第一章  緒論

1.1  課題研究的背景與意義
WZ330 挖裝機工作裝置的分析與研究一文是基于石家莊鐵道大學(xué)和中國人民解放軍第 6411 工廠共同開發(fā)的鐵道部 2009 年科技計劃項目(WZ330 隧道挖裝機)。 中國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，隧道工程機械化水平的提升可以大大加快我國鐵路工程建設(shè)的速度[1]。隧道挖掘裝載機是隧道鉆爆后出砟的主要機械裝備，它的主要作用是挖掘、出砟、輸送砟石等等；它的優(yōu)點是出砟效率高，進而縮短了施工周期[2]。另外在國家大力發(fā)展鐵路、公路和地鐵的建設(shè)時期，配套的機械產(chǎn)品(如隧道挖裝機等)也應(yīng)大力發(fā)展以適應(yīng)建設(shè)過程中的需求，實現(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，因此研究挖裝機是非常必要的。另外，由于隧道施工鉆爆法的顯著特點是成本低、效率高以及適應(yīng)能力強，因此到目前為止，中國隧道施工過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]，研究隧道挖裝機的目的主要是為了加快國內(nèi)隧道鉆爆法施工過程中的速度[5]。據(jù)調(diào)查，隧道出砟所需要的時間超過了隧道施工總工序時間的 60%以上[6]，這大大制約了鉆爆法隧道施工的進度。 WZ330 挖裝機主要針對挖掘隧道、地鐵以及地下礦產(chǎn)等研發(fā)的一種挖掘、出砟、輸送砟石的機械設(shè)備。但是國內(nèi)的挖裝機配套設(shè)備并不完善，主要還是依靠進口，因此研究高效率隧道挖裝機具有重要的意義。 
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1.2  國內(nèi)外研究狀況 
由于挖裝機的引進和受到廣大施工單位的青睞，國內(nèi)也開始研究和設(shè)計挖裝機，并投入生產(chǎn)使用。國內(nèi)產(chǎn)的挖裝機主要由南昌凱馬、江西藍翔和貴陽力特等廠家進行生產(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(如圖 1-1 所示)是一種連續(xù)生產(chǎn)高效的挖掘裝載機，主要用于鐵路隧道的施工、礦山平巷的掘進作業(yè)，具有工作平穩(wěn)、無沖擊、高效、環(huán)保、等特點。 LWL-260 挖掘裝載機(如圖 1-2 所示)的研發(fā)是為了提高國產(chǎn)隧道裝載機的工作效率和對單線鐵路隧道工程施工的適用性，在設(shè)計過程中南昌凱馬有限公司多次研究了德國 ITC-312、日本 KL-41CN 機型的性能和結(jié)構(gòu)特點，也征求了客戶的意見，并對國產(chǎn)挖裝機配套件的功能進行了考察[8]。藍翔重工有限公司(簡稱“藍翔重工”)，2002 年 5 月成立，位于江西省安源經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，主要生產(chǎn)礦山機械、水泥機械、工程機械等。WDZ-160 挖掘裝載機(如圖 1-3 所示)是藍翔重工有限公司重點生產(chǎn)銷售的，主要參數(shù)見表 1-2。 
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第二章  WZ330 挖裝機工作裝置的實體建模

2.1  WZ330 挖裝機概述
WZ330 挖裝機整機由挖掘和運砟機構(gòu)、底盤行走機構(gòu)、液壓傳動系統(tǒng)、內(nèi)燃機和電力雙動力系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)五大系統(tǒng)組成，完成挖裝機的挖掘、出砟、輸送砟石的功能。該機采用雙動力驅(qū)動，電液比例閥控制，其特點是裝載能力強，工作比較穩(wěn)定，耐磨性好等。WZ330 挖裝機的整機結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示。如圖 2-2 所示，WZ330 挖裝機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)特點是兩兩構(gòu)件間均采用鉸鏈連接，且挖裝機在工作過程中的各種動作是通過改變液壓缸的行程來完成的[17]。大臂 1 的下鉸接點與回轉(zhuǎn)平臺聯(lián)接座鉸接在一起，并利用大臂液壓缸 2 來支撐大臂，通過改變大臂液壓缸的行程，完成大臂的升降動作。小臂 4 鉸接于大臂的上端，它可以繞著鉸接點轉(zhuǎn)動，大臂和小臂的相對轉(zhuǎn)角由小臂液壓缸 3 控制，當(dāng)小臂液壓缸伸縮時，小臂則可以繞著大臂上鉸接點轉(zhuǎn)動。鏟斗 6 與小臂 4 的末端鉸接，通過改變鏟斗液壓缸 5的行程來使鏟斗繞這鉸接點轉(zhuǎn)動。為了使鏟斗轉(zhuǎn)角增大，一般鏟斗液壓缸通過連桿機構(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 挖裝機工作裝置的實體建模
WZ330 挖裝機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 對工作裝置的各零件進行實體建模時，應(yīng)該先對模型進行必要的簡化,比如模型中的銷軸、卡環(huán)等細小部件與課題研究內(nèi)容無關(guān)的可以將其簡化[20]。進行裝配時，與論文研究無關(guān)的螺栓也可以將其簡化。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，在投產(chǎn)使用之前發(fā)現(xiàn)這些問題是非常困難的。 將裝配好的挖裝機總圖在 SolidWorks 2013 進行干涉檢查，步驟為“菜單欄→工具→干涉檢查→計算”(如圖 2-13 所示)，，從而檢查出裝配圖中干涉的地方，進而對零件圖加以修改，以保證裝配圖無干涉。 
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第三章  WZ330 挖裝機工作裝置的運動學(xué)與動力學(xué)分析 ...........17 
3.1   虛擬樣機技術(shù)和 ADAMS 軟件介紹 ....... 17 
3.1.1   虛擬樣機技術(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 挖裝機工作裝置的運動學(xué)分析 ........... 19 
3.3   WZ330 挖裝機工作裝置的動力學(xué)分析 ........... 28
3.4   本章小結(jié) ...... 40 
第四章  WZ330 挖裝機工作裝置的靜力學(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 挖裝機大臂的優(yōu)化設(shè)計 ............59 
5.1   基于 ANSYS 優(yōu)化設(shè)計介紹 ........... 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 ............ 63
5.5   優(yōu)化結(jié)果分析 ....... 68 
5.6   本章小結(jié) ...... 68 

第五章  WZ330 挖裝機大臂的優(yōu)化設(shè)計

5.1  基于 ANSYS 優(yōu)化設(shè)計介紹

目前，在工程設(shè)計中優(yōu)化設(shè)計已得到普遍應(yīng)用�！白顑�(yōu)設(shè)計”則是所采用的一種方案可以滿足所有的設(shè)計條件，同時達到開支最小的要求。優(yōu)化設(shè)計的對象是很廣的，如尺寸、形狀、制造費用、材料特性等等。ANSYS Workbench 的Design Explorer 模塊可以實現(xiàn)產(chǎn)品的快速優(yōu)化[44]。(1)設(shè)計變量：設(shè)計變量是允許變化的基本變量，比如厚度、長度等等。通過改變設(shè)計變量的值可以得到優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果。 (2)狀態(tài)變量：狀態(tài)變量是因變量，是設(shè)計變量的函數(shù)，它是優(yōu)化設(shè)計必須要滿足的條件。在 ANSYS Workbench 優(yōu)化設(shè)計中能夠定義不超過 100 個狀態(tài)變量。 (3)目標函數(shù)：它是盡量減小的數(shù)值。目標函數(shù)必須是設(shè)計變量的函數(shù)，且它的數(shù)值會隨著設(shè)計變量數(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)計中目標函數(shù)只能有一個。 (4)優(yōu)化變量：狀態(tài)變量、設(shè)計變量、目標函數(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)計變量，哪些是狀態(tài)變量，哪些是目標函數(shù)[45]。 

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總結(jié) 

本論文完成了對 WZ330 挖裝機工作裝置的實體建模、運動學(xué)分析、動力學(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 完成了挖裝機工作裝置的各零件的實體建模，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 WZ330 挖裝機完成了運動學(xué)和的動力學(xué)仿真分析。得到 WZ330 挖裝機工作裝置鏟斗尖運動范圍的包絡(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、最遠挖掘半徑等等，進而驗證模擬數(shù)據(jù)是否與原始數(shù)據(jù)基本一致。 通過動力學(xué)仿真得出大臂各鉸接點的受力曲線圖和小臂各鉸接點的受力曲線圖,進而得出大臂和小臂各鉸接點的受力極值，對第四章 WZ330 挖裝機工作裝置的靜力學(xué)分析提供了依據(jù)。
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參考文獻(略) 

本文編號：48972