下载文档原格式
第4期 2010年4月工矿自动化I ndustr y and M ine Automat ionNo.4 Apr.2010文章编号:1671-251X(2010)04-0050-03基于Pro /E 的装载机工作装置动臂的有限元分析及优化设计戴雪芬(江苏联合职业技术学院镇江机电分院,江苏镇江 212016)摘要:使用Pro/E 建立了装载机工作装置的动臂三维实体模型,对其进行了有限元分析及参数化设计,并在确定目标函数和约束条件的基础上对动臂进行了优化设计。
仿真结果表明,在保证动臂满足工作性能要求的前提下,经优化设计后的动臂受力情况和结构形状得到了合理的改善。
该基于Pr o/E 软件的有限元分析和优化设计方法提高了设计速度和设计质量,降低了制造成本,对装载机工作装置的动臂及整个工作装置的优化研究具有普遍的适用性。
关键词:装载机;工作装置;动臂;有限元分析;优化设计;Pro/E 中图分类号:TP391.7 文献标识码:AFinite Element A nalysis and Optimization Desig n of M ovable Arm ofLoader øs Working Equipment Based on Pro/EDAI Xue -fen(Zhenjiang Vo catio nal Co lleg e of M echanical and Electrical Technolo gy ofJiang su U nio n Technical Institute,Zhenjiang 212016,China)Abstract :Three -dim ensional solid mo del of mo vable arm o f loader øs w orking equipment w as established by use of Pro /E,the finite element analysis and parametr ic desig n for the model w ere performed,and the mo vable arm w as optim ized after objectiv e functions and constraint conditions w ere determ ined.The simulation result sho w ed that forces and structural shapes of the m ovable arm are impr oved after being optimized o n the premise of meeting requirment of the mo vable arm øs w ork performance.The metho d of finite element analy sis and o ptimization design based on Pro/E improv es design speed and quality ,reduces manufactur ing costs,and has univ er sal applicability to optimization resear ch of movable arm of loader øs w orking equipment and the w ho le w orking equipment.Key words :loader,w orking equipment,m ovable arm,finite elem ent analy sis,o ptimization desig n,Pro/E 收稿日期:2009-12-11基金项目:江苏省高校自然科学基础研究项目(07KJB460113)作者简介:戴雪芬(1982-),女,江苏镇江人,毕业于徐州师范大学机电工程系机械设计制造及其自动化专业,现主要从事机械制造、CAD/C AM 等方面的教学与研究工作,已发表文章数篇。
基于Pro／E软件的装载机虚拟设计制造研究文章运用Pro/E软件对装载机进行了三维建模设计，对其进行虚拟装配和仿真运动，完成了装载机的虚拟设计制造。
通过虚拟设计制造，缩短了产品的设计开发制造周期，提高了装载机的设计制造效率、节约了开发成本。
關键词：装载机；Pro/E虚拟设计；制造研究引言进入新世纪，科技发展突飞猛进。
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。
传统的机械设计在产品的创新开发中，存在开发设计周期长、制造成本高、产品的品质等方面已越来越不能满足人们需求，虚拟设计制造技术正是在这一背景的驱动下产生的。
装载机主要用来铲、装、卸、运土和石料一类散状物料，也可以对岩石、硬土进行轻度铲掘作业。
运用Pro/E软件，设计人员可以在制造真实装载机之前建立整个机构的虚拟样机，然后模拟装载机的运动过程，就可以在装载机的设计开发过程中发现设计存在的不足、缺陷，从而实现设计的优化。
1 虚拟设计及装配流程装载机的虚拟设计主要是用大型参数化建模软件Pro/E对机械结构进行三维实体建模，然后进行装配并各种模拟动作。
为能够方便的解决在装载机产品的设计阶段中各个机械构件在运动过程中的机械运动协调关系及运动范围的设计、可能的部件运动干涉检查等问题找到切实可行的解决问题的方法。
装载机虚拟样机的设计步骤、装配流程如图1 所示。
2 装载机的三维建模2.1 动臂的建模动臂建模设计主要采用拉伸命令，首先进入草绘平面，绘出动臂二维图形，然后给出尺寸值进行拉伸生成动臂三维实体图，再在动臂上进行其上打孔，要注意保证尺寸的准确性。
对另一个动臂采用镜像的方法得到。
如图2 所示。
2.2 铲斗的建模铲斗实体采用拉伸命令建立基本体，再用抽壳命令形成基本的壳体。
在基本体上添加加厚板以及铲齿特征。
添加铲耳特征时还需要建立铲耳特征的二维平面图形特征，后采用工具中的镜像复制命令完成铲斗肋板设计。
如图3所示。
2.3 底座的建模先建立底盘二维平面框架，然后采用拉伸命令，再采用拉伸裁剪命令生成底座结构，最后在框架上生成其他特征。
装载机工作装置建模与动态分析摘要现如今，在各种类型的工程机械中，应用尤为广泛的即为装载机，其将可有效提高现有的工程进度，并尽可能降低不必要的劳动强度，持续优化当前的工程质量。
本次研究用Z30E型装载机作为研究对象，使用solidworks三维建模软件创建了装载机工作装置各构件的零件图并用自带的装配功能将各构件装配成完整的工作装置。
在此之后，本文借助于ANSYS有限元分析软件的作用，对装载机的动臂进行科学合理的有限元分析。
在本篇论文中，决定将研究对象设定为Z30E装载机，并对其所应满足的设计要求，进行较为深入的细致阐述。
其次，据此成功构建出相匹配的反转六杆机构模型，并由此针对装载机铲斗以及摇臂等部分，进行科学得当的受力分析。
最后，本文主要针对动臂以及连杆等构件，进行精准有效的强度校核。
用solidworks创建工作装置的三维模型时先简单介绍了三维机械设计软件solidworks。
之后用solidworks的简单功能创建了装载机工作装置主要构件铲斗、动臂、摇臂和连杆的三维模型，并使用装配功能将各构件装配成一个统一的工作装置整体。
以动臂为例，若其达到高度的极小值，则将可进行一系列有限元分析。
此时，仅需将动臂模型融于ANSYS软件中，并在ANSYS中划分网格，再向其赋予一定的载荷，即可针对模型进行科学精准的求解和细致分析，并由此获得应力云图以及相应的位移云图。
据此将可得知，应力的极大值将可达到174MPa，在动臂与举臂油缸铰接处，位移最大值为0.00701m，在动臂的横梁中部处。
在本篇论文中，主要针对装载机所涉及的多样化构件，进行科学合理的受力分析，再据此成功构建出相匹配的三维模型，此外还针对动臂构件进行必要的有限元分析，并由此找出动臂应力值最大的点，对工作装置的优化设计，改善性能等将会有很大帮助。
而且利用计算机可以直接显示出动臂的彩色应力云图和位移云图。
这样复杂的装载机空间应力问题就迎刃而解了。
关键词：装载机；工作装置；建模；有限元分析第1章绪论1.1轮式装载机简介装载机隶属于典型的铲土运输机械装置，这种设备的前端配置了铲斗支撑件以及相应的连杆，相关的随机装置能够前向运动，并能进行多种作业，譬如上提、挖掘、装载、卸载与运输等，其在建筑以及矿山等各种类型的工程建设领域中应用较为广泛。
课程设计说明书基于PRO|E的铲车模型的三维设计课题名称：基于PROE的铲车模型三维设计学生生学号：21106071023专业班级：11机械班学生姓名：学生成绩：指导教师：课题工作时间：2012年12月23 至2013年1月14日目录第一章铲车设计背景及总体介绍 (3)第二章零件的设计2.1 后座主体的设计 (4)2.2轮胎的设计 (4)2.3 栏杆的设计2.4 尾气排放装置 (5)2.5 车头的制作 (6)2.6 铲车下方滑动伸缩轴的造型。
(7)2.7 前后连接装置的造型 (8)2.8螺帽的造型 (9)2.9前支撑架的的造型 (10)2.10底端支撑架的造型 (10)2.11 铲车其他滑动伸缩轴的造型 (11)2.12 铲车两边支架的造型 (11)2.13支架连接装置的造型 (12)2.14转向曲杆的造型 (13)2.15 连接杆的造型 (13)2.16铲斗的造型 (14)2.17 车轮支撑轴的造型 (14)2.18各种固定销钉的造型 (15)第三章零件的组装3.1整体效果图 (16)3.2 后半部分的装配 (17)3.3前半部分的装配 (18)3.4 整体的装配 (19)第四章总结 (20)附录参考资料 (20)第一章铲车的设计背景及介绍本学期学习了PRO|E三维造型这门课，对计算机辅助绘图及三维设计有了更深的理解，增加了对机械设计的学习乐趣。
这次的课程设计我的课题是：《对升辉800B型铲车模型的三维造型》，我有一个铲车模型玩具并且观察发现可以可以利用所学对其完整造型。
在造型个零件图时，先用毫米刻度尺测量关键参数并记录下来，设计好尺寸，利用所学的知识再用PRO|E造型出来。
最后再将所有造型好的零件组装起来。
如下图，所示为所有零件的截图。
将所有造型好的零件组装起来，便完成了本次课程设计，整体效果图如下图。
第二章零件的设计2.1 后座主体的设计铲车后座主体设计，本来打算将后座主体拆成三部分来造型，但是考虑到尺寸、及装配等因素，所以造型成一个整体，这样尺寸容易控制并且组装方便。
摘要基于Pro/E的装载机工作装置的实体建模及运动仿真专业：机械设计制造及自动化作者：李书知指导教师：陈丰峰摘要：装载机是一种应用广泛的工程机械。
有其广泛的空间，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：装载机工作装置液压缸仿真技术三维建模Abstract：Loader is a kind of engineer machine that is widely applied in engineer project,which has wildely space,Aim to the problems that exist in traditional research way of loader,for example the research cycle is long,the cost is long,the cost is high and the performance test is complex etc,this paper leads virtual prototype technology into research of loader.The following research works are completed:1.The development foreground,the category and loader’s history is introduced,also the background of simulationtechnology come into being,developing status in local and the significance of virtual prototype technology is introduced.2.To brief introduce the Pro/E software which application in the field of engineering,the3D modeling is used byPro/E software,which is built and interferential test of assembly in Pro/E environment is completed.3.The simulated motion in Pro/E environment is completed,and the capability curve is reached.4.A rational choice for the hydraulic actuating cylinder.Keywords:Loader,Working mechanism,hydraulic actuating,Simulation technology,3D modeling目录摘要 (I)1前言 (1)1.1装载机的简介 (1)1.1.1装载机的发展历史及前景 (1)1.1.2装载机的种类 (1)1.1.3本章小结 (3)1.2运动仿真技术简介 (4)1.2.1运动仿真技术产生的背景 (4)1.2.2运动仿真技术 (4)1.2.3运动仿真技术在国内外的发展概况 (4)1.2.4发展运动仿真技术的重要意义 (4)1.2.5总结 (5)1.3Pro/ENGINEER软件在工程设计中的应用 (5)1.3.1Pro/ENGINEER软件介绍 (5)1.3.2运动仿真技术对装载机设计理念的影响 (6)1.4本章小结 (7)2液压缸的选择 (8)2.1本章小结 (8)3装载机工作装置三维实体建模 (9)3.1工作装置零件建模 (9)3.1.1动臂的生成 (9)3.1.2铲斗的生成 (10)3.1.3底座的生成 (11)3.1.4连杆的生成 (11)3.1.5摇臂的生成 (12)3.1.6液压缸筒的生成 (12)3.1.7液压缸盖的生成 (13)3.1.8液压缸活塞的生成 (13)3.1.9连接销轴的生成 (13)3.2工作装置装配模型建模 (14)3.2.1底座模型装配 (15)3.2.2动臂模型装配 (15)3.2.3铲斗模型装配 (16)3.2.4液压缸体模型装配 (16)3.2.5摇杆模型的装配连接 (17)3.2.6连杆模型与铲斗模型和摇杆模型的装配连接 (17)3.2.7销钉模型的连接 (17)3.2.8本章小结...............................................................................................错误！未定义书签。
学科门类：单位代码：毕业设计说明书（论文）基于Pro/E的装载机工作装置的实体建模及运动仿真学生姓名所学专业班级学号指导教师XXXXXXXXX系二○**年X X月摘要：装载机是一种应用广泛的工程机械。
有其广泛的空间，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：装载机工作装置液压缸仿真技术三维建模Abstract：Loader is a kind of engineer machine that is widely applied in engineer project, which has wildely space, Aim to the problems that exist in traditional research way of loader, for example the research cycle is long, the cost is long, the cost is high and the performance test is complex etc, this paper leads virtual prototype technology into research of loader. The following research works are completed:1.The development foreground, the category and loader’s history is introduced, also thebackground of simulation technology come into being, developing status in local and the significance of virtual prototype technology is introduced.2.To brief introduce the Pro/E software which application in the field of engineering, the3D modeling is used by Pro/E software, which is built and interferential test of assembly in Pro/E environment is completed.3.The simulated motion in Pro/E environment is completed, and the capability curve isreached.4. A rational choice for the hydraulic actuating cylinder.Keywords: Loader, Working mechanism, hydraulic actuating, Simulation technology, 3D modeling目录摘要 (I)1 前言 (1)1.1 装载机的简介 (1)1.1.1 装载机的发展历史及前景 (1)1.1.2 装载机的种类 (1)1.1.3 本章小结 (3)1.2 运动仿真技术简介 (4)1.2.1 运动仿真技术产生的背景 (4)1.2.2 运动仿真技术 (4)1.2.3运动仿真技术在国内外的发展概况 (4)1.2.4 发展运动仿真技术的重要意义 (4)1.2.5 总结 (5)1.3 Pro/ENGINEER软件在工程设计中的应用 (5)1.3.1 Pro/ENGINEER软件介绍 (5)1.3.2 运动仿真技术对装载机设计理念的影响 (6)1.4 本章小结 (7)2 液压缸的选择 (8)2.1 本章小结 (8)3 装载机工作装置三维实体建模 (9)3.1 工作装置零件建模 (9)3.1.1 动臂的生成 (9)3.1.2 铲斗的生成 (10)3.1.3 底座的生成 (11)3.1.4 连杆的生成 (11)3.1.5 摇臂的生成 (12)3.1.6 液压缸筒的生成 (12)3.1.7 液压缸盖的生成 (13)3.1.8 液压缸活塞的生成 (13)3.1.9 连接销轴的生成 (13)3.2 工作装置装配模型建模 (14)3.2.1 底座模型装配 (15)3.2.2 动臂模型装配 (15)3.2.3 铲斗模型装配 (16)3.2.4 液压缸体模型装配 (16)3.2.5 摇杆模型的装配连接 (17)3.2.6 连杆模型与铲斗模型和摇杆模型的装配连接 (17)3.2.7 销钉模型的连接 (17)3.2.8 本章小结 (20)4 装载机工作装置运动仿真 (21)4.1 概述 (21)4.2 创建装载机工作装置的机械运动仿真 (21)4.2.1 连接轴设置 (21)4.2.2 创建快照 (22)4.2.3 定义伺服电动机 (22)4.2.4 运行运动 (25)4.2.5 结果回放动态干涉检查与制作播放文件 (26)4.2.6 测量 (28)5 结论 (31)6 致谢 (32)7 主要参考文献 (33)8 附表 (34)1前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。
1.1 装载机的简介1.1.1 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m的装载机——我国自己制造的第一台装载机之厂首先测绘并试制了67KW（90hp）、斗容量为13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0.8~10t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27000～30000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。
1.1.2 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。
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2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轮胎式装载机图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：①功率小于74kw为小型装载机。
②功率在74～147kw为中型装载机③功率在147～515kw为大型装载机④功率大于515kw为特大型装载机3、传动形式：①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；②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；③电力传动：无级调速、工作可靠、维修简单、费用较高，一般在大型装载机上采用。
