户可以方便的修改模型,给工程设计者提供了设计上从未有过的简易和灵活。2Pro/E 单一数据库Pro/ENGINEER 建立在统一基层上的数据库上,而传统的 CAD/CAM 系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库,是指工程中的资料全部来自一个库,每一个独立用户都能同时为同一件产品造型而工作。换言之,在整个设计过程任何一处发生改动,在整个设计过程的相关环节上都有响应。例如,一旦工程详图有改变,NC(数控)工具路径就会自动更新;组装工程图如有变动,也完全反映在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完美组合,把一件产品的设计工作紧密结合起来,使得设计效率更高,成品质量更好,产品能更好地推向市场,价格也更便宜,市场竞争力大大增强。本次对 ZL-50 轮式装载机的设计应用 Pro/ENGINEER WILDFIRE 软件,现就本次设计所接触到的几个主要模块做简要概述。1机械设计 CAD 模块机械设计模块是一个高效的三维机械设计工具,它可绘制形状相当复杂的零件。在内蒙古科技大学毕业设计10实际中存在大量形状不规则的物体表面,如摩托车轮毂,这些称为自由曲面。随着人们生活水平的提高,对曲面产品的需求将会大大增加。用 Pro/E 生成曲面非常方便,方法有:拉伸 旋转 放样 扫掠 网格 点阵等。由于生成曲面的方法较多,因此 Pro/E 可以迅速建立复杂曲面。2运动分析模块(Scenario For Motion)运动分析模块(CAE)是 CAE(Computer Aided Engineer)应用软件,用于建立运动机构模型, 分析其运动规律。 运动分析模块自动复制主模块的装配文件,并建立一系列不同的运动分析方案。 Pro/ENGINEER 运动分析模块可以进行机构的干涉分析, 跟踪零件的运动轨迹,分析零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力距。Pro/ENGINEER MOTION 模块为 Pro/ ENGINEER 的集成运动模块,是设计机构运动强有力的工具。该模块可以让机构设计师设定装配件在特定的环境中的机构动作并给予评估, 能够判断出改变哪些参数能满足工程及性能超群上的要求, 使产品设计达最佳状态,Pro/ENGINEER MOTION 有如下功能:1) 校验机构运动的正确性,对运动进行仿真,计算机构任意时刻的位置、速度、加速度。2)可以通过运动分析,得出装配的最佳配置。3)根据给出的力决定运动状态及反作用力。4)根据运动反求所需要的力。5)求出铰接点所受的力及轴承力。6)通过尺寸变量对机构进行优化。7)干涉检查。1.3.2 运动仿真技术对装载机设计理念的影响运动仿真技术对装载机设计理念的影响装载机是一种作业效率高,用途广泛的工程机械,它不仅对松散的堆积物料可进行内蒙古科技大学毕业设计11装运、卸作业,还可对岩石、硬土进行轻度铲掘工作,并能用来清理刮平场地及牵引作业。经过 80 多年的发展,到今天装载机已经成为一种必不可少的工程用具。目前,世界上已经出现了许多能够满足不同要求的规格种类繁多的装载机产品。随着科技的发展,和设计理念的不断更新,还将出现更多功能和性能优良的装载机产品。本次改装设计的ZL-50 装载机主要用于建筑施工代替人工,铲装粒度不大的散装物料,对提高中小型矿井的机械化水平有重要意义。通常在对轮式装载机的工作装置进行机构分析时一般采用图解法或解析法,采用图解法精度较低,使用解析法计算又很复杂,因此一般只对几个作业位置进行分析计算,难以了解全部工况的作业性能及负荷变化。为解决这一问题,我们使用机械系统运动学与动力学分析仿真软件对其进行分析。 这就要求先进行装载机工作装置的运动仿真设计。装载机工作机构的运动仿真的设计主要是用大型参数化建模工具 Pro/ENINEER 对工作装置先进行三维实体建模,然后实现动态模拟。为能够方便的解决在产品设计阶段中运动构件在运动过程中的运动协调关系、运动范围设计、可能的运动干涉检查等问题找到一个切实可行的新方法。装载机虚拟样机的设计步骤和传统设计步骤基本相同如图1.3 所示。内蒙古科技大学毕业设计12图 1.3 装载机工作装置运动仿真设计步骤1.4 本章小结本章小结本章主要讨论了运动仿真技术产生的背景、状况及发展趋势,介绍了运动仿真应用的领域和实现的过程,指出了课题研究的背景和实际意义,确定了论文所要完成的主要任务和预期目的。介绍了 Pro/ENGINEE 软件在工程设计中的应用。内蒙古科技大学毕业设计13第第 2 2 章章液压缸的选择液压缸的选择目前大多数装载机的工作装置只有两种油缸:动臂油缸和转斗油缸。动臂油缸与转斗油缸的作用力有两种情况:油缸推动机构运动时的作用力为主动作用力(简称工作力或作用力),其最大值取决于液压系统的工作压力和油缸直径(活塞作用面积);工作装置工作时作用于闭锁状态的油缸上的作用力为被动作用力,其最大值取决于液压系统的过载阀压力值和承载活塞面积。如工作装置的动臂油缸不动,靠转斗油缸转动铲斗而进行铲掘作业时,则转斗油缸所产生的作用力为主动作用力,动臂油缸所承受的作用力为被动作用力。当油缸最大被动作用力大于外载荷的作用力时,油缸无回缩现象,否则因过载阀打开而溢流,使油缸发生回缩。油缸作用力的分析与确定是装载机设计中的重要内容之一,分析装载机的工作情况可知,为保证装载机正常而有效地工作,油缸作用力应能保证装载机工作时发挥最大的铲起力,使铲斗装满,同时动臂油缸的作用力还应保证把满斗的物料提升到所需的卸载高度与卸载距离12。所以最大铲起力是确定油缸作用力的依据。确定了工作装置油缸作用力和可能产生的被动作用力后,便可按选定的液压系统的工作压力设计油随所需之缸径,并选定过载阀之压力。2.1 转斗油缸的选择转斗油缸的选择2.1.12.1.1 转斗油缸作用力的确定转斗油缸作用力的确定由图 2.1 所示,装载机在铲掘工况,动臂油缸闭锁,转斗油缸发出最大崛起力时,其主动力按下式计算:KNnllllGllllKPDF29550366. 313805 .8463153066825. 1R75647563aY1(2.1)式中K-考虑连杆机构摩擦损失的系数,取 K1.25;内蒙古科技大学毕业设计14ZP -最大铲起力;DG -铲斗自重;取KN66. 3GD;n-转斗油缸数。图 2.1 油缸主动力的计算简图2.1.22.1.2 根据载荷和系统压力计算油缸内径根据载荷和系统压力计算油缸内径 D D当油缸大腔进油,活塞杆承受推力 P14/21pDP (2.2)式中 D-油缸内径;p-系统压力;-油缸机械效率,对于橡胶密封=0.95。由于FPP 1则mmD16095. 0101614. 329500046在系列中取 D=200mm.2.1.32.1.3 确定活塞杆直径确定活塞杆直径 d d速比222dDD,压力较大时选用大值,此处取2则mmDd4 .141200212) 1(,(2.3)内蒙古科技大学毕业设计15取系列值 d=160mm.根据上述数据选用油缸型号为 HSGK200/160-EEcZ4000.2.22.2 动臂油缸的选择动臂油缸的选择2.2.12.2.1 动臂油缸主动力的确定动臂油缸主动力的确定由图 2.1 所示,当转斗油缸闭锁,动臂油缸产生最大崛起力时其主动力按下式计算:KNPlGlGlnlKPFKDaH169.5)503229.7813383030193.66389688.14(2104925. 1)R(,121110Y82(2.4)式中 K2-考虑连杆机构摩擦损失的系数,取 K21.25;aYR -最大铲起力;KG -动臂自重,约为 30KN;n-转斗油缸数。PF,-未考虑连杆机构摩擦损失的转斗油缸被动力。2.2.22.2.2 根据载荷和系统压力计算油缸内径根据载荷和系统压力计算油缸内径 D D当油缸大腔进油,活塞杆承受推力 P14/21pDP (2.5)即pPD14式中D-油缸内径;p-系统压力;-油缸机械效率,对于橡胶密封=0.95。由于HPP 1则mmD19.11995. 0101614. 316950046在系列中取 D=125mm.内蒙古科技大学毕业设计162.2.32.2.3 确定活塞杆直径确定活塞杆直径 d d速比222dDD,压力较大时选用大值,此处取2则mmDd4 .88125212) 1((2.6)取系列 d=90mm.根据上述数据选用油缸型号为 HSGF125/90EEcZ3000。内蒙古科技大学毕业设计17第第 3 3 章章 尺寸参数设计尺寸参数设计3.13.1 动臂与铲斗、摇臂、机架的三个铰接点动臂与铲斗、摇臂、机架的三个铰接点 G G、B B、A A 的确定的确定3.1.13.1.1 确定坐标系确定坐标系如图 3.1 所示,先在坐标纸上选取直角坐标系xOy,并选定长度比例尺1。3.1.23.1.2 画铲斗图画铲斗图把已设计好的铲斗横截面外轮廓按比例画在xOy坐标里,斗尖对准坐标原点 O,斗前臂与 x 轴呈4前倾角。此为铲斗插入料堆时位置,即工况。3.1.33.1.3 确定动臂与铲斗的铰接点确定动臂与铲斗的铰接点 G G由于 G 点的 x 坐标值越小,转斗铲取力就越大,所以 G 点靠近 O 点是有利的,但它受斗底和最小离地高度的限制,不能随意减小;而 G 点的 y 坐标值增大时,铲斗在料堆中的铲取面积增大,装的物料多,但这样就缩小了 G 点与连杆铲斗铰接点 F 的距离,使铲取力下降。图 3.1动臂上三铰接点设计综合考虑各种因素的影响,设计时,一般根据坐标图上工况 I 时的铲斗实际状况,在保证 G 点与 Y 轴坐标值mmyB350052和 x 轴坐标值Gx 尽可能小而且不与斗底干涉的前提下,在坐标图上人为地把 G 点初步确定下来。内蒙古科技大学毕业设计183.1.43.1.4 确定动臂与机架的铰接点确定动臂与机架的铰接点 A A(1) 以 G 点为圆心,使铲斗顺时针转动,到铲斗斗口OO与 X 轴平行为止,即工况。(2) 把已选定的轮胎外廓画在坐标图上。作图时,应使轮胎前缘与工况时铲斗后壁的间隙尽量小些,目的使机构紧凑、前悬小,但一般不小于 50mm ;轮胎中心 Z 的 y轴坐标值应等于轮胎的工作半径KR :12kwwwbbHdR(3.1)式中zy-Z 点的 y 坐标值,mm;wd -轮毂直径,mm;wb-轮胎宽度,mm;wbH /-轮胎断面高度与宽度之比。取 0.83;-轮胎变形系数,普通轮胎为 0.06。mmbbHdRwww78406. 015 .2383. 02254 .2512K(3.2)圆整后取 RK=785mm。(3) 根据给定的最大卸载高度、最小卸载距离和卸载角,画出铲斗在最高位卸载的位置图,即工况,此时,G 点位置为G ,如图 3.1 所示。(4) 以G 点为圆心,顺时针旋转铲斗,使铲斗口与 X 轴平行,即得到铲斗被举升到最高位置图(工况)。(5) 连接GG并作其垂直平分线因为 G 和G点同在以 A 点为圆心,动臂 AG 长为半径的圆弧上,所以 A 点必在GG的垂直平分线上。A 点位置尽可能低一点,以提高整机工作的稳定性,减小机器高度,改善司机视野。一般,A 点取在前轮右上方,与前轴心水平距离为轴距的2/13/1处。内蒙古科技大学毕业设计193.1.53.1.5 确定动臂与摇臂的铰接点确定动臂与摇臂的铰接点 B BB 点位置是一个十分关键的参数。它对连杆机构的传动比、倍力系数、连杆机构的布置以及转斗油缸的长度等都有很大影响。如图 3.1 所示,根据分析和经验,一般取 B点在 AG 连线上方,过 A 点的水平线下方,并在 AG 的垂直平分线左侧尽量靠近工况时的铲斗处。相对前轮胎,B 点在其外廓的左上部。3.23.2 连杆与铲斗和摇臂的两个铰接点连杆与铲斗和摇臂的两个铰接点 E E、F F 的确定的确定图 3.2连杆、摇臂、转斗油缸尺寸设计因为 B、 G 两点已被确定, 所以再确定 F 点和 E 点实际上是为了最终确定与铲斗相连的四杆机构 GFEB(即BEGF22)的尺寸,如图 3.2 所示确定 F 、E 两点时,既要考虑对机构运动学的要求,如必须保证铲斗在各工况时的转角,又要注意动力学要求4。为此,建议按下述方法进行设计:3.2.13.2.1 按双摇杆条件设计四杆机构按双摇杆条件设计四杆机构令 GF 杆为最短杆,BG 杆为最长杆,即必有GF+BFEF+BE(3.3)如图 3.2 所示,若令 GF=a,EF=b,BE=c,BG=d,并将式(3.3)两边除以 d,可得下式,即dadcdbK1(3.4)内蒙古科技大学毕业设计20初步设计时,上式各值可选取K=0.9500.955,a=(0.30.5)d,c=(0.40.8)d(3.5)1325mmdBG,K =0.993 , 所以由式(3.4)和式(3.5)可得:mmbEFmmdcBEmmdaF1247,7956 . 0,5304 . 0G(3.6)3.2.23.2.2 确定确定 E E、F F 的位置的位置这两点位置的确定要综合考虑一下四点要求:(1) E 点不可与前桥相碰,并有足够小的离地高度;(2) 工况时,使 EF 杆尽量与 GF 杆垂直,这样可获得较大的传动角和倍力系数;(3) 工况时,EF 杆与 GF 杆的夹角必须小于170,即传动角不能小于10,以免机构运动时发生自锁;(4) 工况时,EF 杆与 GF 杆的传动角也必须大于10。用图解法确定 E 点,如图 3.3 所示,分别以 B 点和 G 点位圆心,以c和22ab分别为半径画弧,则其交点为 E。再分别以 G 点和 E 点为圆心,a 和b为半径画弧,则交点必为 F。若上述 E 点和 F 点不满足要求,则要调整cba、的长度,重新作图,直到满意为止。但是要保证上述要求是很难的,尤其是精确保证GFEF 是很难的。所以设计时,一般使EFG不小于70即可。图 3.3连杆端部铰接点的设计为了防止机构出现“死点”、“自锁”或“撕裂”现象,设计时应满足下列不等式。工况时:GF+EFGE(3.7)工况时:EF+BEBF(3.8)内蒙古科技大学毕业设计213.33.3 转斗油缸与摇臂和机架的铰接点转斗油缸与摇臂和机架的铰接点 C C 和和 D D 的确定的确定3.3.13.3.1 确定确定 C C 点点从力传递的效果出发,显然使摇臂 BC 段长一些更有利,那样可以增大转斗油缸作用力臂,是掘起力相应增加。但加长 BC 段,必将减小铲斗与摇臂的转角比,造成铲斗转角难以满足各个工况的要求,并且使转斗油缸行程过长。因此,初步设计时,一般取1.0)BE(0.7BC (3.9)故取636mm0.8BEBC,C 点一般取在 B 点左上方,BC 与 BE 夹角(即摇杆折角)可取180130CBE,这里取140CBE。3.3.23.3.2 确定确定 D D 点点如图 3.2 所示,当铰接点 G、F、E、B、C 被确定后,则铲斗分别在工况、时的 C 点的位置4321CCCC、也就被唯一的确定了下来。因为铲斗由工况举升的工况或由工况下放到工况的过程中,转斗油缸的长度均分别保持不变,所以 D 点必为2C 点和3C 点连线的垂直平分线与1C 点和4C 点的垂直平分线的交点。 研究证明,D 点设计在 A 点的左下方较好,这样不但平动性好,而且动臂举升时,可减小举升外阻力矩,有利于举升油缸的设计。当 D 点偏前,转斗油缸无法偏置时,可采用中间铰接式油缸。3.43.4 动臂举升油缸与动臂和车架铰接点动臂举升油缸与动臂和车架铰接点 H H 点及点及 M M 点的确定点的确定动臂举升油缸的布置应本着举臂时工作力矩大、油缸稳定性好、构件互不干扰、整机稳定性好等原则来确定。综合考虑这些因素,一般动臂举升油缸都布置在前桥与前后车架的铰接点之间的狭窄空间里。如图 3.4 所示,一般动臂举升油缸与动臂的铰接点 H选定在 AG 连线附近或上方,并取 AHAG/3。AH 不可能取太大,他还受到油缸行程的限制。内蒙古科技大学毕业设计22图 3.4动臂举升油缸两铰接点的设计M 点往前桥方向靠是比较有利的。这样做,可使动臂油缸在动臂整个举升过程中,举升工作力臂大小的变化较小,即工作力矩变化不大,避免铲斗举升到最高位置时的举升力不足,因为此时工作力臂往往较小或最小。但是,采用底部铰接式油缸时,要使 M点前移是比较困难的,它受前桥限制,支座布置也较麻烦,如图 3.4a 所示,为克服 M点前移的困难, 可采取 M 点上移(即加大Mh )和 H 点向 B 点方向前移的办法, 使举升动臂油缸几乎呈水平状态,计算证明,这样布置也能得到较好的举升特性。经过上述各歩作图, 整个工作装置连杆机构的尺寸参数即设计完毕, 最后进行检验,在工况和工况之间选一个位置,画出已定的机构简图,然后检验铲斗的转角,经检验得,相对于工况的铲斗转角小于10,如图 3.5 所示,所以设计合理。图 3.5工作装置设计验证内蒙古科技大学毕业设计23第第 4 4 章章 装载机工作装置三维实体建模装载机工作装置三维实体建模4.14.1 工作装置零件建模工作装置零件建模在传统的工程设计中,设计人员首先在头脑中形成产品的三维轮廓,然后在图纸上利用二维工程图表示, 其他设计人员以及工艺 生产等不同部门的人员再通过二维图纸将产品还原为三维影像。由于图纸的错误和理解的偏差,设计人员的意图并不总能完全实现,因而设计制造的周期较长,产品的质量也受到影响。在产品的形状和结构较为复杂的时候尤其如此。因此三维化设计应该是发展趋势。三维模型的发展经历了由线框、曲面到实体的过程。实体模型最真实的反映三维形体的特性,不但包括了形体的几何轮廓,而且由于实体有密度属性,因而可以进行质量计算、干涉检查等操作。基本特征是建模时创建的第一个特征,是零件结构的基本要素。基本特征以后的其他特征依赖于基本特征。基本特征可以是实体特征,也可以是基准特征,正交基准平面就常常被用作基本特征。在 Pro/E 中进行零件设计的步骤是先创建基本特征,然后添加结构特征。开始做零件之前,应做好充分的准备工作,明确设计意图。认真考虑设计的关键尺寸,可以变动的尺寸与尺寸之间的关系,在装配时与其他零件的装配关系等。由于在 Pro/E 中实体模型可以有多种不同的生成方法,采取何种方法更为合理、 高效,需要有一个经验积累过程。一般来说,要根据图形的形状选择生成模型的方式。草图绘制尽量简化,最好不要绘制过渡圆角、倒角等非关键性信息。如果要像绘制二维工程视图那样绘制草图,效率会很低,实践证明也没有这个必要。 因为在 Pro/ENGINEER 中我们可以对实体进行各种编辑操作, 如倒圆角。 再就是如果草图绘制过于精细,再生成模型时会耗尽计算机资源,使得三维模型生成速度很慢且易出现问题。内蒙古科技大学毕业设计244.1.14.1.1 动臂的生成动臂的生成图 4.1动臂实体图动臂建模主要采用拉伸,首先选定草绘平面进入草绘模式,绘出动臂二维草图,然后进行拉伸生成动臂三维实体,再在其上打孔,应注意保证主要尺寸的准确性。对另一个动臂我们可以用复制的方法得到。复制方法有两种:一是镜像,另一是平移,如图 4.1是采用镜像。最后添加一些细节如图 4.1 动臂上的筋板,添加筋板时要注意参考面的正确建立。 对于复杂的零件,选择合理的生成方法就显得尤为重要。 因为选择不正确的生成方法不但效率低,而且有些情况根本就不能生成实体模型。因此,设计人员在设计实体模型之前,必须要考虑好模型的生成方法和步骤。这就要求设计人员要有较好的空间想像力和抽象思维能力,这也是三维建模同二维图形绘制最大的不同点之处。内蒙古科技大学毕业设计254.1.24.1.2 铲斗的生成铲斗的生成采用拉伸方法建立铲斗基本体,用抽壳功能形成基本壳体。在基本体上添加加厚板以及肋板特征。添加耳特征时只需建立耳特征的一个面,然后采用镜像复制命令就可以完成肋板的设计。最后采用两侧拉伸方法添加截齿特征和陈列生成。在铲斗建模过程中要注意的是两侧加厚板的复制。图 4.2 铲斗实体图4.1.34.1.3 连杆的生成连杆的生成连杆的生成比较简单,主要采用了拉伸命令,需要注意的是在草绘截面时尺寸的标注,要保证主要尺寸的准确,比如两孔中心距。内蒙古科技大学毕业设计26图 4.3 连杆实体图4.1.44.1.4 摇臂的生成摇臂的生成摇臂建模也主要采用拉伸命令,先建立特征实体的一半然后用复制特征命令镜像特征另一半,需要注意的是镜像特征时对称基准的建立方法。然后在基本特征上建立孔特征,应注意保证孔间距的准确,建议: 先建立摇臂两端的连接孔,生成后再建立中间连接孔。这样作,主要是避免三孔同时建立时出现的孔位置难以确定的问题。图 4.4摇臂实体图内蒙古科技大学毕业设计274.1.54.1.5液压缸筒的生成液压缸筒的生成图 4.5 转斗液压缸筒实体图图 4.6动臂液压缸筒实体图液压缸模型结构及尺寸参看机械设计手册,主要采用拉伸和去除材料命令生成,需要注意的是连接部和内部结构的建立方法。内蒙古科技大学毕业设计284.1.64.1.6液压缸活塞杆的生成液压缸活塞杆的生成图 4.7转斗油缸活塞杆图 4.8 动臂油缸活塞杆内蒙古科技大学毕业设计29其结构和尺寸需参看机械设计手册,也主要采用拉伸和裁减命令生成,注意也要加上密封槽。4.1.74.1.7 连接销轴的生成连接销轴的生成图 4.9 连接销轴实体销轴建模主要采用旋转命令,先绘制一条旋转轴,接着草绘截面,再绕旋转轴旋转360 度就可生成销轴实体,然后生成轴端的限位孔,最后在需要倒角的部位倒角。要注意的是建立限位孔时需先创建与柱面相切的基准面作为草绘截面4.1.84.1.8 销钉的生成销钉的生成图 4.10 销钉 40*120内蒙古科技大学毕业设计30图 4.11 销钉 60*120图 4.12 销钉 90*130内蒙古科技大学毕业设计31图 4.13 销钉 60*2404.1.94.1.9 车体的生成车体的生成图 4.14 车体的生成内蒙古科技大学毕业设计324.24.2 工作装置装配模型建模工作装置装配模型建模零件设计完成后, 往往需要根据设计要求对零件进行装配。 在 Pro/ENGINEER 的装配模块中,通过定义零件之间的位置约束关系,可以把子零件装配成一个装配件,并检查零件之间是否有干涉以及装配体的运动情况是否合乎设计要求。同时在生成装配体过程中,用户可以根据需要添加生成新的零件和特征。使用 Pro/E 进行装配设计有两种基本方法,示意图如图 4.15 所示。在上面两种方法中,第 1 种方法相对第 2 种方法是比较低端的方法。因为在真正的零件设计示意图零件零件部件装配件部件装配件零件零件装配件装配体设计示意图(a)由底向上的设计方法装配体设计示意图装配件零件零件部件装配件部件装配件零件零件零件设计示意图(b)由顶向下的设计方法图 4.15 Pro/E 的装配件设计方法内蒙古科技大学毕业设计33概念设计中很少利用一个零件来控制整个装配体的设计,往往都是在拿出产品的外在概念和功能概念后,逐步对产品进行设计上的细化,直至细化到单个零件。比如设计一种新型号的汽车,先由设计师拿出汽车外观的概念图,然后由底盘工程师和车身工程师一起进行汽车的布局协调,根据协调的结果,得到各自部分布局的概念图,在这个布局概念的基础上进行零件的细化设计。由此可以看出,在对产品总体设计上,以由顶向下的设计方法更为贴近实际一些。但是由底向上的设计方法并不是一无是处, 对于一些已经比较成熟的产品设计过程,采用这种设计方法效率反而高一些。 在实际的装配过程中通常混合使用这辆中设计方法,以发挥各自的优点。 比如本次对 ZL50 轮式装载机的改造设计, 由于该项设计在技术上已经比较成熟,所以采用第一种方法比较合适。前面已经生成装载机的各种底层零件的三维模型,然后采用由底向上的装配设计方法对这些零件进行空间定位来生成装配件。在装配件设计时,可以根据需要对装配件中的零件进行修改,比如修改零件尺寸,移动零件在装配件中的位置,生成新的特征等。对于一个装配件,当其中所有的零件都被完全约束时,这种装配件就称为参数化的装配件,否则就是非参数化的装配件。下面对本次装载机工作装置模型的装配设计过程作简要叙述:4.2.14.2.1 底座模型装配底座模型装配进入装配界面调入图 4.14 所示底座实体模型, 点选图 4.16 所示按扭固定主体模型。在元件放置对话框中点确定。内蒙古科技大学毕业设计34图 4.164.2.24.2.2 动臂模型装配动臂模型装配调入图 4.1 所示动臂实体模型,在元件放置对话框中点“连接”(图 4.17)在连接类型中选“销钉”(图 4.18),约束类型 1 为“轴对齐”分别在动臂模型和底座模型上选择需要对齐 的轴线。约束类型 2 为“平移”,分别在两实体上选择要匹配的面,系统会自动调节模型位置,可以点选“反向”按钮改变模型方向,在“约束偏移”框中输入偏移尺寸(如图 4.19)可以调节匹配面间的间隙,点选“移动” (图 4.20)进入移动界面,(如图 4.21)选“旋转”,用鼠标在图区点选动臂模型,然后拖动鼠标可以调节动臂角度,点中键终止操作,点“确定”完成动臂模型装配。图 4.17图 4.18图 4.19内蒙古科技大学毕业设计35图 4.20图 4.214.2.34.2.3 铲斗模型装配铲斗模型装配调入铲斗模型,动臂和铲斗的连接类型也属于销钉连接,分别选取铲斗模型和动臂模型需要对齐的轴,然后选择匹配平移面,操作方法同动臂装配操作方法。4.2.44.2.4 液压缸体模型装配液压缸体模型装配第一步:缸筒与底座的连接缸筒与底座的连接属于销钉连接,操作方法同前所述。旋转缸筒角度使其基本接近和动臂连接的角度。第二步:活塞杆与缸筒和动臂的连接活塞杆与缸筒之间能够自由伸缩,所以连接类型选用“圆柱”连接。 “圆柱”连接类型只有一个轴对齐约束, 分别选取缸筒和活塞杆的中心轴,点选“移动” 按扭选择“平移”,调整活塞杆在缸筒中的位置。在元件放置对话框中点“+”按扭(图 4.22)增加一个“销钉”连接类型,分别选取活塞杆前端环和动臂连接轴孔的轴线,然后分别选取活塞杆前端环和动臂需要匹配的面,输入偏移尺寸,系统自动完成活塞杆与动臂的装配连接,点“确定”退出。内蒙古科技大学毕业设计36图 4.22第三步:缸盖模型的装配调入缸盖模型,在连接类型中选取“刚性”连接,在约束中选“匹配”选择缸的前端面和缸盖内端面进行重合匹配,再增加“插入”约束,分别选取缸盖曲面和缸体曲面,系统自动完成缸盖的装配连接。4.2.54.2.5 摇臂模型的装配连接摇臂模型的装配连接摇臂模型与动臂模型装配连接也采用销钉连接操作方法同上所述。4.2.64.2.6 连杆模
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