挖掘机工作机构的三维建模与仿真分析.docx

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挖掘机工作机构的三维建模与仿真分析

安徽建筑工业学院

毕业设计（论文）

专业机械设计制造及其自动化

班级08机械（3）班

学生姓名陆胜安

学号08*******43

课题挖掘机工作机构的三维建模与仿真分析

指导教师李绍青

2012年5月20日

摘要

液压挖掘机广泛应用于城市建设、道路建设、水利水电工程、矿山采掘等行业，是一种大型的工程机械，对提高劳动生产率，减轻工作强度起着关键作用。

挖掘机的工作装置是挖掘机的重要组成部分之一，研究其工作过程，对于提高挖掘机的工作效率和产品质量有着积极的意义。

而研究这一问题的最好办法就是借助虚拟样机技术。

本文首先介绍了挖掘机的工作装置，并阐述了研究挖掘机的意义和研究现状，在对挖掘机的工作装置的研究过程中引入看虚拟样机技术，并对其进行了介绍。

采用NXI-deas软件进行模型的构建，并进行了虚拟装配，建立了挖掘机的虚拟样机。

并对挖掘机的工作机构和行走机构进行了仿真分析，校验模型的准确性。

通过在ADAMS／View中对挖掘机虚拟样机机械系统工作范围的仿真分析，得到了与液压挖掘机性能相关的主要参数尺寸和工作范围的包络曲线图，说明了多液压缸复合运动的高效性。

在动力学仿真软件ADAMS中，借助NXI-deas有限元技术，建立了挖掘机的多体虚拟样机系统。

通过对系统的仿真分析，得到挖掘机大臂在工作过程中的受力变形的动态情况，从而为设计生产提供一定的依据。

关键词:

液压挖掘机，工作机构，三维建模，仿真分析，NXI-deas，ADAMS

Abstract

Hydraulicexcavatorarewidelyusedincityconstruction,roadconstruction,waterconservancyandhydropowerengineering,mineminingindustries,isalargeengineeringmachinery,toimprovelaborproductivityandreduceworkingstrengthtoplayakeyrole.Theworkofanexcavatordeviceisanimportantcomponentoftheexcavator,studiesitsworkingprocess,toimprovetheworkefficiencyandproductexcavatorqualityareofpositivesignificance.Butresearchisthebestwaytowiththevirtualprototypetechnology.

Thispaperfirstintroducedtheexcavatorworkingdevice,andexpoundsthesignificanceofthestudyandresearchstatusexcavator,intheworkofexcavatordeviceintheprocessofresearchintoseevirtualprototypetechnology,anditsareintroducedinthispaper。

UsingNXi-deassoftwarefortheconstructionofthemodelandvirtualassembly,establishedtheexcavatorvirtualprototype.Andtheworkingmechanismandtheexcavatorwalkinstitutionhascarriedonthesimulationanalysis,verifytheaccuracyofthemodels.ThroughtheinADAMS/Viewofthevirtualprototypeofexcavatormechanicalsystemworkscopeofthesimulationanalysis,gotandhydraulicexcavatorperformanceofthemainparametersrelatedtosizeandscopeofworkoftheenvelopecurve,illustratingthatthehydrauliccylindercompoundmovementofhighefficiency.InthedynamicsimulationsoftwareADAMS,usingNXi-deasfiniteelementtechnologytobuildamorevirtualprototypebodyexcavatorsystem.Throughtothesystemofthesimulationanalysis,getexcavatorarmintheprocessofworkinthedynamicsituationofdeformation,soastoprovidesomereferencestotheproductiondesign.

Keyword：

Hydraulicexcavator，Workinstitutions，3dmodeling，Thesimulationanalysis，NXI-deas，ADAMS

第一章绪论

1.1液压挖掘机简介

单斗挖掘机是挖掘机中最常见的一种。

同多斗挖掘机想对应，单斗挖掘机中有一个挖斗。

单斗挖掘机是大型基坑开挖中最常用的一种土方工程机械，根据其工作装置的不同，分为正铲、反铲、拉产、抓铲4种，按行走方式可分为履带式和轮胎式两类，按传动方式分，有机械传动和液压传动两种。

在建筑工程中，单斗挖掘机可挖掘基坑、沟槽，清理和平整场地。

是建筑工程土方施工中很重要的机械设备。

在更换工作装置后还可以进行破碎、装卸、起重、打桩等作业任务。

单斗挖掘机主要由发动机、液压系统、工作装置、行走装置和电气控制装置等部分组成。

液压系统由液压泵、控制阀、液压缸、液压马达、管路、油箱等组成。

电气控制系统包括监控盘、发动机控制系统、泵控制系统、各类传感器、电磁阀等。

根据其构造和用途可以分为：

履带式、轮胎式、步履式、全液压、半液压、全回转、非全回转、通用型、专用型、铰接式、伸缩臂式等多种类型。

工作装置由于采用液压传动使构造布置方便、灵活，而且工作装置的种类大为增加，新的结构不断出现，如组合动臂、加长斗杆、双瓣铲斗，底卸式装载斗以及伸缩式动臂等。

小型液压挖掘机待用三、四十种工作装置，以适应各种作业要求（最多达150种）。

而且工作装置调换方便，从而扩大了机械使用性能。

然而，液压挖掘机对液压元件加工精度要求高，装配要求严格，制造较为困难，使用中系统出现故障时，现场进行排除较困难，维修条件和修理调整的技术都要求高。

液压油的粘度受温度的影响较大，总效率较低，同时液压系统容易漏油，渗入空气后产生噪音和振动，使动作不稳，并对液压元件产生腐蚀作用。

如何承诺过分利用和发挥液压挖掘机的优点，改善和客服其缺点，使液压挖掘机在结构和性能上得到不断提高和完善，是液压挖掘机发展中研究的基本问题。

1.2课题的背景及研究意义

世界上生产中小型液压挖掘机的主要国家有日本、俄罗斯、德国、法国和美国。

日本的日立建机公司、神户制钢所、小松制作所三家公司的液压挖掘机的产量占世界总产量的70%以上，日本不仅产量大，其发展速度也是惊人的。

日本的液压挖掘机生产起步较晚，始于1961年，但是到了1975年，液压挖掘机的产量已经是1961年的12.5倍。

目前，日立公司就月产1600台液压挖掘机，其中小松公司月产700台。

日本进入80年代后就大力发展了机重10吨以下的小型液压挖掘机，如久保田公司的KH-5型液压挖掘机功率为7.36kW（10马力），机重1000kg，斗容量为0、02M3，及其通行宽度为1M，履带地盘前方还装有推土板，日本为了解决劳动力不足和工人老龄化的问题，准备进一步开发更加小型的液压挖掘机（目前机重最小的为450kg,还在开发300kg级的，乃至更小的机种），以替代人工作业，原联邦德国Glesius公司生产的Powerfab125型液压挖掘机，功率为2.94KW（4马力），可穿过款约700mm的门开进行作业，有U盾可换工作装置，西欧和日本都开发了多种工作装置，为的是进一步扩大小型液压挖掘机的应用范围，于是就出现了一些具有特殊功能的，如两栖式、公路与铁路两用式等小型液压挖掘机，目前世界各国对于小型液压挖掘机发展较快，日本十四家公司在1990年生产各类挖掘机型号中数中小型液压挖掘机的比例最大。

我国液压挖掘机的开发在六十年代中期开始起步，当时与日本开发液压挖掘机的起步时间大致相同，到70年代末80年代初，我国液压挖掘机行业初具规模，相继开发研制成功铲斗用量从0.1m3到2.5m3的近20个品种规格的轮胎式和履带式液压挖掘机，产品技术水平普遍达到国际70年代初的先进水平，自1980年开始我国先后从德国利勃海尔、德马克、奥凯、奥伦斯泰因-科佩尔等公司及日本等国引进液压挖掘机生产技术，已有贵阳矿山机器厂、北京建筑机械厂、上海建筑机械厂、合肥矿山机械厂、长江挖掘机厂、抚顺挖掘机厂、杭州重型机械厂等通过对引进技术的笑话吸收，促进了我国液压挖掘机技术水平的提高，钱5个厂家产量1992年为19112台，1913年为2410台；1990年出口30台，创汇103万美元，1991年出口246台，创汇383万美元，主要出口到东南亚、非洲、欧洲等地。

近两年陕西黄河工程机械厂、江西长林机械厂、山东推土机总厂，广西玉柴机器股份有限公司、贵阳矿山机器厂等企业又引进日本（小松公司）、德国等国中小型液压挖掘机技术，技术水平有了新的提高和发展。

小型液压挖掘机自1970年开始由日本开发、研制、生产以来，各国反战速度是相当快的，而且技术水平提高也是相当大的，结构完善，性能良好，各自形成了系列化的产品，其发展趋势主要有如下几点：

1.小型液压挖掘机要发展体积小，重量轻、功率大的一机多用产品，在建筑物旁、住宅区、道路旁等狭窄场所施工时要满足操作轻便、灵活、稳定性好的要求；

2.由于高新技术的发展，要求小型液压挖掘机上推广应用几点一体化或机电信液一体化先进技术。

要装有微机、传感器、微处理机，以实现微机控制，使电子检测、监控、故障诊断、报警等技术广泛应用，在恶劣、危险及水下施工时，应采用遥控控制，以代替人工劳动。

3.采用的也有系统应向高效节能的方向发展。

要广泛采用技能的载荷传感系统，引用高压柱塞式液压元件，同步控制系统，电子微处理机控制系统及先进的电子传感控制液压系统，以减少液压损失，降低油耗。

4.重视专业化生产和提高标准化、系列化、通用化的程度。

以提高产品质量，增加产量，提高效率，降低成本，特别要重视液压元件的专业化生产，制造技术上应用新工艺、新材料、新技术、新设备，以保证产品的高质量，并扩大产品的适应性。

基于以上挖掘机的发展历史及趋势，我们由于能力有限，且限于学术研究，在本毕业设计中，我们通过虚拟样机技术，研究了挖掘机的相关工作参数。

研究挖掘机的工作方式及这些工作参数的实际意义。

通过对挖掘机工作参数的研究，学习并掌握虚拟样机这门技术，并在日后的学习工作中予以应用，同通过对实际中挖掘机工作参数的对比，验证虚拟样机技术的准确性和便捷性。

1.3课题研究方法及工具软件介绍

本课题通过建立挖掘机的虚拟样机，进行仿真分析，从而获取挖掘机的相关信息，为产品设计、优化或实际操作提供一定的理论依据，相较于建立物理样机或其它的分析方法，不仅准确性和便捷性有所提高，而且可以节约人力、物力和时间。

虚拟样机技术（VirtualPrototype/VirtualPrototyping简称VP）是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术（指在某单一系统中零部件的CAD和FEA技术）揉合在一起，在计算机上创建出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。

虚拟样机环境是指包含虚拟样机．将CAD实体造型技术、系统仿真、人机交互技术等集成，形成购一个支持虚拟产品设计的集成环境。

国外U.Jasnoch和H.Kress等人从并行工程方法角度理解．认为虚拟样机环境是将多个CAD过程、知识推理过程等，通过计算机支持的协同工作技术（CSCW）、用户界面技术、设计过程管理和文档化技术集成起来，形成一个分布式环境以支持产品设计过程中的并行工程方法。

虚拟样机技术正是以虚拟样机和虚拟样机环境为基础，将系统工程方法、反求工程方法、优化方法、计算机建模仿真技术、计算机辅助设计技术和计算机支持协同工作（CSCW）、产品数据管理（PDN）等有机地结合在一起，为产品地全寿命周期设计和评价提供分布式的集成环境，以达到优化整个设计周期，节约开发成本的目的。

虚拟样机技术不用制造实物样机就可预见和预测产品的性能，节省了制造装配时间．省去了物理样机制造过程的高昂成本，同时减少了盲目实施不合理方案的风险。

传统的设计思想是一个串行的过程，从设计到产品的批量生成按照从前至后的顺序进行。

这种方法直到设计开发的最后阶段才能得到整个样机，在开发过程中各个小组往往把注意力集中在各自的细节上，忽略了整机性能，所以最终产品集成后存在缺陷。

现在，并行工程（ConcurrentEngineering）在设计领域得到了广泛应用，但大多数情况下仅是对单个零部件采用并行设计，这同样导致整机系统效果不够理想。

而虚拟样机技术的核心是包含各学科子系统的数学大模型DMU，使虚拟样机技术具备整机性能评估的条件，强调从系统层面上的优化，重视整机性能。

因此在产品开发设计阶段就可以快速比较不同的设计方案。

这样在开发早期及整个设计过程中能及时发现问题并反馈，使得整个设计过程得到优化。

虚拟样机技术以虚拟样机为媒介，在产品开发的整个过程与用户紧密结合，比传统CAD技术互动性更强、更深入。

虚拟样机技术直接完美的结合了人类的创造能力、设计师丰富的经验与计算机强大的数据运算和存储功能，把计算机辅助设计活动提升为积极参与的主动活动，形成优势互补、人机融合的产品设计开发环境。

虚拟样机技术可以结合虚拟制造进行可制造性评价，具备高度的生产柔性化和快速的市场反应能力，大大增强企业的竞争力。

对于虚拟样机的创建，我们使用I-deas软件进行模型建立Adams软件进行仿真分析，下面是对这两种软件进行简单的介绍。

I-deas是IntegratedDesignEngineeringAnalysisSoftware的首字母缩写，是世界著名的CAD/CAE/CAM一体化软件，它包含了三维实体造型设计，工程分析、仿真、实验、制造和工程管理等功能。

其强大的功能足以让用户完成设计、仿真和加工任意复杂的零件、产品，畅通的完成从设计到制造的全部过程。

I-deas在CAD/CAE一体化技术方面一直雄居世界榜首，软件内含诸如结构分析、热力分析、优化设计、耐久性分析等真正提高产品性能的高级分析功能。

I-deas提供一套基于因特网的协同产品开发解决方案，包含全部的数字化产品开发流程。

I-deas是可升级的、集成的、协同电子机械设计自动化（E-MDA）解决方案。

I-deas使用数字化主模型技术，这种卓越能力将帮助您在设计早期阶段就能从"可制造性"的角度更加全面地理解产品。

纵向及横向的产品信息都包含在数字化主模型中，这样，在产品开发流程中的每一个部门都将容易地进行有关全部产品信息的交流，这些部门包括：

制造与生产，市场，管理及供应商等。

虚拟样机技术常用软件中比较育影响的有美国机械动力学公司（MeachanicalDynamicsInc）的ADAMS、比利时LMS公司的DADS，以及德国航天局的SIMPACK。

其中美国机械动力学公司的ADAMS占据丁市场的50％以上。

其它的软件还有WorkingModel、Flow3D、IDEAS、Phoenics、Ansys、Pamcrash等等。

其中，ADAMS是集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机软件，是目前世界上使用范围最广、最负盛名的机械系统仿真分析软件。

该软件90年代开始在我国的机械制造、汽车交通、航空航天、铁道、兵器、石油化工等领域得到应用，为各领域中的产品设计、科学研究做出了贡献。

工程中利用ADAMS交互式图形环境和零件约束、力库等，进行仿真分析和比较，研究“虚拟样机”可供选择的多种设计方案。

ADAMS可自动输出位移、速度、加速度和作用力，其仿真结果可显示为逼真的动画或X—Y曲线图形。

ADAMS仿真可用于预测机械系统的性能、运动范圆、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷，支持ADAMS同大多数CAD，FEA及控制设计软件包之间的双向通讯。

ADAMS的核心软件包括交互式图形环境ADAMS/View和仿真求解器ADAMS/Solver，二考之间形成了无绽连接。

ADAMS/View则是ADAMS系列产品的核心模块之一，它是以用户为中心的交互式图形环境。

可以进行交互式图形建模、仿真过程控制、仿真结果输出控制。

用户可以利用ADAMS态计算机工作站或PC机上建造、试验“虚拟样机”，在此基础上与其它模块集成就可以满足多方面的仿真要求。

第二章挖掘机虚拟样机的建立

2.1挖掘机整体结构简介

（一）动臂及斗杆的结构形式

动臂是工作装置中的主要构件，斗杆的结构形式往往取决于动臂的结构形式。

反铲动臂可分为整体式和组合式两类。

整体式动臂有直动臂和弯动臂两种。

直动臂构造简单、轻巧、布置紧凑，主要用于悬挂式挖掘机，采用整体式弯动臂有利于得到较大的挖掘深度，它是专用反铲装置的常见形式。

整体式动臂结构简单，价廉，刚度相同时结构重量较组合式动臂轻，它的缺点是替换工作装置较少，通用型交叉。

为了扩大机械通用型，提高其利用率。

往往需要配备几套完全不通用的工作装置。

一般说，长期用于作业条件相似的反铲采用整体动臂结构比较合适。

组合式动臂一般都为弯臂形式。

其组合方式有两类，一类用辅助连杆（或液压缸）连接，另一类用螺栓连接。

（二）动臂液压缸和斗杆液压缸的布置

动臂液压缸的连接，一般有两种布置方案。

第一种是动臂液压缸装于动臂的前下方。

动臂下支撑点（即与转台的铰点）可以设在转台回转中心之前，并稍高于转台平面。

它也可以设在转台回转中心之后，以改善转台的受力情况，但使用反铲作业装置时动臂支点靠后布置会影响挖掘深度。

大部分中小型液压挖掘机以反铲作业为主，因此都采用动臂支点靠前布置的方案。

动臂液压缸一般都支于转台前部凸缘上。

动臂液压缸活塞杆端部与动臂的铰点通常也有两种布置方案。

一种是铰点设在动臂封闭箱型体下方的凸缘上。

另一是铰点设在动臂箱体中间。

后一种方案用单只动臂液压缸时，动臂底面需开口，使活塞杆可以伸入连接；用两只动臂液压缸时，则两缸分置于动臂两侧，在结构上有加筋保证强度。

铰点布置a不削弱动臂结构强度，但影响都比下降幅度，b则相反，但对动臂双液压缸则较合适。

（三）铲斗的连接方式

铲斗与铲斗液压缸的连接有三种形式，其区别主要在于液压缸活塞杆端部与铲斗的连接方式不同。

直接连接的铲斗、斗杆与铲斗液压缸组成四连杆机构；通过摇杆连接的组成榴莲干机构。

六连杆方式与四连杆方式相比在同样的液压缸形成下能得到较大的铲斗转交，改善了机构的传动特性。

铲斗液压缸一般都用一个，因传动比小，单液压缸作用力已足以保证斗齿所需的挖掘力。

2.2挖掘机零件的三维建模

在I-deas软件环境下，机械三维建模应该严格以设计构思或测绘出来的图纸为依据，尽量保持三维图形数据的完整和正确性，同时为了便于分析，还要保证模型的简洁有效。

挖掘机的挖掘机机构即工作机构。

挖掘机的的工作机构主要有回转装置、动臂、斗杆、铲斗、铲斗摇杆、铲斗连杆、动臂液压缸、动臂液压活塞杆、斗杆液压缸、斗杆液压活塞杆、铲斗液压缸、铲斗液压活塞杆，共计12个运动部件，工作机构的建模和主要部件的介绍如下。

2.1.1动臂的三维建模

动臂是挖掘机工作机构中核心的部件，承载着挖掘机工作过程中的支撑力，首先对其进行建模，动臂完成建模后如下图2-3所示。

动臂的建模主要是拉伸操作，先绘制动臂的截面，再拉伸得到实体，通过对实体的拉伸去除材料来修饰整个动臂。

2.1.2斗杆和铲斗的三维建模

斗杆是连接动臂与铲斗的装置，铰接于动臂的上端，斗杆与动臂的相对位置由斗杆液压缸控制，当斗杆液压缸伸缩时，斗杆便可绕动臂上铰点转动。

铲斗与斗杆前段铰接，并通过铲斗液压缸伸缩使铲斗绕该铰点转动。

为了提高强度，减轻重量，斗杆同样是采用箱体结构。

斗杆的建模同动臂的建模一样，主要也是拉伸操作。

绘制截面后拉伸完成斗杆的模型，如同2-4所示。

铲斗是挖掘机的主要工作装置，是挖掘土方或石块的工具，其容量大小即衡量挖掘机的大小。

铲斗的模型相对复杂，可依照图纸画出截面曲线，再通过拉伸等操作实现实体模型，铲斗齿通过绘制一个后阵列或复制完成整组的绘制。

这样，整个模型完成建模，如图2-4所示。

2.1.3其它零件的三维建模

其它零件有铲斗连杆和摇杆、3对液压缸和活塞杆。

连杆和摇杆的建模主要是拉伸操作，相对简单，如图2-5所示。

3对液压缸和活塞杆尺寸结构虽有所差异，但建模思路是完全一样的，通过绘制截面，拉伸来完成建模。

3对液压缸和活塞杆实体模型如同2-6、7、8。

2.2行走机构

本毕业设计的挖掘机的是履带式，其行走机构为履带轮。

主要是由底盘和履带板及导向轮、转向轮等组成。

图2-9是底盘的实体的模型，模型相对工作机构中的零件较为复杂，但也是通过拉伸操作实现，只是过程可能稍微繁杂，建议绘制草绘截面时采用参数化，通过移动截面来减少或不建立参照平面。

履带轮中其它零件有导向轮、履带板和前后齿轮，模型较为简单。

如图2-10所示。

2.3虚拟样机的装配

2.3.1虚拟装配的概念

虚拟装配是虚拟制造的重要组成部分，利用虚拟装配可以验证装配设计和操作的正确与否，以便及早的发现装配中出现的问题，并对模型进行修改。

虚拟装配系统包括数值计算、装配工艺规划、工作面布局、装配操作所模拟等。

现在产品的制造正在向着自动化、数字化的反向发展，虚拟装配是产品数字化定义中的一个重要环节。

在I-deas中，装配任务是由MasterAssembly装配模块来完成的。

在I-deas中，装配部件是由零件的虚拟件而不是零件本身构成的。

装配部件中可以使用同一个零件的多个虚拟件。

例如挖掘机工作装置中动臂液压缸有两个，就可以将动臂液压缸在装配体系中使用两次。

装配体系（Hierarchy）对话框用来创建一个新的装配部件体系，组织零部件之间的相互关系，也能对一个已存在的装配体系进行管理。

装配体系创建后，还需要定义零件和组件的虚拟件之间的位置和约束关系。

在I-deas中，既可以使用定位命令把虚拟件移动到所指定的位置，也可以使用约束命令约束虚拟件到指定的位置。

定位命令虽然可以将虚拟件移动到正确位置，但是当设计条件发生时就不能保证，虚拟装配的一般过程是：

使用定位命令正确定位虚拟件后再施加约束。

装配定位使用的命令图标为4-1-2（与造型环境相同），单击4-1-2图标的向下箭头，弹出约束命