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摘要：在虚拟环境下模拟物理样机的运动状况，快速分析各种设计方案，进行辅助设计、参数化设计和优化设计，帮助设计人员完成以前需经数次物理样机才能完成的实验研究。
关键词：破碎锤的组成；工作装置传统设计方法；CAX及软件；多体动力学理论
一、 液压破碎锤概述
. 液压破碎锤及其组成
车载液压破碎锤可以高效地完成碎石、拆除、公路修补、冻土挖掘、二次破碎等艰苦工作，欧洲和美国的各种车载破碎锤纷纷面世，如Atlas Copco、Rammer、Montabert、Indeco等。.80年代，韩国的破碎锤也继日本之后有了长足的进步，1986年韩国水山重工推出了液压破碎锤，韩国相继出现了很多品牌。
破碎锤的冲击能量的来源还是由以下3种方式提供：第一种由液压油提供，例如Rammer和Montabert；第二种由气压提供，例如日本的破碎锤；第三种也是效果最好的，由液压、气压混合提供，一般液压占２５％、气压占７５％，如Atlas Copco公司设计、生产的破碎锤。但所有的破碎锤活塞回到原位的力完全是由液压提供。目前液压破碎锤已经被广泛应用于公路再建、市政拆除、矿山、采石、隧道、水下作业等工程建设领域。
..本文所研究的液压破碎锤是在单斗反铲型液压挖掘机上改装的，将液压挖掘机上的铲斗改装成液压锤。因此总体结构包括动力装置、工作装置、回转机构、操纵机构、传动系统、行走机构和辅助设备等。常用的全回转式液压挖掘机的动力装置、传动系统的主要部分、回转机构、辅助设备和驾驶室等都安装在可回转的平台上，通常称为上部转台。因此又可将液压破碎锤概括成工作装置、上部转台和行走机构等三部分。.
二、工作装置设计方法
1． 工作装置传统设计方法
我国工程机械发展与国外相比相对较晚、较慢，技术水平整体较低。工作装置的传统设计方法在设计历史中起到了主要作用。对于工作装置的设计方面国内外研究的情况大致是：
(1) 图解设计法；(2) 基于平移性的作图法；(3)解析法；(4) 综合图解设计法；(5) 优化设计方法，以上设计方法基本上遵循一般连杆机构的位置综合原则，侧重考虑工作装置的平移性。对它的工作装置伸缩性与平移性，平移性与自动放平性，动力性与自动放平性之间的矛盾关系未能综合分析，只是满足单个性能的要求，无法达到全局最优。总之，这些方法都是基于二维平面上进行的。对于工作装置干涉问题、运动学、动力学等问题不可能很好的解决，也不可能直观的表现出来。
近年来随着计算机技术的发展，在工作装置设计上出现了基于虚拟样机技术的工作装置设计。例如吉林工业大学、大连理工大学和洛阳拖拉机厂等利用虚拟样机技术不但研究了工作装置的运动学、动力学特性，而且对其进行了优化设计，但是它们不是对模型进行了大量的简化，就是只局限于对刚体情况下工作装置虚拟样机的研究。
本论文是在全面分析液压破碎锤工作装置的基础上，建立工作装置的虚拟样机模型，在虚拟环境下模拟物理样机的运动状况，快速分析各种设计方案，进行辅助设计、参数化设计和优化设计，帮助设计人员完成以前需经数次物理样机才能完成的实验研究。
2． CAX技术及其软件
由文献可知，CAX技术是虚拟样机技术的基础技术平台。一般意义的CAX技术主要指CAD、CAPP、CAM、CAE、CAQ等，限于篇幅，本文主要阐述CAD/CAE技术及其软件。
目前，工程设计中常用的CAD软件有二维和三维软件之分。其中三维造型软件比较知名的有Pro/ENGINEER，UG，Solid works，I-DEAS，CATIA，CIMATRON等。各个三维CAD软件当前的最新版本是Pro/ENGINEER wildfire2.0，UG NX4.0，Solid works 2006，I-DEAS NX V11，CATIA V5，CIMATRON E6.0等等。
本文将采用Pro/ENGINEER wildfire软件完成液压破碎锤工作装置的建模与装配，建立工作装置的虚拟样机并进行不同作业工况下的动态模拟。
所谓CAE即Computer Aided Engineering（计算机辅助工程）是指工程设计中的分析计算与分析仿真，具体包括工程数值分析、结构与过程优化设计、强度与寿命评估、运动及动力学仿真。工程数值分析用来分析确定产品的性能；结构与过程优化设计用来保证产品功能、工艺过程的基础上，使产品、工艺过程的性能最优；结构强度与寿命评估用来评估产品的精度设计是否可行，可靠性如何以及使用寿命为多少；运动及动力学仿真用来对CAD建模完成的虚拟样机进行运动学仿真和动力学仿真。从过程化、实用化技术发展的角度看，CAE的核心技术为有限元技术与虚拟样机的运动及动力学仿真技术。
目前工程实际中应用较多的CAE软件有ANSYS、MATLAB、ADAMS、ALGOR等。各个软件的最新版本是ANSYS 8.0、MATLAB 8.5、ADAMS 2005、ALGOR V17等。
本文采用MSC.ADAMS软件进行液压破碎锤工作装置虚拟样机的仿真研究。
3． 多体动力学理论
多体系统动力学包括多刚体动力学和多柔体系统动力学，是研究多体系统（一般由若干柔性和刚性物体相互连接所组成）运动规律的科学[17]。
多体系统动力学的核心问题是建模和求解问题，其系统研究开始于20世纪60年代。从60年代到80年代，侧重于多刚体系统的研究，主要是研究多刚体系统的自动建模和数值求解；到了80年代中期，多刚体系统动力学的研究已经取得一系列成果，尤其是建模理论趋于成熟，但更稳定、更有效的数值求解方法仍然是研究的热点；80年代之后，多体系统动力学的研究更偏重于多柔体系统动力学，这个领域也正式被称为计算多体系统动力学，它至今仍然是力学研究中最有活力的分支之一，但已经远远地超过一般力学的涵义。多体系统动力学的根本目的是应用计算机技术进行复杂机械系统的动力学分析与仿真。
三、 液压破碎锤工作装置的研究体系
1． 液压破碎锤工作装置虚拟样机的构建流程
本文液压破碎锤工作装置虚拟样机的建立主导思想是：根据液压破碎锤工作装置的试制图纸，在Pro/ENGINEER中进行三维实体建模，通过虚拟装配，建立工作装置的三维模型，然后添加适当的约束以及驱动，使之成为一个虚拟机构。其构建流程如图2-1所示。
图2-1虚拟样机的构建流程
2． 液压破碎锤工作装置的研究体系
通过查阅相关文献，基于以设计为中心的先进制造技术理论，可以得到，液压破碎锤工作装置的虚拟样机研究是一个庞大的系统工程。本文的研究内容—液压破碎锤工作装置的虚拟样机研究只是其中的一部分，只涉及到了工作装置的运动学分析、动力学分析、结构分析的前处理以及工作装置虚拟装配的部分内容。
在目前阶段，国内生产企业一般都建立了自己的研发网络，并相应的采用了CAD、CAPP技术，可以说已经初步具备了虚拟样机的基本条件。因此，在现有的条件下，应该首先倡导采用虚拟样机技术，建立工作装置的虚拟机构，并根据國内液压破碎锤的使用工况和操作者技术状态，通过虚拟样机分析，对整机性能和可靠性作研究，以弥补因缺少设计手段而忽略的整机分析。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：破碎锤的组成；工作装置传统设计方法；CAX及软件；多体动力学理论
一、 液压破碎锤概述
. 液压破碎锤及其组成
车载液压破碎锤可以高效地完成碎石、拆除、公路修补、冻土挖掘、二次破碎等艰苦工作，欧洲和美国的各种车载破碎锤纷纷面世，如Atlas Copco、Rammer、Montabert、Indeco等。.80年代，韩国的破碎锤也继日本之后有了长足的进步，1986年韩国水山重工推出了液压破碎锤，韩国相继出现了很多品牌。
破碎锤的冲击能量的来源还是由以下3种方式提供：第一种由液压油提供，例如Rammer和Montabert；第二种由气压提供，例如日本的破碎锤；第三种也是效果最好的，由液压、气压混合提供，一般液压占２５％、气压占７５％，如Atlas Copco公司设计、生产的破碎锤。但所有的破碎锤活塞回到原位的力完全是由液压提供。目前液压破碎锤已经被广泛应用于公路再建、市政拆除、矿山、采石、隧道、水下作业等工程建设领域。
..本文所研究的液压破碎锤是在单斗反铲型液压挖掘机上改装的，将液压挖掘机上的铲斗改装成液压锤。因此总体结构包括动力装置、工作装置、回转机构、操纵机构、传动系统、行走机构和辅助设备等。常用的全回转式液压挖掘机的动力装置、传动系统的主要部分、回转机构、辅助设备和驾驶室等都安装在可回转的平台上，通常称为上部转台。因此又可将液压破碎锤概括成工作装置、上部转台和行走机构等三部分。.
二、工作装置设计方法
1． 工作装置传统设计方法
我国工程机械发展与国外相比相对较晚、较慢，技术水平整体较低。工作装置的传统设计方法在设计历史中起到了主要作用。对于工作装置的设计方面国内外研究的情况大致是：
(1) 图解设计法；(2) 基于平移性的作图法；(3)解析法；(4) 综合图解设计法；(5) 优化设计方法，以上设计方法基本上遵循一般连杆机构的位置综合原则，侧重考虑工作装置的平移性。对它的工作装置伸缩性与平移性，平移性与自动放平性，动力性与自动放平性之间的矛盾关系未能综合分析，只是满足单个性能的要求，无法达到全局最优。总之，这些方法都是基于二维平面上进行的。对于工作装置干涉问题、运动学、动力学等问题不可能很好的解决，也不可能直观的表现出来。
近年来随着计算机技术的发展，在工作装置设计上出现了基于虚拟样机技术的工作装置设计。例如吉林工业大学、大连理工大学和洛阳拖拉机厂等利用虚拟样机技术不但研究了工作装置的运动学、动力学特性，而且对其进行了优化设计，但是它们不是对模型进行了大量的简化，就是只局限于对刚体情况下工作装置虚拟样机的研究。
本论文是在全面分析液压破碎锤工作装置的基础上，建立工作装置的虚拟样机模型，在虚拟环境下模拟物理样机的运动状况，快速分析各种设计方案，进行辅助设计、参数化设计和优化设计，帮助设计人员完成以前需经数次物理样机才能完成的实验研究。
2． CAX技术及其软件
由文献可知，CAX技术是虚拟样机技术的基础技术平台。一般意义的CAX技术主要指CAD、CAPP、CAM、CAE、CAQ等，限于篇幅，本文主要阐述CAD/CAE技术及其软件。
目前，工程设计中常用的CAD软件有二维和三维软件之分。其中三维造型软件比较知名的有Pro/ENGINEER，UG，Solid works，I-DEAS，CATIA，CIMATRON等。各个三维CAD软件当前的最新版本是Pro/ENGINEER wildfire2.0，UG NX4.0，Solid works 2006，I-DEAS NX V11，CATIA V5，CIMATRON E6.0等等。
本文将采用Pro/ENGINEER wildfire软件完成液压破碎锤工作装置的建模与装配，建立工作装置的虚拟样机并进行不同作业工况下的动态模拟。
所谓CAE即Computer Aided Engineering（计算机辅助工程）是指工程设计中的分析计算与分析仿真，具体包括工程数值分析、结构与过程优化设计、强度与寿命评估、运动及动力学仿真。工程数值分析用来分析确定产品的性能；结构与过程优化设计用来保证产品功能、工艺过程的基础上，使产品、工艺过程的性能最优；结构强度与寿命评估用来评估产品的精度设计是否可行，可靠性如何以及使用寿命为多少；运动及动力学仿真用来对CAD建模完成的虚拟样机进行运动学仿真和动力学仿真。从过程化、实用化技术发展的角度看，CAE的核心技术为有限元技术与虚拟样机的运动及动力学仿真技术。
目前工程实际中应用较多的CAE软件有ANSYS、MATLAB、ADAMS、ALGOR等。各个软件的最新版本是ANSYS 8.0、MATLAB 8.5、ADAMS 2005、ALGOR V17等。
本文采用MSC.ADAMS软件进行液压破碎锤工作装置虚拟样机的仿真研究。
3． 多体动力学理论
多体系统动力学包括多刚体动力学和多柔体系统动力学，是研究多体系统（一般由若干柔性和刚性物体相互连接所组成）运动规律的科学[17]。
多体系统动力学的核心问题是建模和求解问题，其系统研究开始于20世纪60年代。从60年代到80年代，侧重于多刚体系统的研究，主要是研究多刚体系统的自动建模和数值求解；到了80年代中期，多刚体系统动力学的研究已经取得一系列成果，尤其是建模理论趋于成熟，但更稳定、更有效的数值求解方法仍然是研究的热点；80年代之后，多体系统动力学的研究更偏重于多柔体系统动力学，这个领域也正式被称为计算多体系统动力学，它至今仍然是力学研究中最有活力的分支之一，但已经远远地超过一般力学的涵义。多体系统动力学的根本目的是应用计算机技术进行复杂机械系统的动力学分析与仿真。
三、 液压破碎锤工作装置的研究体系
1． 液压破碎锤工作装置虚拟样机的构建流程
本文液压破碎锤工作装置虚拟样机的建立主导思想是：根据液压破碎锤工作装置的试制图纸，在Pro/ENGINEER中进行三维实体建模，通过虚拟装配，建立工作装置的三维模型，然后添加适当的约束以及驱动，使之成为一个虚拟机构。其构建流程如图2-1所示。
图2-1虚拟样机的构建流程
2． 液压破碎锤工作装置的研究体系
通过查阅相关文献，基于以设计为中心的先进制造技术理论，可以得到，液压破碎锤工作装置的虚拟样机研究是一个庞大的系统工程。本文的研究内容—液压破碎锤工作装置的虚拟样机研究只是其中的一部分，只涉及到了工作装置的运动学分析、动力学分析、结构分析的前处理以及工作装置虚拟装配的部分内容。
在目前阶段，国内生产企业一般都建立了自己的研发网络，并相应的采用了CAD、CAPP技术，可以说已经初步具备了虚拟样机的基本条件。因此，在现有的条件下，应该首先倡导采用虚拟样机技术，建立工作装置的虚拟机构，并根据國内液压破碎锤的使用工况和操作者技术状态，通过虚拟样机分析，对整机性能和可靠性作研究，以弥补因缺少设计手段而忽略的整机分析。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。