WZ330挖装机工作装置的分析与研究

发布时间：2016-05-24 08:13

第一章  绪论

1.1  课题研究的背景与意义
WZ330 挖装机工作装置的分析与研究一文是基于石家庄铁道大学和中国人民解放军第 6411 工厂共同开发的铁道部 2009 年科技计划项目(WZ330 隧道挖装机)。 中国铁路隧道工程随着铁路交通事业的迅速发展而发展，隧道工程机械化水平的提升可以大大加快我国铁路工程建设的速度[1]。隧道挖掘装载机是隧道钻爆后出砟的主要机械装备，它的主要作用是挖掘、出砟、输送砟石等等；它的优点是出砟效率高，进而缩短了施工周期[2]。另外在国家大力发展铁路、公路和地铁的建设时期，配套的机械产品(如隧道挖装机等)也应大力发展以适应建设过程中的需求，实现产品的自主化，保证产品的质量，降低产品的成本，因此研究挖装机是非常必要的。另外，由于隧道施工钻爆法的显著特点是成本低、效率高以及适应能力强，因此到目前为止，中国隧道施工过程中最重要的隧道技术手段仍然是施工钻爆法[3]。 在中国隧道工程建设中，钻爆法施工一直占主导位置，其中 90%以上的隧道都采用钻爆法施工[4]，研究隧道挖装机的目的主要是为了加快国内隧道钻爆法施工过程中的速度[5]。据调查，隧道出砟所需要的时间超过了隧道施工总工序时间的 60%以上[6]，这大大制约了钻爆法隧道施工的进度。 WZ330 挖装机主要针对挖掘隧道、地铁以及地下矿产等研发的一种挖掘、出砟、输送砟石的机械设备。但是国内的挖装机配套设备并不完善，主要还是依靠进口，因此研究高效率隧道挖装机具有重要的意义。 
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1.2  国内外研究状况 
由于挖装机的引进和受到广大施工单位的青睐，国内也开始研究和设计挖装机，并投入生产使用。国内产的挖装机主要由南昌凯马、江西蓝翔和贵阳力特等厂家进行生产，根据工程需求分别有轨轮式和履带式[7]，见表 1-1。 LW-160 系列轨轮式挖掘装载机(如图 1-1 所示)是一种连续生产高效的挖掘装载机，主要用于铁路隧道的施工、矿山平巷的掘进作业，具有工作平稳、无冲击、高效、环保、等特点。 LWL-260 挖掘装载机(如图 1-2 所示)的研发是为了提高国产隧道装载机的工作效率和对单线铁路隧道工程施工的适用性，在设计过程中南昌凯马有限公司多次研究了德国 ITC-312、日本 KL-41CN 机型的性能和结构特点，也征求了客户的意见，并对国产挖装机配套件的功能进行了考察[8]。蓝翔重工有限公司(简称“蓝翔重工”)，2002 年 5 月成立，位于江西省安源经济开发区，主要生产矿山机械、水泥机械、工程机械等。WDZ-160 挖掘装载机(如图 1-3 所示)是蓝翔重工有限公司重点生产销售的，主要参数见表 1-2。 
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第二章  WZ330 挖装机工作装置的实体建模

2.1  WZ330 挖装机概述
WZ330 挖装机整机由挖掘和运砟机构、底盘行走机构、液压传动系统、内燃机和电力双动力系统、电气控制系统五大系统组成，完成挖装机的挖掘、出砟、输送砟石的功能。该机采用双动力驱动，电液比例阀控制，其特点是装载能力强，工作比较稳定，耐磨性好等。WZ330 挖装机的整机结构如图 2-1 所示。如图 2-2 所示，WZ330 挖装机的工作装置主要由大臂 1、大臂液压缸 2、小臂液压缸 3、小臂 4、铲斗液压缸 5、铲斗 6、铲斗连杆 7 和铲斗倾翻杆 8 等组成。它的结构特点是两两构件间均采用铰链连接，且挖装机在工作过程中的各种动作是通过改变液压缸的行程来完成的[17]。大臂 1 的下铰接点与回转平台联接座铰接在一起，并利用大臂液压缸 2 来支撑大臂，通过改变大臂液压缸的行程，完成大臂的升降动作。小臂 4 铰接于大臂的上端，它可以绕着铰接点转动，大臂和小臂的相对转角由小臂液压缸 3 控制，当小臂液压缸伸缩时，小臂则可以绕着大臂上铰接点转动。铲斗 6 与小臂 4 的末端铰接，通过改变铲斗液压缸 5的行程来使铲斗绕这铰接点转动。为了使铲斗转角增大，一般铲斗液压缸通过连杆机构（即铲斗连杆 7 和铲斗倾翻杆 8）与铲斗连接在一起[18]。 
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2.2 WZ330 挖装机工作装置的实体建模
WZ330 挖装机的工作装置主要由大臂、小臂、铲斗、大臂液压缸、小臂液压缸、铲斗液压缸等构件组成。在利用 SolidWorks 2013 对工作装置的各零件进行实体建模时，应该先对模型进行必要的简化,比如模型中的销轴、卡环等细小部件与课题研究内容无关的可以将其简化[20]。进行装配时，与论文研究无关的螺栓也可以将其简化。大臂是工作装置中决定总体构造形式和其他特征的关键构件，整体式单节大臂目前应用最广泛，其特点是作业效率高、成本低、质量轻等。  大臂由左、右侧板以及上、下盖板焊接而成，其结构是箱型体[20]。每一块板均采用厚度为 20 mm 的 Q345 钢板，如图 2-3 是大臂的三维模型。 零部件的干涉是造成装配车间返工率和高废品成本都高的主要原因之一。只使用 2D CAD 工具时，在投产使用之前发现这些问题是非常困难的。 将装配好的挖装机总图在 SolidWorks 2013 进行干涉检查，步骤为“菜单栏→工具→干涉检查→计算”(如图 2-13 所示)，，从而检查出装配图中干涉的地方，进而对零件图加以修改，以保证装配图无干涉。 
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第三章  WZ330 挖装机工作装置的运动学与动力学分析 ...........17 
3.1   虚拟样机技术和 ADAMS 软件介绍 ....... 17 
3.1.1   虚拟样机技术 ........ 17 
3.1.2   ADAMS 软件概述 .......... 18 
3.1.3   ADAMS 软件仿真分析步骤 ............ 18 
3.2   WZ330 挖装机工作装置的运动学分析 ........... 19 
3.3   WZ330 挖装机工作装置的动力学分析 ........... 28
3.4   本章小结 ...... 40 
第四章  WZ330 挖装机工作装置的静力学分析 ......41 
4.1   有限元法概述 ....... 41 
4.2   有限元分析软件介绍 .... 42
4.3   三维模型的导入 ............ 44 
4.4   前置处理 ...... 46
4.5   大臂的静力学分析 ........ 51
4.6   小臂的静力学分析 ........ 54
4.7   本章小结 ...... 58 
第五章  WZ330 挖装机大臂的优化设计 ............59 
5.1   基于 ANSYS 优化设计介绍 ........... 59 
5.2   大臂的参数化建模 ........ 61
5.3   大臂的静力学分析 ........ 62 
5.4   大臂的优化设计 ............ 63
5.5   优化结果分析 ....... 68 
5.6   本章小结 ...... 68 

第五章  WZ330 挖装机大臂的优化设计

5.1  基于 ANSYS 优化设计介绍

目前，在工程设计中优化设计已得到普遍应用。“最优设计”则是所采用的一种方案可以满足所有的设计条件，同时达到开支最小的要求。优化设计的对象是很广的，如尺寸、形状、制造费用、材料特性等等。ANSYS Workbench 的Design Explorer 模块可以实现产品的快速优化[44]。(1)设计变量：设计变量是允许变化的基本变量，比如厚度、长度等等。通过改变设计变量的值可以得到优化设计的结果。 (2)状态变量：状态变量是因变量，是设计变量的函数，它是优化设计必须要满足的条件。在 ANSYS Workbench 优化设计中能够定义不超过 100 个状态变量。 (3)目标函数：它是尽量减小的数值。目标函数必须是设计变量的函数，且它的数值会随着设计变量数值得变化而变化。比如重量减轻，应力偏差最小等等。在 ANSYS Workbench 的优化设计中目标函数只能有一个。 (4)优化变量：状态变量、设计变量、目标函数三者统称为优化变量。优化变量是用户自己定义的，用户需要定义哪些是设计变量，哪些是状态变量，哪些是目标函数[45]。 

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总结 

本论文完成了对 WZ330 挖装机工作装置的实体建模、运动学分析、动力学分析、静力学分析、大臂的结构优化，研究结果如下： (1)利用 SolidWorks 2013 完成了挖装机工作装置的各零件的实体建模，包括大臂、铲头、小臂、大臂液压缸缸桶和杠杆、斗杆液压缸缸桶和杠杆、铲头液压缸缸桶和杠杆、连杆等等。然后按照装配关系把 WZ330 挖装机工作装置的各零件装配成整体，为后续的研究奠定了良好的基础。 (2)利用 ADAMS/View 软件对 WZ330 挖装机完成了运动学和的动力学仿真分析。得到 WZ330 挖装机工作装置铲斗尖运动范围的包络图和工作装置最大工作宽度轨迹，从而确定了挖装机的工作参数，包括工作装置最大转角、最大挖掘高度、最大挖掘深度、最远挖掘半径等等，进而验证模拟数据是否与原始数据基本一致。 通过动力学仿真得出大臂各铰接点的受力曲线图和小臂各铰接点的受力曲线图,进而得出大臂和小臂各铰接点的受力极值，对第四章 WZ330 挖装机工作装置的静力学分析提供了依据。
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参考文献(略) 

本文编号：48972