平地机工作装置混联机构设计关键技术

摘要

近年来，随着我国建筑与机械行业的快速发展，工程机械产品出现了井喷式的销量增长，工程机械相关技术与国外差距也在不停缩短。然而平地机作为工程机械中相对复杂的一个分支，对它的研究却很少，尤其是对于平地机工作装置动力学分析与研究这部分，缺乏系统的理论研究与分析方法。为了丰富这个领域的研究内容，同时也是为了给平地机工作装置的设计提供更多的理论支持和设计方法，本文提出了平地机工作装置系统动力学研究与面向机构优化的二次开发系统设计方法。
　　 把平地机工作装置作为一个模块，首先解析了它的具体结构并在此基础上对该空间机构进行了分析与综合。通过空间机构学的理论与方法，最终确认该机构是由一个少自由度并联机构和一个平面组合机构形成的空间复杂混联机构，基于螺旋理论以及空间机构解析法，证实了这个少自由度并联机构是一个3-UPS/S并联机构。结合样机的物理试验，对该机构的位置正解进行了分析与验证，试验结果表明了该方法的有效性与合理性。
　　 在机构分析的基础上，基于系统动力学分析软件ADAMS，建立了平地机工作装置系统运动学与动力学虚拟样机模型。对工作装置的各项运动学参数进行了设计验证与分析，比如油缸的最大行程，铲刀的最大入地深度，工作包络区间等等。对工作装置各项动力学参数进行了分析与研究，比如工作装置系统各构件在恶劣工况下的受力曲线图以及最大载荷。结合分析得到的各构件最大载荷，基于专业有限元分析软件Hyperworks,对各构件建立了有限元分析模型，进行了结构强度校核，并根据工程实际，对相关部件进行了结构优化。考虑到铲刀经常受到冲击载荷，对铲刀同时也进行了动态冲击响应分析仿真，并在此基础上绘制了该铲刀的抗冲击特征曲线图，从而指导用户合理使用平地机，也为工程师的创新、优化设计提供参考。
　　 为了避免优化过程中的重复建模问题，提高整个系统的优化效率，本文最后提出了一种工作装置二次开发系统设计方法，实现了工作装置空间机构的参数化驱动。首先，建立了该二次开发系统的总体框架图，依此，创建了基于UG/OpenAPI的用户自定义界面，编写了基于UG/Open Grip的工作装置系统参数化语言程序，通过Visual C++应用程序框架，用户自定义界面与参数化语言程序建立了联系，也同时实现了人机交互操作。该二次开发系统同时也为企业设计人员提供了工作装置快速设计方法。
　　 结合某企业的平地机工作装置设计实例，并依据物理试验结果，验证了该系统动力学研究方法和二次开发系统设计方法的有效性和合理性，该设计分析方法不仅缩短了平地机新产品的开发周期，减少了新产品的开发成本和交货时间，而且很大程度上提高了产品的设计质量，制造的可行性以及使用的耐久性，丰富了产品族的多样性。对于以小批量制造，用户定制为主要特点的平地机行业，这种设计分析方法的应用显得尤为重要。