推土机虚拟样机设计论文-本科论文.doc

济南大学毕业设计

第一章 课题介绍与分析
1.1推土机简介
1.1.1 推土机的概念
推土机是由拖拉机驱动的机器, 依靠机身前端装置的推土板进行推土、铲土的施工机械。有一宽而钝的水平推铲用以清除土地、道路构筑物或类似的工作。在土方施工机械中占有十分重要的地位，主要用于50～100 m的短距离施工作业。主要用于开挖路堑，构筑路堤，回填基坑，清除积雪，平整场地等，也可以完成短距离松散物料的铲运和堆积作业。
按照行走方式分类：推土机可分为履带式和轮胎式两种。履带式推土机附着牵引力大，接地比压小(0.04一0.13MPa)，爬坡能力强，但行驶速度低。轮胎式推土机行驶速度高，机动灵活，作业循环时间短，运输转移方便，但牵引力小，适用于需经常变换工地和野外工作的情况。

图1.1 履带式推土机

图1.2 轮式推土机

1.1.2国内外推土机发展历史及现状
在国际上，卡特彼勒公司是世界上最大的工程机械制造公司；日本的小松公司列第二位；另外一家独具特色的推土机制造企业是德国的利勃海尔集团，其推土机全部采用静液压驱动，该技术历经十几年的研究与发展。上述三家推土机制造企业，代表了当今世界上履带式推土机的最高水平。国外其他几家推土机制造企业约翰迪尔、凯斯、纽荷兰和德瑞斯塔，其生产技术水平也较高。
从20世纪60年代至今，国内推土机行业的生产企业一直稳定在4家左右，原因是推土机产品的加工要求高、难度大，批量生产需要较大的投入，因此一般企业不敢轻易涉足。但是随着市场的发展，从“八五”开始，国内一些大中型企业根据自身实力，开始兼营推土机，如内蒙古第一机械厂、徐州装载机厂等，扩充了推土机行业队伍。与此同时，也有少数企业由于经营不善、不适应市场发展的需要开始走下坡路，有的已经退出本行业。目前国内推土机的生产企业主要有：山推工程机械股份有限公司、河北宣化工程机械股份有限公司、上海彭浦机器厂有限公司、天津建筑机械厂、陕西新黄工机械有限责任公司、一拖工程机械有限公司等。我国推土机的发展是很迅速的，已经形成了种类齐全，功能完全的推土机系列，有一些品牌的推土机机械已经拥有世界先进技术。
但我国的国内工程机械还有很大的发展空间，在工程机械的核心技术上我们还跟世界水平有很大的差距。

1.1.3推土机的分类
（1） 按推土机发动机功率的大小可分为小型推土机(37kW以下)、中型推土机(37～250kW)和大型推土机(250kW以上)三类。
（2）按走行方式，推土机可分为履带式和轮胎式两种。
（3）按传动方式可分有机械式、液力机械式、全液压式和电气传动式四种。
（4）按作业环境可分为地面普通式、两栖式和水下式。
（5）按推土板安装方式分为固定式和回转式两种。
1.2 虚拟样机技术的简介
1.2.1虚拟样机技术的概念
虚拟样机技术是一门综合多学科的技术，它是在制造第一台物理样机之前，以机械系统运动学、多体动力学、有限元分析和控制理论为核心，运用成熟的计算机图形技术，将产品各零部件的设计和分析集成在一起，建立机械系统的数字模型，从而为产品的设计、研究、优化提供基于计算机虚拟现实的研究平台。因此虚拟样机亦被称为数字化功能样机。
1.2.2虚拟样机技术在工程机械领域的应用
为了提高市场竞争力，各企业必须不断缩短新产品的研发周期，提高产品质量、性能，降低开发成本。在这种需求下，以虚拟现实技术为代表的计算机技术不断发展，使虚拟设计逐步成为工程领域一种新的现代化设计手段。运用虚拟设计的方法，可以在产品设计初期，设计、分析和评估产品的性能，确定和优化物理样机参数，从而降低新产品的开发风险，缩短开发周期，提高产品性能。
产品的设计流程包含结构设计、结构有限元分析、系统运动学与动力学分析、控制系统设计、虚拟样机作业过程模拟、系统稳定性与安全性评价、系统故障预测及冗余设计等。该设计过程在设计初期就充分考虑结构系统与控制系统的相互耦合作用，并进行产品作业全过程的计算机模拟，预测产品的性能、寿命及可靠性，从而缩短了开发周期，降低产品开发成本和开发风险。
1.2.3虚拟样机技术在工程机械领域的发展前景
　　虚拟样机技术的发展，使产品设计可摆脱对物理样机的依赖，体现了一种全新的研发模式，它在工程领域的迅速发展，必将给企业带来重大的影响。
（1）高效的研发手段促使产品的更新换代加快，产品开发风险降低，企业的生产效率将大大提高。“最快者生存”将成为企业市场竞争的法则。
（2）虚拟产品的销售。虚拟样机技术和柔性制造技术已经使虚拟产品销售成为可能，即企业先通过虚拟样机找到客户，再组织生产。因此企业在产品制造和市场竞争方面更具灵活性。
（3）企业间的动态联盟。产品的数字化使企业能够通过Internet进行产品信息的快速交流，克服单个企业资源的局限性，将具有开发某种新产品所需的知识和技术的不同组织或企业组成一个临时的企业联盟，即企业间的动态联盟，以适应瞬息万变的市场需求和激烈竞争。
（4）对技术人员提出更高要求。基于虚拟样机技术的并行工程是一门综合多学科的技术，是对产品相关过程进行并行、一体化设计的一种系统技术。它组织多学科的产品开发小组协同工作，因此各子系统设计员必须了解虚拟样机技术相关专业的知识，专业分析员也必将转变为产品设计者。协同工作能力将成为企业技术人员最重要的素质。
　　可以预见,在21世纪虚拟样机技术必将成为工程机械领域产品研发的主流。国内各企业应加强对它的应用研究，使产品更具市场竞争力，迎接全球经济一体化的挑战。

1.3 本章小结
本章主要讨论了推土机的发展现状，介绍了推土机的概念，种类，为课题的研究实现提供了依据。
另外，介绍了虚拟样机技术，其产生的背景，发展状况以及发展趋势，介绍了虚拟样机技术应用的领域和实现过程，指出了课题研究的背景和实际意义，确定论文完成的主要
任务。

第二章 推土机各部件的三维实体设计
2.1 工作装置的设计建模
推土机工作装置主要有前面的推土板，刀片，顶推梁，斜撑杆和提升油缸的部分组成。按工作装置不同可分为直铲式和回转式：直铲式：推土板和顶推梁、斜撑杆等组成一刚性构架，铰接在推土机台架上。推土板能绕铰点上下活动，利用斜撑杆可适当调整刀片的切削角。回转式：铲刀可在水平面内回转一定的角度（0～25°），实现斜铲作业；如果在垂直平面内倾斜一个角度（一般为0～9°），则可实现侧铲作业。回转式推土机还可改装为除荆机和除根机等施工机械，作业范围较广，因而大、中型推土机都采用回转式铲刀。通常，向前推挖土石方、平整场地或堆积松散物料，广泛采用直铲作业。傍山铲土或单侧弃土，常采用斜铲作业。在斜坡上铲削硬土或挖边沟，可采用侧铲作业。
推土板的主要参数包括尺寸参数，指推土板高度H、宽度B；
形状参数，即推土板曲率半径R、中心角ω、翻倒角ψ、切削角δ、回转角φ，以及切削刀片的尖角β、后角α、刀片长度B。
初选推土板高度H=1000mm，宽度B=3100mm。推土板平均切削深度0.2m。
铲斗容量：

代入数据：

2.1.1推土机的牵引阻力：
以推土机在水平地面等速行驶，推土铲以最大切削深度作业，当切土结束时提升推土铲的瞬时所产生的最大作业阻力作为计算工况。
切线切削阻力：
设的作用点在铲刀刃前，作用方向沿铲刀切削角底边并与推土机前进方向相反，则:
(N)
B为推土板的宽度（m），为推土板平均切削深度（m），为切削比阻力（MPa）
查表知=0.03
代入数据得：=18600N ①
铲刀前积土的推移阻力:
(N)
式中，为土与土之间的摩擦系数， 为推土铲前积土重量，可由以下式子计算：，
式中，为土的重度（），H为推土板的高度，为土壤的自然坡度角。
查表得知：=20000，=30°，=0.8
代入数据：=34364 N ②
刀刃与土壤摩擦阻力
的计算式为：
= （N）
式中，为推土板切削刃磨损后，切削刃压入土的比阻力（MPa），x为切削刃磨损后的接地长度（m），近似取0.007～0.01m,为土壤与钢铁的摩擦系数。
查表得知：=0.35，=0.25，x=0.01m
代入数据得：=2712 N ③
土屑沿铲刀上升时的摩擦阻力的水平分力
（N）
式中，为推土铲的切削角，=30°
代入数据得：=7517 N ④

综合①②③④得知：F=63.193 KN
2.1.2发动机的选择
设推土机工作时的速度v=3km/h
牵引功率P=Fv
代入数据P=52.6 KW
选取发动机 功率67KW的柴油机，最大转速1050r/min,最大扭矩750Nm

2.1.3推土板横截面形状设计
ψ
ψ
90－ψ
ω
δ
δ
90－δ
H
R

N为推土机的功率。N=67kw
刀刃的尖角建议采用。
算得：800 mm
设定翻倒角=40°
则中心角=180°--
算得 =110°
则半径R488 mm

选取板厚度为20mm，采用拉伸方法建立铲斗基本体。新建基准面，做出耳的草图，然后采用拉伸切除等方法以完成耳的生成。建立肋板的草图，生成实体，采用阵列的方法，生成一系列肋板。铲斗两边的挡板厚度为25mm，通过复制来完成。

图2.1.1铲斗实体设计图

2.1.4 动臂的设计
动臂在推土机的作用是控制推土板与地面的角度变化以及协助两侧支撑臂来实现推土板的提升与下降，动臂在推土机工作中起着举足轻重的作用。
设计动臂高度1300mm，设计用厚度为50mm的钢板。采用拉伸切除等方法完成基体的设计，然后焊接上耳板，打好销孔。
设计销孔直径80mm，两耳间距100mm，耳的厚度50mm。
耳与基体相接处，采用圆角工艺，使两者平滑相接。

图2.1.2 动臂设计效果图

2.1.5 两边支撑臂设计

支撑臂主要起支撑作用，负责提升推土板，是工作装置的主要部件。
支撑臂的设计要满足铲斗的提升要求，采用厚度为40mm的钢板，应用拉伸切除等方法，完成基体的设计，基体的设计要在使用的基础上将造型美观化，采用圆弧以及切线完成框架的草图绘制
支撑臂上下销孔距离1600mm，在距离上销孔540mm处做一个耳板，用于与液压元件连接，以实现支撑臂的上下运动。实现销孔直径80mm。两条支撑臂之间加上筋板，绘制草图宽度为30mm，长度为250mm，通过拉伸实现与两个支撑臂连接。

图2.1.3 支撑臂的三维设计

2.2 推土机底盘驱动桥设计
2.2.1轮胎设计
有驱动力63 KN，查表，
选取：
轮胎为宽基轮胎，
尺寸型号为：17.5-25，
负荷6150 Kg ；允许气压350Kp
轮胎尺寸型号的单位为英寸，转化得：
胎宽 444.5mm ，轮毂直径635mm，
查表得，最大外直径为1350mm 。选取外直径1150mm 。

图2.2.1 轮胎实体设计图

2.2.2推土机车桥的三维实体设计
车桥通过悬架和车架（或者直接和车架）相连，车轮安装在车桥的两端。车桥与车架相连以支撑机体的重量，并将车轮上的牵引力和制动力等传递给车架。
轮式驱动桥主要由主传动器、转向离合器、转向制动器、最终传动和桥壳等零部件组成。变速箱传来的动力经过主传动器的一对锥齿轮传到左右转向离合器，再经过轴传到最终齿轮，最后传到车轮上。
差速器的功用是当推土机转弯行驶或者在不平路面上行驶时，使左右驱动轮以不同的转速滚动，即保证左右两侧驱动轮做纯滚动运动，所以差速器是推土机驱动桥必不可少的部件。
本次设计推土机是低速运载工具，选择车桥与车架刚性连接。

图2.2.2 车桥的三维实体设计

2.3 推土机机身车架设计
车价是政绩的基础，推土机的所有零部件都直接或者间接的安装在车架上。车架承受着整个推土机的大部分重量，还要承受个总成件传来的力和力矩。在各种载荷的作用下将引起车架变形，如果车架发生较大的变形，就会是安装在车架上的零部件的位置发生变化，从而影响正常的功用，因此，车架就要有强度和刚度，同时要有良好的结构，减轻车架的重量。
轮式推土机的车架结构形式一般为铰接式和整体式车架两种。
铰接式车架由两段半架组成，之间采用铰销连接，故称为铰接式车架。他的前车架和后车架通过垂直铰销连接，可绕铰销偏转。前车架与前桥连接，后车架与后驱动桥连接。
前后车架由钢板、槽钢焊接而成，受力大的部位还要用加强筋板，加厚尺寸等措施来加固。
前后车架铰接点的结构形式主要有三种：销套式、球角式、滚锥轴承式。
本次设计采用铰接式车架，销套式铰接。

图2.2.3 车架后半部分的三维设计

图2.2.4 车架前半部分三维设计

2.4 推土机万向节、传动轴的设计校核
设计使用传动轴直径100mm，材料为45钢。
直径100mm传动轴的校核：
传动轴主要受扭转力，另外，传动轴的刚度也要校核。
扭转强度校核：
;

传动轴刚度校核：
;

刚度符合要求。
综合：传动轴符合工作要求。

图2.2.5 传动轴（部分）的设计

在工程机械传动系统中用得较多的是普通十字轴式万向节，此种万向节结构简单，工作可靠，两轴间夹角允许到15-20度结构图及原理图如下：

图2.2.6 万向节结构图

图2.2.7 万向节原理图

2.4 液压元件、液压泵的选择

由于液压系统不再升级范围之内，故不予详细设计

2.5 本章小结

本章内容主要是对推土机个零部件的三维实体设计，为下一章的三维实体装配打好基础，设计过程中应优先采用操作方法简单的绘制方法，以减少工作时间，提高工作效率。

第三章 各部件装配设计

3.1 工作装置的装配
打开solidworks 软件，新建装配体，插入零件铲斗，支撑臂。支撑臂和铲斗的连接类型是属于销钉连接。分别选取销孔的内圆面，使之配合为同轴心，使耳板的内壁与支撑杆的外壁重合，完成装配，将销钉配合进去即完成推土机工作装置的装配设计。

图3.1 工作装置的装配效果图

3.2 万向节装配
将十字轴的四条轴与万向接头销孔同轴心，相切。完成两个万向节的装配。另外，万向节轴套与传动轴的配合，要求槽与槽内圆相切，将弹簧，钢球安装进去，加入止圈，然后悬赏封盖。完成万向节与传动轴的装配。

图3.2 万向节的装配效果图

3.3 车轮车桥的装配
将车桥的固定，是车桥边端的轮毂与轮胎轮毂的内圆同心，车桥的最外端面与轮胎内部面重合，然后将车桥的螺孔与车轮的螺孔对应配合为同轴心，使之完全配合。注意轮的不同，以及车桥的方向，加上紧固螺钉，完成车桥与车胎的装配。

图3.3 轮胎与车桥装配图

3.4 整机的装配
整机的装配较为复杂，需要装配的零部件最多，配合也最繁琐，需要细心谨慎。车架与工作装置的配合为铰销配合，只需将销与耳板的内孔同心，然后是边缘平行或者重合就可以；前后车架的连接是铰连接，步骤同机身前部与工作装置的连接；车架与已经装配好的轮胎与车桥的装配体装配，将车架与车桥的接触面重合，对应的将螺孔与螺孔同轴心，即可将其配合完全传动轴与万向节的装配前面已经具体说过，这里主要是万向节底座与车桥的连接以及传动轴与减速器的连接，同样采取重合与同轴心的的配合方法。装配置后检查干涉，完成整机的装配，同时完成着色。

图3.4 整机的装配效果图

3.5 本章小结
本章主要介绍了本次设计的推土机工作装置，行走装置，车架以及整机的的三维实体装配过程以及展示了装配效果图。在装配过程中精确的配合，正确的选取配合对象是完成装配体的必要前提。

第四章：推土机虚拟样机的建立
完成推土机的三维建模以后，虚拟样机的建立为毕业设计下一步工作的核心。由于是初次设计，虚拟样机的模拟未能在整机上实现，因此，在轮胎的转动，铲斗的运动上单独模拟。
打开装配体，点击“干涉检查”选项框，开始干涉检查，如果有干涉的话，则返回上一步修改草图，更改三维实体部件；如果没有干涉，则继续下一步。点击“模拟”选项框，选择“旋转马达”，选取对象，选取运行速度。点击完成。点击“计算模拟”选项，观看演示动画。

图4.1铲斗运动仿真的不同位置图

总 结

本次毕业设计以1.8立方米铲斗容量的推土机的工作装置部分和传动系、底盘为设计对象，就工作装置方案选择、运动分析、尺寸计算、结构设计、校核计算等内容进行设计计算，并绘制多张装配图、零件图，共计3.5张A0，完成设计说明书一份。
做本次设计时正好南院西部有施工，有推土机，装载机，挖掘机等工程机械，便于我业余时间去观察学习，在结合现场测绘、成熟产品参数及经验统计公式的基础上，主要做了以下工作：
（1）对工作装置方案进行选择，进行各部件运动分析，为结构设计计算打下基础。
（2）用实地测绘以及运用经验公式的方法计算选择出工作装置各部分的基本尺寸。
（3）参考书籍以及请教老师了解了铲斗参数的计算方法，选择出铲斗的斗形参数，并计算出其结构尺寸。
（4）对销轴和衬套进行了材料的选择和尺寸的计算，并对其紧固的标准件进行了选型。
（5）选取主要的轴进行刚度和扭转强度的校核。
此次设计利用软件实现推土机的三维建模和运动仿真；对工作装置进行优化设计；提出新的外形设计方案等等。
由于本次毕业时机的时间比较仓促，没有对各部分进行深入的研究与分析，尤其是液压部分的内容，希望以后继续对本次毕业设计进行完善，完成一份合格完全的设计方案。

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