第一章  緒論

1.1  課題研究的背景與意義
WZ330 挖裝機(jī)工作裝置的分析與研究一文是基于石家莊鐵道大學(xué)和中國(guó)人民解放軍第 6411 工廠共同開發(fā)的鐵道部 2009 年科技計(jì)劃項(xiàng)目(WZ330 隧道挖裝機(jī))。 中國(guó)鐵路隧道工程隨著鐵路交通事業(yè)的迅速發(fā)展而發(fā)展，隧道工程機(jī)械化水平的提升可以大大加快我國(guó)鐵路工程建設(shè)的速度[1]。隧道挖掘裝載機(jī)是隧道鉆爆后出砟的主要機(jī)械裝備，它的主要作用是挖掘、出砟、輸送砟石等等；它的優(yōu)點(diǎn)是出砟效率高，進(jìn)而縮短了施工周期[2]。另外在國(guó)家大力發(fā)展鐵路、公路和地鐵的建設(shè)時(shí)期，配套的機(jī)械產(chǎn)品(如隧道挖裝機(jī)等)也應(yīng)大力發(fā)展以適應(yīng)建設(shè)過(guò)程中的需求，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自主化，保證產(chǎn)品的質(zhì)量，降低產(chǎn)品的成本，因此研究挖裝機(jī)是非常必要的。另外，由于隧道施工鉆爆法的顯著特點(diǎn)是成本低、效率高以及適應(yīng)能力強(qiáng)，因此到目前為止，中國(guó)隧道施工過(guò)程中最重要的隧道技術(shù)手段仍然是施工鉆爆法[3]。 在中國(guó)隧道工程建設(shè)中，鉆爆法施工一直占主導(dǎo)位置，其中 90%以上的隧道都采用鉆爆法施工[4]，研究隧道挖裝機(jī)的目的主要是為了加快國(guó)內(nèi)隧道鉆爆法施工過(guò)程中的速度[5]。據(jù)調(diào)查，隧道出砟所需要的時(shí)間超過(guò)了隧道施工總工序時(shí)間的 60%以上[6]，這大大制約了鉆爆法隧道施工的進(jìn)度。 WZ330 挖裝機(jī)主要針對(duì)挖掘隧道、地鐵以及地下礦產(chǎn)等研發(fā)的一種挖掘、出砟、輸送砟石的機(jī)械設(shè)備。但是國(guó)內(nèi)的挖裝機(jī)配套設(shè)備并不完善，主要還是依靠進(jìn)口，因此研究高效率隧道挖裝機(jī)具有重要的意義。 
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1.2  國(guó)內(nèi)外研究狀況 
由于挖裝機(jī)的引進(jìn)和受到廣大施工單位的青睞，國(guó)內(nèi)也開始研究和設(shè)計(jì)挖裝機(jī)，并投入生產(chǎn)使用。國(guó)內(nèi)產(chǎn)的挖裝機(jī)主要由南昌凱馬、江西藍(lán)翔和貴陽(yáng)力特等廠家進(jìn)行生產(chǎn)，根據(jù)工程需求分別有軌輪式和履帶式[7]，見表 1-1。 LW-160 系列軌輪式挖掘裝載機(jī)(如圖 1-1 所示)是一種連續(xù)生產(chǎn)高效的挖掘裝載機(jī)，主要用于鐵路隧道的施工、礦山平巷的掘進(jìn)作業(yè)，具有工作平穩(wěn)、無(wú)沖擊、高效、環(huán)保、等特點(diǎn)。 LWL-260 挖掘裝載機(jī)(如圖 1-2 所示)的研發(fā)是為了提高國(guó)產(chǎn)隧道裝載機(jī)的工作效率和對(duì)單線鐵路隧道工程施工的適用性，在設(shè)計(jì)過(guò)程中南昌凱馬有限公司多次研究了德國(guó) ITC-312、日本 KL-41CN 機(jī)型的性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，也征求了客戶的意見，并對(duì)國(guó)產(chǎn)挖裝機(jī)配套件的功能進(jìn)行了考察[8]。藍(lán)翔重工有限公司(簡(jiǎn)稱“藍(lán)翔重工”)，2002 年 5 月成立，位于江西省安源經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，主要生產(chǎn)礦山機(jī)械、水泥機(jī)械、工程機(jī)械等。WDZ-160 挖掘裝載機(jī)(如圖 1-3 所示)是藍(lán)翔重工有限公司重點(diǎn)生產(chǎn)銷售的，主要參數(shù)見表 1-2。 
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第二章  WZ330 挖裝機(jī)工作裝置的實(shí)體建模

2.1  WZ330 挖裝機(jī)概述
WZ330 挖裝機(jī)整機(jī)由挖掘和運(yùn)砟機(jī)構(gòu)、底盤行走機(jī)構(gòu)、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、內(nèi)燃機(jī)和電力雙動(dòng)力系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)五大系統(tǒng)組成，完成挖裝機(jī)的挖掘、出砟、輸送砟石的功能。該機(jī)采用雙動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，電液比例閥控制，其特點(diǎn)是裝載能力強(qiáng)，工作比較穩(wěn)定，耐磨性好等。WZ330 挖裝機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示。如圖 2-2 所示，WZ330 挖裝機(jī)的工作裝置主要由大臂 1、大臂液壓缸 2、小臂液壓缸 3、小臂 4、鏟斗液壓缸 5、鏟斗 6、鏟斗連桿 7 和鏟斗傾翻桿 8 等組成。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是兩兩構(gòu)件間均采用鉸鏈連接，且挖裝機(jī)在工作過(guò)程中的各種動(dòng)作是通過(guò)改變液壓缸的行程來(lái)完成的[17]。大臂 1 的下鉸接點(diǎn)與回轉(zhuǎn)平臺(tái)聯(lián)接座鉸接在一起，并利用大臂液壓缸 2 來(lái)支撐大臂，通過(guò)改變大臂液壓缸的行程，完成大臂的升降動(dòng)作。小臂 4 鉸接于大臂的上端，它可以繞著鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，大臂和小臂的相對(duì)轉(zhuǎn)角由小臂液壓缸 3 控制，當(dāng)小臂液壓缸伸縮時(shí)，小臂則可以繞著大臂上鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。鏟斗 6 與小臂 4 的末端鉸接，通過(guò)改變鏟斗液壓缸 5的行程來(lái)使鏟斗繞這鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。為了使鏟斗轉(zhuǎn)角增大，一般鏟斗液壓缸通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)（即鏟斗連桿 7 和鏟斗傾翻桿 8）與鏟斗連接在一起[18]。 
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2.2 WZ330 挖裝機(jī)工作裝置的實(shí)體建模
WZ330 挖裝機(jī)的工作裝置主要由大臂、小臂、鏟斗、大臂液壓缸、小臂液壓缸、鏟斗液壓缸等構(gòu)件組成。在利用 SolidWorks 2013 對(duì)工作裝置的各零件進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，應(yīng)該先對(duì)模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化,比如模型中的銷軸、卡環(huán)等細(xì)小部件與課題研究?jī)?nèi)容無(wú)關(guān)的可以將其簡(jiǎn)化[20]。進(jìn)行裝配時(shí)，與論文研究無(wú)關(guān)的螺栓也可以將其簡(jiǎn)化。大臂是工作裝置中決定總體構(gòu)造形式和其他特征的關(guān)鍵構(gòu)件，整體式單節(jié)大臂目前應(yīng)用最廣泛，其特點(diǎn)是作業(yè)效率高、成本低、質(zhì)量輕等。  大臂由左、右側(cè)板以及上、下蓋板焊接而成，其結(jié)構(gòu)是箱型體[20]。每一塊板均采用厚度為 20 mm 的 Q345 鋼板，如圖 2-3 是大臂的三維模型。 零部件的干涉是造成裝配車間返工率和高廢品成本都高的主要原因之一。只使用 2D CAD 工具時(shí)，在投產(chǎn)使用之前發(fā)現(xiàn)這些問(wèn)題是非常困難的。 將裝配好的挖裝機(jī)總圖在 SolidWorks 2013 進(jìn)行干涉檢查，步驟為“菜單欄→工具→干涉檢查→計(jì)算”(如圖 2-13 所示)，，從而檢查出裝配圖中干涉的地方，進(jìn)而對(duì)零件圖加以修改，以保證裝配圖無(wú)干涉。 
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第三章  WZ330 挖裝機(jī)工作裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析 ...........17 
3.1   虛擬樣機(jī)技術(shù)和 ADAMS 軟件介紹 ....... 17 
3.1.1   虛擬樣機(jī)技術(shù) ........ 17 
3.1.2   ADAMS 軟件概述 .......... 18 
3.1.3   ADAMS 軟件仿真分析步驟 ............ 18 
3.2   WZ330 挖裝機(jī)工作裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 ........... 19 
3.3   WZ330 挖裝機(jī)工作裝置的動(dòng)力學(xué)分析 ........... 28
3.4   本章小結(jié) ...... 40 
第四章  WZ330 挖裝機(jī)工作裝置的靜力學(xué)分析 ......41 
4.1   有限元法概述 ....... 41 
4.2   有限元分析軟件介紹 .... 42
4.3   三維模型的導(dǎo)入 ............ 44 
4.4   前置處理 ...... 46
4.5   大臂的靜力學(xué)分析 ........ 51
4.6   小臂的靜力學(xué)分析 ........ 54
4.7   本章小結(jié) ...... 58 
第五章  WZ330 挖裝機(jī)大臂的優(yōu)化設(shè)計(jì) ............59 
5.1   基于 ANSYS 優(yōu)化設(shè)計(jì)介紹 ........... 59 
5.2   大臂的參數(shù)化建模 ........ 61
5.3   大臂的靜力學(xué)分析 ........ 62 
5.4   大臂的優(yōu)化設(shè)計(jì) ............ 63
5.5   優(yōu)化結(jié)果分析 ....... 68 
5.6   本章小結(jié) ...... 68 

第五章  WZ330 挖裝機(jī)大臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)

5.1  基于 ANSYS 優(yōu)化設(shè)計(jì)介紹

目前，在工程設(shè)計(jì)中優(yōu)化設(shè)計(jì)已得到普遍應(yīng)用�！白顑�(yōu)設(shè)計(jì)”則是所采用的一種方案可以滿足所有的設(shè)計(jì)條件，同時(shí)達(dá)到開支最小的要求。優(yōu)化設(shè)計(jì)的對(duì)象是很廣的，如尺寸、形狀、制造費(fèi)用、材料特性等等。ANSYS Workbench 的Design Explorer 模塊可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速優(yōu)化[44]。(1)設(shè)計(jì)變量：設(shè)計(jì)變量是允許變化的基本變量，比如厚度、長(zhǎng)度等等。通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)變量的值可以得到優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果。 (2)狀態(tài)變量：狀態(tài)變量是因變量，是設(shè)計(jì)變量的函數(shù)，它是優(yōu)化設(shè)計(jì)必須要滿足的條件。在 ANSYS Workbench 優(yōu)化設(shè)計(jì)中能夠定義不超過(guò) 100 個(gè)狀態(tài)變量。 (3)目標(biāo)函數(shù)：它是盡量減小的數(shù)值。目標(biāo)函數(shù)必須是設(shè)計(jì)變量的函數(shù)，且它的數(shù)值會(huì)隨著設(shè)計(jì)變量數(shù)值得變化而變化。比如重量減輕，應(yīng)力偏差最小等等。在 ANSYS Workbench 的優(yōu)化設(shè)計(jì)中目標(biāo)函數(shù)只能有一個(gè)。 (4)優(yōu)化變量：狀態(tài)變量、設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)三者統(tǒng)稱為優(yōu)化變量。優(yōu)化變量是用戶自己定義的，用戶需要定義哪些是設(shè)計(jì)變量，哪些是狀態(tài)變量，哪些是目標(biāo)函數(shù)[45]。 

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總結(jié) 

本論文完成了對(duì) WZ330 挖裝機(jī)工作裝置的實(shí)體建模、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、靜力學(xué)分析、大臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，研究結(jié)果如下： (1)利用 SolidWorks 2013 完成了挖裝機(jī)工作裝置的各零件的實(shí)體建模，包括大臂、鏟頭、小臂、大臂液壓缸缸桶和杠桿、斗桿液壓缸缸桶和杠桿、鏟頭液壓缸缸桶和杠桿、連桿等等。然后按照裝配關(guān)系把 WZ330 挖裝機(jī)工作裝置的各零件裝配成整體，為后續(xù)的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。 (2)利用 ADAMS/View 軟件對(duì) WZ330 挖裝機(jī)完成了運(yùn)動(dòng)學(xué)和的動(dòng)力學(xué)仿真分析。得到 WZ330 挖裝機(jī)工作裝置鏟斗尖運(yùn)動(dòng)范圍的包絡(luò)圖和工作裝置最大工作寬度軌跡，從而確定了挖裝機(jī)的工作參數(shù)，包括工作裝置最大轉(zhuǎn)角、最大挖掘高度、最大挖掘深度、最遠(yuǎn)挖掘半徑等等，進(jìn)而驗(yàn)證模擬數(shù)據(jù)是否與原始數(shù)據(jù)基本一致。 通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真得出大臂各鉸接點(diǎn)的受力曲線圖和小臂各鉸接點(diǎn)的受力曲線圖,進(jìn)而得出大臂和小臂各鉸接點(diǎn)的受力極值，對(duì)第四章 WZ330 挖裝機(jī)工作裝置的靜力學(xué)分析提供了依據(jù)。
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參考文獻(xiàn)(略) 

本文編號(hào)：48972