趙金元，劉 威，何文勝

(1.中鋼集團(tuán)衡陽機(jī)械有限公司技術(shù)中心，湖南 衡陽 421002；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 引言

地下裝載機(jī)是井下采礦主要設(shè)備，地下裝載機(jī)的鏟料、裝料和卸料作業(yè)是通過工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的[1-2]。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，因此工作機(jī)構(gòu)的合理性直接影響地下裝載機(jī)的生產(chǎn)效率、工作負(fù)荷、動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)特性。同時(shí)，通過匹配計(jì)算，可以求出地下裝載機(jī)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(shè)計(jì)應(yīng)用。

圖1 地下裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)

1 地下裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖計(jì)算機(jī)輔助繪制

由于裝載機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)十分復(fù)雜，也十分重要，計(jì)算工作量很龐大，手工計(jì)算與繪圖往往時(shí)間長(zhǎng)，精確度不高，而且只能靜態(tài)表示工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，不能動(dòng)態(tài)表示各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。采用裝載機(jī)工作裝置運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖的計(jì)算機(jī)輔助繪制之后，不僅繪制的時(shí)間短、精度高，而且既可以靜態(tài)表示其典型工況的工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(如圖2所示)，還可以動(dòng)態(tài)表示工作過程各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(如圖3所示)[3]。

圖2 典型工況的工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖

圖3 動(dòng)態(tài)表示工作過程各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖

地下裝載機(jī)工作裝置運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖的繪制，首先要建立工作裝置的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)數(shù)學(xué)模型編寫通用地下裝載機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)計(jì)算機(jī)輔助程序和動(dòng)態(tài)模擬程序。只要把任何一個(gè)型號(hào)的地下裝載機(jī)的有關(guān)數(shù)據(jù)輸入到本程序中，就可以自動(dòng)計(jì)算出地下裝載機(jī)各個(gè)典型工況狀態(tài)。本程序運(yùn)行在Microsoft Windows 98/2000下，用Microsoft Visual C++6.0實(shí)現(xiàn)。允許用戶用鼠標(biāo)直接點(diǎn)取，并且在對(duì)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(xué)模型和程序經(jīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算后，在打印機(jī)上就可以繪制工作裝置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖，計(jì)算工作裝置相關(guān)技術(shù)參數(shù)。

2 工作裝置計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真

2.1 Pro/E建模

地下裝載機(jī)工作裝置主要由鏟斗、動(dòng)臂、連桿、搖臂、轉(zhuǎn)斗油缸、動(dòng)臂舉升油缸、銷軸、等組成。根據(jù)Pro/Engineer建模方法，先進(jìn)行工作裝置零件建模，包括動(dòng)臂的生成、鏟斗的生成、前機(jī)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(jìn)行工作裝置裝模型建模，最后進(jìn)行實(shí)體裝配，建立地下裝載機(jī)工作裝置模型。

2.2 機(jī)構(gòu)仿真過程

地下裝載機(jī)工作裝置模型建立后，可以對(duì)四種工況進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析：

(1)鏟取工況：裝載機(jī)水平向前運(yùn)動(dòng)，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(dòng)臂(缸桿沿缸直線移動(dòng))。

(2)運(yùn)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(yùn)輸位置后閉鎖，車輛由驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)運(yùn)行到卸料處。

(3)舉升工況：舉升缸舉升(缸桿沿缸直線移動(dòng))，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(dòng))。

2.3 干涉分析

任何機(jī)器不管它的機(jī)構(gòu)特性設(shè)計(jì)多么完美，機(jī)構(gòu)效率設(shè)計(jì)多么高，只要有零件干涉，那么它就是廢品，所以干涉檢查對(duì)于設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中舉升缸和機(jī)架干涉，這是顯性的，翻斗缸和機(jī)架干涉是隱性干涉。此外，還必須考慮到本體到外圍設(shè)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(jié)果，進(jìn)行構(gòu)件的結(jié)構(gòu)修改。修改后的工作機(jī)構(gòu)無干涉、無自鎖、無死點(diǎn)及無撕裂。

3 有限元計(jì)算機(jī)強(qiáng)度計(jì)算

完整的設(shè)計(jì)工作除了進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，運(yùn)動(dòng)分析之外，還應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度分析，以保證了機(jī)器能夠正常使用所需的強(qiáng)度、剛度。使用ANSYS等更專業(yè)的分析軟件進(jìn)行構(gòu)件的材質(zhì)分析，計(jì)算在實(shí)際工作狀態(tài)下的強(qiáng)度和剛度以確定工作機(jī)構(gòu)的安全系數(shù)是機(jī)械工程設(shè)計(jì)中一件最重要的工作。材料力學(xué)只能計(jì)算幾種簡(jiǎn)單典型構(gòu)件的強(qiáng)度與剛度，對(duì)與像地下裝載機(jī)前后車架與橋殼這類復(fù)雜的構(gòu)件就無能為力了，只能借助有限元方法進(jìn)行。有限元方法是現(xiàn)代機(jī)械方法之一，是一個(gè)能解決復(fù)雜力學(xué)問題的有效工具，在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)中已獲得廣泛的應(yīng)用，已取得滿意的效果[4]。

4 二維工程繪圖與計(jì)算機(jī)出圖

開發(fā)地下裝載機(jī)生產(chǎn)圖要上千張，采用計(jì)算機(jī)繪圖后，所有的圖紙都存在幾個(gè)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(jī)打印成白圖或玻璃底圖，就避免了耗時(shí)、費(fèi)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(jī)的匹配計(jì)算中的應(yīng)用

所謂液力變矩器與柴油機(jī)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(dòng)機(jī)扭矩和功率的共同工作情況。盡管發(fā)動(dòng)機(jī)與變矩器性能都好，若是匹配不正確，將使發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)功率。因此液力變矩器與柴油機(jī)的匹配計(jì)算十分重要。為了達(dá)到理想的匹配性能，有時(shí)須進(jìn)行多次反復(fù)大量計(jì)算，原來采用手工計(jì)算，不僅耗時(shí)，而且計(jì)算精度也不高，采用MATLAB軟件后，使復(fù)雜繁瑣的計(jì)算變得日益簡(jiǎn)單和準(zhǔn)確、有效[5]。MATLAB是集數(shù)學(xué)計(jì)算、結(jié)果可視化和編程于一身，能夠方便地進(jìn)行科學(xué)計(jì)算和大量工程運(yùn)算的數(shù)學(xué)軟件。MATLAB語言是真正的21世紀(jì)科學(xué)計(jì)算語言。在建立了液力變矩器與柴油機(jī)匹配的數(shù)學(xué)型后，采用MATLAB就很快計(jì)算了各工況各種匹配數(shù)值，并繪出相關(guān)圖形。如液力變矩器與柴油選取最佳的匹配方案。整個(gè)過程快捷、準(zhǔn)確，而且可視化。模機(jī)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(jī)變矩器與柴油機(jī)共同工作輸入特性曲線

圖6 某地下裝載機(jī)牽引特性曲線

6 計(jì)算機(jī)其它應(yīng)用

(1)計(jì)算機(jī)不僅可以進(jìn)行新產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計(jì)，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(duì)于發(fā)現(xiàn)了的問題，可以很方便地在計(jì)算機(jī)內(nèi)對(duì)其修改。

(2)還可利用計(jì)算機(jī)進(jìn)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(yīng)用效果

通過多年應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，筆者深深感到現(xiàn)代的機(jī)械設(shè)計(jì)方法對(duì)企業(yè)發(fā)展的重大作用。以計(jì)算機(jī)對(duì)地下裝載機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)為例，說明計(jì)算機(jī)運(yùn)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(guān)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度；

(3)設(shè)計(jì)失誤?。河?jì)算機(jī)繪圖時(shí)按照1∶1的比例進(jìn)行繪制，如相關(guān)的連接尺寸不正確，在計(jì)算機(jī)中很容易發(fā)現(xiàn)，所以一般不會(huì)出現(xiàn)這種情況；

(4)直觀且方便：在以往生產(chǎn)地下裝載機(jī)時(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向角計(jì)算很繁瑣，而應(yīng)用計(jì)算機(jī)后，可以很直觀地在計(jì)算機(jī)上反映出來。

8 結(jié)論

綜上所述，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)具有容量大、速度快、精度高的優(yōu)勢(shì)，尤其具備很強(qiáng)的圖形和文字處理能力，因而在地下裝載機(jī)的設(shè)計(jì)中獲得了廣泛的應(yīng)用，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)也將會(huì)在地下裝載機(jī)設(shè)計(jì)中得到愈來愈廣泛的應(yīng)用。