山东交通学院毕业设计（论文）
摘 要
当今激烈的市场竞争迫使制造企业为求得生存和发展必须对多变的市场需求做出敏捷响应，不断地调整产品的设计和研发模式，并能快速的开发出新产品。而我国传统工程机械行业却由于新产品开发周期长、成本高，缺乏市场竞争力。虚拟样机技术的逐渐成熟为实现产品的快速开发，提高我国工程机械产品设计水平和市场竞争力提供了强有力的手段。本文将虚拟样机技术引入挖掘机设计开发领域，主要从以下几个方面进行了研究：结合当前挖掘机反铲工作装置的现状，应用软件ADAMS进行建模，并进行动力学分析；对工作装置的受力状况进行仿真，确定工作装置的铰点的受力状况和相应曲线，得出的结果与实际的工作情况是相符的。以挖掘工况为对象，对铲斗机构、斗杆机构和动臂机构进行了动力学分析,在ADAMS软件中建立了挖掘机工作装置，对其进行了仿真分析。
关键词：挖掘机，虚拟样机技术，工作装置，ADAMS，仿真
I
钱广顺：挖掘机的虚拟样机技术探究
Abstract
Facing more intense global market competition ,manufacturing enterprises have to adjust their product design and fabrication mode frequently to meet the rapidly changing market requirement, In order to improve the traditional construction machinery design process , this dissertation presents and studies Virtual Prototyping technology ,which has been approved to be a powerful CAD method. And then introduces the new technology into the field of Engineering Machinery design to satisfy the urgent requirement of domestic machinery domain. There were four parts presented and studied as following:The present situation of current excavator backhoe working equipment, application software ADAMS modeling, and dynamic analysis;We simulate the stress of the working device and determine the stress of the working device of hinged point and the corresponding curves, the results is in line with the actual work situation.The working condition of mining as the object, the bucket mechanism, bucket rod mechanism and movable arm mechanism for the dynamic analysis . The excavator working device is established in the ADAMS software, the simulation analysis was carried out.
Key words: Excavator,Virtual prototype technology,Working device,ADAMS,The simulation
II
山东交通学院毕业设计（论文）
目 录
前 言 .................................................................... 1 1 虚拟样机技术概述 ........................................................ 2
1.1 虚拟样机技术的概念 ................................................ 2 1.2 虚拟样机技术的研究背景和意义 ...................................... 2
1.2.1 虚拟样机技术的研究背景 ....................................... 2 1.2.2 虚拟样机技术的研究意义 ....................................... 2 1.3 虚拟样机技术特点 .................................................. 4
1.3.1 虚拟样机功能组成 ............................................. 4 1.3.2 虚拟样机技术的优点 ........................................... 5 1.3.3 虚拟样机技术的局限性 ......................................... 5 1.4 本章小结 .......................................................... 5 2 挖掘机虚拟样机技术 ...................................................... 7
2.1 挖掘机的发展及研究现状 ............................................ 7
2.1.1 国外发展动态及研究现状 ....................................... 7 2.1.2 国内发展动态及研究现状 ....................................... 7 2.1.3 挖掘机开发重点方向 ........................................... 8 2.2 挖掘机虚拟样机技术的提出 .......................................... 9 2.3 挖掘机虚拟样机技术的意义 .......................................... 9 2.4 本章小结 ......................................................... 11 3 ADAMS软件的简介 ..................................................... 12
3.1 ADAMS软件概述 ................................................. 12 3.2 ADAMS软件模块 ................................................. 12
3.2.1 ADAMS软件简介 ............................................ 13 3.2.2 ADAMS建模、仿真的步骤 .................................... 15 3.3 本章小结 ......................................................... 16 4 挖掘机的建模 ........................................................... 17
4.1 创建模型 ......................................................... 17 4.2 添加约束 ......................................................... 21 4.3 测试模型 ......................................................... 22 4.4 模型检验 ......................................................... 23 4.5本章小结 .......................................................... 24 5 挖掘机虚拟样机仿真分析 ................................................. 25
5.1 挖掘机虚拟样机技术运动学仿真分析 ................................. 25
5.1.1 运动学仿真概述 .............................................. 25
III
钱广顺：挖掘机的虚拟样机技术探究
5.1.2 挖掘机的运动学仿真分析 ...................................... 25 5.2 挖掘机虚拟样机技术动力学仿真分析 ................................. 29 5.3本章小结 .......................................................... 31 结 论 ................................................................... 32 致 谢 ................................................................... 33 参考文献 ................................................................. 34
IV
山东交通学院毕业设计（论文）
前 言
挖掘机是一种应用广泛的工程机械。由于它的经济性及具有适应多种用途的优点，挖掘机已成为工程机械的主流产品。单斗挖掘机在工业与民用建筑、道路建设、水力、矿山、市政施工等土石方施工中均占有重要地位，是交通运输、能源开发、城镇建设以及国防施工等各项工程建设的重要施工设备，是国民经济迫切需要的装备。
挖掘机工作装置的性能参数主要包括各铰点位置的几何尺寸、各工作液压缸的几何尺寸、运动参数和闭锁压力等。性能参数对挖掘机的工作范围，理论和实际挖掘力的大小，作业循环时间和功率利用等工作性能有极大的影响。工作装置设计水平的高低直接影响其作业性能的好坏，进而影响整机工作效率。
挖掘机是复杂的工程机械，零部件多，运动方式灵活多变，须从整体系统评价其性能的优劣。随着技术的发展，人们认识到即使挖掘机的每个零部件都是最优的，也不能保证整个挖掘机的性能是最好的，即系统整体的优化不是所有部件优化的简单叠加。挖掘机的设计另一个重要特点是它涉及的学科很多，包括机械运动与动力学、液压流体、机电控制、人机交互等，要获取挖掘机综合最优解不仅需要各学科各专家的共同努力，更需要他们工作上的协同。
虚拟样机技术提供了同时对挖掘机的整体外形、机械系统、液压系统、控制系统等多方面评价的可能，具备了整机性能评估的条件，兼顾了各个学科，真正做到了全系统、全性能的优化，同时，设计人员在虚拟环境中真实地模拟各种挖掘机的工作情况，快速分析多种设计方案，帮助设计人员完成无数次物理样机无法进行的危险试验，在整个仿真过程中，可以随时按照优化建议或者市场用户需求修改参数，反复这个过程直至获得系统优化级的整机设计方案。
总之，虚拟样机技术可以用于液压挖掘机开发的整个过程，作为样机设计的有效手段，帮助挖掘机企业部分甚至全部摆脱对物理样机的依赖，大大缩短了挖掘机设计开发周期、降低设计成本、全面提高了整机质量。反铲式单斗液压挖掘机工作装置是一个较复杂的空间机构，国内外对其运动分析、机构和结构参数优化设计方面都作了较深入的研究，但都有不完善之处，存有一定的缺陷，有些缺乏整体的系统性。
因此，本文结合当前液压挖掘机反铲工作装置的现状，应用软件ADAMS在计算机里建立该类工作装置机构的模型，通过ADAMS进行动力学分析；虚拟样机技术在液压挖掘机工作装置的应用研究目的在于减少挖掘机设计工作人员的工作量，缩短研究和开发周期，降低产品成本，提高设计质量，具有重要的理论和实际意义。
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