计算机辅助设计在地下装载机设计中的应用

赵金元，刘 威，何文胜

(1.中钢集团衡阳机械有限公司技术中心，湖南 衡阳 421002；2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012)

0 引言

地下装载机是井下采矿主要设备，地下装载机的铲料、装料和卸料作业是通过工作机构的运动来实现的[1-2]。其结构如图1所示，因此工作机构的合理性直接影响地下装载机的生产效率、工作负荷、动力与运动特性。同时，通过匹配计算，可以求出地下装载机的各档最大牵引力(失速牵引力)、车速与爬坡能力。下文将介绍如何设计应用。

图1 地下装载机工作机构

1 地下装载机工作机构的运动状态图计算机辅助绘制

由于装载机工作装置的设计十分复杂，也十分重要，计算工作量很庞大，手工计算与绘图往往时间长，精确度不高，而且只能静态表示工作机构的运动状态，不能动态表示各构件的运动状态。采用装载机工作装置运动状态图的计算机辅助绘制之后，不仅绘制的时间短、精度高，而且既可以静态表示其典型工况的工作机构的运动状态(如图2所示)，还可以动态表示工作过程各机构运动状态(如图3所示)[3]。

图2 典型工况的工作机构的运动状态图

图3 动态表示工作过程各机构运动状态图

地下装载机工作装置运动状态图的绘制，首先要建立工作装置的数学模型，并根据数学模型编写通用地下装载机运动状态计算机辅助程序和动态模拟程序。只要把任何一个型号的地下装载机的有关数据输入到本程序中，就可以自动计算出地下装载机各个典型工况状态。本程序运行在Microsoft Windows 98/2000下，用Microsoft Visual C++6.0实现。允许用户用鼠标直接点取，并且在对话框上直接输入，用户界面非常友好。程序框图如图4所示。

图4 程序框图

根据上述数学模型和程序经计算机计算后，在打印机上就可以绘制工作装置的运动状态图，计算工作装置相关技术参数。

2 工作装置计算机运动仿真

2.1 Pro/E建模

地下装载机工作装置主要由铲斗、动臂、连杆、摇臂、转斗油缸、动臂举升油缸、销轴、等组成。根据Pro/Engineer建模方法，先进行工作装置零件建模，包括动臂的生成、铲斗的生成、前机架的生成、连杆的生成、摇臂的生成、液压缸生成、连接销轴的生成。之后再进行工作装置装模型建模，最后进行实体装配，建立地下装载机工作装置模型。

2.2 机构仿真过程

地下装载机工作装置模型建立后，可以对四种工况进行运动仿真分析：

(1)铲取工况：装载机水平向前运动，铲斗扦入料堆一定深度后，举升油缸闭锁，铲斗边扦入边转斗；或翻斗油缸闭锁，铲斗边扦入边举升动臂(缸杆沿缸直线移动)。

(2)运输工况：铲取完成后，举升缸闭锁，翻斗油缸收缩，使铲斗收斗到运输位置后闭锁，车辆由驱动装置驱动运行到卸料处。

(3)举升工况：举升缸举升(缸杆沿缸直线移动)，翻斗缸闭锁(连接锁定)。

(4)卸料工况：举升缸闭锁(连接锁定)，翻斗缸伸出(缸杆沿缸直线移动)。

2.3 干涉分析

任何机器不管它的机构特性设计多么完美，机构效率设计多么高，只要有零件干涉，那么它就是废品，所以干涉检查对于设计工作很重要。干涉检查有显性干涉检查和隐性干涉检查。显性干涉即人为明显能够看见的干涉，如果干涉发生在比较隐蔽的地方，人为不能直接看到，这就需要程序分析。例如在设计中举升缸和机架干涉，这是显性的，翻斗缸和机架干涉是隐性干涉。此外，还必须考虑到本体到外围设备的延伸是否有干涉，例如液压油管接头连接上液压软管后是否与车体干涉。

干涉检查完成后，根据其结果，进行构件的结构修改。修改后的工作机构无干涉、无自锁、无死点及无撕裂。

3 有限元计算机强度计算

完整的设计工作除了进行结构分析，运动分析之外，还应进行强度分析，以保证了机器能够正常使用所需的强度、刚度。使用ANSYS等更专业的分析软件进行构件的材质分析，计算在实际工作状态下的强度和刚度以确定工作机构的安全系数是机械工程设计中一件最重要的工作。材料力学只能计算几种简单典型构件的强度与刚度，对与像地下装载机前后车架与桥壳这类复杂的构件就无能为力了，只能借助有限元方法进行。有限元方法是现代机械方法之一，是一个能解决复杂力学问题的有效工具，在现代机械设计中已获得广泛的应用，已取得满意的效果[4]。

4 二维工程绘图与计算机出图

开发地下装载机生产图要上千张，采用计算机绘图后，所有的图纸都存在几个软盘中，不仅出图质量高，而且保管携带方便。通过绘图仪或打印机打印成白图或玻璃底图，就避免了耗时、费力而繁重的描图工作，提高工效几十倍。

5 MATLAB在液力变矩器与柴油机的匹配计算中的应用

所谓液力变矩器与柴油机的匹配是指液力变矩器按照工作的要求，以指定工况传递发动机扭矩和功率的共同工作情况。尽管发动机与变矩器性能都好，若是匹配不正确，将使发动机性能不能充分发挥或者液力变矩器不能以十分理想的工况去传递发动机功率。因此液力变矩器与柴油机的匹配计算十分重要。为了达到理想的匹配性能，有时须进行多次反复大量计算，原来采用手工计算，不仅耗时，而且计算精度也不高，采用MATLAB软件后，使复杂繁琐的计算变得日益简单和准确、有效[5]。MATLAB是集数学计算、结果可视化和编程于一身，能够方便地进行科学计算和大量工程运算的数学软件。MATLAB语言是真正的21世纪科学计算语言。在建立了液力变矩器与柴油机匹配的数学型后，采用MATLAB就很快计算了各工况各种匹配数值，并绘出相关图形。如液力变矩器与柴油选取最佳的匹配方案。整个过程快捷、准确，而且可视化。模机共同工作输入特性曲线(如图5所示)与牵引特性曲线(如图6所示)，并可根据匹配原则，判定匹配的优劣。

图5 地下装载机变矩器与柴油机共同工作输入特性曲线

图6 某地下装载机牵引特性曲线

6 计算机其它应用

(1)计算机不仅可以进行新产品机械设计，而且还方便老产品图纸的检图、修改与管理，特别在新产品的试制过程，对于发现了的问题，可以很方便地在计算机内对其修改。

(2)还可利用计算机进行了一些工艺文件的编制工作，极大地提高工艺编制的速度和效率。

7 应用效果

通过多年应用计算机辅助设计，笔者深深感到现代的机械设计方法对企业发展的重大作用。以计算机对地下装载机进行辅助设计为例，说明计算机运用效果和在企业发展中的作用：

(1)提高效率；

(2)降低相关人员的劳动强度；

(3)设计失误小：计算机绘图时按照1∶1的比例进行绘制，如相关的连接尺寸不正确，在计算机中很容易发现，所以一般不会出现这种情况；

(4)直观且方便：在以往生产地下装载机时，对设计的转向角计算很繁琐，而应用计算机后，可以很直观地在计算机上反映出来。

8 结论

综上所述，计算机辅助设计具有容量大、速度快、精度高的优势，尤其具备很强的图形和文字处理能力，因而在地下装载机的设计中获得了广泛的应用，随着计算机技术的发展，计算机辅助设计也将会在地下装载机设计中得到愈来愈广泛的应用。