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装载机论文
装载机的CAD建模及运动仿真
摘要
装载机是工程机械的重要机种之一，在工程建设和土木建设中有着广泛应用，其工作装置设计为装载机设计中的重中之重，在装载机的整机性能中起决定性的作用。
传统的分析方法和设计方法已经无法适应现今装载机的快速发展和行业间的激烈竞争，装载机及设备已是集机、电、液一体化；信息、激光等高新技术以及审美艺术于一身的现代机电产品，并且正在向着远距离控制、自动化和智能化等方向发展。
正基于此，本课题运用CAD三维软件（Pro/E）对装载机进行设计和研究。
主要的工作如下：
1、在三维软件Pro/E中对装载机各个部件进行建模
2、在Pro/E中将建模好的部件装配成一个完整的装载机模型；
3、对装载机的工作装置进行运动仿真；
4、对装载机工作装置运用ANSYS软件进行有限元分析，对设计好的工作装置进行动态分析检查有无干涉，分析零件在计算载荷作用下的变形及应力分布，结合设计结果以判断零件设计是否合理。
关键词：
装载机建模；CAD；Pro/E；有限元分析
CADModelingandMotionSimulationofLoader
Abstact
Losderisoneofthemostimportanttypesoftheconstructionmachineryandisalsobeenwidelyappliedinengineerningconstructionandcivilconstruction.Thedesignoflosder’sworkingdeviceisthemostimportantpartinthedesignofaloaderandplaysacriticalroleinthefunctionoftheshovelloader.However,traditionalanalysisanddesignmethodfailtokeepinpacewiththerapiddevelopmentofcurrentloaderaswellasthefiercecompetitionofthefield.Loaderanditsequipmentaremodemmachinerywhichcombinesmachinery,electronicsandlaseraswellasaestheticart.Thedesigntheoryandmethodoftheengineeringmachineisonitswaytoremotecontrol,automationandintelligentization.
Basingonthis,thissubjectusethethree-dimensionalsoftwareofCAD（Pro/E）todesignandresearchontheloader.Maintasksareasfollows:
1.Themodelingofthevariouspartsofloaderarestructured.
2.Assembledinthethree-dimensionalofPro/E.
3.Themotionsimulationoftheloaderworkingdevice.
4.TheloaderworkingdevicewillbeanalysisbyANSYSinthedynamic.Analyzedynamicallythecompletedworkingdevicetocheckfortheinterference.AndanalyzeANSYSfiniteelementstructurerespectivelyaccordingtodifferentsituations.Findoutthedeformationandstressdistributionofthecomponentswithloadandthenjudgewhetherthecomponentsaresuitableonbasisofthedesign.
Keywords：
LoaderModeling；CAD；Pro/E；FiniteElementAnalysis
目录
引言-1-
第1章概述-2-
1.1装载机的简介-2-
1.1.1轮式装载机结构及工作要求-2-
1.1.2装载机工作机构建模方案-3-
1.2研究的目的-4-
1.3基于PRO/E二次开发的发展现状-4-
1.4本课题的主要研究内容及意义-5-
第2章轮式装载机的构造和工作原理-7-
2.1轮式装载机的总体结构与特点-7-
2.2轮式装载机的工作原理-7-
2.3轮式装载机工作装置及液压系统-7-
2.4轮式装载机的传动系统-8-
第3章轮式装载机的总体设计-10-
3.1轮式装载机总体参数的确定-10-
3.1.1轮式装载机的基本组成-10-
3.1.2轮式装载机总体参数的确定-10-
3.2轮式装载机的总体布置-12-
3.2.1总体布置的内容-12-
3.2.2总体布置的原则-13-
3.2.3总体布置的基准选择-13-
第4章轮式装载机工作装置的设计-14-
4.1轮式装载机的工作装置设计要求-14-
4.2铲斗的结构和尺寸设计-15-
4.2.1铲斗的分类-15-
4.2.2铲斗的设计-16-
4.3工作装置连杆系统设计-19-
4.3.1工作装置连杆机构的类型-19-
4.3.2工作装置动臂结构及举升油缸布置-21-
4.4动臂和摇臂的结构特点和尺寸参照-22-
4.4.1动臂-22-
4.4.2摇臂-23-
4.5动臂油缸和翻斗油缸-23-
第5章装载机各部件的三维建模-25-
5.1工作装置各部件的建模-25-
5.2装载机的传动系统的建模-28-
5.3装载机的的车体的建模-28-
第6章装载机工作装置运动仿真-30-
6.1Pro/E分析模块简介-30-
6.2约束的添加-30-
6.3装载机的工况仿真-31-
6.3.1概述-31-
6.3.2添加驱动的伺服电机-31-
6.3.3装载机工况的仿真分析-31-
第7章装载机工作装置的有限元受力分析-36-
7.1ANSYS10.0与Pro/E4.0的接口技术-36-
7.2基于ANSYS的装载机工作装置的有限受力元分析-38-
7.2.1在正载情况下动臂的有限元受力分析-38-
7.2.2在偏载情况下动臂的有限元受力分析-42-
7.2.3装载机其余工作部件的有限元受力分析-43-
结论与展望-46-
致谢-48-
参考文献-49-
附录-50-
附录A外文及其翻译-50-
附录B主要参考文献的题录及摘要-64-
插图清单
第1章概述
图1-1装载机工作机构简图-2-
第2章轮式装载机的构造和工作原理
图2-1轮式装载机组成-7-
图2-2轮式装载机的工作装置-8-
图2-3工作装置液压图-8-
图2-4轮式装载机传动系统-9-
第4章轮式装载机工作装置的设计
图4-1轮式装载机的工作装置-14-
图4-2整体前卸式铲斗卸载工况-16-
图4-3铲斗断面基本参数-17-
图4-4铲斗参考尺寸-18-
图4-5正转八杆机构-19-
图4-6转斗油缸前置式正转六杆机构-19-
图4-7转斗油缸后置式正转六杆机构-20-
图4-8转斗油缸后置式反转六杆机构-20-
图4-9正转四杆机构-21-
图4-10正转五杆机构-21-
图4-11立式布置22
图4-12卧式布置22
图4-13装载机动臂组合结构简图22
图4-14装载机的摇臂23
图4-15装载机动臂油缸23
图4-16装载机翻斗油缸24
第5章装载机各部件的三维建模
图5-1装载机的工作装置25
图5-2铲斗的外形草绘图25
图5-3铲斗的斗身模型26
图5-4斗齿的草绘尺寸26
图5-5装载机的铲斗27
图5-6动臂27
图5-7摇臂27
图5-8翻斗油缸28
图5-9连杆28
图5-10动臂油缸28
图5-11装载机传动系统实体装配图28
图5-12装载机的车体模型29
第6章装载机工作装置运动仿真
图6-1各部分运动时间的定义32
图6-2铲进作业32
图6-3挖土作业33
图6-4装载作业33
图6-5却载作业34
图6-6整地作业34
图6-7填平作业35
第7章装载机工作装置的有限元受力分析
图7-1ANS_ADMIN10.0对话框-36-
图7-2ANSYS配置步骤-37-
图7-3Pro/E安装路径配置-37-
图7-4配置成功后Pro/E中的ANSYS10.0菜单-38-
图7-5单元类型库对话框-38-
图7-6调入ANSYS的动臂实体-39-
图7-7划分网格后的实体-39-
图7-8载荷显示-40-
图7-9X方向应力40
图7-10Y方向应力40
图7-11Ｚ方向应力-41-
图7-12总的位移-41-
图7-13X方向的应力-41-
图7-14Y方向的应力-41-
图7-15 Ｚ方向的应力-42-
图7-16 vonMises等效应力-42-
图7-17偏载下的总位移-43-
图7-18偏载下的vonMises等效应力-43-
图7-19摇臂的vonMises等效应力-44-
图7-20连杆的vonMises等效应力-44-
图7-21销钉的vonMises等效应力-45-
引言
随着现代社会的不断发展，作为现代化基础建设主要工具和手段的工程机械扮演着重要的角色。
工程机械设备是集机、电、液一体化和信息、激光等高新技术以及审美艺术于一身的现代机电产品，并且正在向着自动化、远距离控制和智能化等方向发展。
装载机作为现代工程机械很重要的一种设备也是如此。
装载机主要用于铲装土壤、沙石、煤炭、石灰等散状物料，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以进行推土、起重、、破碎等作业。
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，因此广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建筑工程。
在我国，装载机经历了50～60年的发展后，到20世纪90年代中末期国外轮式装载机技术已达到相当高的水平。
基于液压技术、微电子技术和信息技术的各种智能系统已广泛应用于装载机的设计、计算操作控制、检测监控、生产经营和维修服务等各个方面，使国外轮式转载机在原来的基础上更加“精致”，其自动化程度也得以提高，从而进一步提高了生产效率，改善了司机的作业环境，提高了作业舒适性，降低了噪声、振动和排污量，保护了自然环境，最大限度地简化维修、降低作业成本，使其性能、安全性、可靠性、使用寿命和操作性能都达到了很高的水平。
随着计算机的普及及应用和现代设计方法等基础学科的发展，计算机辅助设计（CAD）技术已广泛地渗透到传统设计工程的各个领域。
实现了人力难以完成的系统分析、综合和信息的存贮等技术工作，取代了设计师的事务性、重复性劳动，提高了产品的设计质量和可靠性，加速了产品的设计进程。
目前，应用计算机辅助设计（CAD）技术在一些先进的工业国家中已经得到了广泛的应用，在日本有80%以上的公司已不同程度地应用了CAD技术。
在美国，CAD/CAM公司已超过300多家，CAD的应用领域己从早期的电子电路计算机辅助设计、印制电路板设计，逐步扩展到超大规模集成电路设计、机械设计、服装与花样设计、管道布局设计等方面，从大规模生产企业，发展到广泛应用于中、小型企业。
我国的CAD工作始于70年代，发展迅速，已取得了良好的经济效益。
少数大型企业，如一汽、二汽等，已建立起比较完整的CAD系统，其应用水平也接近国际先进水平。
许多中小企业应用CAD/CAM技术在保证产品质量、提高劳动率等方面也取得了显著的经济效益。
但是总的说来，国内在CAD技术应用的深度和广度方面与国外先进水平相比还有很大差距。
随着社会主义市场经济的发展，国有企业需要对传统的产品结构、生产设备和管理模式进行改造，以提高企业的活力和适应市场的应变能力，而采用CAD技术被认为是唯一的出路。
第1章概述
1.1装载机的简介
轮式装载机是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口及矿山等建设工程的土石方施工机械，由于其具有作业速度快、效率高、机动性好和操作轻便等优点，已成为工程建设中土石方施工的主要机种之一。
近年来，轮式装载机以围绕新技术应用、多功能机具、模块化设计和提高效率为核心，不断推出新产品，加速更新换代。
但总体来说，新产品的研发能力仍然比较薄弱，基本停留在对引进技术的消化吸收和同类产品的模仿复制阶段。
在以往的大多数装载机工作机构设计中，主要是采用手工制图或利用普通二维软件来进行电脑绘图，这些图样虽然可以使用，但由于标注复杂、误差大，需要不断修改，无法达到一次成功以满足现代工程设计最优化的需求。
1.1.1轮式装载机结构及工作要求
本文所设计的装载机工作机构如图1所示，具体参数如表所示。
该机构采用了徐州工程机械有限公司具有特色的铰接式总体设计，其独特的优点是：
铰接转向；四轮驱动：
整机重心及前后桥荷分配、设计合理；具有杰出的牵引性能和装载挖掘稳定性；铲装及挖掘力大、转弯半径小；机动灵活，便于在狭窄场地作业；空载高速行驶稳定，厂地转移省时高效。
图1-1装载机工作机构简图
在图1-1中，铲斗通过连杆和摇臂与转斗油缸铰接，用以装卸物料：
动臂与车架、动臂油缸铰接，用以升降铲斗；铲斗的翻转和动臂的升降均采用液压操纵。
在装载机作业时，工作装置应能保证：
当转斗油缸闭锁、动臂油缸举升或降落时，连杆机构使铲斗上下平动或接近平动，以免铲斗倾斜而撒落物料；当动臂处于任何位置，铲斗绕动臂铰点转动进行卸料时，铲斗倾斜角不小于45°，卸料后动臂下降时又能使铲斗自动放平。
表1-1整车具体参数
额定载重质量/kg
5000
额定斗容量/m3
3.0
整机质量/kg
16700
发动机型号
6135k-9a
额定功率/kw
17
额定转速/r/min
2200
卸载高度/mm
2300
卸载距离/mm
900
动臂提升时间/s
6
动臂下降时间/s
3.5
卸料时间/s
3
最小转弯半径/mm
3800
外形尺寸
1.1.2装载机工作机构建模方案
通过Pro/ENGINEER软件，根据草图进行尺寸参数优化设计，最终得到装载机三维装配图。
其挖掘工作装置的设计采用了国际流行的直臂式结构，其铰点布置合理，运转位置具有可靠限位功能，可防止物料撒落；卸载位置具有铲斗自动放平功能，能够减少劳动强度；工作范围更大，作业力更强劲平稳，工作效率更高。
工作装置由回转体、动臂、斗杆和挖斗组成。
动臂为“圆筒+侧板”的H型焊接结构，双向侧板采用曲线优化设计以确保其强度达到预定设计要求，这使装载机整车稳定性能得到大幅度提高。
斗杆为封闭式圆管焊接结构，采用了等强度设计，受力合理，在破碎岩石和深度挖掘时，比其他形式的挖掘装置具有更强的稳定性。
举升机构采用双侧液压同时驱动形式，保证装载机在实际工作中，动臂可以同时用力，防止动臂因受力不均匀而产生扭曲破坏，或因此产生整车车身侧翻现象的发生。
支撑机构采用三角形支架形式，选用高强度优质角钢和槽钢焊接而成，使整个装载机支撑机构坚固耐用，确保举升机构连接可靠、工作平稳，同时为其他机构创建比较好的安装连接平台。
液压系统采用定量齿轮泵进行供油，共分为装载、转向、挖掘、先导四套液压系统。
这些系统主要实现挖掘工作装置作业、装载工作装置作业、车辆转向及液压先导比例操纵等动作。
工作装置液压系统采用举升限位装置和下放自动定位装置，避免了机械限位时液压缸行程终了产生的高压和冲击装设的蓄能器可以吸收冲击载荷，并对整机的纵向摇摆起阻尼作用，应用比较广泛的电气控制方式对作业液压系统先导控制回路进行开关控制；并设计有符合人体生理特点的操纵手柄，操纵力小、劳动强度低、控制比例性能好、定位准确，可进行挖掘装置复合运动，作业效率高。
1.2研究的目的
由于社会发展的需求，装载机已经为人们所熟知以及普遍的使用。
装载机以及设备已经是集机、电、液一体化；信息、激光等高新技术以及审美艺术于一身的现代机电产品，并且正在向着远距离控制、自动化和智能化等方向发展。
我国装载机的发展历史已有50多年，现代工程机械产品也已发展到较高的技术水平，其中凝结着现代设计技术、方法和理论的创新。
目前中国虽然已经成为装载机需求量和生产量的大国，但绝对称不上是强国。
设计水平是竞争能力与产品质量的决定因素之一，没有先进的设计理论、方法、手段，就难以设计和生产出具有较高技术水平的、功能完善的创新产品。
因此，开展装载机现代设计方法学的研究，对推广现代设计理论与方法，提高我国装载机的设计水平与产品质量，都具有十分重要的理论与现实意义。
装载机的主要工作装置为通用铲斗作业装置，它是装载机的重要组成部分，是用来实现铲掘、装载物料并带液压缸的一个较为复杂的平面连杆机构，它的性能的好坏直接影响着装载机的工作效率和经济性。
随着CAD的普及和应用，人们逐渐发现，计算机绘图系统虽然好用，但最初的开发者都是按把某款软件做成通用型的理念来设计，从专业角度来看，仍然有很多的不足之处，在机械专业方面更是如此。
对制造而言，企业要提高设计生产的效率，就必然要针对自己的环境、特殊需求来对CAD系统进行二次开发，将其集成为一个专业性非常强的针对某一方面的机械辅助设计软件。
基于特征的参数化设计方法已经被公认为是解决产品开发与过程设计及继承问题的有效手段。
1.3基于PRO/E二次开发的发展现状
目前，应用计算机辅助设计（CAD）技术在一些先进的工业国家中已经得到了广泛的应用，在日本有80%以上的公司已不同程度地应用了CAD技术。
在美国，CAD/CAM公司已超过300多家，CAD的应用领域己从早期的电子电路计算机辅助设计、印制电路板设计，逐步扩展到超大规模集成电路设计、机械设计、服装与花样设计、管道布局设计等方面，从大规模生产企业，发展到广泛应用于中、小型企业。
应用CAD进行产品设计的一般流程如下，现进行一一说明：
1、CAD产品设计的过程一般从概念设计、零部件三维模型到二维工程图。
有的产品特别是民用产品，对外观要求比较高（汽车和家用电器），在概念设计以后，往往还需进行工业外观造型设计。
2、在进行零部件三维建模时或三维建模完成以后，根据产品的特点和要求，要进行大量的分析和其他工作，以满足产品结构强度、运动、生产制造与装配等方面的需求。
这些分析和工作包括运动仿真、结构强度分析、疲劳分析、塑料流动、热分析、公差分析与优化、NC仿真与优化、动态仿真等。
本论文就是以这样的一个主线进行的装载机工作装置CAD/CAE研究，最后得出可靠的分析结果。
3、产品的设计方法一般可以分为2种：
自底向上（Down-Top）和自顶向下（Top-Down），这两种方法也可以同时进行。
自底向上：
这是一种从零件开始，然后到子装配、总装配、整体的外观设计过程。
自顶向下：
与自底向上相反，它是从整体外观（或是总装配）开始，然后到子装配、零件的设计方式。
本论文采用的是自底向上的产品设计方法。
4、随着信息技术的发展，同时面对日益激烈的竞争，企业采用并行、协同设计势在必行。
只有这样，企业才能适应迅速变化的市场需求，提高产品竞争力，解决所谓的TQCS难题。
即以最快的上市速度（T-TimetoMarket）、最好的质量（Q-Quality）、最低的成本（C-Cost）、最优的服务（S-Service）来满足市场的需求。
但CAD软件的通用性也使其难以很好地应对不同用户在技术标准方面的差异，在使用这些软件进行标准化设计时并不方便，而二次开发能很好的解决这些问题。
因此，近年来国内外都有学者或研究员对Pro/E二次开发做了相应的研究。
在先进的国家中，CAD软件的二次开发一向是企业用来加强设计竞争力的必要工具之一。
所以，美国人雇佣了很多优秀的其他国家的低价软件人才，为他们开发软件。
那为什么高阶软件一直是美国的领先科技项目呢?
是因为它利润高，且不论是军事还是自由的经济市场，都非常需要它来提升竞争力。
因此，只要经济市场维持自由竞争，那么很多企业为了让工业产品保持竞争的优势，就必须走应用CAD二次开发软件这条路。
而从国内的现况来说，私企的数量将越来越多，彼此间的竞争也将白热化。
未来人事资薪将是企业的最大成本，而人才的资薪是不可能一直维持现状的。
即使是设计单位，也不可能用人海战术来维持效率。
所以，为了降低成本，高质量的精兵人才、高效率软件的使用势必成为企业生存不得不用的法宝之一，Pro/E二次开发产业在国内的未来是不可限量的。
1.4本课题的主要研究内容及意义
本课题研究的主要内容包括以下几个方面：
（1）运用PRO/E软件对装载机的各个部件进行建模；
（2）在PRO/E装配环境下对建模好的各个部件进行装配，使其装配成为一个完整的装载机的模型；
（3）对装载机的工作装置进行运动仿真；
（4）对装载机的工作部件进行有限元受力分析等；
论文的立题依据传统的装载机工作装置设计往往是手工设计，由于装载机尤其是工作装置设计过程需要进行大量的和反复的计算、查询许多数表和线图，整个设计过程复杂、繁琐、效率低、准确性得不到保证。
将设计过程编入计算机，开发针对某一机械产品的CAD应用软件，将这些繁杂的设计和查询的任务交给计算机去完成，将设计人员从中解救出来，将会大大提高产品的设计效率和准确性。
另外，再进行相似产品的结构设计时，设计人员为提高设计效率往往采用类比的设计方法，即在已有相似产品的结构尺寸基础上根据经验将某些尺寸做适当更改。
采用此种方法虽然能缩短设计周期，但产品的可靠性得不到保证，而且为安全起见若将尺寸加的过大，势必会造成产品成本的增加和原材料的浪费；虽然现在几乎所有的企业都在运用CAD软件进行产品设计，但对大多数使用人员来说他们只是在手工设计出的产品结构尺寸的基础上，进行二维图形的绘制或三维模型的构建，CAD软件只用作绘图工具，其实质还是手工设计，不能解决产品设计的问题，设计效率低，同时软件本身对使用者的要求也较高。
为了能够更快速准确地构建零件和组件模型，可借助参数化设计软件Pro/ENGINEER建立相应的零件和组件模型的三维模型样板，用Pro/ENGIN
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