計算機輔助設計在地下裝載機設計中的應用

趙金元，劉 威，何文勝

(1.中鋼集團衡陽機械有限公司技術中心，湖南 衡陽 421002；2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012)

0 引言

地下裝載機是井下采礦主要設備，地下裝載機的鏟料、裝料和卸料作業(yè)是通過工作機構的運動來實現(xiàn)的[1-2]。其結構如圖1所示，因此工作機構的合理性直接影響地下裝載機的生產(chǎn)效率、工作負荷、動力與運動特性。同時，通過匹配計算，可以求出地下裝載機的各檔最大牽引力(失速牽引力)、車速與爬坡能力。下文將介紹如何設計應用。

圖1 地下裝載機工作機構

1 地下裝載機工作機構的運動狀態(tài)圖計算機輔助繪制

由于裝載機工作裝置的設計十分復雜，也十分重要，計算工作量很龐大，手工計算與繪圖往往時間長，精確度不高，而且只能靜態(tài)表示工作機構的運動狀態(tài)，不能動態(tài)表示各構件的運動狀態(tài)。采用裝載機工作裝置運動狀態(tài)圖的計算機輔助繪制之后，不僅繪制的時間短、精度高，而且既可以靜態(tài)表示其典型工況的工作機構的運動狀態(tài)(如圖2所示)，還可以動態(tài)表示工作過程各機構運動狀態(tài)(如圖3所示)[3]。

圖2 典型工況的工作機構的運動狀態(tài)圖

圖3 動態(tài)表示工作過程各機構運動狀態(tài)圖

地下裝載機工作裝置運動狀態(tài)圖的繪制，首先要建立工作裝置的數(shù)學模型，并根據(jù)數(shù)學模型編寫通用地下裝載機運動狀態(tài)計算機輔助程序和動態(tài)模擬程序。只要把任何一個型號的地下裝載機的有關數(shù)據(jù)輸入到本程序中，就可以自動計算出地下裝載機各個典型工況狀態(tài)。本程序運行在Microsoft Windows 98/2000下，用Microsoft Visual C++6.0實現(xiàn)。允許用戶用鼠標直接點取，并且在對話框上直接輸入，用戶界面非常友好。程序框圖如圖4所示。

圖4 程序框圖

根據(jù)上述數(shù)學模型和程序經(jīng)計算機計算后，在打印機上就可以繪制工作裝置的運動狀態(tài)圖，計算工作裝置相關技術參數(shù)。

2 工作裝置計算機運動仿真

2.1 Pro/E建模

地下裝載機工作裝置主要由鏟斗、動臂、連桿、搖臂、轉(zhuǎn)斗油缸、動臂舉升油缸、銷軸、等組成。根據(jù)Pro/Engineer建模方法，先進行工作裝置零件建模，包括動臂的生成、鏟斗的生成、前機架的生成、連桿的生成、搖臂的生成、液壓缸生成、連接銷軸的生成。之后再進行工作裝置裝模型建模，最后進行實體裝配，建立地下裝載機工作裝置模型。

2.2 機構仿真過程

地下裝載機工作裝置模型建立后，可以對四種工況進行運動仿真分析：

(1)鏟取工況：裝載機水平向前運動，鏟斗扦入料堆一定深度后，舉升油缸閉鎖，鏟斗邊扦入邊轉(zhuǎn)斗；或翻斗油缸閉鎖，鏟斗邊扦入邊舉升動臂(缸桿沿缸直線移動)。

(2)運輸工況：鏟取完成后，舉升缸閉鎖，翻斗油缸收縮，使鏟斗收斗到運輸位置后閉鎖，車輛由驅(qū)動裝置驅(qū)動運行到卸料處。

(3)舉升工況：舉升缸舉升(缸桿沿缸直線移動)，翻斗缸閉鎖(連接鎖定)。

(4)卸料工況：舉升缸閉鎖(連接鎖定)，翻斗缸伸出(缸桿沿缸直線移動)。

2.3 干涉分析

任何機器不管它的機構特性設計多么完美，機構效率設計多么高，只要有零件干涉，那么它就是廢品，所以干涉檢查對于設計工作很重要。干涉檢查有顯性干涉檢查和隱性干涉檢查。顯性干涉即人為明顯能夠看見的干涉，如果干涉發(fā)生在比較隱蔽的地方，人為不能直接看到，這就需要程序分析。例如在設計中舉升缸和機架干涉，這是顯性的，翻斗缸和機架干涉是隱性干涉。此外，還必須考慮到本體到外圍設備的延伸是否有干涉，例如液壓油管接頭連接上液壓軟管后是否與車體干涉。

干涉檢查完成后，根據(jù)其結果，進行構件的結構修改。修改后的工作機構無干涉、無自鎖、無死點及無撕裂。

3 有限元計算機強度計算

完整的設計工作除了進行結構分析，運動分析之外，還應進行強度分析，以保證了機器能夠正常使用所需的強度、剛度。使用ANSYS等更專業(yè)的分析軟件進行構件的材質(zhì)分析，計算在實際工作狀態(tài)下的強度和剛度以確定工作機構的安全系數(shù)是機械工程設計中一件最重要的工作。材料力學只能計算幾種簡單典型構件的強度與剛度，對與像地下裝載機前后車架與橋殼這類復雜的構件就無能為力了，只能借助有限元方法進行。有限元方法是現(xiàn)代機械方法之一，是一個能解決復雜力學問題的有效工具，在現(xiàn)代機械設計中已獲得廣泛的應用，已取得滿意的效果[4]。

4 二維工程繪圖與計算機出圖

開發(fā)地下裝載機生產(chǎn)圖要上千張，采用計算機繪圖后，所有的圖紙都存在幾個軟盤中，不僅出圖質(zhì)量高，而且保管攜帶方便。通過繪圖儀或打印機打印成白圖或玻璃底圖，就避免了耗時、費力而繁重的描圖工作，提高工效幾十倍。

5 MATLAB在液力變矩器與柴油機的匹配計算中的應用

所謂液力變矩器與柴油機的匹配是指液力變矩器按照工作的要求，以指定工況傳遞發(fā)動機扭矩和功率的共同工作情況。盡管發(fā)動機與變矩器性能都好，若是匹配不正確，將使發(fā)動機性能不能充分發(fā)揮或者液力變矩器不能以十分理想的工況去傳遞發(fā)動機功率。因此液力變矩器與柴油機的匹配計算十分重要。為了達到理想的匹配性能，有時須進行多次反復大量計算，原來采用手工計算，不僅耗時，而且計算精度也不高，采用MATLAB軟件后，使復雜繁瑣的計算變得日益簡單和準確、有效[5]。MATLAB是集數(shù)學計算、結果可視化和編程于一身，能夠方便地進行科學計算和大量工程運算的數(shù)學軟件。MATLAB語言是真正的21世紀科學計算語言。在建立了液力變矩器與柴油機匹配的數(shù)學型后，采用MATLAB就很快計算了各工況各種匹配數(shù)值，并繪出相關圖形。如液力變矩器與柴油選取最佳的匹配方案。整個過程快捷、準確，而且可視化。模機共同工作輸入特性曲線(如圖5所示)與牽引特性曲線(如圖6所示)，并可根據(jù)匹配原則，判定匹配的優(yōu)劣。

圖5 地下裝載機變矩器與柴油機共同工作輸入特性曲線

圖6 某地下裝載機牽引特性曲線

6 計算機其它應用

(1)計算機不僅可以進行新產(chǎn)品機械設計，而且還方便老產(chǎn)品圖紙的檢圖、修改與管理，特別在新產(chǎn)品的試制過程，對于發(fā)現(xiàn)了的問題，可以很方便地在計算機內(nèi)對其修改。

(2)還可利用計算機進行了一些工藝文件的編制工作，極大地提高工藝編制的速度和效率。

7 應用效果

通過多年應用計算機輔助設計，筆者深深感到現(xiàn)代的機械設計方法對企業(yè)發(fā)展的重大作用。以計算機對地下裝載機進行輔助設計為例，說明計算機運用效果和在企業(yè)發(fā)展中的作用：

(1)提高效率；

(2)降低相關人員的勞動強度；

(3)設計失誤?。河嬎銠C繪圖時按照1∶1的比例進行繪制，如相關的連接尺寸不正確，在計算機中很容易發(fā)現(xiàn)，所以一般不會出現(xiàn)這種情況；

(4)直觀且方便：在以往生產(chǎn)地下裝載機時，對設計的轉(zhuǎn)向角計算很繁瑣，而應用計算機后，可以很直觀地在計算機上反映出來。

8 結論

綜上所述，計算機輔助設計具有容量大、速度快、精度高的優(yōu)勢，尤其具備很強的圖形和文字處理能力，因而在地下裝載機的設計中獲得了廣泛的應用，隨著計算機技術的發(fā)展，計算機輔助設計也將會在地下裝載機設計中得到愈來愈廣泛的應用。