完整版基于ADAMS的装载机工作装置仿真分析毕业设计.docx
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完整版基于ADAMS的装载机工作装置仿真分析毕业设计
SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
毕业论文
基于ADAMS的装载机工作装置仿真分析
学院：
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学生姓名：
学号：
指导教师：
20年月
中文摘要
装载机作为一种矿山机械，有着广泛的应用，由于其工作的特殊性，对其工作装置也有着较高的要求。
因此，装载机工作装置的好坏直接影响到劳动生产效率，同时，装载机工作装置又是装载机的核心机构，因此装载机工作装置的设计制造水平直接影响到整机的性能。
利用ADAMS对装载机工作装置进行仿真分析不同于传统的分析方法，借助于虚拟样机技术，可以较为方便的建模，并可以实现在给定的条件下的运动，缩短了产品的开发周期，节省了开发费用，充分发挥设计潜力。
并且能够在设计、仿真过程中发现错误，从而进行完善，提高了产品质量，有效的避免了传统开发模式的缺陷，使得各项指标都达到理想的预期结果。
关键词：
装载机；工作装置；仿真分析；ADAMS
Abstract
Loaderhasbeenwidelyappliedasaminingmachinery,becauseoftheparticularityofitswork,theworkalsohasahigherdemanddevice.Loaderworkingdeviceisgoodorbadadirectimpactonlaborproductivity,atthesametime,thecoreinstitutionsoftheloaderworkingdeviceloader,loaderworkingdevicedesignandmanufactureofadirectimpactontheoverallperformance.LoaderworkingdeviceusingADAMSsimulationanalysisdifferentfromthetraditionalanalysismethods,bymeansofvirtualprototypingtechnologycanbemoreconvenientformodeling,andmovementinthegivenconditions,andshortentheproductdevelopmentcycle,savingdevelopmentcosts,givefullplaytothedesignpotential.Andtheabilitytofinderrorsinthedesign,simulationprocesstoberefined,improvedproductqualityandeffectivetoavoidtheshortcomingsofthetraditionaldevelopmentmode,theindicatorshavereachedtheexpectedresultsoftheideal.
Keywords:
Loaders;workdevice;simulationanalysis;ADAMS
第一章引言
1.1课题的背景和意义
装载机在现代化机械行业中起着非常重要的作用，在各个领域中都都得到了广泛的应用，如矿山工程、水利工程、交通运输等。
装载机的广泛应用，提高了劳动生产效率，但随着产品市场的激烈竞争，缩短产品的开发周期就显得尤为重要。
在这种形势下，仿真分析就显得尤为重要。
虚拟样机技术的发展，避免了传统的开发模式的缺点，更符合现代化的发展要求，提高了企业的生产效率，降低了开发存在的风险，是一种全新的、适应市场发展的全新的开发模式。
装载机的工作装置是装载机的核心部件，主要由铲斗、动臂、摇臂、转斗油缸和动臂油缸组成，是一个空间多连杆机构,现在多为反转六杆机构。
其主要工作工况有插入、翻转、举升、卸载和放平，从而实现对物料的转移。
装载机工作装置设计水平的好坏直接可以影响到装载机的整机性能。
传统的开发模式存在许多缺点，诸如开发周期长、出现的错误不易发现、精度低、开发费用高等，不易获得各项满意的方案。
ADAMS是虚拟样机技术中代表性的软件，其主要进行运动学和动力学分析，借助于虚拟样机技术，利用ADAMS对装载机工作装置进行仿真分析可以在各种方案中选择出最具价值的方案，得到最大的目标函数，使装载机的各项性能最优化，从而缩短开发周期，节省开发费用，加快了产品的循环周期。
虚拟样机的应用主要步骤都可以通过计算机来进行，整个计算过程十分规范和简单，可以省去大量的人工计算和实验，非常省时省力。
因此。
利用ADAMS进行仿真分析研究意义重大。
1.2装载机国内外发展状况和发展趋势
1.2.1装载机国内外发展状况
目前我国的装载机行业发展势头良好，国内出现了很多大型的装载机生产厂家，诸如厦工、临工、徐工、常工等。
据统计，国内生产装载机的厂家近90多家，竞争相当激烈，因此各装载机生产厂家更加注重装载机的质量及性能和更加注重售后服务等。
虽然我国装载机发展空间良好，但是与国外的装载机仍有一定的差距，主要体现在装载机的整体性能和新技术等方面。
主要原因是由于我国装载机发展起步较晚，在装载机的各项指标上都达不到国外标准，与国外相比较都有较大的差距。
同时，我国的装载机行业在品种和机型领域都存在相当多的空白，现有的装载机产品缺少新技术和创新性。
但最近几年，我国装载机行业正逐渐重视技术的应用和使技术朝着独有性方向发展。
总之，国内装载机行业也逐渐缩短与国外装载机的差距。
1.2.2装载机发展趋势
不论是国内还是国外的装载机，最近几年呈现出了朝着更注重整体性能协调性的方向发展，电子技术在装载机上的应用越来越广泛，各种电子设备在装载机上也得到了应用，更加注重舒适性、整体操纵性等，使装载机也朝着微型化方向发展。
从销量上看，呈现稳步向前发展的趋势，装载机的价位上也有所回落，朝着经济实用型过度。
而各种新技术也逐渐得到普及，比如涡轮增压、电液控制、双泵论液力变矩器的应用等。
安全性、元件制造质量都得到提升，型号朝着更加多样化的方向发展，满足不同客户的需求。
1.3本课题的主要内容
本课题是针对ZL50型装载机工作装置进行仿真分析。
仿真分析在实际生产过程中有重要的意义，能够有效地提高企业的竞争力。
本课题利用Pro/e软件进行三维模型的建模，以ADAMS软件为平台，对装载机工作装置进行仿真分析，对装载机工作装置的收斗、举升、卸载和放平等工作过程进行运动模拟，并进行分析。
本课题具体的工作内容如下：
（1）首先利用Pro/e对装载机工作装置进行建模，包括对各个零件的建模和最装的装配。
（2）将建好的三维模型导入到ADAMS/View模块中。
（3）导入后进行布尔运算。
即将焊接、螺栓固定的零件进行一体化处理，生成一个实体部件。
（4）对布尔运算后的模型添加约束和驱动。
其中添加的约束主要有移动副和转动副，并根据相关标准编写step函数，以实现装载机工作装置在给定的条件下的运动。
（5）根据装载机工作装置实际过程中受到的力，进行添加载荷的操作。
（6）运用后处理模块进行分析处理。
第二章装载机工作装置概述
2.1装载机工作装置简介
2.1.1装载机工作装置的基本概念
装载机工作装置通常由铲斗、动臂、摇臂、连杆以及转斗油缸和动臂油缸组成，是一个多连杆的机构。
铲斗的主要作用是装载物料，铲斗上有三个铰点，其中两个与动臂相连，对称分布；一个在铲斗的斗宽中点处，与连杆连接。
动臂一端与铲斗连接，另一端与前车架连接，另外，转斗油缸和动臂油缸都有一端与动臂连接，转斗油缸的另一端连接摇臂，摇臂再与连杆相连；而动臂油缸的另一端与前车架相连。
油缸使装载机工作装置的控制元件，油缸的运动带动工作装置运动，完成一系列的工作过程。
1-转斗油缸；2-摇臂；3-动臂；4-铲斗；5-斗齿；6-动臂油缸
图2-1ZL50装载机工作装置
装载机工作装置在实际工作时，由于其工作场合的特殊性，装载机工作装置所受到的力会受力较大，在装载的过程中，随着装载方法的不同装载机会受到受拉压、扭转与振动冲击等多种载荷的综合作用。
因此，工作装置要满足安全性、寿命、强度、刚度等各项指标的要求。
对于其整机性能，也有相关的国家标准和行业标准，ZL50装载机额定载荷为5000Kg,按照行业标准，要保证其卸载角大于45°，卸载高度大于2900mm等。
一般来说，油缸为标准件，动臂缸和转斗缸控制工作装置的动作，也要满足相关要求。
装载机的工作装置是装载机的核心部件，由于装载机主要用于矿山工程中，因此装载机的工作装置有着较大的强度和刚度，能够在恶劣的条件下工作，达到工作要求。
由于在工作时，其工作装置受到的载荷也较大，因此要要求具有一定的疲劳寿命。
2.1.2装载机铲掘方法介绍
铲斗在铲入过程中，通常通过物料的性质、多少及插入料堆的可能性来确定装载机铲掘物料的方法：
（1）一次铲掘法该方法相当于把铲掘过程分段化，首先装载机低速前进，使铲斗斗刃插入料堆一定深度后（插入深度约为斗底长度），装载机停止前进；然后利用转斗油缸的运动操纵铲斗上翻。
（2）分段铲掘法这种方法主要用于难以铲入的料堆，但这种方法主要的缺点是需要装载机的操纵机构多次重复动作，因而操作比较麻烦，两件破坏也较快，降低了生产效率。
（3）挖掘法铲斗插入料堆约一半长度时，动臂加以提升，在斗刃离开料堆后，铲斗转运至运输位置。
（4）配合铲掘法这种方法不需要太大的插入力，在插入的同时同时配合铲斗的翻转及动臂的提升。
2.2装载机典型工况的实现
ZL50轮式装载机的工作过程主要有6种工况组成：
（1）插入工况装载机处于该工况时，动臂放下，铲斗斗底平面水平，斗尖稍微触地，装载机以I档前进，使铲斗缓缓插入料堆；
（2）収斗工况装载机产取物料后，颤抖通过转斗油缸使铲斗翻转；
（3）举升工况此工况转斗油缸不活动，动臂油缸向外移动，使铲斗缓缓上升至所需高度；
（4）运输工况铲斗举升到所需高度后，驱动机器运动到卸载地点；
（5）卸载工况在卸载地点，调整转斗油缸，使铲斗翻转，使货物卸下；
（6）放平工况卸载后，装载机工作装置需放平到装载点，通过调整动臂油缸实现。
本论文选取了五个工况进行仿真分析，选取的五个工况为：
插入工况、収斗工况、举升工况、卸载工况和放平工况。
装载机典型工况可以通过控制step函数来确定，同时应遵循中华人民共和国机械行业标准，ZL50轮式装载机基本参数查阅得：
卸载高度大于等于2.9m，卸载距离大于等于1.05m，卸载角大于等于45°，铲斗提升时间小于等于7s。
由于定义的step函数需要初始变量为时间和速度，首先要确定转斗油缸和动臂油缸的极限速度，查阅资料得ZL50型号油缸类型为：
动臂举升油缸的型
号为DG—J180—EL，行程为654mm，缸径为17.2cm。
转斗油缸的型号为DG-J220B-EL,其行程为840mm，D=22cm。
在定义函数时，油缸在各个工况的运动行程要保持在上述范围之内。
同时，产月相关资料，装载机油缸堵塞油压为中高压，约为30MPa，再根据油缸的缸径可算出油缸所能承受的力，油缸在工作过程中收到的力也不应超过此值。
第三章装载机工作装置总体参数的确定及受力分析
3.1装载机工作装置总体参数内容
ZL50装载机总体参数包括：
装载机额定载重量、最大卸载高度及对应的卸载距离、掘起力、牵引力、铲斗容量、卸载角、动臂提升时间、总和时间等。
（1）铲斗容量
铲斗容量通常是说铲斗的额定容量，为铲斗平装容量与堆尖部分体积之和，用“m³”来表示，对于ZL50装载机而言，铲斗容量为3m³。
（2）额定载重量
指在保证装载机稳定工作的前提下，铲斗的最大载重量，单位为“Kg”，ZL50装载机的额定载荷为5000Kg。
（3）发动机额定功率
发动机额定功率，即发动机总功率，时装载机性能好坏的重要的影响参数。
发动机功率分为有效功率与总功率，有效功率是指在29℃和746mmHg（1mmHg=133.322Pa）压力的情况下，在发动机飞轮上实有的功率（亦称飞轮功率）。
国产装载机所标的功率一般指总功率，即包括发动机有效功率和风扇，燃油泵，润滑油泵，滤清器等辅助设备所消耗的功率。
单位为“Kw”，对于ZL50装载机，额定功率为162KW。
（4）整机质量（工作质量）
指装载机装备应有的工作装置和随机工具，加足燃油，润滑系统，液压系统和冷却系统亦加足液体，并且带有规定形式和尺寸的空载铲斗和司机标定质量（75Kg3Kg）时的主机质量。
它影响到装载机使用的经济性，可靠性和附着性能，单位为“Kg”，ZL50装载机的整机质量为17400Kg。
（5）最大行驶速度
指铲斗空载，装载机行驶在坚硬的水平面上，前进和后退各档都达到的最大速度，它影响装载机的生产率和安排施工方案。
单位为“Km/h”，,Zl50的最大行驶速度为38Km/h。
（6）最小转弯半径
指自轮胎中心或后轮外侧或铲斗外侧所构成的弧线至回转中心的距离，单位为“mm”。
（7）最大牵引力
指装载机驱动轮缘上所产生的推动车轮前进的作用力，单位为“kN”。
（8）最大掘起力
指铲斗切削刃的底面水平并高于底部基准平面20mm时，操纵提升液压缸或转斗液压缸在铲斗切削刃最前面一点向后100mm处产生的最大向上铅垂力，单位为“kN”。
（9）最大卸载高度
指动臂处于最高位置，铲斗卸载角为45°时，从地面到切削刃最低点之间的垂直距离，单位为“mm”。
（10）卸载距离
一般指在最大卸载高度时，从装载机本体最前面的一点（包括轮胎和车架）
到斗刃的水平距离，单位为“mm”。
（11）装载机工作装置总和时间
通常指工作装置的铲斗提升，下降，卸载三项时间的总和，单位为“s”。
以上参数提现了装载机整机的性能，是整机性能好坏的标志。
查阅相关标准，在铲斗举升工况，为使铲斗在举升过程中不会由于转动而将物料撒落，所以要求铲斗的转角变化不大于15°；在铲斗放平工况，铲斗从高位卸载下落到插入状态保持转斗油缸长度不变，铲斗与地面的夹角要求不大于10°，这样可以快速地进入下一工况中；同时，为确保在最高举升工况时物料能够卸载干净，铲斗在处于最大举升位置时，最大卸载角要大于等于45°，卸载高度要大于等于2.9m。
3.2ZL50装载机工作装置的静力学分析
装载机在工作过程中，其工作环境一般较为恶劣，受力也比较复杂。
铲取的物料的重力一般较大，因此装载机铲斗在铲取货物或者举升货物时，铲斗需要克服各种阻力，包括铲斗与物料的摩擦力、铲取时物料对铲斗的阻力及动臂提升时的崛起阻力等。
通常称这些力为作业阻力，在分析问题的过程中，通常将这些里的作用位置建华在斗刃上，并且形成两个集中的力：
插入阻力和崛起阻力。
装载机在实际的工作过程中，所受的力是非常复杂的，为了分析问题的方便，可大致分为两类载荷：
对称载荷和偏心载荷，受对称在载荷时，作用力作用在铲斗的中点处；受到偏心载荷时，通常将载荷简化最外侧第一个铲斗齿的中点处。
本论文所讨论的是在对称载荷作用下的受力分析,装载机各部件的受力间隙如图所示：
图3-1装载机工作装置各部件受力分析简图
装载机在铲掘的过程中，我们通常用以下三种情况进行分类：
（1）装载机沿水平方向前进，水平插入料堆，这时可以认为只受到插入阻力的作用。
（2）装载机铲入到一定深度后，铲斗通过转斗油缸的运动要进行翻转，在翻转的过程中，铲斗受到垂直崛起阻力的作用。
（3）装载机有时边插入边翻斗，此时则同时受到水平插入阻力和垂直崛起阻力的作用。
上述三种情形都可以受到对称载荷或者偏心载荷，将二者结合，就可以得到六种不同的工况，受力的简图如图3-2所示。
（a）水平对称工况（b）垂直对称工况（c）水平垂直对称同时作用工况
（d）水平偏载工况（e）垂直偏载工况（c）水平垂直偏载同时作用工况
图3-2外载荷作用下工作装置受力
对于ZL50装载机而言，工作过程中受到工作阻力主要是插入阻力和崛起阻力和转都阻力，不同的铲掘物料的方法，以上几种力的组合方式也有所不同，受力状况要视具体情况而定。
实际的工作过程中，阻力的计算长按以下经验公式估算：
（1）插入阻力通常为了计算方便，按下列经验公式来计算总的插入阻力：
=公式（3-1）
式中：
查取有关文献，结合老师建议，求解得插入阻力=140KN
（2）崛起阻力通常铲斗准备上翻时的崛起阻力按下式计算：
=公式（3-2）
式中：
查取有关文献，结合老师建议，求解得崛起阻力=73.3KN
（3）转斗阻力矩转斗阻力矩可按下式求解：
=公式（3-3）
式中：
其中
公式（3-4）
式中：
上式中的重力力矩通常按下式计算：
公式（3-5）
式中：
综上所述三种阻力，不一定在实际工作过程中的存在，而是随着采掘方法的不同而不同，存在一种或者几种。
作业方式为一次铲掘法铲掘法时，在铲斗插入料堆时，只存在插入阻力；当铲斗插入运动停止后，在铲斗上翻转时，则只受到翻转阻力矩的作用；当采用挖掘法铲掘物料时，则会同时受到插入阻力和崛起阻力的作用；当采用配合法铲掘时，则转斗阻力和插入阻力同时存在。
本文在分析时，采用一次铲掘法考虑,并选用对称载荷。
3.3油缸受力的确定
装载机各个工况的实现主要靠油缸的伸张和收缩来实现，因此油缸的受力情况就显得非常重要。
通常将油缸的受力分为主动作用力和被动作用力。
总体来说，当油缸主动运动而使机构运动时，油缸受到的力为主动作用力；当油缸闭锁不动时，油缸所受到的力称为被动作用力。
ZL50装载机的转斗油缸和动臂油缸通常不一起动作，转斗油缸和动臂油缸交替受到主动作用力和被动作用力的作用。
（1）油缸水平插入工况作用力的确定
装载机的铲掘物料时，要求转斗油缸作用力足以使铲斗在铲掘位置水平前进以铲掘物料，装载机后此时运动缓慢，转斗油缸作用力即以此平衡条件作为计算位置。
根据装载机最大插入力力公式:
=公式（3-6）
上节求得：
=73.3KN
当铲斗铲取物料时，随着铲入深度的增加，当插入到极限位置时受力分析如图所示：
图3-3转斗油缸受力分析图
上图所示尺寸，可由CAD图纸得到，为额定载荷，为铲斗的重量，为工作装置的重量。
则根据上图取下列数值：
将装载机工作装置作为一个整体，都静力学平衡得：
转斗油缸所受的力：
=181.6KN
动臂油缸（两个）所受的力：
=1109.4KN
（2）铲斗处于最高位置举升工况作用力的确定
在该位置时受力分析如图所示：
图3-4最大举升位置时油缸受力图
分析方法类似上图，求得：
转斗油缸所受的力：
=97.3KN
动臂油缸（两个）所受的力：
=611.4KN
第四章装载机工作装置的建模
4.1Pro/e三维模型的建立过程概述
Pro/e三维模型是装载机工作装置的模型的一部分。
对于装载机工作装置的建模，大体可按如下流程图进行：
图4-1工作装置建模过程流程图
在三维建模过程中，将各个零件分类，有铲斗、摇臂、动臂和连杆，各部件模型图如下图所示：
（a）铲斗（b）动臂
（c）连杆（d）摇臂
图4-2各部件三维模型图
最后得到的装配图如图4—3所示：
图4-3装载机工作装置三维图
4.2ADAMS模型的建立
4.2.1ADAMS软件简介
ADAMS是一款表现出色的动力学和运动学仿真软件，具有强大的仿真分析功能。
通过大量的工程应用和实践，ADAMS表现除了其特有的优点，在机械行业应用广泛。
ADAMS分为很多模块，例如ADAMS/View模块、ADAMS/Car模块、Adams/PostProcessor模块等。
本文在分析装载机工作装置时，主要应用到了ADAMS/View模块、ADAMS/PostProcessor模块。
ADAMS软件的优点在于它可以在给定的环境变量中模拟物体的各个量，比如说力的大小、运动轨迹、铰接点的受力等等。
有了上述仿真的结果，就可以帮助设计人员在不用制造出整机的前提下了解样品质量的好坏，从而帮助他们加以改进，节省研发费用和研发时间。
4.2.2Pro/e模型导入ADAMS
本章第一节中介绍了三维模型的建模方法，在三维模型建立好之后，接下的任务是将Pro/e模型导入ADAMS。
将Pro/e建好的模型模型导入到ADAMS有很多方法，但首先得确保Pro/e中建立的模型的单位制和ADAMS的单位制是相符合的，否则无法进行模型导入，本论文导入的方法是：
（1）先将三维模型在Pro/e中打开，保存副本，保存成.x_t格式。
打开ADAMS/View模块，选择importafile.
（2）在FileType栏选择输入的文件格式类型，后缀为.x_t格式。
（3）在FileToRead右边的空框内输入文件名，方法为：
鼠标放在空框内，点击右键，选择browse,打开文件浏览对话框，找到已保存的后缀为.x_t格式的文件，双击即可。
（4）在modelName栏，输入ADAMS数据库名。
（5）选择OK按钮，即可导入ADAMS中。
模型导入ADAMS后，其各部件的物理特征丢失，只保留了几何特性，所以，为了进行系统仿真，需要对每一个零部件添加材料特性。
修改完成后，模型导入完毕。
4.2.3导入的模型的布尔操作
在装载机工作装置在导入ADAMS时，焊接等固定连接处相连接的零件都是一个独立的零件，要进行装载机工作装置的运动仿真分析，必须将固定相连的零件生成一个零件，即布尔操作。
ADAMS/View提供了五种布尔操作，通过对简单实体的组合来创建复杂零件。
表4-1实体的布尔运算
图标
图标
功能
说明
布尔加（Unite）
合并两个相交的实体
把第二个，实体并入第一个实体中，相交部分只计算一次
布尔和（Merge）
合并两个不相交的实体
把第一个实体并入到第二个实体中
布尔交（Interesect）
取相交形体
保留相交部分的实体，所形成的实体特性与第一个实体相同
布尔减（Cut）
实体切割
用第一个实体去切第二个实体，删除第一个实体和相交部分的第二个实体
布尔分（Split）
实体还原
将经过以上布尔操作的实体还原
4.3模型的约束的确定
4.3.1约束的概述和分类
在一个系统中，通常是由多个约束组成的，组成系统的各个构件之间通常存在某些约束关系，定义两个构件之间的约束关系为运动副或者铰链。
经过抽象、归纳和总结，可以将约束大致分为基本约束和运动副。
在仿真分析时，要使系统运动，必须首先定义约束和运动副，还需要在相应的运动副上加上驱动和载荷。
就本质而言，驱动的本质也是约束，只不过这种约束能使两构件按某一规律运功。
ADAMS/View可以处理以下4种类型的约束：
（1）常用运动副约束
（2）指定约束方向，即：
限制某个运动方向
（3）接触约束，定义两构件在运动中发生接触时，是怎样相互约束的。
（4）约束运动。
约束工具的启动方式有两种：
一种是在主工具箱中，选择连接工具集图标或运动工具集图标，然后选择约束工具；另一种方法是在Build菜单中选择Joints项，可显示连接对话框。
启动后的界面如图所示：
图4-4
升级会员 