ADAMS期末大作业
设计题目：挖掘机工作仿真
设计者：胡国哲
班级：工机四班
学号： 20097658
指导老师：贾璐
2011年12月7日
目录
1.设计任务 (1)
2.四连杆机构的参数化建模与优化设计 (1)
2.1启动ADAMS并设置工作环境 (1)
2.2创建虚拟样机模型 (1)
2.3仿真与测试模型 (3)
2.4参数化模型 (4)
2.5优化设计 (5)
3.建立挖掘机和汽车的虚拟样机模型 (9)
3.1基于Pro/E的挖掘机建模 (9)
3.2在ADAMS中的建模 (10)
3.2.1导入CAD模型 (10)
3.2.2创建运动副和驱动 (10)
3.2.3定义驱动函数 (12)
3.2.4创建路面 (12)
3.2.5创建汽车模型 (13)
3.2.6创建设计变量、修改motion (13)
3.2.7创建对话框 (14)
3.2.8添加接触力 (16)
3.3交互式仿真 (16)
3.4测量仿真结果 (17)
4.脚本控制工作仿真 (18)
4.1创建传感器 (18)
4.2创建仿真脚本 (19)
4.3脚本控制仿真 (20)
4.4录制动画 (22)
1.设计任务
本文可分为两部分，第一部分：先对挖掘机工作装置中的铲斗、摇杆、连杆、斗杆组成的四连杆机构进行了参数化建模，并在铲斗油缸的推力一定的情况下，对四连杆机构进行优化设计，以获取挖掘过程中的最大铲斗挖掘力的最大值。第二部分：通过前一步的优化设计，设计出铲斗挖掘力为最大值时的四连杆机构各个杆的长度，再在Pro/E里面建立四连杆机构和挖掘机整体模型，再导入到ADAMS里面进行挖掘工况的动力学仿真分析，并模拟真实情况进行挖掘机行走和装载物料。
2.四连杆机构的参数化建模与优化设计
2.1启动ADAMS并设置工作环境
打开ADAMS/View，定义Model name为siliangan，按下图参数设置工作环境。
图2-1 工作环境的设置
2.2创建虚拟样机模型
在大地上创建4个结构点POINT_1，POINT_2，POINT_3，POINT_4，如图2-2所示。坐标值如图中Table Editor for Points on siliangan窗口所示。
图2-2 结构点的创建
在POINT_1和POINT_2之间创建铲斗部分，在POINT_2和POINT_3之间创建连杆，在POINT_3和POINT_4之间创建摇杆，在POINT_4和POINT_1之间创建斗杆部分，如图2-3所示，最后在斗杆的左端点和POINT_3之间创建铲
斗油缸，铲斗油缸由活塞和缸筒组成。
图2-3 四连杆机构模型
创建转动副，如图2-4所示创建5个转动副。其中：JOINT_1在铲斗和连杆之间，位于POINT_2处；JOINT_2在摇杆和连杆之间，位于POINT_3处；JOINT_3在摇杆和活塞之间，位于POINT_3处；JOINT_4在摇杆和斗杆之间，位于POINT_4处；JOINT_5在斗杆和铲斗之间，位于POINT_1处；JOINT_6在油缸和斗杆之间，位于斗杆端点处。
创建移动副，JOINT_7在油缸缸体和活塞之间，位于缸筒质心处。
创建固定副，JOINT_8在斗杆和大地之间，位于斗杆质心处。
图2-4 运动副的创建
创建弹簧，用其拉力来模拟实际机构中铲斗挖掘力，如图2-5所示。其中K 设置为100N/mm，C设置为0，在大地上的(1400,0,0)点和PART_2上的MARKER_4点之间创建弹簧。
图2-5 弹簧的创建
施加作用力，在铲斗油缸的活塞上施加一个约为160KN的推力，选择活塞PART_7，单击活塞质心坐标点，然后右击鼠标，选择PART_7.cm.Z，方向沿活塞轴线方向，如图2-6所示。
图2-6作用力的创建
2.3仿真与测试模型
按图2-7所示参数对模型进行仿真。
图2-7 模型的仿真
测量弹簧力，测量结果显示弹簧在做简谐运动，如图2-8所示。
图2-8 弹簧力的测量结果
测量角度，创建一个角度的测量MEA_ANGLE_1，测量活塞与摇杆的夹角。
图2-9 角度的测量结果
创建传感器，用于感知摇杆和活塞的夹角角度，当测量角度(MEA_ANGLE_1)值小于或等于90度时（此时铲斗挖掘力即弹簧拉力和活塞推力平衡，铲斗获得最大挖掘力，也即弹簧所受的拉力），系统停止仿真。
图2-10 传感器的创建
再对模型进行仿真，从仿真结果可以看出，当夹角为90度时，弹簧力的值刚好在平衡点附近，即此时活塞推力和弹簧力相互平衡，这与前面推力和K的设置是密不可分的。
图2-11 模型的仿真结果
2.4参数化模型
图2-12 设计变量的创建
按以上方法创建POINT_2、POINT_3、POINT_4的横纵坐标为变量，并按以下方法改变设计变量的变化范围。
图2-13 设计变量的列表
2.5优化设计
分析设计变量对弹簧力的影响度，按照图2-14的方法依次对设计变量DV_1~DV_6进行分析，最后结果汇总于表2-1中。
图2-14 设计评估
分析中弹簧力、测量角度的变化曲线，最小弹簧力相对设计变量的变化曲线如下：
图2-15 弹簧力在各分析次数下的变化图2-16 测量角度在各分析次数下的变化
图2-17 最小弹簧力对应设计变量DV_1的变化
图2-18 分析报告
从表2-1中可以看出，设计变量DV_3、DV_4、DV_5的影响度最大，所以选择这三个变量作为优化的设计变量。
优化的目标是获得最小弹簧力，即绝对值最大，最后优化得到的是每次挖掘过程中拉力绝对值最大的弹簧力。
修改优化设计变量的取值范围，如图2-19所示。
图2-19 设计变量的更改
图2-20 优化仿真
图2-21 弹簧力的变化图2-22 测量角度的变化
图2-23 目标函数的变化图2-24 DV_3的变化
图2-25 DV_4的变化图2-26 DV_5的变化
图2-27 优化分析报告
从系统给出的优化结果可以看出，弹簧力绝对值由优化前的49443N变成了50850N，提高了百分之三左右，此时的POINT_3x、POINT_3y、POINT_4x分别为-443.38mm、353.99mm、-206.21mm，保存文件名为siliangan.bin。
3.建立挖掘机和汽车的虚拟样机模型
通过前一章节对挖掘机机构中四连杆机构的优化设计，现在根据优化的参数建立模型，挖掘机的其他机构的参数根据实际经验参数和某一具体的挖掘机参数取得。由于ADAMS的建模能力不是很强，因此先在Pro/E里面建立好挖掘机的整体模型，然后保存为Parasolid.x_t格式，再导入到ADAMS里面进行编辑，包括名称的更改和颜色、材质物性的修改等。
3.1基于Pro/E的挖掘机建模
在Pro/E里面建立轮式挖掘机的底盘、悬挂、转向系统等，轮式挖掘机采用四轮驱动，因此有两个差速器，而前轮转向。最后建立挖掘工作装置，装配成为完整的挖掘机整体，然后保存副本，保存为Parasolid.x_t格式的文件，以方便用ADAMS打开。如图3-1~3-4所示。
图3-1 轮式挖掘机的行走装置
图3-2 差速器图3-3 悬挂系统
图3-4 挖掘机整机
3.2在ADAMS中的建模
3.2.1导入CAD模型
将以上建立的模型导入到ADAMS中，再对模型进行修改，之后添加运动副，由于机构繁杂，所需的运动副比较多，所以要注意添加约束副时每个约束副要正确合理，能保证机构的正常运动。
图3-5 导入ADAMS中的模型
3.2.2创建运动副和驱动
由于运动副较多，并考虑到计算问题，这里添加四个轮子的绕轴转动的万向副，它允许一个物体把旋转运动传递给另一个物体，即传动轴把运动传递给车轮，并且不要求两个物体的旋转轴共线，即在右前轮、左前轮、右后轮、左后轮分别和前后转动轴之间的万向副，分别为：JOINT_1，JOINT_2，JOINT_3，JOINT_4。再在前后旋转轴和中间的传动轴之间建立锥齿轮副，即汽车的差速器。整个机构的驱动由中间的传动轴供给，所以在传动轴上添加一个MOTION_1电动机。在前后悬挂和车架之间创建四个减震弹簧，设定K=4E+007，C=0.6，如图3-6所示。
图3-6 创建底盘的运动副和驱动
在ADAMS中对挖掘机工作装置进行仿真时，按以下步骤进行:
(1)定义刚体:根据设计意图，将不同的运动部件定义为不同的刚体。在液压挖掘机工作装置中定义16个刚体:铲斗、连杆、左摇杆、右摇杆、铲斗油缸(1套2个刚体:油缸活塞杆、缸筒)、斗杆、斗杆油缸(1套2个刚体:油缸活塞杆、缸筒)、动臂、动臂油缸(2套4个刚体:油缸活塞杆、缸筒)、回转平台。
(2)创建约束副:根据部件间的运动关系，定义刚体间的约束副。在挖掘机虚拟样机中有两种运动，即油缸活塞杆与缸筒间的移动及其它各刚体间的转动。这样就在铲斗油缸、斗杆油缸和动臂油缸上各定义了4个移动副，在回转平台与行走机构之间定义1个转动副。在其他刚体各铰接点位置分别定义了4个转动副、5个圆柱副、7个球形副。经过样机模型校核，机构的自由度为0，没有多余约束，样机正确。
(3)添加驱动:液压缸产生的力是挖掘机工作装置运动的原动力，而驱动油缸动作是由液压马达、液压泵等一套液压系统完成的。由于动臂油缸相对于动臂的对称性，故而可以将动臂油缸的驱动定义在一侧油缸上比如左侧动臂油缸。故在油缸缸筒和油缸活塞杆之间直接添加移动驱动。共计施加3个移动驱动。另外，在回转平台与行走机构之间的转动副上施加1个旋转驱动。
(4)模型检验：建成样机模型后，可以通过模型检验工具进行错误检查。
图3-7 创建工作装置的运动副和驱动
3.2.3定义驱动函数
在油缸移动副约束处添加移动驱动(Translational joint motion)，对于回转旋转副添加转动驱动(Rotational joint motion)，运动方式为位移(displacement)，运动函数输入相应的STEP函数。各个油缸和旋转驱动的STEP函数的具体设置如下。工作时间从30s至62s。
定义动臂油缸上的驱动方程STEP函数为:
STEP( time , 34 , 0 , 39 , 0.637 )+STEP( time , 44 , 0 , 48 , -0.637 ) 定义斗杆油缸上的驱动方程STEP函数为:
STEP( time , 30 , 0 , 33 , -0.34 )+STEP( time , 39 , 0 , 44 , 0.34 ) 定义铲斗油缸上的驱动方程STEP函数为:
STEP( time , 30 , 0 , 34 , -0.562 )+STEP( time , 39 , 0 , 44 , 0.525 )
+STEP( time , 54 , 0 , 58 , -0.525 )
定义回转油缸上的驱动方程STEP函数为:
STEP( time , 48 , 0 , 54 , 90d )+STEP( time , 58 , 0 , 62 , -90d ) 在传动轴旋转副约束处添加转动驱动(Rotational joint motion)，运动方式为速度(velocity)，输入100deg/s，即为传动轴转速，通过差速器传递给车轮。
3.2.4创建路面
在车轮下面创建路面，以模仿真实的挖掘机行走工况。
选择零件库的点(point)按钮，在地面上创建设计点，如图3-8所示。
图3-8 设计点坐标
选择零件库中的拉伸体按钮，然后依次选择设计点POINT_98~POINT_98_8，选取后，右击鼠标确认，创建一个属于地面ground的路面，如图3-9所示。
图3-9 创建路面
3.2.5创建汽车模型
图3-10 汽车简易模型
图3-11 挖掘机与汽车模型
在创建好的挖掘机旁边建立简易的汽车模型，作为装载物料的货车，货车共有四个轮子，前面左右轮为一个整体，后面左右轮为一个整体，分别与车架用旋转副连接，然后创建两个驱动前后轮的MOTION。车厢和车架尾部用一个旋转副连接，并且车厢和车架中部用油缸连接，油缸的活塞和缸筒由滑动副连接，滑动副上创建一个位移驱动，从而驱动车厢翻转卸载，定义此位移驱动的函数如下：STEP( time , 70 , 0 , 74 , 0.9 )+STEP( time , 74 , 0 , 78 , -0.9 )
3.2.6创建设计变量、修改motion
执行菜单Build/Design Variable/New命令，打开Creat Design Variable对话框。设置其内容如图3-12所示。创建挖掘机车速变量V_1、汽车车速变量V_2，类型Real选择angle，标准值均为100，最小值为0，最大值为500。
图3-12 创建设计变量对话框
修改motion，在挖掘机传动驱动的motion附近，右击鼠标，在弹出的快捷菜单中执行Modify命令，在Type下拉列表中选取Velocity选项，此时在Function(time)栏中，即为该类型的运动函数值。为了让它与设计变量关联起来，在栏中右击鼠标，在弹出的快捷菜单中执行Parameterize/Reference Design Variable命令，打开Database Navigator窗口，从中选择已经定义的设计变量V_1，修改后如图3-13所示。类似地，修改装载汽车的驱动motion，使其与设计变量V_2关联起来。如图3-14所示。
图3-13 挖掘机传动Motion对话框图3-14 汽车传动Motion对话框
3.2.7创建对话框
为便于对设计变量赋值，创建交互式对话框。选择菜单Tools/Dialog Box/Create命令，即打开Dialog-Box Bulider对话框。在该对话框中执行菜单Dialog Box/New命令，即出现新对话框，按如图3-15所示选取有关选项，然后选择OK按钮，系统自动生成一个空白的对话框，从Create菜单下分别应用Label、Field命令在空白对话框中添加图3-16所示的标签栏和文本框。
图3-15 新建对话框图3-16创建新对话框
将鼠标移动到生产的my_name对话框的任一Label栏处，双击鼠标，此时Dialog-Box Builder对话框发生了相应的变化。从该对话框的Attributes下拉列表框中分别选取Appearance、Resizing、Layout、Help属性可以对其外观、尺寸、布局及帮助内容进行修改。每次输入或修改后，必须选择Apply按钮，操作才能生效。
在第一个Label栏处双击鼠标，在Dialog-Box Builder对话框的Attributes下拉列表框中选取Appearance选项，然后在Label Text栏中输入wajueji chesu；类似地，将第二个Label栏修改为qiche chesu。
在my_name对话框的任意空白处双击鼠标，然后在Dialog-Box Builder对话框的Attributes下拉列表框中选取Commands选项，在对话框最下面的命令栏中输入如下内容：
var mod var=V_1 real=(eval ($field_1))
var mod var=V_2 real=(eval ($field_2))
选择Apply按钮完成此次操作。
然后执行菜单Options/Test Box命令，使对话生效，如图3-17所示。可以输入不同的车速，观察车速的变化，注意变量的取值范围。
图3-17 对话框生效
为方便my_name对话框的调用，下面把新建的对话框打开按钮添加到ADAMS/View菜单中，从而可以通过菜单命令调用该对话框。执行菜单命令Tools/Menu/Modify命令，进入菜单编辑器Menu Builder对话框。在该窗口的最后添加如下命令：
MENU1 &My menu
NAME=my menu
HELP= This is my menu
BUTTON2 &my_name...
HELP=Open” my_name”dialogbox
CMD=interface dialog display dialog=.gui.my_name
图3-18 新菜单的添加
图3-19 my_name子菜单
3.2.8添加接触力
选择力库的接触力按钮，弹出Create Contact对话框。在Contact Type一栏，从下拉列表中选取Solid to Solid选项；在I Solid一栏，右击鼠标，弹出如图3-20所示快捷菜单，执行Pick命令则可从模型中直接选取；也可执行Browse命令，弹出Database Navigator对话框，从而在数据库中选择，如图3-21所示。分别选取挖掘机的四个车轮和路面、汽车的四个轮子和路面，创建八个轮子与路面的接触力。注意，确认摩擦力在打开状态，所有选项取系统默认值，如图3-22所示。
图3-20 接触力对话框图3-21 Database Navigator对话框
图3-22 摩擦选项
3.3交互式仿真
通过my_name对话框的调用，可以方便的设置挖掘机和汽车各自车轮的速
度大小，仿真的顺序是：挖掘机和汽车以各自的V_1和V_2速度前行，当汽车和挖掘机行驶到路面末端时停止，而挖掘机开始工作挖掘土壤装载汽车，一个循环后，汽车启动倒退，倒退到沟壑处卸载，卸载完成后继续前行到达挖掘机位置附近，进行下一个作业循环。
要实现上述循环，可以设置挖掘机和汽车各自的传动车轮的驱动函数，这里主要用的是IF和STEP函数，各函数如下：
挖掘机驱动MOTION的函数：IF( time-30 : -V_1 , -V_1 , 0 )
汽车驱动MOTION的函数：IF( time-28: -V_2 , -V_2 , IF( time-62 : 0 , V_2 , IF( time-73 : V_2 , V_2 , IF( time-88 : 0 , -V_2 , -V_2 ) ) ) )
汽车卸载起升双活塞式油缸驱动MOTION的函数：
活塞一：STEP( time , 74 , 0 , 80 , -1 )+STEP( time , 80 , 0 , 86 , 1 )
活塞二：STEP( time , 74 , 0 , 80 , -0.9 )+STEP( time , 80 , 0 , 86 , 0.9 )
需要注意的是：此处的挖掘机工作装置的各个油缸的函数和3.2.3节的设置一样，工作装置的工作时间是第30秒到62秒，前30秒为行走时间。
图3-23 模型的仿真
仿真结束后，可以看到挖掘机和汽车都按照预期的方式动作。
3.4测量仿真结果
右击铲斗齿尖的MARKER点，选择Measure，按如图3-24所示，测量此点的位移变化曲线，同理，可测量此点的速度和加速度曲线。
图3-24 测量的定义图3-25 位移曲线
图3-26 速度曲线图3-27 加速度曲线
图3-28 动画的录制
从测量结果结果可以看出，挖掘机斗齿尖的速度和加速度曲线在前30秒有微小的震动，这是因为挖掘机和路面之间定义的是基于碰撞函数的接触力（IMPACT），并且轮胎在越沟的过程中有轻微的小幅颠簸。而在挖掘过程中，挖掘机相对于地面静止不动，齿尖的速度和加速度就比较平缓，符合实际情况。
4.脚本控制工作仿真
利用交互式仿真，即可观察车子的越沟能力和爬坡能力，但是为了精确实现挖掘机的挖掘工作和汽车的自卸功能，下面采用脚本仿真控制每个车的运动。
4.1创建传感器
在右上方的POINT_6上建立属于地面的Marker点，重命名为MARKER_reference，注意它的方向应与当前系统坐标方向相同。
执行菜单Simulate/Sensor/New命令，即打开创建传感器对话框，选择Expression右侧的…按钮，出现函数编辑器，从下拉列表中选取Displacement选项，如图4-1所示选取Distance along Z。选择Assist按钮，弹出如图4-2所示对话框，在编辑框中右击鼠标，从弹出的Database Navigator窗口选取相应的选项，如图4-3所示。
图4-1 位移下拉列表选项图4-2位移量参数填写
目录 一、基本要求 (2) 1.1铲斗的结构选择 (2) 二、铲斗基本参数的确定 (3) 2.1铲斗长宽高的确定 (3) 2.2挖掘力计算 (4) 三、铲斗几何形状 (6) 3.1铲斗的组成 (6) 3.2斗体曲线 (7) 3.3两种曲线的比较 (9) 四、结论 (11) 参考文献 (13)
一、基本要求 斗轮挖掘机的铲斗在轮圈回转一周的过程中, 要完成切割、装载和排空物料三项作业。切割时要求斗齿能迅速切入物料。为此铲斗必须具有足够的强度和刚度, 以便承受物料的反作用力。装载时要求物料能较通畅地流人铲斗( 这样可减少切割阻力) , 同时在物料充填铲斗时, 既要填满铲斗空间, 又不能产生过大的挤压力, 否则由于挤压力的增大, 会使铲斗壁与物料的吸附力增大(在一定吸附系数下, 吸附力与两物体之间的正压力成正比) , 造成排料时物料排不净或撒料等情况。 1.1铲斗的结构选择 铲斗结构形状和参数的合理选择对挖掘机的作业效果影响很大，其应满足以下要求： （1）有利于物料的自由流动。铲斗内壁不宜设置横向凸缘、棱角等，斗底的纵向剖面形状要适合于各种物料的运动规律。 （2）要使物料易于卸尽 （3）为使装进铲斗的物料不易于卸出，铲斗的宽度与物料的粒径之比应该大于4，大50时，颗粒尺寸不考虑，视物料为均质。 综上考虑，选用中型挖掘机常用的铲斗结构与下图。 斗齿的安装连接采用橡胶销式，结构示意图如下图
二、铲斗基本参数的确定 2.1铲斗长宽高的确定 斗容量q ，平均宽度B ，转斗挖掘半径R 和转斗挖掘满转角2?是铲斗的四个 主要参数，R,B,2?，三者之间有下几何关系： s K B R q )2sin 2(2 12 ??-= 式中土壤松散系数s K 近似值取1.25，q=0.28m 3，根据上式可由R,B,2?中作任值求相应第三值。其斗容量0.28m 3，斗宽B=0.794m 。 根据已经确定的斗轮挖掘机生产力轮圈直径宽度转速铲斗数量及每只铲斗的容量, 即可确定铲斗的宽度( B )长度( L )和高度( H ) L : B ≈ 1.3；所以可知L=1.0322m q = 0 .8 B L H 204.1B q H = , 式中q ——铲斗容量( 立方米 ) 把数据代入后，可求得H=0.339m 求出L , H , B 后, 必须按轮圈的圆周速度及铲斗个数来校核铲斗处于轮圈正上方时,物料是否能靠自重保证落入卸料区间。设每只铲斗及其卸料空间所占 的圆心角为a , 每只铲斗的卸料空间弦长为 L BC =空( 见图1 )
目录 一、基本要求............................................... 2 ............ 1.1铲斗的结构选择 ..................................... 2 ....... 二、......................................... 铲斗基本参数的确定 (3) 2.1铲斗长宽高的确定 .................................. 3 ....... 2.2挖掘力计算 ......................................... 5 ....... 三、............................................... 铲斗几何形状... 7. 3.1铲斗的组成 ......................................... 7. ....... 3.2斗体曲线 ........................................... 9 ....... 1..1. 3.3两种曲线的比较 ............................................................................................. 1...3 ........ 参考文献................................................ 15 ........
斗轮挖掘机的铲斗在轮圈回转一周的过程中，要完成切割、装载和排空物料三项作业。切割时要求斗齿能迅速切入物料。为此铲斗必须具有足够的强度和刚度以便承受物料的反作用力。装载时要求物料能较通畅地流人铲斗(这样可减少切割阻力)，同时在物料充填铲斗时，既要填满铲斗空间,乂不能产生过大的挤压力，否则由于挤压力的增大,会使铲斗壁与物料的吸附力增大(在一定吸附系数下，吸附力与两物体之间的正压力成正比),造成排料时物料排不净或撒料等情况。 1.1铲斗的结构选择 铲斗结构形状和参数的合理选择对挖掘机的作业效果影响很大，其应满足以下要求： (1) 有利于物料的自由流动。铲斗壁不宜设置横向凸缘、棱角等，斗底的纵向剖面形状要适合于各种物料的运动规律。 (2) 要使物料易于卸尽 (3) 为使装进铲斗的物料不易于卸出，铲斗的宽度与物料的粒径之比应该大于 4,大50时，颗粒尺寸不考虑，视物料为均质。 综上考虑，选用中型挖掘机常用的铲斗结构与下图。
优化性能指南
挖掘机铲斗
Cat 挖掘机铲斗
性能
适用于 您的机器以及 您的应用类型
使用错误的铲斗很容易降 低生产效率，并增加 10% - 20% 甚至更高的操作费 用。它能进一步对机器和 铲斗造成不必要的应力和 疲劳。
增强的铰链设计 提供最大的结构寿命 铰链板经过扭矩管，提供了 更好的负载分配和耐用度
调节组件
调节组件可在不卸下铲斗的 前提下 , 轻松调整松紧 保证铲斗连接紧固 减少保养 减少噪音 提高性能
角板提供 最大的刚性
铰链
基刃 侧部耐磨板
高强度耐磨板 提供附加保护
齿座
多种选择 卡特彼勒提供各种用途的 铲斗，各个都能与您的挖 掘 机 有 机 结 合， 发 挥 作 用。该组合将尽可能为您 的特殊应用场合提供最佳 性能。
使用寿命长 卡特彼勒铲斗都是按卡特 彼勒技术规格进行设计和 制造的。高强度调质钢提 供额外的耐用度，而不必 借助更厚、更重型的钢板 来使您获得更长的寿命及 更大的有效载荷。
调节器总成易于修正松 动，无需拆卸铲斗 标识牌提供 铲斗的信息
侧板 侧杆
侧杆预留钻孔， 用于可选边铲 和 / 或侧杆保护装置
包板
双半径包板 增加根部间隙 并改善磨擦特性
卡特彼勒齿座和斗齿经过硬化处理， 提供了出色的耐用度、 优异的性能以及防断裂的寿命保证。
水平底部耐磨板强化了铲斗， 提供了更大的强度和刚性， 同时便于更换。 双紧固 夹板齿座
钢材参数
通用 / 重型 / 重型岩石铲斗 耐磨板 ■ 包 侧 侧 基 边 板 ■ 板 ■ 杆 ■ 刃 ■ 铲 HB400 高强度、耐磨钢（屈服强度 1,000 Mpa） 卡特规格 卡特 J 系列 HB250 高强度、调质钢 （屈服强度 640 Mpa） HB140 Q345 等同（屈服强度 350 Mpa） HB400 高强度、耐磨钢 （屈服强度 1,000 Mpa） 轻型铲斗 HB176 Q460 等同（屈服强度 460 Mpa）
斗齿和齿座
铲斗不同颜色表示使用不同材质。实际的铲斗颜色为卡特彼勒专用黄色。
2.1挖掘机铲斗的设计 在上工具箱上单击【文件】按钮，打开【新建】对话框，选取文件类型为【零件】。 1.在右工具箱上单击按钮，进入草绘，画出如图2-1所示曲线。 2.完成后单击按钮，进行拉伸如图2-2。 图2-1 图2-2 图2-3 3.再进行拉伸除料，并创立一个基准面，由FRONT面平移至铲斗中间，如图2-3 。 4.在刚创立的基准面上草绘，并拉伸除料，结果如图2-4。 图2-4 图2-5 5.然后再FRONT面上草绘铲斗的铲齿，并拉伸，阵列，结果如图2-5。
6.接下来在DTM1基准面内进行铲斗连接部分的拉伸，结果如图2-6。 图2-6 这样，铲斗就设计完成了！ 2.2挖掘机斗杆及动臂的设计 2.2.1挖掘机斗杆设计 1.在FRONT面上草绘如图2-7所示的斗杆曲线，并且拉伸，结果如图2-8。 图2-7 图2-8 图2-9 2.接下来将斗杆连接处进行必要的拉伸除料，以满足装配需求，结果如图2-9。 这样斗杆就设计完成！ 2.2.2挖掘机动臂设计 挖掘机动臂的设计跟斗杆差不多，只是外形和尺寸不一样，这里不再进行阐
述，动臂设计结果如图2-10所示。 图2-10 2.3挖掘机机身及驾驶舱的设计 1.先在TOP基准面内拉伸出驾驶舱及发动机舱的底板，如图2-11。 图2-11 图2-12 2.然后在该底板上草绘出发动机舱的曲线，并拉伸，倒角，如图2-12。 3.接下来是散热器突盖的拉伸，结果如图2-13。 图2-13 图2-14 4.单击按钮，以ERONT面创建DTM1基准面，并在该面内用【扫描】、【伸出项】指令把排气管扫描出来，结果如图2-14。 5.再由FRONT面平移创立DTM2基准面，并在其上拉伸出驾驶舱外形，如图2-15。 图2-15 图2-16
doi:10.16576/https://www.doczj.com/doc/aa10706106.html,ki.1007-4414.2016.02.048 基于SolidWorks的挖掘机铲斗分析与优化设计? 殷淑芳,尹开勤 (青岛滨海学院,山东青岛一266555) 摘一要:挖掘机铲斗是挖掘机工作装置中最为重要的部件之一,其在工作时,与石块二土壤等直接接触,工作条件极为恶劣三其结构设计的合理与否,直接影响到挖掘机铲斗的使用寿命三为解决这一问题,采用SolidWorks Simulation对挖掘机铲斗进行有限元分析,采用实体二壳体混合有限元网格模型,并进行相应的约束及载荷的加载,得到其在极端条件下的应力分布状态三并应用SolidWorks Simulation中结构参数优化功能,对挖掘机铲斗进行优化设计,以此改善挖掘机铲斗在极端工况下的受力,从而提高其使用寿命三 关键词:挖掘机;铲斗;SolidWorks Simulation;优化设计 中图分类号:TD422.2一一一一一一文献标志码:A一一一一一一文章编号:1007-4414(2016)02-0141-03 Analysis and Optimum Design of Excavator Bucket Based on SolidWorks YIN Shu-fang,YIN Kai-qin (Qingdao Binhai University,Qingdao Shandong一266555,China) Abstract:Excavator bucket is one of the most important components of the excavator working devices.At work,it directly contacts with the rocks and soil,so its working condition is extremely bad.The structure design is reasonable or not directly affects the service life of the excavator bucket.In order to solve this problem,this paper uses Solid Works simulation on the fi-nite element analysis of the excavator https://www.doczj.com/doc/aa10706106.html,ing the solid,shell mixed finite element mesh models and loading correspond-ing constraints and loads to obtain the stress distribution on the extreme conditions.And using structure parameters optimiza-tion function of Solid Works simulation,the design of excavator bucket is optimized,which improve the load of the excavator bucket under the extreme conditions,and increase the service life. Key words:excavator;bucket;Solid Works Simulation;optimum design 0一引一言 挖掘机是通过其工作装置中的铲斗来挖掘土壤二 煤泥二疏松后的石块等物料,并运至指定位置或装车 的一种机械,主要用于工程作业中的土方作业三在其 工作过程中,铲斗直接与物料接触,承受较大的冲击二 摩擦载荷三且其工作过程受物料多样性变化的影响, 铲斗的受力并不均匀,很多情况下,所受作用力只作 用于铲斗的一个铲齿上,极端的情况,甚至作用于最 靠边的铲齿上,造成极大的偏载二应力集中[1]三受制于铲斗恶劣的工况,在进行铲斗设计时,在 保证斗容满足要求的情况下,力求相关结构参数设置 的合理,使其具有较高的可靠性三但针对铲斗的受力 计算中,若采用传统设计方法进行计算,不但计算过 程复杂且不易保证结果的正确性三SolidWorks Simulation与三维造型软件Solid-Works无缝集成,用户可以在同一个软件环境下方便地实现产品的设计及有限元强度分析三故在本次铲斗有限元强度分析时采用SolidWorks Simulation作为有限元分析平台[2],对某企业的XE215CA型铲斗的结构进行分析和设计优化三 1一铲斗强度的有限元分析思路 在常规的结构件应用有限元分析软件进行计算时,通常首先根据结构件的结构特点,建立有限元分析所需的模型;根据结构件所用的材料建立材料模型;然后根据结构件的工作情况确定相应的载荷及约束,并划分网格;最后运行求解三 由于铲斗的工作时,作业情况复杂,并且需要对结构参数进行优化,如果仅按常规的分析思路进行有限元的分析求解,则会造成分析过程反复,分析效率低下三 2一铲斗结构分析 铲斗结构如图1所示,其一般由斗壁二斗底二耳板二斗齿及斗角等组成三主要设计数据有斗底板厚度二耳板厚度二斗壁厚度二斗角厚度二背板厚度二耳板间距二斗角长二斗角宽及斗角圆弧半径,通过强度分析,对其设计数据进行优化设计三 由铲斗的结构可知,构成铲斗主要结构的斗壁二斗底二耳板均由钢板加工后经焊接而成三斗壁二斗底 四机械研究与应用四2016年第2期(第29卷,总第142期)一一一一一一一一一一一一一一一一一一设计与制造 ?收稿日期:2016-02-19 作者简介:殷淑芳(1972-),女,山东青岛人,硕士,高级工程师,主要从事产品开发方面的工作三
目录 一、基本要求 (2) 铲斗的结构选择 (2) 二、铲斗基本参数的确定 (3) 铲斗长宽高的确定 (3) 挖掘力计算 (4) 三、铲斗几何形状 (5) 铲斗的组成 (5) 斗体曲线 (7) 两种曲线的比较 (9) 四、结论 (10) 参考文献 (12)
一、基本要求 斗轮挖掘机的铲斗在轮圈回转一周的过程中, 要完成切割、装载和排空物料三项作业。切割时要求斗齿能迅速切入物料。为此铲斗必须具有足够的强度和刚度, 以便承受物料的反作用力。装载时要求物料能较通畅地流人铲斗( 这样可减少切割阻力) , 同时在物料充填铲斗时, 既要填满铲斗空间, 又不能产生过大的挤压力, 否则由于挤压力的增大, 会使铲斗壁与物料的吸附力增大(在一定吸附系数下, 吸附力与两物体之间的正压力成正比) , 造成排料时物料排不净或撒料等情况。 铲斗的结构选择 铲斗结构形状和参数的合理选择对挖掘机的作业效果影响很大，其应满足以下要求： （1）有利于物料的自由流动。铲斗内壁不宜设置横向凸缘、棱角等，斗底的纵向剖面形状要适合于各种物料的运动规律。 （2）要使物料易于卸尽 （3）为使装进铲斗的物料不易于卸出，铲斗的宽度与物料的粒径之比应该大于4，大50时，颗粒尺寸不考虑，视物料为均质。 综上考虑，选用中型挖掘机常用的铲斗结构与下图。 斗齿的安装连接采用橡胶销式，结构示意图如下图
二、铲斗基本参数的确定 铲斗长宽高的确定 斗容量q ，平均宽度B ，转斗挖掘半径R 和转斗挖掘满转角2?是铲斗的四个 主要参数，R,B,2?，三者之间有下几何关系： s K B R q )2sin 2(2 12 ??-= 式中土壤松散系数近似值取，q=，根据上式可由R,B,2?中作任值求相应第三值。其斗容量，斗宽B=。 根据已经确定的斗轮挖掘机生产力轮圈直径宽度转速铲斗数量及每只铲斗的容量, 即可确定铲斗的宽度( B )长度( L )和高度( H ) L : B ≈ ；所以可知L= q = 0 .8 B L H 204.1B q H = , 式中q ——铲斗容量( 立方米 ) 把数据代入后，可求得H= 求出L , H , B 后, 必须按轮圈的圆周速度及铲斗个数来校核铲斗处于轮圈正上方时,物料是否能靠自重保证落入卸料区间。设每只铲斗及其卸料空间所占的 圆心角为a , 每只铲斗的卸料空间弦长为 L BC =空( 见图1 )
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/aa10706106.html, 矿用机械式挖掘机铲斗的原理设计探讨 作者：雷黎明 来源：《山东工业技术》2016年第11期 摘要：铲斗是挖掘机的重要组成部分，其对挖掘生产的效率有着决定性的影响，同时， 铲斗的设计对挖掘机的稳定性也是十分重要的。本文将简单介绍一些矿用机械式挖掘机铲斗的设计要求，并介绍一些如离散元、智能控制等先进技术，在铲斗设计中的应用，为铲斗的结构合理设计和提高铲斗效率的提高提供一些参考。 关键词：矿用；机械式挖掘机；铲斗；原理探讨 DOI：10.16640/https://www.doczj.com/doc/aa10706106.html,ki.37-1222/t.2016.11.015 0 前言 挖掘机是用铲斗挖掘高于或低于承机面的物料，并装入运输车辆或卸至堆料场的土方机械。挖掘机挖掘的物料主要是土壤、煤、泥沙以及经过预松后的土壤和岩石。近来，挖掘机的发展较快，已经成为工程建设中最主要的工程机械之一。由于机械式挖掘机的生产效率比较高，运行稳定性优良，所以被广泛的应用于采矿作业中。由于铲斗是最直接的工作部件，其面临的损耗和冲击也是最大的，因此铲斗的设计方面应该予以足够的重视。 矿用机械式挖掘机铲斗的设计，直接关系到铲斗能否符合挖掘工作的要求，对其挖掘的效率和挖掘的寿命有着最直接的影响，因此也有必要对机械式挖掘机铲斗的设计进行研究。当前，国外已经有比较成熟的设计理念和分析手段了，如一些主流的设计铲斗的公司，分别针对铲斗挖掘物料的不同来进行不同的设计，并利用有限元等现代技术对铲斗的强度和效率等待呢个进行分析。观之国内，目前还处于起步阶段，其设计与分析还采用借鉴模仿的方式。在这方面国内还有很长的一段路要走。 1 机械式挖掘机铲斗的结构设计特点 通常来说，常见的机械式挖掘机的铲斗由斗体、斗唇、斗齿、斗底及一些耳板、护板焊接而成的。铲斗斗体应保证足够的强度和刚度，它是主要的切削和支撑部件；斗唇是铲斗与斗齿的连接部分，斗齿的作用是减少挖掘阻力。磨损较为严重，所以在斗齿的材料选择上应采用耐磨铸件；斗底的作用主要是承载物料，斗底还设置有开斗机构，可便于物料的卸出。 在矿用机械式挖掘机铲斗的设计中，需要综合考虑下面几个因素：（1）需要保证铲斗有足够的强度与刚度，矿用机械式挖掘机铲最主要的作用是挖矿，其工作的物料对象的硬度和轻度都是十分明显的，矿用机械式挖掘机铲斗的设计如若缺乏针对性的设计，往往造成铲斗寿命的缩减。（2）需要对铲斗的结构设计进行分析，合理设计。只有合乎标准的铲斗设计，才能保证铲斗的形状合理，在减小挖掘时，可以使阻力达到最小，同时，合理的形状也是对铲斗的
目录 一、基本要求 .......................................... 2... 1.1 铲斗的结构选择................................ 2.. 二、铲斗基本参数的确定 ................................. 3.. 2.1 铲斗长宽高的确定.............................. 3.. 2.2 挖掘力计算.................................... 4.. 三、铲斗几何形状 ...................................... 6... 3.1 铲斗的组成 .................................... 6.. 3.2 斗体曲线 7... 3.3 两种曲线的比较................................ 9.. 四、结论 ....................................................... 1..1 . 参考文献........................................... 1..3.
、基本要求 斗轮挖掘机的铲斗在轮圈回转一周的过程中, 要完成切割、装载和排空物料三项作业。切割时要求斗齿能迅速切入物料。为此铲斗必须具有足够的强度和刚度, 以便承受物料的反作用力。装载时要求物料能较通畅地流人铲斗（这样可减少切割阻力） , 同时在物料充填铲斗时, 既要填满铲斗空间, 又不能产生过大的挤压力, 否则由于挤压力的增大, 会使铲斗壁与物料的吸附力增大（在一定吸附系数下, 吸附力与两物体之间的正压力成正比） , 造成排料时物料排不净或撒料等情况。 1.1 铲斗的结构选择 铲斗结构形状和参数的合理选择对挖掘机的作业效果影响很大，其应满足以下要求： （1）有利于物料的自由流动。铲斗内壁不宜设置横向凸缘、棱角等，斗底的纵向剖面形状要适合于各种物料的运动规律。 （2）要使物料易于卸尽 （3）为使装进铲斗的物料不易于卸出，铲斗的宽度与物料的粒径之比应该大于4，大50 时，颗粒尺寸不考虑，视物料为均质。综上考虑，选用中型挖掘机常用的铲斗结构与下图。 斗齿的安装连接采用橡胶销式，结构示意图如下图
吨液压挖掘机斗杆铲斗和油缸设计设计
7吨液压挖掘机斗杆、铲斗总成及油缸的设计 摘要 液压挖掘机应用面广，使用量大，在工程机械市场占有很重要的地位，目前已成为工程机械第一主力机种。液压挖掘机模仿人体构造，有大臂、小臂和手腕，能“扭腰”旋转和行走，具有较长的臂和杆，可做空间六自由度动作，配装上各种工作装置能进行立体作业。这种带有类似人类“基因”的挖掘机已成为人类工程建设中的主要伙伴之一，也被称为土建机械手，是建设机器人的代表。正因为液压挖掘机通用性强，作业范围广，所以被认为是多功能的工程机械。 我的毕业设计课题是7吨液压挖掘机斗杆总成及斗杆油缸设计。该设计主要是通过对广西玉柴生产的YC-60液压挖掘机进行现场测绘，取得了工作装置的大体结构数据。对YC-60和YC-70液压挖掘机的主要参数进行比较，再结合《液压挖掘机》和《液压与气动传动》，对单斗液压挖掘机的工作装置进行运动学分析和结构参数的计算。根据运动学分析和结构参数的计算结果得到斗杆的基本尺寸和结构尺寸，同时完成斗杆油缸的计算设计。最后用CAD 软件进行二维图的绘制。 关键词：液压挖掘机；斗杆；铲斗；铲斗油缸；设计
7 Tons of Hydraulic Excavator Arm Bucket Assembly and Cylinder Design Abstract Hydraulic excavator, a wide range of applications, the use of a large quantity, occupies a very important position in the market engineering machinery, has now become the first main machines of mechanical engineering. Hydraulic excavator mime the human body structure, a big arm, small arm and wrist, to" twist" rotation and walking, with long arms and bar, does six degree of freedom motion space, equipped with a variety of working device for stereo operation. This is similar to the human" gene" of the excavator has become a human engineering construction in the main partners, also known as civil mechanical hand, is representative of construction robot. Because of the hydraulic excavator versatility, wide scope of operation, so it is considered a function of Engineering machinery. My graduation project is seven-ton hydraulic excavator arm and bucket cylinder assembly and design. The design is mainly produced by Guangxi Yuchai YC-60 hydraulic excavators site mapping, made the general working device data. Combining with ‘hydraulic excavator’and ‘hydraulic and pneumatic drive’,respectively, using the mechanical knowledge of hydraulic excavator working device kinematics analysis and mechanical calculations. Kinematic analysis and mechanical calculations based on the results obtained Stick size of the basic size and structure, while the calculation of the completion Stick cylinder design. Finally, two-dimensional CAD software for mapping. KEY WORDS: Hydraulic excavator;Stick;bucket; bucket cylinder; design