挖掘机工作装置设计中Top-Down的应用

庄 攀/ZHUANG Pan

(广西柳工机械股份有限公司，广西 柳州 545100）

随着我国城市基础设施建设的加速，以及工程机械客户多样性、个性化需求不断增加，研发设计者的工作量大幅增加。提高新产品设计及变形产品设计的工作效率，提高研发产品零部件一致性与通用性，降低制造管理成本成为工程机械企业的追求。实践表明，Top-Dow n设计方法在设计过程能够大幅降低产品开发的周期和生产制造成本，提高挖掘机市场竞争力和盈利水平。

1 Top-Down设计

Top-Dow n设计是运用自顶向下的设计流程创建复杂的组件。通过创建布局控制组件的设计参数，采用骨架捕捉设计者设计意图，用发布几何、复制几何功能将参数传递至零部件，最终完成整体部件设计。Top-Dow n设计思路符合大部分设计开发流程，进行产品设计前，预先归纳产品总成框架信息，勾勒主要参数，在布局文件中定义框架和主参数。完成布局文件后，建立骨架模型，然后声明布局，将参数传递至骨架，并作条件定义。本文所述的挖掘机工作装置设计总体流程如图1所示。

2 挖掘机工作装置

图1 挖掘机工作装置设计总体流程

工作装置是液压挖掘机主要组成部分之一，是直接完成挖掘任务的装置。动臂、斗杆和铲斗等主要部件相互铰接，在液压油缸伸缩作用下，各部件绕铰接点转动，完成挖掘、提升和卸土等动作。动臂与斗杆为变截面箱梁结构，铲斗由钢板焊接组成。设计工作装置时，不仅要保证各部件的强度和刚度，减轻结构自重，更应满足各项功能性参数，如斗容量、最大挖掘深度、最大挖掘半径、最大卸载高度。

3 工作装置Top-Down设计

工作装置Top-Dow n设计过程中，首先声明各子装配或零部件空间位置和体积，设定全局性关键参数，这些参数将被装配中的子装配和零部件所使用。当这些总体参数在随后设计中逐步确定并发生改变时，各零件和子装配将随之改变。

设计过程中需要独立设计的部件有各铰点销轴组件、标准件、调整垫、黄油嘴、密封圈、固定搭子。工作装置在设计组件的时候将液压系统、电气系统发布的相关几何复制到零部件或组件中，为相关孔位及焊接搭子定位创造条件。

工作装置Top-Dow n设计流程如图2所示，工作装置设计输入与输出信息接口如图3所示。

图2 工作装置Top-Down设计流程

图3 工作装置设计输入与输出接口

3.1 定义设计参数

从上述描述来看，挖掘机工作装置属于独立骨架设计。挖掘机工作装置设计时，工作装置重要参数都在骨架中体现，将这些参数与总体整机布局（layout）关联，使得工作装置重要参数受到总体的控制。具体参数如表1所示。

3.2 创建坐标系及重要基准

总体与部件接口都有标准化定义，包含总体装配的坐标系、零部件安装坐标系以及参数输入、输出接口。创建整体骨架模型过程中，确定坐标系方向及重要基准属于标准化定义范围，对工作装置重要基准进行完整定义，如表2所示。

表1 工作装置重要参数表

根据设计要求，在骨架设计之前，设定工作装置中面、工作装置水平面、工作装置横向面、工作装置安装坐标系显得至关重要。

3.3 创建整体骨架

骨架能够表达后续零部件创建所需要的曲面、曲线等几何单元，以及安装坐标系和相对运动信息。骨架分为标准骨架和运动骨架，设计时根据具体情况创建不同骨架。挖掘机工作装置以组件形式创建，包含设计骨架和主体骨架，从定义来看，挖掘机工作装置属于运动骨架。

综合以上分析，工作装置骨架设计流程如图4所示。

3.4 创建零部件

工作装置零部件创建一般采用内部参照，即直接复制模型内部几何功能的方法。如此，所有设计参数在骨架模型中完整定义后，分别传递至下级零部件，通过骨架模型作为桥梁，设计团队有相同的参考依据。项目团队参与的分部件设计过程实现实时管控，保证整个项目组能够协同、快速完成总体设计任务。

表2 工作装置重要基准定义

4 结 论

基于Top-dow n思维的三维设计是一种切实可行、行之有效的设计方法。应用过程灵活掌握布局、骨架、关系、程序等工具，有效构建产品设计思路，实现总体设计目标。

实践证明，Top-dow n设计方法的优势很明显，整个设计过程从顶层开始，通过对方案调整，有效控制产品设计目标与性能指标，保证设计结果的准确性。Top-Dow n设计方法可将繁重的设计任务浓缩，提升为参数的简单设置，利用该设计方法可以扩展其他系统总成，将大幅度提高设计者的设计效率和设计能力。 O

图4 工作装置骨架设计流程

[1] 罗治平，沈永刚．TOP-DOWN方法在PRO/E产品设计中的应用[J]．上海工程技术大学学报，2005，（9)：234-238．

[2] 裴志军．基于PRO/E的搅拌车TOP-DOWN三维设计[J]．工程机械，2013，（8)：31．

[3] 冯国平，周建鹏，谌 勇，等．机械式挖掘机建模及动力学分析[J]．机械设计与研究，2008，(10)：92-95．