一種隧道挖裝機挖掘裝置的參數(shù)化設計研究

隧道挖裝機挖掘裝置的參數(shù)化設計研究第一章 緒論1.1引言1.2隧道挖裝機概述1.3隧道挖裝機發(fā)展概況 1.3.1國外隧道挖裝機發(fā)展概況 1.3.2國內(nèi)隧道挖裝機發(fā)展概況1.4本論文的研究意義與主要內(nèi)容第二章 隧道挖裝機挖掘裝置的設計分析2.1隧道挖裝機挖掘裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理 2.1.1隧道挖裝機的組成2.1.2挖掘裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理2.2挖掘裝置的工況分析2.3挖掘裝置的設計要求2.3.1動臂機構(gòu)2.3.2連桿機構(gòu)2.3.3鏟斗機構(gòu)2.4本章小結(jié)第三章 隧道挖裝機挖掘裝置的運動學分析3.1Inventor軟件簡介 3.1.1 Inventor概述3.1.2 Inventor的設計功能3.2自頂向下設計方法3.3挖掘裝置的概念草圖建模3.4挖掘裝置的運動學仿真及優(yōu)化3.4.1挖掘裝置的運動學仿真3.4.2挖掘裝置的鉸點位置優(yōu)化3.5本章小結(jié)第四章 隧道挖裝機挖掘裝置的動力學分析4.1挖掘裝置的三維實體建模4.2挖掘裝置的挖掘阻力計算4.3挖掘裝置的動力學仿真4.4油缸閉鎖壓力設計4.4整機穩(wěn)定性的校核4.5本章小結(jié)第五章挖掘裝置設計的強度分析5.1有限元法概述5.2有限元模型的建立5.3挖掘裝置的靜力學分析5.4挖掘裝置結(jié)構(gòu)的改進及優(yōu)化5.5本章小結(jié)第六章 結(jié)論與展望6.1結(jié)論6.2展望第一章 緒論1.1引言為加快國民經(jīng)濟發(fā)展，我國積極投資基礎建設，作為交通命脈之一的鐵路近年來進入了大規(guī)模建設時期，重點工程由東到西、從南到北全面展開。由于我國南方大多為丘陵或山區(qū)地形，因此鐵路建設過程中隧道施工難以避免?，F(xiàn)階段，雖然已經(jīng)將TBM 列為大型隧道施工的重點，但鉆爆法仍然是隧道施工的重要技術。實踐證明，在鉆爆法實施中裝碴運輸工序是隧洞施工中占用工期最長的工序，對整個工程的進度有直接影響，為了保證施工進度，施工單位在出碴工序都配有較多的機械化出碴設備，對于單線隧道，由于空間小，快速、高效，適合場地狹小空間狹矮作業(yè)的隧道挖裝機得到了充分的展示。與此同時，公路隧道、海底隧道的大量修建，斜井、聯(lián)絡通道等小斷面、長距離輔助坑道數(shù)量增多；城市地下空間的開發(fā)，淺埋暗挖法的普遍實施，對隧道挖裝機這樣的設備也有一定的需求。因此，如果能夠開發(fā)、生產(chǎn)出性能優(yōu)越，可靠性高的國產(chǎn)隧道挖裝機，對降低施工成本，促進施工企業(yè)又好又快發(fā)展具有非常重要的意義。1.2隧道挖裝機概述隧道挖裝機又叫扒碴機、挖斗裝載機、巖巷掘進機等。常用于鐵路、公路、礦業(yè)、水利水電等的小斷面隧道巖巷的挖掘裝運施工。適合在空間狹窄、大型機械難以到位施工的隧道、礦洞、巷道、斜巷斜井、涵洞等進行施工。隧道挖裝機集扒、挖、裝、運、卸、行走于一體，集成了行走、挖掘、采集、輸送、裝車、場地平整六種功能。改變了過去隧道施工的半機械化狀態(tài)，將原有的間斷出渣裝運并大量人工協(xié)同的低速度、高安全風險、高成本狀態(tài)改為高速、高安全性、低成本的全機械化施工。隧道挖裝機按挖掘裝載能力分為：小型、中型和大型。隧道挖裝機每小時挖裝運礦石土料120立方以下屬于小型挖裝機，每小時挖裝運礦石土料300立方以上屬于大型挖裝機。隧道挖裝機按動力系統(tǒng)分為：內(nèi)燃型、電動型及內(nèi)燃電動混合動力型。小型隧道挖裝機多采用內(nèi)燃型或電動型，內(nèi)燃型挖裝機機動性好，常用于小型巷道施工，電動型挖裝機常用于小型礦井，在瓦斯等環(huán)境下采用具有隔爆功能的電機進行驅(qū)動。中型和大型隧道挖裝機常采用內(nèi)燃電動混合動力型，適用于各種工作環(huán)境。隧道挖裝機按走行結(jié)構(gòu)形式分為；輪胎式、履帶式、軌道式、履帶軌道復合式。小型隧道挖裝機多采用輪胎式結(jié)構(gòu)，中型和大型隧道挖裝機常采用履帶型，為方便地下井巷及隧道施工還專門設計有軌道式隧道挖裝機，同時，為了方便大長隧道施工，大型隧道挖裝機常加裝軌道走行機構(gòu)。按刮板驅(qū)動形式又分為單鏈、單驅(qū)動和雙鏈、雙驅(qū)動兩種形式。中小型隧道挖裝機基本采用單鏈、單驅(qū)動形式，大型挖裝機一般采用雙鏈、雙驅(qū)動形式。按爬坡能力分類為普通型和大坡度型。小型隧道挖裝機基本屬于普通型，中型和大型隧道挖裝機由于動力充沛，大部分為適應能力強的大坡度型。1.3隧道挖裝機發(fā)展概況大型隧道挖裝機作為鐵路、公路隧道施工的重要設備之一，在隧道施工機械化進程中的地位越來越重要。中小型隧道挖裝機在提高市政工程和礦井施工效率中也發(fā)揮著自己的積極作用。上世紀80 年代中國中鐵開始引進日本隧道挖裝機，并用于南昆鐵路米花嶺隧道的施工，由此開始了隧道挖裝機在國內(nèi)隧道施工中的應用。上世紀90年代，為了提高隧道施工效率，我國利用德國無息貸款大量引進德國夏夫公司生產(chǎn)的隧道挖裝機，從此，大型隧道挖裝機在我國隧道機械化施工中開始大范圍應用。1.3.1國外隧道挖裝機發(fā)展概況發(fā)達國家隧道施工設備總體發(fā)展較早，隧道施工機械化程度高，已經(jīng)形成了一條從開挖到貫通全部機械化施工的工法。隧道挖裝機作為隧道施工設備的一個重要門類，技術領先于世界的國家主要有德國、日本、瑞典等。德國較為著名的隧道挖裝機機型為Schaeff公司的ITC 312-H4、ITC 312-H3、ITC 312SL等機型，各機型主要技術參數(shù)如表1?，F(xiàn)階段國內(nèi)各施工單位保有量最多的機型為ITC 312-H3，如圖1-1,。ITC 312 挖裝機主要技術參數(shù)型 號ITC 312-H4ITC 312-H3ITC 312SL輸送槽能力（m 3/ h）200-250250-300600長寬高（mm ）12950 2400 275012950 2400 275012950 2700 3300設備重量（kg）270002800036000發(fā)動機型號F6L912WTCD2013L062VTCD2013L062V輸出功率（kW ）63140165卸載高度（mm ）350035003550電機功率（kW ）75(380V/50Hz)90(380V/50Hz)110(400V/50Hz)最大工作壓力（bar）250320350輸送槽雙鏈條,雙馬達,刮板式雙鏈條,雙馬達,板膠式雙鏈條,雙馬達,膠板式輸送槽內(nèi)部寬（mm ）7008001000表 1 ITC 312 挖裝機主要技術參數(shù)日本隧道挖裝機的代表機型為KEMCO公司生產(chǎn)的KL-20ES和KL-41CN，其中KL-20ES型隧道挖裝機曾經(jīng)是最早引入中國的隧道挖裝機機型，KL-41CN的裝載能力相當于ITC312H4。瑞典作為歐洲工程機械水平的另一個代表性國家，在隧道施工設備方面也有很高的造詣。其中較為著名的是Atlas copco公司生產(chǎn)的180型雙立爪式隧道挖裝機，如圖1-2，但由于沒有反鏟式工作裝置效率高，在國內(nèi)施工中使用不多。國外隧道挖裝機由于工藝領先、技術先進、可靠性高，在隧道施工中應用十分廣泛。 1.3.2國內(nèi)隧道挖裝機發(fā)展概況我國隧道挖裝機的自主研發(fā)起步較晚，并在研發(fā)初期將主要精力放在了中小型隧道挖裝機上。國產(chǎn)挖裝機是從反鏟式扒碴機經(jīng)過學習吸收進口產(chǎn)品的技術特點發(fā)展而來的。國內(nèi)初期研發(fā)的隧道挖裝機的主要是單動力驅(qū)動的小型機，行走和作業(yè)均為電機驅(qū)動，多為單走行方式，一般為輪軌式和履帶式，施工效率都不高，其中主要代表企業(yè)有南昌凱馬和貴陽力特。其后，隧道施工對機械化要求的提高引起國內(nèi)對隧道挖裝機的需求增加，不少企業(yè)開始設計制造中型隧道挖裝機，其中比較具代表性的企業(yè)有：昆明穿山、山挖重工、山東駿成、青州方圓和青州歐工等公司，為豐富產(chǎn)品應用范圍，上述公司還專門開發(fā)了適合煤礦中使用的小型礦用挖裝機，并以極低的價格彌補了效率和穩(wěn)定性的不足，在市場上占有一席之地。近兩年來，國家開始關注隧道施工機械的國產(chǎn)化開發(fā)，2009年鐵道部將大型隧道挖裝機國產(chǎn)化定為科技計劃項目，由石家莊鐵道學院攻關研發(fā)。于是我國開始研發(fā)功能等同于ITC312-H3型的每小時出渣量300m以上的大型隧道挖裝機。最終河北冀川實業(yè)和江西藍翔重工分別開發(fā)出了WZ330和ZWY-312/110L等機型，填補國內(nèi)大型隧道施工設備空白，但在現(xiàn)階段可靠性和穩(wěn)定性方面相比國外產(chǎn)品還存在一定差距，國內(nèi)各機型隧道挖裝機參數(shù)對照如表1-3。表2國產(chǎn)挖裝機主要技術參數(shù)生產(chǎn)廠家南昌凱馬江西藍翔貴陽力特昆明穿山四川戴克河北冀川型號LW/LWB-150ZWY-312/110LLWZ160LDZ150WZL-100WZ330輸送槽能力（m/h）150312160150100330行走方式軌輪式履帶式履帶式履帶式輪胎式履帶式刮板傳動方式單鏈、單驅(qū)動雙鏈、雙驅(qū)動雙鏈、雙驅(qū)動雙鏈、雙驅(qū)動單鏈、單驅(qū)動雙鏈、雙驅(qū)動電機功率（kW）45110+2.27845+0.753790卸載高度（mm）200037002700270022003500設備重量（kg）1200023500155009800800032000國產(chǎn)挖裝機主要技術參數(shù)1.4本論文的研究意義與主要內(nèi)容隨著近年來國內(nèi)鐵路、公路、礦產(chǎn)資源等隧道、巷道施工項目的陸續(xù)開展，我國隧道施工機械化程度低，效率低下的特點展露無遺，對隧道、巷道的重要施工設備大型隧道挖裝機的需求逐步增大。而國外產(chǎn)品的價格一直居高不下，國內(nèi)機型雖然有價格優(yōu)勢，但挖掘、裝載性能還不能保證滿足多樣化的施工需求。針對以上情況，我校聯(lián)合中鐵一局建工機械有限公司，在針對施工實際要求的基礎上開展了對JGMWZ340大型隧道挖裝機的研發(fā)，對各項技術難題進行攻關，力求在可靠性和各項功能參數(shù)上優(yōu)于國內(nèi)外同類產(chǎn)品，真正實現(xiàn)國內(nèi)產(chǎn)品國際水準。使用計算機輔助設計軟件進行產(chǎn)品的虛擬樣機開發(fā)可以減小研發(fā)投如，縮短開發(fā)周期，在工程機械行業(yè)，大部分企業(yè)開始使用PRO/E、Inventor、Soildworks等三維軟件對產(chǎn)品進行虛擬開發(fā)。然而絕大多數(shù)企業(yè)在開發(fā)過程中采用的是傳統(tǒng)的自下而上的零件拼裝設計的開發(fā)模式，這就不可避免的引起了開發(fā)團隊中不同設計人員在部件設計完成后，進行產(chǎn)品整機裝配的過程中，出現(xiàn)接口尺寸不符，整機性能達不到設計要求等問題。本論文在基于挖掘裝置相關設計理論、計算機三維造型、機械運動學、動力學、強度分析理論的基礎上，結(jié)合Inventor軟件自身特點，將參數(shù)化設計三維仿真技術應用于JGMWZ340型隧道挖裝機挖掘裝置的研發(fā)上，在挖掘裝置設計的不同階段，具體完成了以下工作：1.在閱讀了大量資料的基礎上，結(jié)合Inventor軟件概述了自頂向下設計的特點及應用現(xiàn)狀，闡述了建立三維概念骨架模型的基本流程，并分析了它與傳統(tǒng)設計方式的區(qū)別。2.在建立挖掘裝置骨架模型的基礎上，對挖掘裝置進行運動學模擬仿真，并結(jié)合挖掘裝置的使用工況和優(yōu)化理論，對挖掘裝置的鉸點進行優(yōu)化設計。3.繪制了挖掘裝置的三維實體模型，并將模型導入Inventor的動力仿真模塊中，通過對理論挖掘阻力的分析計算，建立挖掘裝置動力學分析模型，并對各種工況進行仿真分析。4.模擬作業(yè)工況，在應力分析模塊中對挖掘裝置關鍵零部件進行有限元分析及優(yōu)化設計。通過以上工作完成對JGMWZ340型隧道挖裝機挖掘裝置的設計，使計算機輔助設計軟件Inventor的功能得到充分發(fā)揮；將項目整體控制和并行工程并用，提高國產(chǎn)工程機械的開發(fā)速度，增強了國產(chǎn)產(chǎn)品在國內(nèi)外市場的競爭力，體現(xiàn)了自頂向下的參數(shù)化設計在工程機械開發(fā)中的作用，為工程機械的國產(chǎn)化開發(fā)提供了一個新的思路。第二章 隧道挖裝機挖掘裝置的設計分析挖掘裝置是隧道挖裝機的重要組成部分之一、是隧道挖裝機直接用來進行挖掘和扒碴作業(yè)的施工工具。根據(jù)不同的用途，挖掘裝置種類繁多，其中較常用的有反鏟裝置和立爪裝置。反鏟裝置是大型隧道挖裝機的主要工作裝置，也是工程施工中運用最廣泛的工作裝置。本文將結(jié)合JGMWZ340型反鏟隧道挖裝機的挖掘裝置進行說明。2.1隧道挖裝機的結(jié)構(gòu)及工作原理2.1.1隧道挖裝機的組成反鏟式隧道挖裝機是以一個鏟斗進行挖掘、扒渣作業(yè)的工程機械，它由挖掘裝置、裝載裝置、司機室、電纜卷筒、機身、底盤、動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。如圖21所示為JGMWZ340型反鏟式隧道挖裝機。其挖掘裝置采用整體式直動臂結(jié)構(gòu)。這種動臂結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，是目前應用最廣泛的隧道挖裝機挖掘裝置結(jié)構(gòu)形式。輸送帶采用滾子鏈刮板結(jié)構(gòu)，雙鏈雙驅(qū)動模式，為方便調(diào)整整機長度和出渣高度，輸送裝置采用拼裝結(jié)構(gòu)?？紤]隧道施工空間小、光線暗的特點，為方便駕駛員操作采用了簡易司機室。設計了電機驅(qū)動的電纜卷筒，方便大長隧道施工時的移動取電。為增強設備的整體性，減小接地比壓，機身和底盤的連接采用焊接結(jié)構(gòu)及履帶行走方式。為增強設備機動性、減小作業(yè)污染，動力系統(tǒng)采用了內(nèi)燃機和電動機的雙驅(qū)動形式。2.1.2挖掘裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理直動臂反鏟挖掘裝置采用連桿機構(gòu)原理，通過油缸的伸縮來實現(xiàn)各作業(yè)工況，其挖掘軌跡取決于油缸的運動及相互配合的情況；主要由動臂、動臂油缸、斗桿、斗桿油缸、鏟斗、鏟斗油缸、搖桿、連桿、銷軸等組成。JGMWZ340隧道挖裝機反鏟工作裝置各運動部件之間全部采用銷軸鉸接，反鏟挖掘裝置結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2-2所示。圖2-2隧道挖裝機反鏟工作裝置機構(gòu)模型A點為動臂油缸套與偏轉(zhuǎn)頭的鉸接點；B點對應動臂液壓活塞與動臂的鉸接點；C點為動臂與偏轉(zhuǎn)頭的鉸接點；D點對應動臂與斗桿油缸套的鉸接點；E點對應斗桿液壓活塞與斗桿的鉸接點；F點為動臂與斗桿的鉸接點；G點為斗桿與鏟斗油缸套的鉸接點；M點對應鏟斗油缸活塞與連桿的鉸接點；K點為鏟斗與連桿的鉸接點；Q點為斗桿與鏟斗的鉸接點；N點對應斗桿與搖桿的鉸接點； V點對應鏟斗齒尖。其中多邊形BCDF對應動臂，EFGNQ對應斗桿，三角形KQV對應鏟斗，MN對應搖桿，MK對應連桿。動臂油缸用來支撐整個挖掘裝置，通過動臂油缸的伸出與縮回可使動臂繞鉸點C轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)動臂的上升與下降。斗桿鉸接于動臂的前端的鉸點F，當斗桿油缸伸縮時，斗桿可繞動臂鉸點F轉(zhuǎn)動，改變斗桿與動臂的夾角。為增大鏟斗轉(zhuǎn)角，將搖桿和連桿與鏟斗連接，鏟斗可通過鏟斗油缸伸縮圍繞鉸點Q實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。2.2挖掘裝置的工況分析隧道挖裝機挖掘裝置的主要工況有：扒渣作業(yè)、挖掘作業(yè)和場地平整作業(yè)。一個扒渣作業(yè)循環(huán)主要包括以下動作：（1）姿態(tài)調(diào)整。調(diào)整機身位置，偏擺油缸動作，偏轉(zhuǎn)頭偏轉(zhuǎn)，將挖掘裝置調(diào)整到正對物料的工位。（2）扒動物料。動臂油缸伸出將動臂提起，斗桿下擺，將鏟斗置于物料前方，鏟斗回轉(zhuǎn)到斗齒貼近地面的位置，動臂油缸和斗桿油缸進行復合動作，動臂油缸回縮，斗桿油缸活塞前伸，斗桿回擺，將物料扒進輸送裝置集料口。（3）空斗返回。扒渣結(jié)束，偏轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)動，動臂油缸和斗桿油缸配合，把空斗放到下一個工位，動臂油缸、斗桿油缸同時進行復合動作，將挖掘裝置姿態(tài)調(diào)整到下一工作循環(huán)起始狀態(tài)。隧道挖裝機的挖掘作業(yè)主要包括：斗桿挖掘和鏟斗挖掘，下面具體分析兩種挖掘工況。 (1)斗桿挖掘：當僅以斗桿油缸工作進行挖掘時，鏟斗的挖掘軌跡為圓弧線，弧線的長度與包角決定于斗桿油缸的行程。當動臂位于最大下傾角，并以斗桿油缸進行挖掘工作時，可以得到最大的挖掘深度尺寸。在進行扒渣作業(yè)的過程中，需要斗桿和動臂配合進行反復挖掘動作，故挖裝機實際工作中常以斗桿油缸工作進行挖掘，因此在設計中希望挖裝機的斗齒最大挖掘力在采用斗桿油缸挖掘時實現(xiàn)。(2)鏟斗挖掘。當進行鏟斗挖掘時，鏟斗挖掘力和挖掘范圍與動臂和斗桿的位置無關。其挖掘軌跡只決定于鏟斗油缸活塞的伸縮量和鉸點Q與斗齒尖V之間的距離。由于作業(yè)過程中有時需要破碎物料、清理障礙物，一般需要較大挖掘力。在挖裝機的各種工況中，鏟斗油缸伸縮都較為頻繁。在挖掘裝置的實際工作中，為適應實際工況并提高施工效率，常進行復合挖掘動作，此時挖裝機的挖掘軌跡是由各油缸單獨動作的軌跡復合而成。2.3挖掘裝置的設計要求為更好的適應施工需求，保證與國內(nèi)外同類機型相比時的先進性，針對JGMWZ340型隧道挖裝機挖掘裝置的設計提出了以下設計要求：（1） 挖掘裝置作業(yè)范圍要求。結(jié)合施工需求和土方機械設計國家標準，要求挖掘裝置各零部件在不會發(fā)生運動干涉的前提下，滿足如表 的性能設計要求。 工作參數(shù)參數(shù)大小最大挖掘高度6400mm最大挖掘深度1400mm最大挖掘半徑5650mm動臂最大偏轉(zhuǎn)角55動臂提升力35000N表2- 挖掘范圍設計參數(shù)表其中，最大挖掘高度為動臂和斗桿處在最高位置，鏟斗仰角最大時，斗齒尖V到履帶所在地平面的距離，即鏟斗齒尖相對于地面所能到達的最高點；最大挖掘深度為動臂處在最低位置，斗齒尖V、鉸點Q、鉸點F共線且垂直于停機面時，斗齒尖與停機面的距離，即鏟斗齒尖相對于地面所能到達的最低點；最大挖掘半徑為在挖裝機縱向中心平面內(nèi)斗齒尖V離挖裝機偏轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)中心的最大距離；動臂最大偏轉(zhuǎn)角為由偏擺油缸伸縮引起的挖掘裝置整體圍繞偏轉(zhuǎn)頭進行回轉(zhuǎn)作業(yè)的最大偏擺范圍；動臂提升力為在動臂舉升的過程中除去工作裝置自重所能承受的最小設計負載。 (2)整機挖掘力大小及分布設計要求。挖掘裝置設計應滿足合理的挖掘力分布特性，不要求在整個作業(yè)范圍內(nèi)的任何位置都能實現(xiàn)最大挖掘力，但需要在主要工況下的主要作業(yè)區(qū)域內(nèi)可實現(xiàn)最大挖掘力。由于JGMWZ340的挖掘裝置沒有設計回轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)，因此主要作業(yè)區(qū)域為停機坪正前方左右偏轉(zhuǎn)55的區(qū)域。(3) 經(jīng)濟性評價指標要求。工程機械在進行經(jīng)濟性評價時，一般需要考慮以下指標：能耗指標、作業(yè)循環(huán)時間、整機重量、維修周期、壽命周期、維修成本和操作舒適性。針對JGMWZ340，為增強市場競爭力，在挖掘裝置設計時，要盡量降低消耗在單位土方上的能量，在保證足夠挖掘力的基礎上減輕結(jié)構(gòu)重量，將工作循環(huán)時間減到最小。(4)零部件的通用性和穩(wěn)定性設計要求。實現(xiàn)零部件的標準化、組件化和通用化，以降低制造成本。盡可能減少零件種類，尤其是易損件的種類；提高隧道挖裝機各功能部件的工作可靠性和耐久性，以滿足隧道挖裝機作業(yè)條件惡劣的要求。(5)可靠性設計要求。工作裝置應安全可靠，拆裝方便，振動和噪聲小，易損件更換方便，易保養(yǎng)。(6)特殊工況設計要求。由于隧道、巷道施工的特殊性，在設計中要考慮適當減小各零部件間的裝配間隙，保證在隧道、巷道施工中行走的穩(wěn)定性；同時，為防止隧道頂部落石傷害，對工作裝置各工作油缸需增加落物保護裝置。(7)整機尺寸要求。隧道挖裝機在停放和運輸時，挖掘裝置都應有合理的姿態(tài)，合適的運輸尺寸，滿足集裝箱運輸條件。挖掘裝置的設計一般要在保證主要設計要求的原則下兼顧其他功能和外觀設計要求。2.4本章小結(jié)本章介紹了隧道挖裝機的結(jié)構(gòu)和工作原理，并對挖裝機的扒渣作業(yè)和挖掘作業(yè)工況進行了分析和介紹，最后提出了JGMWZ340型隧道挖裝機挖掘裝置的設計要求。66圖2-1 履帶式反鏟隧道挖裝機1、鏟斗 2、連桿 3、搖桿 4、鏟斗油缸 5、斗桿 6、動臂 7、斗桿油缸 8、動臂油缸 9、偏轉(zhuǎn)頭 10、偏轉(zhuǎn)油缸11、司機室 12、機身 13、動力系統(tǒng) 14、底盤15、電纜卷筒16、輸送裝置3.1Inventor軟件簡介3.1.1 Inventor概述Autodesk Inventor Professional是Autodesk公司出品的基于Microsoft Windows的先進機械設計系統(tǒng)，是一種基于特征的集參數(shù)化實體造型技術和自適應技術于一體的三維設計軟件。Inventor提供了一套全面的、集成的設計工具，可用于創(chuàng)建完整的數(shù)字樣機，支持設計者在設計過程中進行各種分析和仿真，以驗證設計的外型、結(jié)構(gòu)和功能，保證設計的合理性。 Inventor提供了創(chuàng)新性的自適應技術，以更好的表達設計者的設計意圖。使用自適應技術，設計者可通過對設計基準的設定便捷的創(chuàng)建零件關系，同時對部件的裝配關系進行管理和編輯。Inventor具有將概念設計和詳細設計相結(jié)合的協(xié)同工作功能，并能夠?qū)?shù)據(jù)方便地在企業(yè)局域網(wǎng)內(nèi)傳輸，實現(xiàn)資源共享；同時通過特征造型、參數(shù)化驅(qū)動技術可動態(tài)建立模具標準件庫；還可對裝配部件進行干涉檢查和運動仿真。Inventor在設計過程中具有很好的靈活性，使工作更容易變得規(guī)范化和標準化，對縮短設計周期、降低設計成本、加快產(chǎn)品設計的通用化和系列化、提高產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度、適應多變的市場需求提供了更強大的支持。3.1.2 Inventor的設計功能 Inventor作為一種多功能三維仿真設計軟件，具有以下主要功能：（1）零件設計Inventor 提供了三種零件設計的方式，第一種是利用設計者的零件草圖中的設計尺寸進行拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃略等造型方式，第二種是利用自適應功能根據(jù)設計基準進行自動造型，第三種是利用特有的iPart技術，通過設置智能零件庫，以參數(shù)化的方式創(chuàng)建常用零件。 （2）部件設計Inventor提供了兩種裝配體的設計模式，一種是自底向上的零、部件裝配模式，一種是基于概念草圖的裝配模式，兩種模式使用共同的約束方法，并可在裝配過程中進行干涉分析和接觸檢測。同時Inventor還提供了將裝配體轉(zhuǎn)化為焊接件及衍生體的功能，方便設計者進行運動仿真及強度分析。（3）鈑金設計Inventor提供了便捷的鈑金設計功能，可進行板材、折彎方式等各種設置，并可自動對折彎的鈑金件進行展開分析，設計者還可在展開模型編輯環(huán)境中對展開后的模型進行編輯，以保證工藝設計余量。 （4）布管設計Inventor可以輔助設計各種軟管和硬管管路，并能提供多種標準的管材、管件和軟管。Inventor還提供了管路干涉檢查功能，防止由于設計者三維視角問題引起的設計失誤，其中的軟管設計功能可自動根據(jù)管型進行最小折彎半徑約束，并自動計算接頭處的舍入增量為硬管鋪設和液壓布管提供了極大的便利。（5）電纜與線束設計Inventor提供了類似于管路設計的三維電纜和線束設計。能夠?qū)㈦姎庠O計中的電氣元件、電纜、線束、排線等集成到數(shù)字樣機中，協(xié)助設計者準確計算路徑長度，并確保電氣零部件與機械零部件匹配，從而節(jié)約大量時間和成本。 （6）資源中心 Inventor自身提供了包含豐富標準件的資源中心。設計者可以方便快捷地訪問工程標準件庫，簡化了企業(yè)標準件的創(chuàng)建、管理和重復使用的工作。 （7）運動仿真 Inventor集成了運動仿真模塊，在裝配環(huán)境下可以直接轉(zhuǎn)換成運動仿真模式。軟件能夠自動分析裝配約束，識別相關剛體，并轉(zhuǎn)換成對應的運動連接，同時也提供了手動選擇并施加標準運動連接的方式。Inventor的仿真模塊中，提供了變化載荷定義、添加彈簧阻尼、軌跡跟蹤和輸出圖示器等功能，可生成仿真過程的三維動畫，輸出選定點的運動軌跡和設計模型在運動特性周期內(nèi)位置、力和加速度等參數(shù)的變化。 （8）應力分析 Inventor的應力分析模塊集成了Stress Analysis有限元分析功能，可用于分析零部件的應力應變，以理論驗證所設計零件的剛度和強度符合設計標準。在進行應力分析時，Inventor提供了兩種途徑，一種是單獨對零件定義載荷進行分析，一種是選擇運動仿真中某一時刻的運動狀態(tài)作為載荷條件，執(zhí)行零件的應力分析。Inventor同時還提供了特征抑制功能，來簡化在有限元分析（FEA）過程中的模型結(jié)構(gòu)，從而提高分析效率。 （9）軟件接口Inventor 與AutoCad同為Autodesk公司開發(fā)的設計軟件，兩者可以實現(xiàn)無縫對接，無需使用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，就可以直接復制dwg格式中的二維圖型作為創(chuàng)建三維零件模型的草圖。Inventor在生成dwg格式二維工程圖時還能保持與三維模型的關聯(lián)性，保證二維尺寸根據(jù)三維尺寸的變更進行實時更新。Inventor還預留了方便第三方應用程序使用的程序編程接口支持使用編程語言對軟件進行二次開發(fā)。3.2自頂向下設計方法簡介計算機輔助技術建立在計算機的虛擬幾何模型上，各種信息以數(shù)據(jù)方式儲存在三維幾何實體中，設計者可以使用虛擬現(xiàn)實技術模擬整個產(chǎn)品的開發(fā)過程。但是隨著近幾年計算機技術的發(fā)展，機械設計的理念和過程有了新的變化，各大機械設計軟件公司設計開發(fā)出了topdown（自頂向下）的設計方法；但大部分公司和設計人員仍然只注重零部件的靜態(tài)設計，采用bottomup（自下而上）的設計方法，先設計零件，然后將零件組裝成部件和產(chǎn)品。自頂向下是一種在上層處理關鍵信息并把這些數(shù)據(jù)向較低的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層傳遞的方法，這不僅保證了各零部件之間的相互關系，使整個設計流程更加清晰，還可以通過控制基礎零件實現(xiàn)其他關聯(lián)零件的更改，從而更高效的對整個設計流程進行管理。Topdown設計方法主要包含三個設計過程：第一步是Concept Design（概念設計），第二步是Detail Design（細部設計），最后一步是Manufacturing Design（生產(chǎn)設計），整個過程由粗到精、由模糊到清晰，完美的將抽象設計和具體設計結(jié)合到一起。Inventor采用top-down設計有兩種模式，一種是基于概念草圖的參數(shù)化設計，一種是基于整體實體模型的分解式設計。其中基于概念草圖的參數(shù)化設計是設計者在概念設計階段根據(jù)產(chǎn)品性能提供的原始參數(shù)和技術要求在草圖中建立的骨架模型，并在裝配環(huán)境中，以頂層骨架為基準，創(chuàng)建或引進只有簡單的結(jié)構(gòu)關系和基礎設計尺寸的非實體骨架模型；然后使用裝配環(huán)境中的裝配約束，將零件約束在部件設計方案中相應的位置上，完成符合設計要求方案設計；最后根據(jù)骨架裝配模型進行細化的參數(shù)化實體設計?；诟拍畈輬D的參數(shù)化設計適合用于多自由度復雜機械的設計和創(chuàng)造性產(chǎn)品的開發(fā)?；谡w模型分解式設計主要用在整體設計完成后的細化設計階段。首先在產(chǎn)品或部件進行整體的實體化設計，然后通過軟件的分割功能將以零件格式存在的部件分解成組成部件的各個零件，在分別對各零件進行細化設計。兩種top-down設計模式經(jīng)常混合使用以提高設計效率，使用top-down設計方法對產(chǎn)品進行設計的流程如圖3.1。產(chǎn)品性能要求修正功能設計方案修正功能設計方案建立功能設計方案優(yōu)化零件模型骨架設計方案建立零件模型骨架設計方案修正裝配骨架模型建立裝配骨架模型修正零部件的詳細設計方案建立零部件的詳細 設計方案比較分析設計方案和產(chǎn)品性能要求差異最終設計方案圖3.1 產(chǎn)品自頂向下設計流程本課題將使用基于概念草圖的topdown設計方法在Inventor中對JGMWZ340型隧道挖裝機的挖掘裝置進行設計。使用基于概念草圖的參數(shù)化設計有以下優(yōu)點：1、便于修正。本設計方法不同于傳統(tǒng)的參數(shù)化設計，設計人員不僅只需修改尺寸參數(shù)，就能通過參數(shù)化尺寸驅(qū)動完成對設計結(jié)果的修改，設計出在幾何形狀上系列化的產(chǎn)品模型。由于骨架模型中尺寸參數(shù)與位置約束的關聯(lián)性，還可以通過修正裝配關系生成不同功能的系列產(chǎn)品。2、便于管理。在運動自由度和裝配結(jié)構(gòu)較為復雜的產(chǎn)品設計中，可在概念草圖中采用分層設計的方法將結(jié)構(gòu)關系參數(shù)化。一般將總裝結(jié)構(gòu)作為頂層骨架，控制著整個產(chǎn)品的設計基準、產(chǎn)品外形及裝配關系。對上層骨架的更改將被會傳遞到其下一級的子骨架中。設計者在進行分部設計的時候只需調(diào)用概念草圖中的部件草圖，即部件骨架模型就可以開始對零部件進行細部設計。3、便于仿真。基于概念草圖的骨架模型可以和實體模型一樣，在運動仿真環(huán)境中進行運動學和動力學仿真，幫助設計者體會機構(gòu)的運動變化，以便根據(jù)設計要求對方案進行及時的調(diào)整。4、便于組織。裝配骨架模型的樹形結(jié)構(gòu)可以增強零件在裝配中的關聯(lián)性。這些存在于實際裝配中的相互關聯(lián)和依賴關系可以在總體布局中很好的提取和表現(xiàn)出來，構(gòu)成頂層基本骨架，為子骨架模型使用。當修改了某一零件的某個參數(shù)之后，另外一個以這個零件為參照的零件的參數(shù)會自動發(fā)生聯(lián)動變更，可以防止由于設計人員溝通不及時出現(xiàn)接口尺寸錯誤的情況。5、方便數(shù)據(jù)共享。有層次參數(shù)化概念草圖允許信息在不同層次之間共享，如果頂層發(fā)生改變，下屬任一層級都能夠獲得這種最新改變的信息，這使設計過程中的并行工程和團隊合作成為可能。由于表達總裝配關系的頂層骨架在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的惟一性，各個子團體可以同時分別對不同的子裝配和零件進行設計，使一個復雜的裝配設計在早期就可以分解成簡單的子裝配和零件，進而分配給團隊中的每個設計者。因此，只需要總設計師在產(chǎn)品設計之初確定了設計意圖，不管是創(chuàng)新設計還是改良設計，只要將設計意圖草圖化。自頂向下的設計方法就可以幫助每個設計者更好地體會設計要求，這無疑將極大限度的提高產(chǎn)品設計效率。3.3挖掘裝置的概念草圖建模將設計要求和實際工況相結(jié)合，參照國內(nèi)外大型隧道挖裝機的挖掘裝置，對JGMWZ340挖掘裝置初始結(jié)構(gòu)參數(shù)設計如表：參數(shù)距離（mm）參數(shù)距離（mm）CP650AP210CF1980CD355DF1740BC1690BF440EF470EG700FG590FQ1985GN1800FN1740NM525NQ245QK340KM425QV1300KV1375表3-2 挖掘裝置初始參數(shù)表動臂油缸行程為800mm，活塞全縮尺寸為1250mm；斗桿油缸行程為900mm，活塞全縮尺寸為1300mm；鏟斗油缸活塞全縮尺寸為1200mm，行程為800mm。 在進行各零部件的概念草圖設計時，需要新建零件，在零件草圖環(huán)境中對骨架模型進行設計，如果采用草圖塊的方式，將更大的提高設計效率。在設計過程中盡量采用全尺寸幾何約束和全尺寸位置約束的方式對草圖和草圖塊進行約束，以防止由于誤操作引起尺寸錯誤。同時，需盡量采用坐標系中的同一坐標平面為基準進行繪制，在裝配模式下引入零部件的過程中將系統(tǒng)將默認在同一平面內(nèi)表達各個骨架模型。根據(jù)以上原則，從簡化支撐部分的設計思路出發(fā)，本課題采用一根構(gòu)造線和一個三角形草圖塊構(gòu)成偏轉(zhuǎn)頭的骨架模型。以三角形斜邊上的兩點分別代表偏轉(zhuǎn)頭上的鉸點A和鉸點C，豎直直角邊代表偏轉(zhuǎn)頭的回轉(zhuǎn)中心線，水平的構(gòu)造線代表挖裝機的停機面。 由于連桿結(jié)構(gòu)簡單，挖掘裝置又是基于二維概念草圖的，因此在設計過程中使用雙鉸點的直桿對結(jié)構(gòu)進行表達。 為簡化簡單結(jié)構(gòu)的骨架模型，在對搖桿的概念草圖進行設計時，本課題在保證運動學仿真過程中鉸點運動真實性的基礎上暫不考慮連桿與鏟斗的運動干涉問題，也采用雙鉸點直桿對結(jié)構(gòu)進行表達。為便于對動臂和斗桿等復雜機構(gòu)的實體化設計，在繪制動臂和斗桿的概念草圖骨架模型的過程中，不僅對各鉸點進行了必要的全尺寸參數(shù)化設計，本課題還對動臂和斗桿的外部結(jié)構(gòu)進行了較細致的框架設計，這為后續(xù)設計使用并行工程很大的提高了效率，如圖為更為形象的表達鏟斗機構(gòu)，在對鉸點K、Q和斗齒尖V進行全尺寸約束的同時，也對鏟斗機構(gòu)的外部輪廓進行了規(guī)劃，如圖在對三個油缸進行設計時，由于油缸結(jié)構(gòu)相似，在完成動臂油缸骨架模型的繪制后，本課題通過修改活塞和有缸套的尺寸參數(shù)，即完成了斗桿和鏟斗油缸的模擬。在完成零件模式下對各部件的概念草圖設計后，需要在部件模式下對建立的骨架模型進行裝配，組成挖掘裝置的概念草圖頂層骨架模型。由于在Inventor運動仿真模塊中將概念草圖模型和三維實體模型均默認為剛體，因此同一個零部件不能做兩次及以上的插入約束，所以裝配環(huán)境下的裝配約束和Inventor的運動仿真模塊的運動約束有時不能全部按裝配約束規(guī)則實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，在從裝配環(huán)境切換到仿真環(huán)境下對約束關系進行繼承時容易出現(xiàn)過約束的情況。本課題針對這種情況，在對骨架模型進行約束時，將有些同軸約束轉(zhuǎn)換為點線約束，這不僅不對運動學和動力學的仿真結(jié)果產(chǎn)生影響，還可以防止發(fā)生約束冗余的現(xiàn)象。按Inventor的運動學的裝配規(guī)則在裝配環(huán)境中對各骨架模型進行裝配，除保留鏟斗油缸、斗桿油缸和動臂油缸的運動自由度外，對挖掘裝置的各部件鉸點采用全約束，裝配后的挖掘裝置概念草圖如圖所示。3.4挖掘裝置的運動學仿真及優(yōu)化進行運動仿真可模擬挖掘裝置運動過程中機構(gòu)上任意一點的位移、速度和加速度。為了優(yōu)化初始設計參數(shù)，本課題使用運動仿真來模擬挖掘裝置的工作范圍，驗證初始設計參數(shù)是否符合設計要求，以便能夠及時的修正設計。如果指定了機構(gòu)各零部件的質(zhì)量、慣性和外部載荷，運動仿真還可以仿真出挖掘裝置運動過程中所需的力和力矩，因此在進行動力學仿真之前進行運動學仿真是必要的。3.4.1挖掘裝置的運動學仿真挖掘裝置的挖掘軌跡決定于各液壓缸的運動及其相互配合運動的情況，其運動形式主要有油缸順序動作和復合動作兩種。令挖掘裝置各油缸進行順序動作可以得到挖掘裝置的工作范圍。本課題在對概念草圖挖掘裝置的骨架模型進行運動學仿真前，在鏟斗的齒尖V創(chuàng)建了一個軌跡跟蹤點，作為鏟斗挖掘軌跡及相關運動學參數(shù)的測量點，通過對動臂、斗桿、鏟斗三組油缸設置不同的驅(qū)動函數(shù)，來實現(xiàn)工作裝置的運動軌跡仿真。為了使模型能真實反映實際運動規(guī)律，驅(qū)動函數(shù)必須精確地描述驅(qū)動的的大小和方向。對于挖掘裝置這種會產(chǎn)生多自由度復合運動的問題，本課題將挖掘裝置整個運動過程分為幾個獨立的子運動過程。每個子運動過程只有單個自由度，每次只使用驅(qū)動函數(shù)驅(qū)動單個油缸，鎖定其余兩個油缸的自由度，同時將每個子運動過程的最后運動狀態(tài)均作為下一個子運動過程的起始狀態(tài)，對整個運動過程進行控制。將挖掘裝置的整個運動過程分為以下10段子運動過程，假設挖掘裝置在任一初始位置開始運動，如圖：第段（T0- T1）：動臂油缸從全縮狀態(tài)變化到全伸，斗桿油缸收縮到最短，鏟斗液壓缸收縮到最短； 第段（T1-T2）：從第段終點開始，動臂油缸保持不變，鏟斗油缸保持不變，斗桿油缸從全縮狀態(tài)開始伸長至鉸點F、Q、V在一條直線上； 第段（T2-T3）：以第段的終點開始，斗桿油缸保持不變，鏟斗油缸保持不變，動臂油缸收縮至最短； 第段（T3-T4）：從第段終點開始，保持動臂液壓缸和斗桿液壓缸不變，鏟斗液壓缸伸出到F、Q、V三點一線時形成； 第段（T4- T5）：保持動臂油缸，鏟斗油缸不變，斗桿油缸伸出至最長，形成第段； 第段（T5- T6）：保持動臂油缸，斗桿油缸不變，鏟斗油缸開始伸出，伸出到鉸點C、Q、V三點一線； 第段（T6- T7）：保持鏟斗油缸，斗桿油缸不變，動臂油缸伸出至最長狀態(tài)； 第段（T7- T8）：保持動臂油缸，斗桿油缸不變，鏟斗油缸伸出到最長； 第段（T8- T9）：保持動臂油缸，鏟斗油缸不變，斗桿油缸收縮到最短； 第段（T9- T1）：保持動臂油缸，斗桿油缸不變，鏟斗油缸收縮到最短形成。在概念草圖中進行運動學仿真所繪制的挖掘裝置包絡圖是挖裝機在任一工位置，所能達到的最大工作范圍。但在隧道挖裝機實際進行作業(yè)時，包絡圖中有一部分挖掘區(qū)間已經(jīng)深入到隧道挖裝機輸送裝置集料口的下方，這在實際工作中都是基本不會出現(xiàn)的工況。因此針對以扒渣工況為主要使用工況的隧道挖裝機，本課題在設計中主要考慮從T1T4這段軌跡，即要保證最大挖掘深度、最大挖掘高度和最大挖掘半徑三個參數(shù)。從仿真結(jié)果來看，如圖，初始設計參數(shù)下的挖掘裝置工作范圍為：最大挖掘高度為6846mm，最大挖掘深度為5280mm，最大挖掘半徑為1340mm，不滿足挖掘裝置的設計要求，需要對鉸點進行優(yōu)化。3.4.2挖掘裝置的鉸點優(yōu)化在計算機中進行優(yōu)化設計是根據(jù)最優(yōu)化條件和優(yōu)化原理，以人機配合的方式，設計出適合實際工況、滿足設計要求的最佳設計方案的一種設計方法，是解決復雜設計問題的有效手段。在優(yōu)化設計過程中，一般需要建立由設計變量及約束條件組成的包含設計要求和設計意圖的約束模型。挖掘裝置的設計變量是各機構(gòu)的尺寸參數(shù)，下面分別介紹各機構(gòu)的約束條件。（1）動臂機構(gòu)設計1、 為節(jié)約結(jié)構(gòu)空間、增大隧道斷面工作區(qū)域，同時保證結(jié)構(gòu)容易實現(xiàn)，需要將直動臂的仰角控制在45至52之間。2、 由于挖掘裝置挖掘半徑較小，回轉(zhuǎn)范圍有限，自身有輸送裝置，在設計油缸時不必考慮滿斗提升的工況。3、 為保證運動穩(wěn)定性，動臂油缸的伸縮長度比應在1.45和1.65之間。4、 在動臂油缸伸縮運動的過程中，需保證ABC和 BCF的幾何關系成立。（2）斗桿機構(gòu)設計1、在扒渣作業(yè)時，斗桿油缸的伸長起著將物料拉入輸送裝置的作用，斗桿長度越大，作業(yè)范圍就越廣，但挖掘力將相對減小，為防止扒渣能力不足，斗桿長度FQ和動臂長度CF的比值一般在0.81之間。2、斗桿的擺角要保證在100120之間，在滿足工作和運輸要求的情況下，盡量減小斗桿的擺角。3、為保證作業(yè)范圍，EFQ一般取130170，同時在斗桿全縮和全伸的過程中DEF需成立，且保證點E始終在D、F連線的上方。4、為保證斗桿油缸運動的穩(wěn)定性，斗桿油缸的伸縮長度比也應控制在1.45和1.65之間。（3）鏟斗機構(gòu)設計1、由于隧道挖裝機和傳統(tǒng)通用式挖掘機的使用范圍不同，挖掘裝置的鏟斗不能直接按標準鏟斗進行設計，KQV應在95120之間。2、鏟斗機構(gòu)的挖掘轉(zhuǎn)角應設計為90110，同時為滿足隧道挖裝機的運輸狀態(tài)總轉(zhuǎn)角要達到140150，同時，在轉(zhuǎn)動范圍內(nèi)需保證斗齒尖V能夠出現(xiàn)在鉸點F、Q的連線上。3、在進行最高挖掘時，為不使斗桿和斗底先于斗齒接觸被挖面，常采取大仰角方式，此時VFQ應在1525之間。4、在整個鏟斗挖掘的過程中，鏟斗機構(gòu)需要保證GMK、GMN和四邊形MNQK的幾何關系保持不變，鉸點M點要始終保持在鉸點G、K連線的上方。5、為保證斗桿油缸運動的穩(wěn)定性，鏟斗油缸的伸縮長度比也應控制在1.45和1.65之間。由于隧道挖裝機挖掘裝置的偏擺是由偏擺油缸驅(qū)動的，因此在可簡化為只考慮動臂油缸、斗桿油缸和鏟斗油缸的運動；同時，為保證優(yōu)化結(jié)果滿足設計要求還需結(jié)合動臂、斗桿和鏟斗對偏轉(zhuǎn)頭、斗桿和搖桿進行優(yōu)化。本文針對上述約束條件對挖掘裝置的各參數(shù)進行反復優(yōu)化，優(yōu)化后的尺寸參數(shù)如表：參數(shù)距離（mm）參數(shù)距離（mm）CP580AP210CF2080CD450DF1765BC1700BF420EF520EG770FG570FQ1930GN1800FN1720NM520NQ240QK340KM420QV1350KV1360表3- 優(yōu)化后的油缸尺寸參數(shù)為：動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸的行程均為為800mm，活塞全縮尺寸均為1350mm。使用優(yōu)化后的尺寸參數(shù)，然后再次對概念草圖進行運動仿真，得到的挖掘包絡圖如圖3-；經(jīng)測量，最大挖掘深度為1402mm，最大挖掘高度為6408mm；最大挖掘半徑為5657mm，滿足設計要求，因此可根據(jù)修正后的尺寸參數(shù)進行三維實體建模和動力學仿真。3.5本章小結(jié)本章主要介紹了軟件Inventor的功能和自頂向下的設計方法。利用初始設計參數(shù)建立了挖掘裝置概念草圖，同時在運動仿真環(huán)境中對挖掘裝置的工作范圍進行了運動學仿真，通過對仿真結(jié)果和設計要求的分析比較，發(fā)現(xiàn)初始設計參數(shù)的不滿足設計要求。最后，使用挖掘機工作機構(gòu)的優(yōu)化理論對挖掘裝置各機構(gòu)的鉸點位置和油缸參數(shù)進行了優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)果通過了仿真驗證，得到了滿足設計要求的設計參數(shù)。第四章 隧道挖裝機挖掘裝置的動力學分析4.1挖掘裝置的三維實體建模對挖掘裝置進行動力學和有限元分析，需要建立包含各機構(gòu)的質(zhì)量、材料、轉(zhuǎn)動慣量等物理特征的三維實體模型。實體造型可以精確的表達零件的各種屬性，還能直觀的表達各零部件之間的裝配關系和拓撲結(jié)構(gòu)，可以模擬挖掘裝置工作的實際情況；同時，通過實體造型技術，設計者可以方便檢驗設計中的機械干涉問題并能直接根據(jù)三維模型生成二維工程圖。近年來，為提高設計效率，減少設計問題的出現(xiàn)，工程機械生產(chǎn)制造之前先進行三維樣機的開發(fā)已經(jīng)成為一種趨勢。本課題在進行實體建模的過程中，也采用了topdown的設計方法。通過對骨架模型進行旋轉(zhuǎn)、拉伸、布爾運算等實體化操作，在概念草圖中對各機構(gòu)的三維實體進行衍生。在完成對斗桿、動臂等復雜部件的衍生后，使用Inventor中的分割功能，將部件分解成各個零件。 同時，為避免由于零件間的點接觸和線接觸在有限元分析時引起應力集中、網(wǎng)格劃分失敗等問題，需要暫不對結(jié)構(gòu)進行焊接坡口的設計，以下為挖掘裝置主要部件的三維實體模型，如圖。在完成各機構(gòu)的三維實體繪制后需要在Inventor材料樣式庫中對機構(gòu)的材料進行定義，生成密度、泊松比、楊氏模量、屈服強度等主要機械特性參數(shù)。在保證結(jié)構(gòu)強度的基礎上為減輕機構(gòu)重量，本課題將挖掘裝置的主體結(jié)構(gòu)初始設計為由具有較高屈服強度的Q345鋼板焊接構(gòu)成，軸套采用40Cr為材料，挖掘裝置整體結(jié)構(gòu)如圖所示。4.2挖掘裝置的挖掘阻力計算一般認為，通用挖掘機挖掘裝置作業(yè)時，鏟斗容量小于0.5m的機型采用鏟斗挖掘為主，反之以斗桿挖掘為主。由于斗桿挖掘切削土層的厚度比轉(zhuǎn)斗挖掘小，所以斗桿挖掘阻力比轉(zhuǎn)斗挖掘阻力??；同樣，由于扒渣作業(yè)時挖掘裝置受到的主要阻力是物料與地面的摩擦力和斗齒翻扒淺層土壤的阻力，扒渣阻力小于斗桿挖掘力。針對隧道挖裝機在扒渣和挖掘作業(yè)中的實際工況，結(jié)合鏟斗油缸和斗桿油缸都是使用較為頻繁的工作機構(gòu)，本節(jié)主要對鏟斗挖掘阻力和斗桿挖掘阻力進行計算。（1）鏟斗挖掘阻力計算鏟斗油缸工作時，其挖掘阻力的切向分力可以用以下經(jīng)驗公式計算。W1=CR1-cosmaxcosmax-1.35BAZX+D由于計算出的W1的單位為Kgf，如果要得到以牛頓為單位的力還需要乘以g進行轉(zhuǎn)換。C表示土壤的硬度系數(shù)，針對隧道挖裝機在隧道和巷道施工中可能遇到的最不利工況，即遇到夾有石塊的重質(zhì)礫巖，重質(zhì)干粘土，爆破不良的泥灰石的V等級土，取C=10進行計算）；R