一種隧道挖裝機(jī)挖掘裝置的參數(shù)化設(shè)計(jì)研究

隧道挖裝機(jī)挖掘裝置的參數(shù)化設(shè)計(jì)研究第一章 緒論1.1引言1.2隧道挖裝機(jī)概述1.3隧道挖裝機(jī)發(fā)展概況 1.3.1國(guó)外隧道挖裝機(jī)發(fā)展概況 1.3.2國(guó)內(nèi)隧道挖裝機(jī)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(jī)挖掘裝置的設(shè)計(jì)分析2.1隧道挖裝機(jī)挖掘裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理 2.1.1隧道挖裝機(jī)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(shè)計(jì)要求2.3.1動(dòng)臂機(jī)構(gòu)2.3.2連桿機(jī)構(gòu)2.3.3鏟斗機(jī)構(gòu)2.4本章小結(jié)第三章 隧道挖裝機(jī)挖掘裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析3.1Inventor軟件簡(jiǎn)介 3.1.1 Inventor概述3.1.2 Inventor的設(shè)計(jì)功能3.2自頂向下設(shè)計(jì)方法3.3挖掘裝置的概念草圖建模3.4挖掘裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真及優(yōu)化3.4.1挖掘裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真3.4.2挖掘裝置的鉸點(diǎn)位置優(yōu)化3.5本章小結(jié)第四章 隧道挖裝機(jī)挖掘裝置的動(dòng)力學(xué)分析4.1挖掘裝置的三維實(shí)體建模4.2挖掘裝置的挖掘阻力計(jì)算4.3挖掘裝置的動(dòng)力學(xué)仿真4.4油缸閉鎖壓力設(shè)計(jì)4.4整機(jī)穩(wěn)定性的校核4.5本章小結(jié)第五章挖掘裝置設(shè)計(jì)的強(qiáng)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(xué)分析5.4挖掘裝置結(jié)構(gòu)的改進(jìn)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(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)積極投資基礎(chǔ)建設(shè)，作為交通命脈之一的鐵路近年來進(jìn)入了大規(guī)模建設(shè)時(shí)期，重點(diǎn)工程由東到西、從南到北全面展開。由于我國(guó)南方大多為丘陵或山區(qū)地形，因此鐵路建設(shè)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(diǎn)，但鉆爆法仍然是隧道施工的重要技術(shù)。實(shí)踐證明，在鉆爆法實(shí)施中裝碴運(yùn)輸工序是隧洞施工中占用工期最長(zhǎng)的工序，對(duì)整個(gè)工程的進(jìn)度有直接影響，為了保證施工進(jìn)度，施工單位在出碴工序都配有較多的機(jī)械化出碴設(shè)備，對(duì)于單線隧道，由于空間小，快速、高效，適合場(chǎng)地狹小空間狹矮作業(yè)的隧道挖裝機(jī)得到了充分的展示。與此同時(shí)，公路隧道、海底隧道的大量修建，斜井、聯(lián)絡(luò)通道等小斷面、長(zhǎng)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(shí)施，對(duì)隧道挖裝機(jī)這樣的設(shè)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(guó)產(chǎn)隧道挖裝機(jī)，對(duì)降低施工成本，促進(jìn)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(jī)概述隧道挖裝機(jī)又叫扒碴機(jī)、挖斗裝載機(jī)、巖巷掘進(jìn)機(jī)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(yùn)施工。適合在空間狹窄、大型機(jī)械難以到位施工的隧道、礦洞、巷道、斜巷斜井、涵洞等進(jìn)行施工。隧道挖裝機(jī)集扒、挖、裝、運(yùn)、卸、行走于一體，集成了行走、挖掘、采集、輸送、裝車、場(chǎng)地平整六種功能。改變了過去隧道施工的半機(jī)械化狀態(tài)，將原有的間斷出渣裝運(yùn)并大量人工協(xié)同的低速度、高安全風(fēng)險(xiǎn)、高成本狀態(tài)改為高速、高安全性、低成本的全機(jī)械化施工。隧道挖裝機(jī)按挖掘裝載能力分為：小型、中型和大型。隧道挖裝機(jī)每小時(shí)挖裝運(yùn)礦石土料120立方以下屬于小型挖裝機(jī)，每小時(shí)挖裝運(yùn)礦石土料300立方以上屬于大型挖裝機(jī)。隧道挖裝機(jī)按動(dòng)力系統(tǒng)分為：內(nèi)燃型、電動(dòng)型及內(nèi)燃電動(dòng)混合動(dòng)力型。小型隧道挖裝機(jī)多采用內(nèi)燃型或電動(dòng)型，內(nèi)燃型挖裝機(jī)機(jī)動(dòng)性好，常用于小型巷道施工，電動(dòng)型挖裝機(jī)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(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。中型和大型隧道挖裝機(jī)常采用內(nèi)燃電動(dòng)混合動(dòng)力型，適用于各種工作環(huán)境。隧道挖裝機(jī)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(fù)合式。小型隧道挖裝機(jī)多采用輪胎式結(jié)構(gòu)，中型和大型隧道挖裝機(jī)常采用履帶型，為方便地下井巷及隧道施工還專門設(shè)計(jì)有軌道式隧道挖裝機(jī)，同時(shí)，為了方便大長(zhǎng)隧道施工，大型隧道挖裝機(jī)常加裝軌道走行機(jī)構(gòu)。按刮板驅(qū)動(dòng)形式又分為單鏈、單驅(qū)動(dòng)和雙鏈、雙驅(qū)動(dòng)兩種形式。中小型隧道挖裝機(jī)基本采用單鏈、單驅(qū)動(dòng)形式，大型挖裝機(jī)一般采用雙鏈、雙驅(qū)動(dòng)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(jī)基本屬于普通型，中型和大型隧道挖裝機(jī)由于動(dòng)力充沛，大部分為適應(yīng)能力強(qiáng)的大坡度型。1.3隧道挖裝機(jī)發(fā)展概況大型隧道挖裝機(jī)作為鐵路、公路隧道施工的重要設(shè)備之一，在隧道施工機(jī)械化進(jìn)程中的地位越來越重要。中小型隧道挖裝機(jī)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(jì)80 年代中國(guó)中鐵開始引進(jìn)日本隧道挖裝機(jī)，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(jī)在國(guó)內(nèi)隧道施工中的應(yīng)用。上世紀(jì)90年代，為了提高隧道施工效率，我國(guó)利用德國(guó)無息貸款大量引進(jìn)德國(guó)夏夫公司生產(chǎn)的隧道挖裝機(jī)，從此，大型隧道挖裝機(jī)在我國(guó)隧道機(jī)械化施工中開始大范圍應(yīng)用。1.3.1國(guó)外隧道挖裝機(jī)發(fā)展概況發(fā)達(dá)國(guó)家隧道施工設(shè)備總體發(fā)展較早，隧道施工機(jī)械化程度高，已經(jīng)形成了一條從開挖到貫通全部機(jī)械化施工的工法。隧道挖裝機(jī)作為隧道施工設(shè)備的一個(gè)重要門類，技術(shù)領(lǐng)先于世界的國(guó)家主要有德國(guó)、日本、瑞典等。德國(guó)較為著名的隧道挖裝機(jī)機(jī)型為Schaeff公司的ITC 312-H4、ITC 312-H3、ITC 312SL等機(jī)型，各機(jī)型主要技術(shù)參數(shù)如表1。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)各施工單位保有量最多的機(jī)型為ITC 312-H3，如圖1-1,。ITC 312 挖裝機(jī)主要技術(shù)參數(shù)型 號(hào)ITC 312-H4ITC 312-H3ITC 312SL輸送槽能力（m 3/ h）200-250250-300600長(zhǎng)寬高（mm ）12950 2400 275012950 2400 275012950 2700 3300設(shè)備重量（kg）270002800036000發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)F6L912WTCD2013L062VTCD2013L062V輸出功率（kW ）63140165卸載高度（mm ）350035003550電機(jī)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(dá),刮板式雙鏈條,雙馬達(dá),板膠式雙鏈條,雙馬達(dá),膠板式輸送槽內(nèi)部寬（mm ）7008001000表 1 ITC 312 挖裝機(jī)主要技術(shù)參數(shù)日本隧道挖裝機(jī)的代表機(jī)型為KEMCO公司生產(chǎn)的KL-20ES和KL-41CN，其中KL-20ES型隧道挖裝機(jī)曾經(jīng)是最早引入中國(guó)的隧道挖裝機(jī)機(jī)型，KL-41CN的裝載能力相當(dāng)于ITC312H4。瑞典作為歐洲工程機(jī)械水平的另一個(gè)代表性國(guó)家，在隧道施工設(shè)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(jī)，如圖1-2，但由于沒有反鏟式工作裝置效率高，在國(guó)內(nèi)施工中使用不多。國(guó)外隧道挖裝機(jī)由于工藝領(lǐng)先、技術(shù)先進(jìn)、可靠性高，在隧道施工中應(yīng)用十分廣泛。 1.3.2國(guó)內(nèi)隧道挖裝機(jī)發(fā)展概況我國(guó)隧道挖裝機(jī)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(jī)上。國(guó)產(chǎn)挖裝機(jī)是從反鏟式扒碴機(jī)經(jīng)過學(xué)習(xí)吸收進(jìn)口產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)發(fā)展而來的。國(guó)內(nèi)初期研發(fā)的隧道挖裝機(jī)的主要是單動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的小型機(jī)，行走和作業(yè)均為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(duì)機(jī)械化要求的提高引起國(guó)內(nèi)對(duì)隧道挖裝機(jī)的需求增加，不少企業(yè)開始設(shè)計(jì)制造中型隧道挖裝機(jī)，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(yīng)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(jī)，并以極低的價(jià)格彌補(bǔ)了效率和穩(wěn)定性的不足，在市場(chǎng)上占有一席之地。近兩年來，國(guó)家開始關(guān)注隧道施工機(jī)械的國(guó)產(chǎn)化開發(fā)，2009年鐵道部將大型隧道挖裝機(jī)國(guó)產(chǎn)化定為科技計(jì)劃項(xiàng)目，由石家莊鐵道學(xué)院攻關(guān)研發(fā)。于是我國(guó)開始研發(fā)功能等同于ITC312-H3型的每小時(shí)出渣量300m以上的大型隧道挖裝機(jī)。最終河北冀川實(shí)業(yè)和江西藍(lán)翔重工分別開發(fā)出了WZ330和ZWY-312/110L等機(jī)型，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)大型隧道施工設(shè)備空白，但在現(xiàn)階段可靠性和穩(wěn)定性方面相比國(guó)外產(chǎn)品還存在一定差距，國(guó)內(nèi)各機(jī)型隧道挖裝機(jī)參數(shù)對(duì)照如表1-3。表2國(guó)產(chǎn)挖裝機(jī)主要技術(shù)參數(shù)生產(chǎn)廠家南昌凱馬江西藍(lán)翔貴陽力特昆明穿山四川戴克河北冀川型號(hào)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(dòng)方式單鏈、單驅(qū)動(dòng)雙鏈、雙驅(qū)動(dòng)雙鏈、雙驅(qū)動(dòng)雙鏈、雙驅(qū)動(dòng)單鏈、單驅(qū)動(dòng)雙鏈、雙驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率（kW）45110+2.27845+0.753790卸載高度（mm）200037002700270022003500設(shè)備重量（kg）1200023500155009800800032000國(guó)產(chǎn)挖裝機(jī)主要技術(shù)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(guó)內(nèi)鐵路、公路、礦產(chǎn)資源等隧道、巷道施工項(xiàng)目的陸續(xù)開展，我國(guó)隧道施工機(jī)械化程度低，效率低下的特點(diǎn)展露無遺，對(duì)隧道、巷道的重要施工設(shè)備大型隧道挖裝機(jī)的需求逐步增大。而國(guó)外產(chǎn)品的價(jià)格一直居高不下，國(guó)內(nèi)機(jī)型雖然有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，但挖掘、裝載性能還不能保證滿足多樣化的施工需求。針對(duì)以上情況，我校聯(lián)合中鐵一局建工機(jī)械有限公司，在針對(duì)施工實(shí)際要求的基礎(chǔ)上開展了對(duì)JGMWZ340大型隧道挖裝機(jī)的研發(fā)，對(duì)各項(xiàng)技術(shù)難題進(jìn)行攻關(guān)，力求在可靠性和各項(xiàng)功能參數(shù)上優(yōu)于國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品，真正實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)產(chǎn)品國(guó)際水準(zhǔn)。使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行產(chǎn)品的虛擬樣機(jī)開發(fā)可以減小研發(fā)投如，縮短開發(fā)周期，在工程機(jī)械行業(yè)，大部分企業(yè)開始使用PRO/E、Inventor、Soildworks等三維軟件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)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(shè)計(jì)的開發(fā)模式，這就不可避免的引起了開發(fā)團(tuán)隊(duì)中不同設(shè)計(jì)人員在部件設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行產(chǎn)品整機(jī)裝配的過程中，出現(xiàn)接口尺寸不符，整機(jī)性能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求等問題。本論文在基于挖掘裝置相關(guān)設(shè)計(jì)理論、計(jì)算機(jī)三維造型、機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、強(qiáng)度分析理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合Inventor軟件自身特點(diǎn)，將參數(shù)化設(shè)計(jì)三維仿真技術(shù)應(yīng)用于JGMWZ340型隧道挖裝機(jī)挖掘裝置的研發(fā)上，在挖掘裝置設(shè)計(jì)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(chǔ)上，結(jié)合Inventor軟件概述了自頂向下設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及應(yīng)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(shè)計(jì)方式的區(qū)別。2.在建立挖掘裝置骨架模型的基礎(chǔ)上，對(duì)挖掘裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬仿真，并結(jié)合挖掘裝置的使用工況和優(yōu)化理論，對(duì)挖掘裝置的鉸點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。3.繪制了挖掘裝置的三維實(shí)體模型，并將模型導(dǎo)入Inventor的動(dòng)力仿真模塊中，通過對(duì)理論挖掘阻力的分析計(jì)算，建立挖掘裝置動(dòng)力學(xué)分析模型，并對(duì)各種工況進(jìn)行仿真分析。4.模擬作業(yè)工況，在應(yīng)力分析模塊中對(duì)挖掘裝置關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過以上工作完成對(duì)JGMWZ340型隧道挖裝機(jī)挖掘裝置的設(shè)計(jì)，使計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件Inventor的功能得到充分發(fā)揮；將項(xiàng)目整體控制和并行工程并用，提高國(guó)產(chǎn)工程機(jī)械的開發(fā)速度，增強(qiáng)了國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，體現(xiàn)了自頂向下的參數(shù)化設(shè)計(jì)在工程機(jī)械開發(fā)中的作用，為工程機(jī)械的國(guó)產(chǎn)化開發(fā)提供了一個(gè)新的思路。第二章 隧道挖裝機(jī)挖掘裝置的設(shè)計(jì)分析挖掘裝置是隧道挖裝機(jī)的重要組成部分之一、是隧道挖裝機(jī)直接用來進(jìn)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(jī)的主要工作裝置，也是工程施工中運(yùn)用最廣泛的工作裝置。本文將結(jié)合JGMWZ340型反鏟隧道挖裝機(jī)的挖掘裝置進(jìn)行說明。2.1隧道挖裝機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理2.1.1隧道挖裝機(jī)的組成反鏟式隧道挖裝機(jī)是以一個(gè)鏟斗進(jìn)行挖掘、扒渣作業(yè)的工程機(jī)械，它由挖掘裝置、裝載裝置、司機(jī)室、電纜卷筒、機(jī)身、底盤、動(dòng)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(jī)。其挖掘裝置采用整體式直動(dòng)臂結(jié)構(gòu)。這種動(dòng)臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，是目前應(yīng)用最廣泛的隧道挖裝機(jī)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(dòng)模式，為方便調(diào)整整機(jī)長(zhǎng)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(diǎn)，為方便駕駛員操作采用了簡(jiǎn)易司機(jī)室。設(shè)計(jì)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電纜卷筒，方便大長(zhǎng)隧道施工時(shí)的移動(dòng)取電。為增強(qiáng)設(shè)備的整體性，減小接地比壓，機(jī)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(qiáng)設(shè)備機(jī)動(dòng)性、減小作業(yè)污染，動(dòng)力系統(tǒng)采用了內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)的雙驅(qū)動(dòng)形式。2.1.2挖掘裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理直動(dòng)臂反鏟挖掘裝置采用連桿機(jī)構(gòu)原理，通過油缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)各作業(yè)工況，其挖掘軌跡取決于油缸的運(yùn)動(dòng)及相互配合的情況；主要由動(dòng)臂、動(dòng)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(jī)反鏟工作裝置各運(yùn)動(dòng)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(jī)反鏟工作裝置機(jī)構(gòu)模型A點(diǎn)為動(dòng)臂油缸套與偏轉(zhuǎn)頭的鉸接點(diǎn)；B點(diǎn)對(duì)應(yīng)動(dòng)臂液壓活塞與動(dòng)臂的鉸接點(diǎn)；C點(diǎn)為動(dòng)臂與偏轉(zhuǎn)頭的鉸接點(diǎn)；D點(diǎn)對(duì)應(yīng)動(dòng)臂與斗桿油缸套的鉸接點(diǎn)；E點(diǎn)對(duì)應(yīng)斗桿液壓活塞與斗桿的鉸接點(diǎn)；F點(diǎn)為動(dòng)臂與斗桿的鉸接點(diǎn)；G點(diǎn)為斗桿與鏟斗油缸套的鉸接點(diǎn)；M點(diǎn)對(duì)應(yīng)鏟斗油缸活塞與連桿的鉸接點(diǎn)；K點(diǎn)為鏟斗與連桿的鉸接點(diǎn)；Q點(diǎn)為斗桿與鏟斗的鉸接點(diǎn)；N點(diǎn)對(duì)應(yīng)斗桿與搖桿的鉸接點(diǎn)； V點(diǎn)對(duì)應(yīng)鏟斗齒尖。其中多邊形BCDF對(duì)應(yīng)動(dòng)臂，EFGNQ對(duì)應(yīng)斗桿，三角形KQV對(duì)應(yīng)鏟斗，MN對(duì)應(yīng)搖桿，MK對(duì)應(yīng)連桿。動(dòng)臂油缸用來支撐整個(gè)挖掘裝置，通過動(dòng)臂油缸的伸出與縮回可使動(dòng)臂繞鉸點(diǎn)C轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂的上升與下降。斗桿鉸接于動(dòng)臂的前端的鉸點(diǎn)F，當(dāng)斗桿油缸伸縮時(shí)，斗桿可繞動(dòng)臂鉸點(diǎn)F轉(zhuǎn)動(dòng)，改變斗桿與動(dòng)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(diǎn)Q實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。2.2挖掘裝置的工況分析隧道挖裝機(jī)挖掘裝置的主要工況有：扒渣作業(yè)、挖掘作業(yè)和場(chǎng)地平整作業(yè)。一個(gè)扒渣作業(yè)循環(huán)主要包括以下動(dòng)作：（1）姿態(tài)調(diào)整。調(diào)整機(jī)身位置，偏擺油缸動(dòng)作，偏轉(zhuǎn)頭偏轉(zhuǎn)，將挖掘裝置調(diào)整到正對(duì)物料的工位。（2）扒動(dòng)物料。動(dòng)臂油缸伸出將動(dòng)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(dòng)臂油缸和斗桿油缸進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作，動(dòng)臂油缸回縮，斗桿油缸活塞前伸，斗桿回?cái)[，將物料扒進(jìn)輸送裝置集料口。（3）空斗返回。扒渣結(jié)束，偏轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)臂油缸和斗桿油缸配合，把空斗放到下一個(gè)工位，動(dòng)臂油缸、斗桿油缸同時(shí)進(jìn)行復(fù)合動(dòng)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(jī)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(dāng)僅以斗桿油缸工作進(jìn)行挖掘時(shí)，鏟斗的挖掘軌跡為圓弧線，弧線的長(zhǎng)度與包角決定于斗桿油缸的行程。當(dāng)動(dòng)臂位于最大下傾角，并以斗桿油缸進(jìn)行挖掘工作時(shí)，可以得到最大的挖掘深度尺寸。在進(jìn)行扒渣作業(yè)的過程中，需要斗桿和動(dòng)臂配合進(jìn)行反復(fù)挖掘動(dòng)作，故挖裝機(jī)實(shí)際工作中常以斗桿油缸工作進(jìn)行挖掘，因此在設(shè)計(jì)中希望挖裝機(jī)的斗齒最大挖掘力在采用斗桿油缸挖掘時(shí)實(shí)現(xiàn)。(2)鏟斗挖掘。當(dāng)進(jìn)行鏟斗挖掘時(shí)，鏟斗挖掘力和挖掘范圍與動(dòng)臂和斗桿的位置無關(guān)。其挖掘軌跡只決定于鏟斗油缸活塞的伸縮量和鉸點(diǎn)Q與斗齒尖V之間的距離。由于作業(yè)過程中有時(shí)需要破碎物料、清理障礙物，一般需要較大挖掘力。在挖裝機(jī)的各種工況中，鏟斗油缸伸縮都較為頻繁。在挖掘裝置的實(shí)際工作中，為適應(yīng)實(shí)際工況并提高施工效率，常進(jìn)行復(fù)合挖掘動(dòng)作，此時(shí)挖裝機(jī)的挖掘軌跡是由各油缸單獨(dú)動(dòng)作的軌跡復(fù)合而成。2.3挖掘裝置的設(shè)計(jì)要求為更好的適應(yīng)施工需求，保證與國(guó)內(nèi)外同類機(jī)型相比時(shí)的先進(jìn)性，針對(duì)JGMWZ340型隧道挖裝機(jī)挖掘裝置的設(shè)計(jì)提出了以下設(shè)計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，要求挖掘裝置各零部件在不會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉的前提下，滿足如表 的性能設(shè)計(jì)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(dòng)臂最大偏轉(zhuǎn)角55動(dòng)臂提升力35000N表2- 挖掘范圍設(shè)計(jì)參數(shù)表其中，最大挖掘高度為動(dòng)臂和斗桿處在最高位置，鏟斗仰角最大時(shí)，斗齒尖V到履帶所在地平面的距離，即鏟斗齒尖相對(duì)于地面所能到達(dá)的最高點(diǎn)；最大挖掘深度為動(dòng)臂處在最低位置，斗齒尖V、鉸點(diǎn)Q、鉸點(diǎn)F共線且垂直于停機(jī)面時(shí)，斗齒尖與停機(jī)面的距離，即鏟斗齒尖相對(duì)于地面所能到達(dá)的最低點(diǎn)；最大挖掘半徑為在挖裝機(jī)縱向中心平面內(nèi)斗齒尖V離挖裝機(jī)偏轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)中心的最大距離；動(dòng)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(jìn)行回轉(zhuǎn)作業(yè)的最大偏擺范圍；動(dòng)臂提升力為在動(dòng)臂舉升的過程中除去工作裝置自重所能承受的最小設(shè)計(jì)負(fù)載。 (2)整機(jī)挖掘力大小及分布設(shè)計(jì)要求。挖掘裝置設(shè)計(jì)應(yīng)滿足合理的挖掘力分布特性，不要求在整個(gè)作業(yè)范圍內(nèi)的任何位置都能實(shí)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(shí)現(xiàn)最大挖掘力。由于JGMWZ340的挖掘裝置沒有設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)，因此主要作業(yè)區(qū)域?yàn)橥C(jī)坪正前方左右偏轉(zhuǎn)55的區(qū)域。(3) 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)要求。工程機(jī)械在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)時(shí)，一般需要考慮以下指標(biāo)：能耗指標(biāo)、作業(yè)循環(huán)時(shí)間、整機(jī)重量、維修周期、壽命周期、維修成本和操作舒適性。針對(duì)JGMWZ340，為增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，在挖掘裝置設(shè)計(jì)時(shí)，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(chǔ)上減輕結(jié)構(gòu)重量，將工作循環(huán)時(shí)間減到最小。(4)零部件的通用性和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)要求。實(shí)現(xiàn)零部件的標(biāo)準(zhǔn)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(jī)各功能部件的工作可靠性和耐久性，以滿足隧道挖裝機(jī)作業(yè)條件惡劣的要求。(5)可靠性設(shè)計(jì)要求。工作裝置應(yīng)安全可靠，拆裝方便，振動(dòng)和噪聲小，易損件更換方便，易保養(yǎng)。(6)特殊工況設(shè)計(jì)要求。由于隧道、巷道施工的特殊性，在設(shè)計(jì)中要考慮適當(dāng)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(shí)，為防止隧道頂部落石傷害，對(duì)工作裝置各工作油缸需增加落物保護(hù)裝置。(7)整機(jī)尺寸要求。隧道挖裝機(jī)在停放和運(yùn)輸時(shí)，挖掘裝置都應(yīng)有合理的姿態(tài)，合適的運(yùn)輸尺寸，滿足集裝箱運(yùn)輸條件。挖掘裝置的設(shè)計(jì)一般要在保證主要設(shè)計(jì)要求的原則下兼顧其他功能和外觀設(shè)計(jì)要求。2.4本章小結(jié)本章介紹了隧道挖裝機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，并對(duì)挖裝機(jī)的扒渣作業(yè)和挖掘作業(yè)工況進(jìn)行了分析和介紹，最后提出了JGMWZ340型隧道挖裝機(jī)挖掘裝置的設(shè)計(jì)要求。66圖2-1 履帶式反鏟隧道挖裝機(jī)1、鏟斗 2、連桿 3、搖桿 4、鏟斗油缸 5、斗桿 6、動(dòng)臂 7、斗桿油缸 8、動(dòng)臂油缸 9、偏轉(zhuǎn)頭 10、偏轉(zhuǎn)油缸11、司機(jī)室 12、機(jī)身 13、動(dòng)力系統(tǒng) 14、底盤15、電纜卷筒16、輸送裝置3.1Inventor軟件簡(jiǎn)介3.1.1 Inventor概述Autodesk Inventor Professional是Autodesk公司出品的基于Microsoft Windows的先進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)系統(tǒng)，是一種基于特征的集參數(shù)化實(shí)體造型技術(shù)和自適應(yīng)技術(shù)于一體的三維設(shè)計(jì)軟件。Inventor提供了一套全面的、集成的設(shè)計(jì)工具，可用于創(chuàng)建完整的數(shù)字樣機(jī)，支持設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行各種分析和仿真，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的外型、結(jié)構(gòu)和功能，保證設(shè)計(jì)的合理性。 Inventor提供了創(chuàng)新性的自適應(yīng)技術(shù)，以更好的表達(dá)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖。使用自適應(yīng)技術(shù)，設(shè)計(jì)者可通過對(duì)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的設(shè)定便捷的創(chuàng)建零件關(guān)系，同時(shí)對(duì)部件的裝配關(guān)系進(jìn)行管理和編輯。Inventor具有將概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)資源共享；同時(shí)通過特征造型、參數(shù)化驅(qū)動(dòng)技術(shù)可動(dòng)態(tài)建立模具標(biāo)準(zhǔn)件庫；還可對(duì)裝配部件進(jìn)行干涉檢查和運(yùn)動(dòng)仿真。Inventor在設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)縮短設(shè)計(jì)周期、降低設(shè)計(jì)成本、加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)的通用化和系列化、提高產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度、適應(yīng)多變的市場(chǎng)需求提供了更強(qiáng)大的支持。3.1.2 Inventor的設(shè)計(jì)功能 Inventor作為一種多功能三維仿真設(shè)計(jì)軟件，具有以下主要功能：（1）零件設(shè)計(jì)Inventor 提供了三種零件設(shè)計(jì)的方式，第一種是利用設(shè)計(jì)者的零件草圖中的設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃略等造型方式，第二種是利用自適應(yīng)功能根據(jù)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)進(jìn)行自動(dòng)造型，第三種是利用特有的iPart技術(shù)，通過設(shè)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(shè)計(jì)Inventor提供了兩種裝配體的設(shè)計(jì)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(jìn)行干涉分析和接觸檢測(cè)。同時(shí)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(shè)計(jì)者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真及強(qiáng)度分析。（3）鈑金設(shè)計(jì)Inventor提供了便捷的鈑金設(shè)計(jì)功能，可進(jìn)行板材、折彎方式等各種設(shè)置，并可自動(dòng)對(duì)折彎的鈑金件進(jìn)行展開分析，設(shè)計(jì)者還可在展開模型編輯環(huán)境中對(duì)展開后的模型進(jìn)行編輯，以保證工藝設(shè)計(jì)余量。 （4）布管設(shè)計(jì)Inventor可以輔助設(shè)計(jì)各種軟管和硬管管路，并能提供多種標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)者三維視角問題引起的設(shè)計(jì)失誤，其中的軟管設(shè)計(jì)功能可自動(dòng)根據(jù)管型進(jìn)行最小折彎半徑約束，并自動(dòng)計(jì)算接頭處的舍入增量為硬管鋪設(shè)和液壓布管提供了極大的便利。（5）電纜與線束設(shè)計(jì)Inventor提供了類似于管路設(shè)計(jì)的三維電纜和線束設(shè)計(jì)。能夠?qū)㈦姎庠O(shè)計(jì)中的電氣元件、電纜、線束、排線等集成到數(shù)字樣機(jī)中，協(xié)助設(shè)計(jì)者準(zhǔn)確計(jì)算路徑長(zhǎng)度，并確保電氣零部件與機(jī)械零部件匹配，從而節(jié)約大量時(shí)間和成本。 （6）資源中心 Inventor自身提供了包含豐富標(biāo)準(zhǔn)件的資源中心。設(shè)計(jì)者可以方便快捷地訪問工程標(biāo)準(zhǔn)件庫，簡(jiǎn)化了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件的創(chuàng)建、管理和重復(fù)使用的工作。 （7）運(yùn)動(dòng)仿真 Inventor集成了運(yùn)動(dòng)仿真模塊，在裝配環(huán)境下可以直接轉(zhuǎn)換成運(yùn)動(dòng)仿真模式。軟件能夠自動(dòng)分析裝配約束，識(shí)別相關(guān)剛體，并轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)連接，同時(shí)也提供了手動(dòng)選擇并施加標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)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(dòng)畫，輸出選定點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡和設(shè)計(jì)模型在運(yùn)動(dòng)特性周期內(nèi)位置、力和加速度等參數(shù)的變化。 （8）應(yīng)力分析 Inventor的應(yīng)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(yīng)力應(yīng)變，以理論驗(yàn)證所設(shè)計(jì)零件的剛度和強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，Inventor提供了兩種途徑，一種是單獨(dú)對(duì)零件定義載荷進(jìn)行分析，一種是選擇運(yùn)動(dòng)仿真中某一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)作為載荷條件，執(zhí)行零件的應(yīng)力分析。Inventor同時(shí)還提供了特征抑制功能，來簡(jiǎn)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(shè)計(jì)軟件，兩者可以實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接，無需使用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，就可以直接復(fù)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(shí)還能保持與三維模型的關(guān)聯(lián)性，保證二維尺寸根據(jù)三維尺寸的變更進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。Inventor還預(yù)留了方便第三方應(yīng)用程序使用的程序編程接口支持使用編程語言對(duì)軟件進(jìn)行二次開發(fā)。3.2自頂向下設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)建立在計(jì)算機(jī)的虛擬幾何模型上，各種信息以數(shù)據(jù)方式儲(chǔ)存在三維幾何實(shí)體中，設(shè)計(jì)者可以使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬整個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)過程。但是隨著近幾年計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械設(shè)計(jì)的理念和過程有了新的變化，各大機(jī)械設(shè)計(jì)軟件公司設(shè)計(jì)開發(fā)出了topdown（自頂向下）的設(shè)計(jì)方法；但大部分公司和設(shè)計(jì)人員仍然只注重零部件的靜態(tài)設(shè)計(jì)，采用bottomup（自下而上）的設(shè)計(jì)方法，先設(shè)計(jì)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(guān)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(guān)系，使整個(gè)設(shè)計(jì)流程更加清晰，還可以通過控制基礎(chǔ)零件實(shí)現(xiàn)其他關(guān)聯(lián)零件的更改，從而更高效的對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行管理。Topdown設(shè)計(jì)方法主要包含三個(gè)設(shè)計(jì)過程：第一步是Concept Design（概念設(shè)計(jì)），第二步是Detail Design（細(xì)部設(shè)計(jì)），最后一步是Manufacturing Design（生產(chǎn)設(shè)計(jì)），整個(gè)過程由粗到精、由模糊到清晰，完美的將抽象設(shè)計(jì)和具體設(shè)計(jì)結(jié)合到一起。Inventor采用top-down設(shè)計(jì)有兩種模式，一種是基于概念草圖的參數(shù)化設(shè)計(jì)，一種是基于整體實(shí)體模型的分解式設(shè)計(jì)。其中基于概念草圖的參數(shù)化設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)者在概念設(shè)計(jì)階段根據(jù)產(chǎn)品性能提供的原始參數(shù)和技術(shù)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(zhǔn)，創(chuàng)建或引進(jìn)只有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)關(guān)系和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)尺寸的非實(shí)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(shè)計(jì)方案中相應(yīng)的位置上，完成符合設(shè)計(jì)要求方案設(shè)計(jì)；最后根據(jù)骨架裝配模型進(jìn)行細(xì)化的參數(shù)化實(shí)體設(shè)計(jì)。基于概念草圖的參數(shù)化設(shè)計(jì)適合用于多自由度復(fù)雜機(jī)械的設(shè)計(jì)和創(chuàng)造性產(chǎn)品的開發(fā)?；谡w模型分解式設(shè)計(jì)主要用在整體設(shè)計(jì)完成后的細(xì)化設(shè)計(jì)階段。首先在產(chǎn)品或部件進(jìn)行整體的實(shí)體化設(shè)計(jì)，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(gè)零件，在分別對(duì)各零件進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)。兩種top-down設(shè)計(jì)模式經(jīng)常混合使用以提高設(shè)計(jì)效率，使用top-down設(shè)計(jì)方法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)的流程如圖3.1。產(chǎn)品性能要求修正功能設(shè)計(jì)方案修正功能設(shè)計(jì)方案建立功能設(shè)計(jì)方案優(yōu)化零件模型骨架設(shè)計(jì)方案建立零件模型骨架設(shè)計(jì)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(xì)設(shè)計(jì)方案建立零部件的詳細(xì) 設(shè)計(jì)方案比較分析設(shè)計(jì)方案和產(chǎn)品性能要求差異最終設(shè)計(jì)方案圖3.1 產(chǎn)品自頂向下設(shè)計(jì)流程本課題將使用基于概念草圖的topdown設(shè)計(jì)方法在Inventor中對(duì)JGMWZ340型隧道挖裝機(jī)的挖掘裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。使用基于概念草圖的參數(shù)化設(shè)計(jì)有以下優(yōu)點(diǎn)：1、便于修正。本設(shè)計(jì)方法不同于傳統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)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(dòng)完成對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的修改，設(shè)計(jì)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(guān)聯(lián)性，還可以通過修正裝配關(guān)系生成不同功能的系列產(chǎn)品。2、便于管理。在運(yùn)動(dòng)自由度和裝配結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，可在概念草圖中采用分層設(shè)計(jì)的方法將結(jié)構(gòu)關(guān)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(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、產(chǎn)品外形及裝配關(guān)系。對(duì)上層骨架的更改將被會(huì)傳遞到其下一級(jí)的子骨架中。設(shè)計(jì)者在進(jìn)行分部設(shè)計(jì)的時(shí)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(duì)零部件進(jìn)行細(xì)部設(shè)計(jì)。3、便于仿真?；诟拍畈輬D的骨架模型可以和實(shí)體模型一樣，在運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，幫助設(shè)計(jì)者體會(huì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)變化，以便根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)方案進(jìn)行及時(shí)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(qiáng)零件在裝配中的關(guān)聯(lián)性。這些存在于實(shí)際裝配中的相互關(guān)聯(lián)和依賴關(guān)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(dāng)修改了某一零件的某個(gè)參數(shù)之后，另外一個(gè)以這個(gè)零件為參照的零件的參數(shù)會(huì)自動(dòng)發(fā)生聯(lián)動(dòng)變更，可以防止由于設(shè)計(jì)人員溝通不及時(shí)出現(xiàn)接口尺寸錯(cuò)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(jí)都能夠獲得這種最新改變的信息，這使設(shè)計(jì)過程中的并行工程和團(tuán)隊(duì)合作成為可能。由于表達(dá)總裝配關(guān)系的頂層骨架在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的惟一性，各個(gè)子團(tuán)體可以同時(shí)分別對(duì)不同的子裝配和零件進(jìn)行設(shè)計(jì)，使一個(gè)復(fù)雜的裝配設(shè)計(jì)在早期就可以分解成簡(jiǎn)單的子裝配和零件，進(jìn)而分配給團(tuán)隊(duì)中的每個(gè)設(shè)計(jì)者。因此，只需要總設(shè)計(jì)師在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初確定了設(shè)計(jì)意圖，不管是創(chuàng)新設(shè)計(jì)還是改良設(shè)計(jì)，只要將設(shè)計(jì)意圖草圖化。自頂向下的設(shè)計(jì)方法就可以幫助每個(gè)設(shè)計(jì)者更好地體會(huì)設(shè)計(jì)要求，這無疑將極大限度的提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率。3.3挖掘裝置的概念草圖建模將設(shè)計(jì)要求和實(shí)際工況相結(jié)合，參照國(guó)內(nèi)外大型隧道挖裝機(jī)的挖掘裝置，對(duì)JGMWZ340挖掘裝置初始結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)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(dòng)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(jìn)行各零部件的概念草圖設(shè)計(jì)時(shí)，需要新建零件，在零件草圖環(huán)境中對(duì)骨架模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果采用草圖塊的方式，將更大的提高設(shè)計(jì)效率。在設(shè)計(jì)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(duì)草圖和草圖塊進(jìn)行約束，以防止由于誤操作引起尺寸錯(cuò)誤。同時(shí)，需盡量采用坐標(biāo)系中的同一坐標(biāo)平面為基準(zhǔn)進(jìn)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(rèn)在同一平面內(nèi)表達(dá)各個(gè)骨架模型。根據(jù)以上原則，從簡(jiǎn)化支撐部分的設(shè)計(jì)思路出發(fā)，本課題采用一根構(gòu)造線和一個(gè)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(diǎn)分別代表偏轉(zhuǎn)頭上的鉸點(diǎn)A和鉸點(diǎn)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(jī)的停機(jī)面。 由于連桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，挖掘裝置又是基于二維概念草圖的，因此在設(shè)計(jì)過程中使用雙鉸點(diǎn)的直桿對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表達(dá)。 為簡(jiǎn)化簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的骨架模型，在對(duì)搖桿的概念草圖進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，本課題在保證運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真過程中鉸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)真實(shí)性的基礎(chǔ)上暫不考慮連桿與鏟斗的運(yùn)動(dòng)干涉問題，也采用雙鉸點(diǎn)直桿對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表達(dá)。為便于對(duì)動(dòng)臂和斗桿等復(fù)雜機(jī)構(gòu)的實(shí)體化設(shè)計(jì)，在繪制動(dòng)臂和斗桿的概念草圖骨架模型的過程中，不僅對(duì)各鉸點(diǎn)進(jìn)行了必要的全尺寸參數(shù)化設(shè)計(jì)，本課題還對(duì)動(dòng)臂和斗桿的外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較細(xì)致的框架設(shè)計(jì)，這為后續(xù)設(shè)計(jì)使用并行工程很大的提高了效率，如圖為更為形象的表達(dá)鏟斗機(jī)構(gòu)，在對(duì)鉸點(diǎn)K、Q和斗齒尖V進(jìn)行全尺寸約束的同時(shí)，也對(duì)鏟斗機(jī)構(gòu)的外部輪廓進(jìn)行了規(guī)劃，如圖在對(duì)三個(gè)油缸進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，由于油缸結(jié)構(gòu)相似，在完成動(dòng)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(duì)各部件的概念草圖設(shè)計(jì)后，需要在部件模式下對(duì)建立的骨架模型進(jìn)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(yùn)動(dòng)仿真模塊中將概念草圖模型和三維實(shí)體模型均默認(rèn)為剛體，因此同一個(gè)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(yùn)動(dòng)仿真模塊的運(yùn)動(dòng)約束有時(shí)不能全部按裝配約束規(guī)則實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，在從裝配環(huán)境切換到仿真環(huán)境下對(duì)約束關(guān)系進(jìn)行繼承時(shí)容易出現(xiàn)過約束的情況。本課題針對(duì)這種情況，在對(duì)骨架模型進(jìn)行約束時(shí)，將有些同軸約束轉(zhuǎn)換為點(diǎn)線約束，這不僅不對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)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(yùn)動(dòng)學(xué)的裝配規(guī)則在裝配環(huán)境中對(duì)各骨架模型進(jìn)行裝配，除保留鏟斗油缸、斗桿油缸和動(dòng)臂油缸的運(yùn)動(dòng)自由度外，對(duì)挖掘裝置的各部件鉸點(diǎn)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(yùn)動(dòng)學(xué)仿真及優(yōu)化進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真可模擬挖掘裝置運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)構(gòu)上任意一點(diǎn)的位移、速度和加速度。為了優(yōu)化初始設(shè)計(jì)參數(shù)，本課題使用運(yùn)動(dòng)仿真來模擬挖掘裝置的工作范圍，驗(yàn)證初始設(shè)計(jì)參數(shù)是否符合設(shè)計(jì)要求，以便能夠及時(shí)的修正設(shè)計(jì)。如果指定了機(jī)構(gòu)各零部件的質(zhì)量、慣性和外部載荷，運(yùn)動(dòng)仿真還可以仿真出挖掘裝置運(yùn)動(dòng)過程中所需的力和力矩，因此在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真之前進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真是必要的。3.4.1挖掘裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真挖掘裝置的挖掘軌跡決定于各液壓缸的運(yùn)動(dòng)及其相互配合運(yùn)動(dòng)的情況，其運(yùn)動(dòng)形式主要有油缸順序動(dòng)作和復(fù)合動(dòng)作兩種。令挖掘裝置各油缸進(jìn)行順序動(dòng)作可以得到挖掘裝置的工作范圍。本課題在對(duì)概念草圖挖掘裝置的骨架模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真前，在鏟斗的齒尖V創(chuàng)建了一個(gè)軌跡跟蹤點(diǎn)，作為鏟斗挖掘軌跡及相關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的測(cè)量點(diǎn)，通過對(duì)動(dòng)臂、斗桿、鏟斗三組油缸設(shè)置不同的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，來實(shí)現(xiàn)工作裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡仿真。為了使模型能真實(shí)反映實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律，驅(qū)動(dòng)函數(shù)必須精確地描述驅(qū)動(dòng)的的大小和方向。對(duì)于挖掘裝置這種會(huì)產(chǎn)生多自由度復(fù)合運(yùn)動(dòng)的問題，本課題將挖掘裝置整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程分為幾個(gè)獨(dú)立的子運(yùn)動(dòng)過程。每個(gè)子運(yùn)動(dòng)過程只有單個(gè)自由度，每次只使用驅(qū)動(dòng)函數(shù)驅(qū)動(dòng)單個(gè)油缸，鎖定其余兩個(gè)油缸的自由度，同時(shí)將每個(gè)子運(yùn)動(dòng)過程的最后運(yùn)動(dòng)狀態(tài)均作為下一個(gè)子運(yùn)動(dòng)過程的起始狀態(tài)，對(duì)整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行控制。將挖掘裝置的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程分為以下10段子運(yùn)動(dòng)過程，假設(shè)挖掘裝置在任一初始位置開始運(yùn)動(dòng)，如圖：第段（T0- T1）：動(dòng)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(diǎn)開始，動(dòng)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(zhǎng)至鉸點(diǎn)F、Q、V在一條直線上； 第段（T2-T3）：以第段的終點(diǎn)開始，斗桿油缸保持不變，鏟斗油缸保持不變，動(dòng)臂油缸收縮至最短； 第段（T3-T4）：從第段終點(diǎn)開始，保持動(dòng)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(diǎn)一線時(shí)形成； 第段（T4- T5）：保持動(dòng)臂油缸，鏟斗油缸不變，斗桿油缸伸出至最長(zhǎng)，形成第段； 第段（T5- T6）：保持動(dòng)臂油缸，斗桿油缸不變，鏟斗油缸開始伸出，伸出到鉸點(diǎn)C、Q、V三點(diǎn)一線； 第段（T6- T7）：保持鏟斗油缸，斗桿油缸不變，動(dòng)臂油缸伸出至最長(zhǎng)狀態(tài)； 第段（T7- T8）：保持動(dòng)臂油缸，斗桿油缸不變，鏟斗油缸伸出到最長(zhǎng)； 第段（T8- T9）：保持動(dòng)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(dòng)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(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真所繪制的挖掘裝置包絡(luò)圖是挖裝機(jī)在任一工位置，所能達(dá)到的最大工作范圍。但在隧道挖裝機(jī)實(shí)際進(jìn)行作業(yè)時(shí)，包絡(luò)圖中有一部分挖掘區(qū)間已經(jīng)深入到隧道挖裝機(jī)輸送裝置集料口的下方，這在實(shí)際工作中都是基本不會(huì)出現(xiàn)的工況。因此針對(duì)以扒渣工況為主要使用工況的隧道挖裝機(jī)，本課題在設(shè)計(jì)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(gè)參數(shù)。從仿真結(jié)果來看，如圖，初始設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求，需要對(duì)鉸點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。3.4.2挖掘裝置的鉸點(diǎn)優(yōu)化在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是根據(jù)最優(yōu)化條件和優(yōu)化原理，以人機(jī)配合的方式，設(shè)計(jì)出適合實(shí)際工況、滿足設(shè)計(jì)要求的最佳設(shè)計(jì)方案的一種設(shè)計(jì)方法，是解決復(fù)雜設(shè)計(jì)問題的有效手段。在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，一般需要建立由設(shè)計(jì)變量及約束條件組成的包含設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)意圖的約束模型。挖掘裝置的設(shè)計(jì)變量是各機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)，下面分別介紹各機(jī)構(gòu)的約束條件。（1）動(dòng)臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)1、 為節(jié)約結(jié)構(gòu)空間、增大隧道斷面工作區(qū)域，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)，需要將直動(dòng)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(shè)計(jì)油缸時(shí)不必考慮滿斗提升的工況。3、 為保證運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，動(dòng)臂油缸的伸縮長(zhǎng)度比應(yīng)在1.45和1.65之間。4、 在動(dòng)臂油缸伸縮運(yùn)動(dòng)的過程中，需保證ABC和 BCF的幾何關(guān)系成立。（2）斗桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)1、在扒渣作業(yè)時(shí)，斗桿油缸的伸長(zhǎng)起著將物料拉入輸送裝置的作用，斗桿長(zhǎng)度越大，作業(yè)范圍就越廣，但挖掘力將相對(duì)減小，為防止扒渣能力不足，斗桿長(zhǎng)度FQ和動(dòng)臂長(zhǎng)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(yùn)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(shí)在斗桿全縮和全伸的過程中DEF需成立，且保證點(diǎn)E始終在D、F連線的上方。4、為保證斗桿油缸運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，斗桿油缸的伸縮長(zhǎng)度比也應(yīng)控制在1.45和1.65之間。（3）鏟斗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)1、由于隧道挖裝機(jī)和傳統(tǒng)通用式挖掘機(jī)的使用范圍不同，挖掘裝置的鏟斗不能直接按標(biāo)準(zhǔn)鏟斗進(jìn)行設(shè)計(jì)，KQV應(yīng)在95120之間。2、鏟斗機(jī)構(gòu)的挖掘轉(zhuǎn)角應(yīng)設(shè)計(jì)為90110，同時(shí)為滿足隧道挖裝機(jī)的運(yùn)輸狀態(tài)總轉(zhuǎn)角要達(dá)到140150，同時(shí)，在轉(zhuǎn)動(dòng)范圍內(nèi)需保證斗齒尖V能夠出現(xiàn)在鉸點(diǎn)F、Q的連線上。3、在進(jìn)行最高挖掘時(shí)，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(shí)VFQ應(yīng)在1525之間。4、在整個(gè)鏟斗挖掘的過程中，鏟斗機(jī)構(gòu)需要保證GMK、GMN和四邊形MNQK的幾何關(guān)系保持不變，鉸點(diǎn)M點(diǎn)要始終保持在鉸點(diǎn)G、K連線的上方。5、為保證斗桿油缸運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，鏟斗油缸的伸縮長(zhǎng)度比也應(yīng)控制在1.45和1.65之間。由于隧道挖裝機(jī)挖掘裝置的偏擺是由偏擺油缸驅(qū)動(dòng)的，因此在可簡(jiǎn)化為只考慮動(dòng)臂油缸、斗桿油缸和鏟斗油缸的運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，為保證優(yōu)化結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求還需結(jié)合動(dòng)臂、斗桿和鏟斗對(duì)偏轉(zhuǎn)頭、斗桿和搖桿進(jìn)行優(yōu)化。本文針對(duì)上述約束條件對(duì)挖掘裝置的各參數(shù)進(jìn)行反復(fù)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(dòng)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(duì)概念草圖進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，得到的挖掘包絡(luò)圖如圖3-；經(jīng)測(cè)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(shè)計(jì)要求，因此可根據(jù)修正后的尺寸參數(shù)進(jìn)行三維實(shí)體建模和動(dòng)力學(xué)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(shè)計(jì)方法。利用初始設(shè)計(jì)參數(shù)建立了挖掘裝置概念草圖，同時(shí)在運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境中對(duì)挖掘裝置的工作范圍進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，通過對(duì)仿真結(jié)果和設(shè)計(jì)要求的分析比較，發(fā)現(xiàn)初始設(shè)計(jì)參數(shù)的不滿足設(shè)計(jì)要求。最后，使用挖掘機(jī)工作機(jī)構(gòu)的優(yōu)化理論對(duì)挖掘裝置各機(jī)構(gòu)的鉸點(diǎn)位置和油缸參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)果通過了仿真驗(yàn)證，得到了滿足設(shè)計(jì)要求的設(shè)計(jì)參數(shù)。第四章 隧道挖裝機(jī)挖掘裝置的動(dòng)力學(xué)分析4.1挖掘裝置的三維實(shí)體建模對(duì)挖掘裝置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和有限元分析，需要建立包含各機(jī)構(gòu)的質(zhì)量、材料、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等物理特征的三維實(shí)體模型。實(shí)體造型可以精確的表達(dá)零件的各種屬性，還能直觀的表達(dá)各零部件之間的裝配關(guān)系和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以模擬挖掘裝置工作的實(shí)際情況；同時(shí)，通過實(shí)體造型技術(shù)，設(shè)計(jì)者可以方便檢驗(yàn)設(shè)計(jì)中的機(jī)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(shè)計(jì)效率，減少設(shè)計(jì)問題的出現(xiàn)，工程機(jī)械生產(chǎn)制造之前先進(jìn)行三維樣機(jī)的開發(fā)已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。本課題在進(jìn)行實(shí)體建模的過程中，也采用了topdown的設(shè)計(jì)方法。通過對(duì)骨架模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、拉伸、布爾運(yùn)算等實(shí)體化操作，在概念草圖中對(duì)各機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體進(jìn)行衍生。在完成對(duì)斗桿、動(dòng)臂等復(fù)雜部件的衍生后，使用Inventor中的分割功能，將部件分解成各個(gè)零件。 同時(shí)，為避免由于零件間的點(diǎn)接觸和線接觸在有限元分析時(shí)引起應(yīng)力集中、網(wǎng)格劃分失敗等問題，需要暫不對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接坡口的設(shè)計(jì)，以下為挖掘裝置主要部件的三維實(shí)體模型，如圖。在完成各機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體繪制后需要在Inventor材料樣式庫中對(duì)機(jī)構(gòu)的材料進(jìn)行定義，生成密度、泊松比、楊氏模量、屈服強(qiáng)度等主要機(jī)械特性參數(shù)。在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上為減輕機(jī)構(gòu)重量，本課題將挖掘裝置的主體結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)為由具有較高屈服強(qiáng)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(jì)算一般認(rèn)為，通用挖掘機(jī)挖掘裝置作業(yè)時(shí)，鏟斗容量小于0.5m的機(jī)型采用鏟斗挖掘?yàn)橹鳎粗远窏U挖掘?yàn)橹?。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?。煌瑯?，由于扒渣作業(yè)時(shí)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(duì)隧道挖裝機(jī)在扒渣和挖掘作業(yè)中的實(shí)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(jī)構(gòu)，本節(jié)主要對(duì)鏟斗挖掘阻力和斗桿挖掘阻力進(jìn)行計(jì)算。（1）鏟斗挖掘阻力計(jì)算鏟斗油缸工作時(shí)，其挖掘阻力的切向分力可以用以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。W1=CR1-cosmaxcosmax-1.35BAZX+D由于計(jì)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(jìn)行轉(zhuǎn)換。C表示土壤的硬度系數(shù)，針對(duì)隧道挖裝機(jī)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(jí)土，取C=10進(jìn)行計(jì)算）；R