轮式起重机动力传动系统设计计算软件开发

发布时间：2016-10-19 14:28

第 1 章   绪论 

1.1   课题背景及意义 
本课题来源于吉林大学与某公司的校企合作项目。在工程设备中，轮式起重机的地位举足轻重，作为不可替代的重要角色，轮式起重机拥有广阔的市场空间，竞争激烈[1]。但由于轮式起重机类型多种多样，结构复杂，设计过程繁琐，传统设计计算方法已经无法满足轮式起重机发展速度的需求。随着计算机技术的快速发展，各领域都引进计算机辅助技术代替传统手工计算，达到生产设计高速度、高质量、高效益的目标。同样，轮式起重机也需要跟紧潮流，结合计算机技术，实现参数化设计，提高设计精度，缩短设计周期，提高生产效率[2-3]。 轮式起重机属于移动式起重机械，具有机动灵活、操纵方便、效率高等特点，因此广泛应用于工业、建筑、交通、农业等部门的安装工作中。轮式起重机的应用，减轻了劳动强度，加快了施工速度，降低了生产成本，极大地推进了经济建设的机械化程度[4-5]。国内轮式起重机伴随其应用数量的广泛增长，也迎来了新的问题与挑战，由于国内轮式起重机起步较晚，设计过程主要是学习和吸收国外技术，产品性能与国外水平仍有一定差距，欠缺自主创新的设计理念，在智能化、模块化方面还需增加科研力度，以接近国际水平[6-7]。将参数化设计计算方法与轮式起重机的设计融为一体，无疑是提高产品性能的一种有效手段，为设计人员提供一种高效、准确的参数化设计计算工具，将更多的人力与时间投入到起重机的创新性研究中，从而逐步提高我国的轮式起重机设计水平[8-9]。目前国内一些企业已经开始了针对轮式起重机参数化设计平台的开发，但一般都为起重机作业机构与零部件的设计与仿真，对底盘部分的设计计算研究还比较缺乏[10-11]。随着能源问题的日益严峻，提高轮式起重机动力性能成为首要问题，则对起重机底盘动力传动系统的优化设计提出更高的要求。近年来，轮式起重机吨位逐渐增大，车桥数目变多，动力传动系统结构也随之更为复杂。作为移动式起重机，动力性是轮式起重机的主要性能，其优劣主要取决于底盘动力传动系统各部件间的匹配关系，包括结构布局设计和参数选择等[12-14]。设计合理的动力传动系统，使发动机能够常工作在其理想工作区附近，提高能量传递效率和整车性能[15-16]。将轮式起重机动力传动系统的设计计算与计算机相结合，采用参数化设计计算方法，运用先进的计算和编程方法，提高设计计算精度，提高传动效率，减少能源损耗，对于提高企业自主开发能力和产品的市场竞争力具有重要意义。因此针对轮式起重机底盘动力传动系统进行研究对于轮式起重机的发展而言是十分必要的。 
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1.2   轮式起重机的分类 
工程起重机按类型分为：轮式起重机（包括汽车起重机、全地面起重机、轮胎起重机和越野轮胎起重机）、履带式起重机、缆索起重机、塔式起重机、建筑卷扬机和桅杆式起重机等。 轮式起重机为移动式起重机，将工作装置安装在流动式底盘上，能够无轨道自由移动，根据不同特点具体分为：可将轮式起重机分为汽车起重机、全地面起重机、轮胎起重机和越野轮胎起重机四类[17]。早期由于起重量小，汽车起重机使用通用汽车底盘即可，起重量增加后，这种底盘的各种特性都不再能满足起重要求，开始采用专用汽车底盘。汽车起重机因其操作和使用方面的优越性，应用广泛。轮胎起重机使用的是专用轮胎式底盘，底盘轴间距离小，行驶时灵活且可吊重。越野轮胎起重机起吊功能与轮胎起重机类似，但其采用独特的底盘结构形式，全轮驱动和全轮转向模式大大提高了起重机在恶劣工况的行驶和作业能力。全地面起重机既能像越野轮胎起重机一样适用于恶劣工况，又能实现快速移动和远距离行驶，非常具有发展前景。 图 1.1 为汽车起重机、越野轮胎起重机和全地面起重机三种轮式起重机的实物图。
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第 2 章   底盘动力传动方案简介 

2.1   动力传动系统概述 

轮式起重机底盘属于二类特种底盘，包括驾驶室、电器设备、底盘和发动机四个部分。图 2.1 为轮式起重机底盘部分构成图。轮式起重机底盘系统主要包括四部分，分别为传动系统、制动系统、转向系统和行驶系统。发动机与传动系统的组合称为动力传动系统，主要功能为减速增扭、传递动力。由发动机提供动力，经传动系统各部件传递给驱动轮，动力传动系统传递效率的高低将直接影响起重机的使用性能。优化动力传动系统的匹配计算，不仅有利于提高起重机的行驶性能，也会提高起重机的动力性与燃油经济性，因此对动力传动系统设计计算的研究十分重要[38-40]。 轮式起重机发动机与驱动轮之间的动力传递装置称为传动系。传动系能够保证起重机在各种路况行驶时所需的动力，并能够平稳地结合与分离，协调牵引力与车速关系，保证起重机能够前进、后退以及在特殊路面实现驱动轮作纯滚动。传动系统一般包括离合器、变速器、传动轴、主减速器、差速器及半轴等部分，如图 2.2 所示。 传动系统实际就是在动力机和执行机构/构件之间形成一个传动联系，传递运动与动力。传动系统的设计思想就是以执行机构/构件的运动和动力需求为目标，并结合选用的动力机的特性，合理选择并设计传动部件及其组合，使动力机与执行机构/构件之间在运动和动力方面的匹配更加合理。

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2.2   动力传动方案选择
轮式起重机的动力系统有两种布置方式：单动力系统和双动力系统。下面分别对两种动力系统进行介绍。单动力系统布置方案是目前轮式起重机设计中应用较早且较为广泛的动力方案，起重作业和行驶共用一台发动机。采用单动力系统，上下车共用发动机，只需一套动力装置，减少成本投入，但由于起重机行驶时间与作业时间差异较大，单动力系统的功率损耗更大，且发动机输出功率与负载输入功率不能达到合理匹配，造成燃料浪费，降低起重机的燃油经济性。双动力系统是近几年国际起重机市场上新推出的一种动力布置方案，起重机作业和行驶可根据需求分别配备不同的发动机。采用双动力系统的优点可以从两方面进行分析。首先，就燃油经济性而言双动力系统根据上下车不同功率需求合理匹配输入输出，具有更高的燃油经济性和环保性能。随着环境问题的加剧，发动机的燃油利用率备受关注，与改进发动机技术相比，采用双动力系统是提高燃油效率最简单有效的方法。另一方面，上车和下车采用不同的发动机，使轮式起重机上车和下车完全分开，设计起重机时可以依据实际需求使用不同底盘，起重作业与行驶功能系统相互独立，互不干扰。 经分析可看出底盘双动力系统在多方面优于单动力系统，，具有长远的发展前景，且一般轮式起重机在行驶和作业两种状态所需发动机的功率差别较大，为提高整车的燃油经济性和环境友好性，本课题中进行轮式起重机动力传动系统设计计算时采用双动力系统布置方案。 
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第 3 章   动力传动系统设计计算 .... 19 
3.1   发动机选型计算..... 19 
3.2   传动系统设计计算....... 22 
3.3   传动轴系参数计算....... 38 
3.4   底盘动力性计算..... 42
3.5  本章小结 ....... 46 
第 4 章   动力传动系统设计计算软件开发 ...... 49 
4.1   软件开发总体方案....... 49 
4.2   软件开发平台 ......... 50 
4.3   模块开发设计 ......... 51 
4.4   软件系统开发 ......... 59 
4.4.1   程序编码过程 ..... 59 
4.4.2   文档生成功能 ..... 62 
4.5   本章小结 ..... 63 
第 5 章   动力传动系统设计计算软件测试 ...... 65
5.1   测试方法简介 ......... 65 
5.2   测试目标 ..... 66 
5.3   测试环境与配置..... 66 
5.4   静态测试 ..... 66 
5.5   动态测试 ..... 67 
5.6   本章小结 ..... 77 

第 5 章   动力传动系统设计计算软件测试 

软件生命周期包括：问题定义及规划、需求分析、软件设计、程序编码、软件测试和运行维护六个阶段。在完成轮式起重机动力传动系统设计计算软件的开发后需要进入下一阶段，即软件测试阶段，通过科学的测试方法，验证该软件的可靠性和准确性。 软件测试就是检验某个系统的过程，可以通过人工手段实现，或者采用自动智能方式，测试主要用于发现软件中存在的问题，便于及时修改完善，核查软件能否达到预定要求，便于软件验收。 

5.1   测试方法简介 
本次测试为软件的功能测试，功能测试主要针对软件需求中与功能相关的部分，判断软件是否能够实现预期功能，保证软件质量。在进行功能测试时，根据是否运行代码，有两种测试手段：静态和动态测试。 两种测试方法分别用来测试软件的不同部分，独立而又统一，构成完整的软件测试过程。静态测试是用来检验不需要运行的部分，包括软件代码、相关文档及软件界面，由程序开发者进行人工检验。动态测试是通过运行软件进行测试，输入测试参数，取得实际结果，将其与期望结果作对比，观察是否满足要求。动态测试分为三个阶段，首先构造测试用例，然后执行程序，最后分析程序的输出结果。 动态测试按照测试技术分类包含白盒测试和黑盒测试两种，两者区别主要在于是否关注软件内部结构和处理过程。白盒测试的特点是关注上述过程，属于逻辑驱动测试，不涉及软件功能测试。黑盒测试属于功能驱动测试，主要针对软件功能进行测试，不考虑软件的运作原理和内部结构。根据本次软件测试目的，选用黑盒测试技术来进行动态测试[66-70]。 
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总结 

轮式起重机动力传动系统是底盘最重要的系统之一，动力传动系统各部件匹配程度的优劣直接影响整车性能，因此非常具有研究意义。本文主要针对轮式起重机动力传动系统进行了分析研究，确定动力传动方案，总结归纳动力传动系统设计计算方法，开发出一款开放式的集设计计算与文档生成功能于一体的计算软件。下面对本课题的具体工作内容进行总结： 
（1）说明了本课题的背景和对轮式起重机动力传动系统进行研究的重要性，以及轮式起重机的发展情况，阐明了分类方法和论文研究内容。轮式起重机需求量的日益增大，要求改善传统设计计算方法。因此，本课题中将轮式起重机动力传动系统的设计计算与软件技术相结合进行参数化设计，有效地提高了起重机设计初期的工作效率，具有实际应用前景。 
（2）分析说明了动力传动方案的选取方法。动力传动系统布置方案包括动力方案的选择和传动方案的选择，传动方案又包含传动方式的选取、传动系统布置形式以及驱动桥的选取，确定动力传动系统布置方案后绘制草图。 
（3）总结出动力传动系统设计计算方法。介绍了动力传动系统由发动机到驱动桥间的各部件的功能原理、分类，及各部件间的计算关系，详细说明了轮式起重机动力传动系统各部件的选型计算方法、传动系统轴系布局设计计算方法及底盘动力性的计算方法。 
（4）对动力传动系统设计计算软件的开发过程进行了详细介绍。以 VC6.0为软件开发平台，通过对总体方案、模块设计和程序开发过程的详细描述，说明了本课题的软件开发的具体过程。针对软件系统的重要功能，即文档生成功能，具体解释了实现原理与操作方法。 
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参考文献(略)

本文编号：145840