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1、西南交通大学硕士学位论文小型液压挖掘机工作装置的参数化设计及仿真分析姓名：陈钮尘申请学位级别：硕士专业：驱动技术与智能系统指导教师：王国志20100301西南交通大学硕士研究生学位论文第1页摘要液压挖掘机是一种应用广泛的多功能的建设施工机械，作为工程机械的主力机 种。由于液压挖掘机具有多品种，多功能，高质量及高效率等特点，因此受到了广 大施工作业单位的青睐，其生产制造业也日益蓬勃开展。通过查阅国内外挖掘机开展状况的资料，了解到国外著名厂家的液压挖掘机在 设计方法上重视试验研究工作，重视电子计算机技术的应用，而国内的厂家那么更多 的停留在测绘仿制阶段，系统的计算机辅助设计应用还不够广泛，不够成熟
2、。本文 在此方面展开研究，完成了一套用于挖掘机工作装置设计的计算机辅助设计方法。首先，以UG三维建模软件为平台，使用UG/Ope nAP I和UG/Op e nG r i p等工具开发出工作装置参数化设计模块，在用户自定义界面中输入基 本参数后，便可快速建立工作装置各部件的模型。西南交通大学硕士研究生学位论文第3页(6)维修保养技术。简化日常保养维护及正规的检查维护操作。1 . 3挖掘 机的研究开展情况挖掘机械的最早雏形主要用于河道、港口的疏浚工作，第一台有确切记载的挖 掘机械是1 7 9 6年英国人创造的蒸气“挖掘铲L而能够模拟人的掘土工作，在 陆地上使用的蒸气机驱动“动力铲”于1 8 3
3、5年在美国诞生，主要用于修筑铁路的 繁重工作，被认为是现代挖掘机的先驱，距今已有1 7 0多年的历史。19 5 0 年，德国研制出世界上第一台全液压挖掘机。由于科学技术的飞速开展，各种新技 术、新材料不断在挖掘机上得到应用，尤其是电子技术和信息技术的应用使得液压 挖掘机在作业效率、可靠性、安全性和操作舒适性以及节能、环保等方面有了长足 的进步【3 J。国外的研究开展情况工业兴旺国家的液压挖掘机生产较早，产品线齐全，技术成熟。美国、德国和 日本是液压挖掘机的主要生产国，具有较高的市场占有率。从2。世纪后期开始， 国际上液压挖掘机的生产从产品规格上看，在稳定和完善主力机型的基础上向大型 化、微型化
4、方向开展；从功能上看，在满足基本功能的基础上，向多功能化、专用 化方向开展；从产品性能上看，向高效节能化、自动化、信息化、智能化的方向发 展。国外液压挖掘机在设计方法上重视试验研究工作，重视电子计算机技术的应 用，在技术方面，当前液压挖掘机的研制和改进主要着眼于发动机功率的充分有效 利用和铲斗挖掘力的充分发挥，采用新结构和新材料。国外的众多学者对挖掘机的轨迹控制，工作装置的运动学和动力学分析，自动 控制系统，工作装置的建模和优化，液压系统的参数优化，挖掘过程的参数化仿真以及采用一些先进算法和手段对挖掘机进行优化设计方面都展开过了深入的研到4 1o 1,3.2国内的研究开展情况早在1 9 5 4
5、年我国就已开始生产机械式挖掘机，当时的抚顺重型机器厂（抚 顺挖掘机厂的前身）引进了苏联的机械式挖掘机。从1 9 7 6年开始开发液压挖掘 机，6 0 . 7 0年代为国内液压挖掘机的开发阶段，以测绘仿制为主的开发，通过 多年坚持不懈的努力，克服一个又一个的困难，有少量几种规格的液压挖掘机终于 获得初步成功，上海建筑机械厂的WY 10 0、贵阳矿山机器厂的W4 . 6 0、合 肥矿山机器厂的WY 6。为那个时代产品，这为我国挖掘机行业的形成和开展迈出 了重要的一步。7 0.8 0年代为液压挖掘机开展、提高并全面替代机械挖掘机阶 段，这个阶段通过各主机生产厂引进技术（主要是西南交通大学硕士研究生学
6、位论文第4页德国挖掘机制造技术）的消化、吸收和移植，使我国液压挖掘机产品的性能指 标全面提高到国际7 0年代末8 0年代初期的水平。该阶段以长江挖掘机厂的W Y 1 6。和杭州重型机械厂的WY 2 5 0为主要代表。到了 8 0.9。年代，液压 挖掘机生产企业数量增加，新加入挖掘机行业的国有大、中型企业以技贸结合、合 作生产方式联合引进日本挖掘机制造技术。由于国内对挖掘机需求量的不断提高， 打破了多年来主要由六大家挖掘机生产企业垄断国内挖掘机市场的局面，引起了有 益于提高产品质量、性能和产量的良性竞争。当时的山东推土机总厂，黄河工程机 械厂，江西长林机械厂等开始加入了挖掘机的行业。上世纪9 0
7、年代至今，国外各 著名挖掘机制造厂商纷纷前来中国创办合资、独资挖掘机生产企业，它们的产品规 格全，以高质量、高性能、高效率迅速占据了国内的主要市场f 4 1。我国液压挖掘机行业的大开展是近二十年特别是1997年后十年的事，我国 挖掘机行业从一个弱小行业逐渐成长壮大起来，使中国成为当今世界上最大的挖掘 机市场，也成为世界挖掘机的制造中心。所谓世界挖掘机的制造中心，是因为世界 上各工业兴旺国家著名的挖掘机制造商几乎全部进入中国。在液压挖掘机的研究方面，国内的很多学者也做了大量的工作，可归纳为如下 4 : ( 1 )工作装置的有限元分析；(2)工作装置较点间隙的研究；(3)工作装置的运动分析；(4)
8、工作装置的优化。目前研究液压挖掘机工作装置设计的重点在于：(1 )提高工作装置结构件的可靠性和耐久性；(2 )对现有工作装置机构的计算机辅助计算和优化设计，提高挖掘机的挖掘 性能，同时使挖掘机设计人员从繁忙的计算中解脱出来。1.4本课题的研究内容及意义本文主要研究的内容如下：(1 )通过分析确定建立小型液压挖掘机动臂和斗杆模型所需的主次要参数， 在UG平台上，利用V 1 s u a 1 C + +开发环境，对小型液压挖掘机工作装置的 动臂和斗杆进行参数化建模。使用的开发工具为：U G/0 p e n G r i p编写参 数化模型，UG/OpenAP I控制用户界面，UG/OpentnStyl
9、 e r制作用户界面，UG/OpenMenuSc却t定制菜单。(2)对建立的模型进行运动学和动力学仿真分析，计算出其主要性能参数， 验证是否满足设计要求，同时通过模拟典型挖掘工况，计算工作装置在最恶劣情况 的受力西南交通大学硕士研究生学位论文第5页大小，为动臂斗杆的结构强度分析做准备。(3 )利用大型C A E软件A D A M S和A N S Y S进行联合仿真，分析挖掘机工作装置各部件在挖掘过程中的应力分布和大小，验证是否满足强度要求。通过以上的工作，能够加快工程师开发新机型的速度，所开发的参数化建模平 台在参数设置合理的情况下能很快建立基本的三维模型，减轻了建模劳动强度。在 有限元分析方
10、面，前人已经做了相当多的工作，但他们的载荷大都通过人为计算后 再手动施加，本文那么通过从A DAMS软件中导入载荷，使仿真过程更接近实际， 也提高了自动化程度。西南交通大学硕士研究生学位论文第6页第2章挖掘机的介绍及仿真平台开发概述挖掘机根据周期作业方式和连续作业方式可以将其分为：单斗挖掘机和多斗挖 掘机，按照用途又可以将单斗挖掘机分为：建筑型、采矿型和剥离型等。建筑型挖 掘机一般可装置各种不同的工作装置，进行多种作业，故又称通用型(或称万能 型)。按照传动方式，挖掘机分为机械传动式、液压传动式和混合传动式。本文研 究的对象是液压传动式通用型挖掘机，即单斗液压挖掘机，后续的研究分析都是围 绕该
11、机型展开的，所指的挖掘机均为单斗液压挖掘机。2.1 液压挖掘机的基本组成及工作原理单斗液压挖掘机是一种采用液压传动并以一个铲斗进行挖掘作业的机械。它是 在机械传动单斗挖掘机的基础上开展而来的，是目前挖掘机械中的重要品种。它的 作业过程是以铲斗的斗齿切削土壤并将土装入斗内，斗装满后提升回转至卸土位置 进行卸土，卸完后铲斗再转回并下降到挖掘面进行下一次挖掘，因此，是一种周期 作业的自行式土方机械。2.1.1 液压挖掘机的组成单斗液压挖掘机主要由工作装置、回转装置、行走装置、动力装置、操纵机 构、电器控制装置、液压系统及辅助设备等组成。如图2 . 1所示。工作装置是液压挖掘机的主要组成局部之一，是直
12、接用来进行挖掘作业的施工 工具，它利用液压缸伸缩来完成动臂升降、斗杆推拉和转斗，其动作接近于人的手 腕运动，具有较大的挖掘力和较好的作业性能。液压挖掘机最常用的工作装置是反 铲和正铲，同时也能换装起重、抓斗、装载、松土、钻孔、破碎等多种工作装置。反铲工作装置是液压挖掘机的一种主要工作装置形式，特别是中型，小型液压 挖掘机基本都采用反铲工作装置。正铲工作装置在大型，超大型液压挖掘机上的应 用较为广泛。反铲工作装置的主体局部由动臂、斗杆和铲斗组成，同时有三组液压 缸驱动它们，分别称之为动臂油缸，斗杆油缸和铲斗油缸。它们组成了工作装置的 三大机构：动臂机构、斗杆机构和铲斗机构。其中动臂斗杆机构都是4
13、杆机构，铲 斗机构那么较为复杂，铲斗油缸的运动通过摇杆和连杆传递到铲斗上组成了 6连杆机 构。（1）动臂机构。动臂机构中的动臂结构可分为整体式和组合式两类，整体式 动臂要奎兰翌奎兰翌三竺窒兰兰竺兰兰翌；墨藏压泵撵烈手柄脚踏两控制汕漂台圉2 - 1液压挖掘机基本组成及传动示意图结构简单、价廉，刚度相同时结构重量较组台式臂轻，缺点是替换工作装置较 少，通用性较差。整体式动臂有直动臂和弯动臂两种，直动臂结构简单、轻巧、布 置紧凑，主要用于悬挂式挖掘机如图2 - 2 （a）所示，采用整体式弯动臂有利于 得到较大的挖掘深度，一般说，长期作用于作业条件相似的反铲采用整体动臂结构 比拟合适，其结构如图2 -
14、 2 f b）所示。考虑到动臂强度，动臂的弯角一般不宜 太小，推荐取1 2 0。-14 0。为了结构宣于实现，动臂的仰角一般不大于4 5o ,俯角一般不小于.52。由此保证儿何参数在运动过程中均成立【5 J。 在设计动臂油缸时，应满足行程要求，油缸作用力要求，以及能够提供足够的闭锁 力。(2)斗杆机构。斗杆也有整体式和组合式两种，大多数的挖掘机都采用整体 式斗杆，所以在此不对其展开讨论。在反铲工作装置作业时，斗杆起者将铲斗拉近 的作用，因此对挖掘机的挖掘性能影响很大。斗杆越长，其作业范围越广.但挖掘 力相对愈小，并且考虑到车体的稳定性，长斗杆一般装小窑量的铲斗；斗杆越短， 作业范围变小，但切削
15、力增大，故可在硬地面或用大容量铲斗进行高教快速的挖掘 作业。西南交通大学硕士研究生学位论文第8页a)直动臂b)弯动臂图2 - 2整体式动臂在设计斗杆油缸时，也应满足行程要求，油缸作用力要求 以及能够提供足够的闭锁力。保证斗杆的摆角范围大致为10。02000,在 满足工作范围和运输要求的前提下，此值应尽可能小些【5】。(3)铲斗机构。铲斗在挖掘时的转角大致为9 0 0 1 1 Oo,为了满足开 挖和最后卸载及运输状态的要求，铲斗总的转角往往要求到达1 5 0 0 1 8 0 0o当铲斗缸全缩时，齿尖可能在斗杆的延长线上，或者，在其上车3 00 处，在个别情况下，为了适应挖掘深沟及垂直侧壁的作业要
16、求，为不使斗底先于斗 齿接触土壤，常采用大仰角机构，此时，仰角可达2 5 0 4 5 0。”铲斗机构挖掘力的要求：要求铲斗最大理论挖掘力应与铲斗最大挖掘阻力相适 应，当铲斗以1 5 2。0的仰角开挖时，最大挖掘力一般出现在斗杆的延长线 下侧2 5 03 5。处，也即铲斗挖掘时转角行程的一半处，此时挖掘土壤的厚度 最大，挖掘阻力也最大。2.1. 2液压挖掘机的工作原理液压挖掘机的回转、行走和工作装置的动作都由液压传动系统实现，原动机驱 动液压泵，把压力油送到多路换向阀，通过司机的操作，将压力油单独或同时送往 液压执行元件(液压马达和液压油缸)驱动执行机构工作。首先液压挖掘机驱动行走马达进入作业面
17、，挖掘机司机扳动操纵手柄，使回转 马达控制阀接通，于是回转马达转动并带动上部平台回转，使工作装置转向挖掘地 点，在执行上述过程的同时操纵动臂油缸换向阀，使动臂油缸上腔进油，将动臂下 降，直至铲斗接触地面，然后司机操纵斗杆油缸和铲斗油缸的换向阀，使两者的大 腔进油，根据实际情况选择铲斗挖掘，斗杆挖掘或者复合挖掘，进行复合挖掘动作 能提高挖掘西南交通大学硕士研究生学位论文第9页效率。铲斗装满后将斗杆油缸和铲斗油缸的操纵手柄扳回中位，使铲斗和斗杆 油缸闭锁，再操纵动臂油缸换向阀，使动臂油缸的下腔进油，将动臂提升，举起装 满土的铲斗离开工作面，随即扳动平台回转换向阀手柄，使上部平台回转，带动铲 斗转至
18、运输车辆上方，再操纵斗杆油缸使斗杆高度稍降一些，并在适当的高度操纵 铲斗油缸使铲斗卸土。土方卸完后，使平台反转并降低动臂，直至铲斗回到作业点 上方，以便进行下一工作循环1 6 02.1.3 挖掘工况分析单斗反铲液压挖掘机是中小型液压挖掘机的主要工作装置，根据作业环境的不 同，其工况也会变的纷繁复杂，但总结起来可以归纳为典型挖掘工况、满斗举升回 转工况、卸载工况、空斗返回工况、整机移开工况和姿态调整与保持工况4 1。(1 )典型挖掘工况，该工况可分为铲斗挖掘工况，斗杆挖掘工况和复合挖掘 工况。铲斗挖掘工况工作效率较高，主要用在挖掘松软的土壤。斗杆挖掘工况的特 点是效率较低，主要用于挖掘较硬的土质
19、情况。实际情况中，往往是采用铲斗和斗 杆同时作用的复合挖掘工况，同时配合动臂的运动，以此满足实际环境中的复杂要 求。(2)满斗举升回转工况，该工况占据了整个挖据周期的一半时间，很多情况 下需要进行回转马达、动臂、斗杆和铲斗的复合动作。挖掘结束后，动臂油缸将动臂顶起，满斗举升，同时回转液压马达使转台转向卸载处，同时斗杆要外放，有时 还需要对铲斗进行调整。(3)卸载工况，工作装置回转至卸载位置时，转台制动，用斗杆调节卸载半 径和卸载高度，用铲斗油缸卸载。为了调整卸载位置，还需要动臂配合动作。卸载 时，主要是斗杆和铲斗复合动作，间以动臂动作。(4)空斗返回工况，当卸载结束后，转台反向回转，同时动臂油
20、缸和斗杆油 缸相互配合动作，把空斗放在新的挖掘点。此工况是回转马达、动臂和斗杆复合动 作。(5)整机移开工况，小型挖掘机的行走速度通常分为低速和高速两档，所指 的高速也只是相对的高速，般在5 k r n / h,所以挖掘机不会依靠自身动力进 行长距离移动，移动范围通常只限定在工地内，长距离移动需要借助其它运输工 作。挖掘机具有一定的爬坡能力，最大爬坡角可以到达3 5。行走的动力是依靠 液压泵输出高压油到左右行走马达来得到的。(6)姿态调整与保持工况，液压挖掘机工作装置和其它功能运动的制动与锁 定，要满足接地比压要求，并保证合适的停放、运输尺寸、姿态及其特殊的检查姿 态。2.2 液压挖掘机的主要
21、性能参数及设计要求液压挖掘机经常启动、制动、换向，外负载变化很大，工作条件恶劣，冲击和 振动多，这些都对液压挖掘机的设计提出了较高要求。同时由于作业环境的多变， 在不同环境下对挖掘机的某些性能要求也会有所不同，本文只对最为常见的情况展 开讨论。液压挖掘机的主要参数液压挖掘机的基本参数可以分为以下几判3】:2.2.1 )发动机参数，如发动机额定功率、转速等； (2)液压系统参数，如主泵的流量、压力等;(3)主要性能参数，如整机工作质量、部件质量、标准斗容、挖掘力及牵引 力；(4)尺寸参数，如工作尺寸、机体外形尺寸和工作装置尺寸等。挖掘机工作装置作为本文的研究对象，其结构决定了挖掘机的最大挖掘高度
22、、 最大卸载高度、最大挖掘半径、最大停机面挖掘半径和最大挖掘深度这类工作尺 寸，同时也在一定程度上影响挖掘力的大小，因为机构尺寸决定传动比。2.2.2 液压挖掘机设计要求(1 )几何尺寸要求。几何尺寸要求满足一定的作业范围和合适的运输尺寸。 工作装置的几何尺寸要求满足各工作范围参数和挖掘力参数到达最优分配，同时工 作装置的几何尺寸还必须满足停放和行走时的整机稳定性要求。(2)运动和动力特性要求。发动机和泵所提供的功率要求能满足各类工况在 全载荷工作下各执行机构所需功率的总和，同时考虑到极端恶劣情况的发生，要求 整个系统能够承受短时过载的发生。(3)结构强度要求。液压挖掘机结构强度是工作装置设计
23、的关键之一，工作 装置的结构和所承受的载荷是十分复杂的。要求满足工作装置各局部的受力的情况 下，保证工作装置的强度和刚度特性。工作装置在应力较高的部位以铸代焊，减少 应力集中带来的强度破坏。(4)经济性要求。液压挖掘机经济性评价指标有能量指标、作业循环时间减 小、机重轻、延长维修周期和挖掘机寿命周期、加快维修进度和降低维修费用、司 机操作的舒适性等。能量指标(即消耗于单位土方的能量)虽不宜作为评价土方机 械技术经济效率的通用准那么，但由于工作装置单位重量和价格相对整机而言都较 小，常用能量指标来表征工作装置结构现代化的程度，这种符合能量指标的工作装 置应能完全满足技术与使用要求，且足够可靠。从
24、能量指标角度来看，要求液压挖掘机的挖掘力 大，工作装置的重量轻，挖掘速度高。(5)其它性能要求。液压挖掘机的工作装置除了满足上述基本设计要求之 外，还需要满足其它的一般性能要求。例如，通过实现零部件的标准化、组件化和 通用化，降低挖掘机的制造本钱，提高液压挖掘机各功能部件的工作可靠性和耐久 性，以满足液压挖掘机作业条件恶劣的要求；降低振动和噪声，重视其作业中的环 保性等【4】。2 . 2 . 3液压挖掘机的参数设计方法影响液压挖掘机参数的因素很多，各参数化之间又彼此影响制约，关系复杂。 然而具有先进性能和技术经济指标的现代化液压挖掘机其参数间存在着一定的内在 联系和规律性。最优化而简便的参数确
25、定方法一直是设计师们所追求的。通用的典 型挖掘机参数确定方法有以下4种7 1:(1 )类比法，通过同类型机械的类比得出参数值；(2)经验公式计算法，按概率统计归纳得到的经验公式进行概略的计算得出 参数；(3)按标准选定法，按照国家公布的液压挖掘机型与基本参数系列标准规 定的数值范围，结合拟采用的结构特点选定参数值；(4)理论分析计算法，按拟定的机构特点，在理论分析与试验数据的基础上 进行分析计算，得出参数值。按以上方法得出的参数值不可能完全确切合适，必须在设计过程中按结构方 案、强度以及挖掘机的特殊要求进行方案比拟加以修正确定。实际工作中还往往综 合使用以上方法，如采用类比法或经验计算法后与标
26、准进行比拟，有的参数再通过 理论分析进行核算来选定。2.2.4 市场上小型液压挖掘机参数分析随着经济的开展，小型液压挖掘机的需求不断在增长，逐步表露出占据挖掘机 主要市场的迹象。在中国市场上出现了七十余家国内外挖掘机厂商所生产的几百种 小型液压挖掘机。各种机型都有各自的特点，来满足市场的多样化需要，同时也为 表达差异性，从而分得市场的一杯羹。其次，对参数化建模得到的各部件模型进行装配，将装配后的模型导入到AD AMS软件中进行运动学、动力学仿真。通过控制挖掘机工作装置动臂油缸、斗杆 油缸和铲斗油缸的运动可完成各种挖掘轨迹。进行挖掘机包络曲线的挖掘过程仿 真，可以得到最大挖掘高度，最大挖掘深度等
27、工作尺寸参数。最后，通过经验公式计算得到载荷，将其施加在铲斗齿尖上，便可在A DAM S中进行动力学仿真，并将仿真得到的载荷文件导入到A N S Y S软件中，作为有 限元分析的边界条件，进而提高了有限元仿真分析的精度及自动化程度，实现了 A D A M S和A N S Y S软件之间的联合仿真。为验证仿真分析的正确性，本文将矩阵法应用在工作装置的机构分析中，计算 所得结果与仿真结果基本一致，说明仿真分析的正确性。为提高仿真精度，本文将 工作装置中的关键部件柔性化，考虑构件在受力情况下的弹性变形，在A D A M S 中进行柔性体动力学仿真分析。本文使用了UG、A DAMS和ANSYS这3个工
28、程类软件，实现了挖掘机 工作装置的计算机辅助设计，它可以提高产品的开发效率，缩短产品设计周期，提 高产品质量和可靠性，从而能产生较为明显的经济效益。关键词：液压挖掘机;工作装置；参数化：二次开发,联合仿真西南交通大学硕士研究生学位论文第1I页conscon.Mant -icauseheyemu尽管挖掘机参数千姿百态，但它依据自身吨位的大小变化，参数的变化存在一 定的规律性。参考文献7中指出，将斗容和功率作为挖掘机的分级标准不够准 确，一般都将挖掘机的整机质量作为挖掘机的分级标准。为得到市场上各种型号的参数与整机质量的关系，本文对市场上较为常见小型 液压挖掘机参数进行了统计分析，统计吨位范围为和
29、8吨，共收集了一百多个型号 的挖西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2页掘机。(1 )斗容与整机质量的关系姗4 0 0 0蜘5 0 0 0锄锄鼬7姗7 5 0。锄整机质量，K g图2 - 3斗容与整机质量的关系根据统计数据拟合的斗容与整机质量关系式为：矿=5.002x10。5. m0.0618 式中卜斗容(m3):舸一整机质量(kg)。(2)铲斗挖掘力与整机质量关系3 f i 0 0 , 1 0005oo 锄 5500锄 6 鲫 70007500句力整机质量，I c g(2 - 1 )图2_4铲斗挖掘力与整机质量的关系根据统计数据拟合的铲斗挖掘力与整机质量关系式为:辱斗= 6.231x1004
30、m2 + 13. 7：, z - 1 7 4 2 0（2 2）式中F,斗-铲斗挖掘力（N）;广整机质量（蛆。西南交通大学硕士研究生学位论文第13页（3）斗杆挖掘力与整机质量关系娜娜娜娜器思g娜硼触哪图2 - 5斗杆挖掘力与整机质量的关系根据统计数据拟合的斗杆挖掘力与整机质量关系式为：4 轩=1 .775x10 5T9P2 + 4.9m+1517（2 3）式中，斗斗杆挖掘力（N）;灯广整机质量（蜒）。（4）最大挖掘高度与整机质量关系3 5 0 0柏8 4卯0触锄88锄7 0 0 0 7 5 8啪整机质量岫图2 - 6最大挖掘高度与整机质量的关系根据统计数据拟合的最大挖掘高度与整机质量关系式为：H
31、挖高二1.14x10-m2+5.742x104m+3.012（2 - 4）式中日挖毫最大挖掘高度（m）;订广整机质量（kg）。西南交通大学硕士研究生学位论文第14页(5)最大挖掘深度与整机质量关系图2 - 7最大挖掘深度与整机质量的关系根据统计数据拟合的最大挖掘深度与整机质量关系式为：曰 N深=_2 . 2 3 4 x 1 0 o 8 - m2 + 4 . 532x1 0o 4 - m + 2 . 0 0 2(2 5)式中日，2 r最大挖掘深度(m);刀广整机质量(蛇)。(6)最大挖掘半径与整机质量关系蜘啪4锄。锄锄6咖6卸070007蜘8000整机质量伽图2 - 8最大挖掘半径与整机质量的关
32、系根据统计数据拟合的最大挖掘半径与整机质量关系式为：日挖径=一3 . 693x10-聊2 + 7 . 02x10-4. m+3 . 3 7 6 (2 . 6)式中日挖经-最大挖掘半径(m) ，胪一整机质量(kg)。西南交通大学硕士研究生学位论文第15页2.3 挖掘机仿真平台开发概述2.3.1 仿真平台产生的背景随着世界经济和科学技术的飞速开展，市场全球化和竞争的日益激烈。企业要 提高竞争力，必须缩短新产品研制和开发周期，同时提高产品的设计质量和降低开 发本钱，这样才能满足市场不断变化的需求。新产品研发往往涉及许多相关学科， 而一个综合最优解必须兼顾各个学科。因此，开发过程中制造的，用来获取产品
33、综 合性能评价和直观感受的产品样机是产品创新中的重要支撑要素。传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计。 设计完成后，为验证设计，通常要制造样机进行实验，有时实验甚至是破坏性的。 当通过实验发现缺陷时，又要修改设计并再用样机验证。只有通过周而复始的设计 一实验一设计过程，产品才能到达要求的性能。这一过程是冗长的，尤其对于结构 复杂的系统。样机的单机手工制造增加了本钱。在大多数情况下，工程师为了保证 产品按时投放市场而中断这一过程，使产品在上市时便有先天缺乏的毛病。在竞争 的市场背景下，基于实际样机的设计验证过程严重地制约了产品质量的提高、本钱 的降低和对市场的占有。为
34、了克服传统机械设计制造过程的弊端，缩短设计制造周 期，降低本钱，一种新的技术应运而生，这就是计算机辅助设计技术。计算机软硬件和网络技术的开展，为新技术的实现提供了良好的支持和技术环 境。计算机辅助设计（CAD）技术的广泛应用和传统的优化与仿真技术的进步也 使得新技术的产生成为可能。2.3.2 仿真平台的开发思路计算机辅助设计技术核心是基于机械系统运动学和动力学的动态仿真技术，同 时还包括三维C A D建模技术，有限元分析技术，机电液控制技术，最优化技术等 相关技术。目前，最先进的虚拟样机技术及其应用软件己经可以完成以下的工作8:（1 ）完成在不同工况下，样机的计算机三维几何形体、载荷和运动约束
35、建 模；（2）对各种复杂的机械系统进行静力学、运动学和动力学仿真分析，获得虚 拟样机的整体性能以及所有构件的位移轨迹、速度、加速度，各种受力状况等等；(3)可以任意地模拟再现机械系统及其所有零部件，在不同操作工况下的运 动和动力学性能，从不同角度观察样机，实现虚拟现实的效果，直观地发现潜在故 障和缺乏；(4)可以对整个机械系统的性能进行调试、分析和安全评价，进行各 种设计研究、西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6页试验研究和优化分析；(5)可以在虚拟样机分析结果的基础上，进一步利用 有限元技术对机械系统各个零部件的强度、刚度、各种缺陷的危害性作出分析和安 全评价；(6)可以同其他领域的仿真分
36、析软件，例如：自动控制仿真软件、液压气动 仿真软件，进行联合调试和分析，获得机电液一体化系统的整体性能；(7)可以对复杂的机械系统进行线性化处理，以便能够快速分析机械系统的 各种动态响应；(8)以虚拟样机技术及其分析软件为二次开发平台，开发适用于各种特殊领 域的专用软件，提高建模和分析效率。本课题仿真平台的开发思路共分为四个阶段：第一阶段，根据设计要求得到挖掘机的吨位参数，据设计吨位可得到挖掘机先 前已有的设计参数，然后通过计算机软件或相关算法对挖掘机工作装置的挖掘力和 挖掘范围等性能参数进行多目标优化，得到优化后的设计参数。第二阶段，以U G三维建模软件为平台，利用U G / 0 p e 1
37、 1 A P I、UG /0 p e n G r】p等工具开发挖掘机机构建模专用模块，建立用户参数输入窗 口，将第一阶段优化后得到的参数输入，可快速自动的建立挖掘机工作装置的三维 模型。把参数化设计得到的各个部件进行装配，得到挖掘机工作装置的整机模型。第三阶段，在A D A M S软件中对挖掘机工作装置进行运动学和动力学分析， 首先将在第二阶段得到的工作装置UG模型文件转换成P a r a s o1 i d中性体 模型文件，然后将中性体模型文件导入A DAMS中，设置相关的运动副，定义驱 动，并且施加相应的载荷谱，便可进行挖掘机工作装置的运动学和动力学分析。第四阶段，通过ADAMS和AN S
38、Y S软件的联合仿真，实现挖掘机工作装 置的结构强度分析。首先在AN S Y S中定义单元类型，设置单元及材料属性，对 工作装置进行网格划分生成有限元模型，同时建立刚性区域用于连接外部节点，调 用A DAMS宏命令输出模态中性文件（mn f文件），将该文件导入到A DAM S中创立柔性体，进而实现了柔性体动力学仿真，得到的各较点的载荷文件，将载 荷导入到AN S Y S软件的有限元模型中，进行求解，可得到工作装置各部件的应 力应变图及最大应力应变值，从而可验证所设计的机构是否满足强度要求。2.4 本章小结本章介绍了单斗液压挖掘机的基本组成局部包括工作装置、回转装置、行走装 置、动力装置、操纵装
39、置、电器控制装置及液压系统等局部，并分析了各局部之间 是如何相互配合最终实现整个挖掘过程。根据作业环境的不同，可以将挖掘机的工况 分为典型挖掘工况、满斗举升回转工况、卸载工况、空斗返回工况、整机移开工况 和姿态调整与保持工况。通过了解挖掘机的主要性能参数及设计要求总结了挖掘机 参数的设计方法，并通过统计的方法，分析了挖掘机整机质量与其它性能参数的关 系，拟合得到了相应关系式。最后介绍了本课题仿真平台开发的总体思路。第3章基于UG的工作装置参数化建模3.1产品的设计与参数化设计3 . 1 . 1产品设计概述设计作为一种广义上的造物活动，涉及人们生活中的许多领域。工业设计是在 工业革命以后出现的，
40、是以产品设计为主的设计门类，产品设计的兴旺程度关系到 人们物质和精神生活的质量，关系到以商品制造和流通为主要内容的市场经济的兴 衰。产品设计的关注领域较为广泛，涉及衣、食、住、行的各个方面，主要解决人 与人造物之间的关系，是将科学技术所创造的成果转化为生活、生产中所需的过 程，它的目的是通过物的创造来到达人与物、人与人、人与社会的协调。总的来 说，产品设计是一个计划、规划设想和解决问题的过程，目的是通过物的载体借助 于一种美好的形态来满足人的物质和精神需要。企业在激烈竞争、不断变化的市场中能否取得良好的经济效益、持续稳定地发 展，关键在于其能否在最短的时间内响应市场的动态需求，开发出低本钱、高
41、质量 的产品，因此，必须利用某种完善的产品开发过程来实现上述目标。产品开发过程 由给定的设计任务开始，通常要经历方案设计、技术（结构）设计、施工设计等阶 段，各阶段之间是层次细化、互相影响、互相重叠的关系，其中的结构设计阶段是 连接方案设计与施工设计的桥梁。结构设计的过程与结果，一方面要考虑与满足在 方案设计中提出的对产品功能与性能的设计需求，另一方面要考虑与满足在施工设 计中的低本钱与高质量的生产制造要求。结构设计能否高效率地、全面地实现这些 目标是产品开发成功与否的关键。每一产品都是为了满足一定的用途而设计的，用途要由一系列的功能来保证， 每一功能又要由一定的结构来承当。如：挖掘机的主要用
42、途是进行采掘作业，其功 能主要有行走、挖掘、提升、回转、卸料等。这些功能分别由行走机构、回转机 构、工作装置来实现。为了能够正常作业，产品还要满足一系列的技术、性能要 求。这些技术、性能指标表现为对产品结构的约束。产品设计不是一种孤立的设计活动，它和整个企业的筹划、开发、生产、销 售、服务过程有着紧密的联系，如图3 . 1所示。西南交通大学硕士研究生学位论文第19页图31产品生命周期产品设计流程是设计师为了实现某一设计目的而对整个设计活动的筹划安排。 它是依靠一定的科学规律合理安排工作步骤，以到达实现整体的目的。由于成品设 计所涉及的内容与范围很广，其设计的复杂程度相差也很大，因而其设计流程也
43、有 所不同，但无论何种产品，其设计的最终目标是服务于人，在产品的整个开展过程 中都要受人们的生活观念、社会文化科学技术、市场经济等共同因素的影响，因而 表现在设计过程中必然包含着同一性。3.1.2参数化设计概述自从有了计算机以来，机械设计师就梦想着实现机械设计的自动化。到了 2 0 世纪6 070年代，计算机开始协助机械设计师完成复杂的计算，或者绘制规那么 的工程图纸。但是通过计算机将产品的设计要求和工程师的设计思想直接变成可用 的工程图纸或者数控加工指令在当时是不可能办到的。尽管如此，有关的学者和工 程技术人员仍然为实现设计自动化进行了不懈的努力。机械设计过程的复杂性、多样性和灵活性要求设计
44、自动化必须走参数化的路 子。所谓参数化就是将设计要求、设计原那么、设计方法和设计结果用灵活可变的参 数来表示，以便在人机交互过程中根据实际情况随时加以更改。参数化设计使产品 的模型以尺寸参数与其他设计参数统一起来，以实现产品的自动化设计，从而提高 产品设计的智能化水平。本文主要做的是基于特征造型的参数化设计。参数化与计算机辅助设计相结合的产品设计技术，称为参数化技术。参数化技 术在计算机辅助设计领域已经得到了广泛的应用。在早期的CAD技术中，二维绘 图与三维绘图都是采用精确造型的方法。精确造型用固定的尺寸值定义几何元素， 几何元素之间没有互相关联的关系。如果修改几何元素和其属性，那么必须进行重
45、新 绘制整个图形。参数化技术那么可以自动修改整个图形，它是8 0年代兴起的第三代 C A D系统的重要功能。第三代C A D技术使参数化设计得到了广泛的应用，产生 了一些著名的参数化造型系统，如UG、P r o / E、Soli dWo r k s等，参数化成为 先进C A D系统的必备功能之一。参数化求解方法的成熟使得参数化C A D系统得到了广泛的应用，国外大型的 C A D 系统，如 Unigraphics、Pro/Engi neer 以及 S o 1 i dWo r k s、CADD S等都具有较强的参数化设计功能与三维特征造型功 能。而国内的大多数参数化设计仅限于二维绘图功能，具有参
46、数化功能的特征造型 系统还处在研究阶段。参数化技术与特征造型技术的结合必将使国内的C A D开发 水平提高到更高的一个层次【9】。3.2参数化建模平台随着C A D软件在制造业的普及，其应用水平越来越高。为了适用于各种产品 的设计需求，多数CAD软件的功能都有很高的通用性，但因此也存在着针对性不 强，设计效率不高的问题。如果以现有C A D软件为平台，开发出专业的建模模 块，那么可在几十分钟甚至几分钟内完成一个较为复杂机构的建模工作，因此，二次 开发在提高C A D软件的应用效率、专业性，充分发挥C A D软件的使用效益方面 有十分重要的作用。1.1 .1UG二次开发平台UG (U n i g
47、 r a p h i c s)是美国E D S公司推出的当今世界上最先进 的CAD/CAM/CAE高端软件平台之一，广泛应用于航空、航天、机械、汽 车、船舶、模具和家用电器等领域。许多世界著名公司均选用UG作为企业计算机 辅助设计、制造和分析的平台，如：美国通用汽车公司、波音飞机公司、贝尔直升 机公司、英国宇航公司和惠普发动机公司等都以U G作为企业产品开发的软件平 台。自从1 9 9 0年UG进入中国市场以来，在我国得到了越来越广泛的应用，目 前已成为我国主要使用的高端C AD/CAM/CAE软件之一。很多企业在引入了 CAD/CAM/CAE软件后，发现通用的CAD/CA M/CA E软件的
48、功能虽然解决了他们大局部自己需求，在一定程度上提高了产品设计、制造及管理的效率。但很多专业的、更为具体的问题，例如，符合本企业设 计使用的产品数据管理（PDM）、编制产品工艺用的计算机辅助工艺设计（CA P P）、产品虚拟装配的路径规划、异地产品协同设计及本企业复杂零件的参数化 设计等，单靠操作UG是很难实现的，以至于C AD / C AM/C A E软件的应用 水平不高，仅仅停留在操作层面，没有充分挖掘软件平台的潜力，浪费了很多人力 和物力。因此目前大局部企业已经意识到了开展满足企业实际应用软件的重要性， 并且很多企业都有成功实施的经验，把特殊的、专业的知识与通用的软件集成为一个高效的满足企业实际应用的系统平台，为企 业在市场上的竞争提供了有力的保障。其中，零件的参数化设计就是在UG平台上较为广泛的开发方向，它贯穿于从 概念设计到详细设计的全部过程。通常，参数化设计是指零件或部件的形状比拟固 定，用一组尺寸参数或约束表示该几何图形的大小与形状，参数化设计对象有显式 的对应关系，当赋予它们不同的参数序列