挖掘机毕业论文

分类号 密级 UDC 学 位 论 文大型矿用机械式挖掘机工作装置参数的优化设计作 者 姓 名： 康晶晶指 导 教 师： 林贵瑜 高素荷东北大学机械工程与自动化学院太原重型机械（集团）有限公司技术中心申请学位级别： 硕 士 学科类别： 工 学学科专业名称： 机械设计及理论论文提交日期： 2008 年 2 月 论文答辩日期： 2008 年 3 月学位授予日期： 2008 年 3 月 答辩委员会主席：评 阅 人：东 北 大 学2008 年 3 月A Dissertation in Mechanical Design and TheoryThe Design of Parameter Optimization on the Working Device of Mining large mechanical excavatorBy Kang JingjingSupervisor: Lin Guiyu Gao SuheNortheastern UniversityMarch 2008I独创性声明本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：日 期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。（如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。）学位论文作者签名： 导师签名：签字日期： 签字日期东北大学硕士学位论文 摘要II大型矿用机械式挖掘机工作装置参数的优化设计摘 要大型机械式挖掘机在目前国际国内的矿山开采及工程施工中得到了广泛的应用，大型挖掘机的性能和水平代表了一个国家的工业水平和科学技术水平，所以有必要采用可靠的设计方法设计挖掘机的工作参数，进而提高挖掘机设计水平、产品质量、效率和竟争能力。工作装置部分是挖掘机工作的主要执行机构，所以工作装置部分的参数优化对总体设计起着至关重要的意义。论文的基本思想是根据采掘工艺，基于挖掘轨迹的思想，从多种不同的料堆形状出发推导挖掘轨迹，建立数学模型，确定目标函数，运用一种可靠的优化方法进行优化计算设计。从铲斗开始逐一推导工作装置各个部件之间的几何关系，针对不同的料堆边界条件，建立优化数学模型和目标函数；对工作装置进行运动学分析，优化计算推压速度与提升速度之比；选用混合罚函数调用鲍威尔方法，用 语言编写优化设计程序进行多目标和单目标优化计算；根据边界条件确定合理的挖掘厚度，与优化结果中的挖掘厚度做比较；最后对动臂和斗杆合理断面的确定进行了尝试性的设计原理研究。挖掘机工作装置部分的参数优化针对大型机械式挖掘机，开发出了具有自己知识产权的大型矿用挖掘机工作装置部分的参数优化设计软件，并具有普遍指导意义，为后续设计工作做准备，使设计具有延展性和继承性。关键词：优化设计； 大型挖掘机； 工作装置； 设计原理研究东北大学硕士学位论文 AbstractIIIAbstractHeavy mechanical excavators in the current international and domestic mining and engineering construction has been widely used， and heavy excavators level of performance represents a national industrial standards and scientific and technological level. Therefore, we need a reliable method to the design of the work of excavators design parameters, and to improve excavator design standards, product quality, efficiency and competitive ability.This paper is about the optimized design of large mining excavators working device parts ,and the working device parts is a main part of the excavator executing agency, so the parameter optimization design on the working device parts plays a vital significance.The basic idea of this paper is based on the design of mining trajectory according to mining technology, from the shape of material pile to educe the mining trajectory and get a mathematical model to determine a multi-objective function with a reliable method to optimize the design. Based on the working environment of the ore heap after the bursting to establish the mining trajectory describing the bucket sharp trajectory to determine material pile angle and other boundary conditions; For different material pile boundary conditions, from the bucket to educe the geometric relations between the various component working devices, as well as mathematical models and optimization objective function; Working on the device kinematics analysis; Selecting the mixed penalty function calling Powell methods, and using computer language to the optimized design among the optimization process; According to the optimized results to get a rational mining thickness; Finally, working on the design principle study about the determination of reasonable cross-sections of the arm and handle.For heavy mechanical excavators, the parameter optimization design on the working device parts has developed with its own intellectual property rights of large mining excavators working device part of the system design parameter optimization software, and with universal significance for the design work to prepare for the follow-up scalability and inheritance design.Keywords: optimized design ;heavy excavator ;the working device; design principle 东北大学硕士学位论文 目录IV目录独 创 性 声 明 .摘 要 .Abstract.目 录 .第 一 章 绪 论 .11.1 国内外研究现状、发展动态 .11.1.1 国外研究现状 .11.1.2 国内发展状况 .21.2 优化设计的必要性及优化方法的选择 .31.3 课题来源、选题依据和背景情况 .31.4 课题研究目的 .31.5 研究工作的思路、主要研究内容及解决的关键技术 .41.5.1 研究工作的思路 .41.5.2 主要研究内容 .41.5.3 解决的关键技术 .41.6 采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析 .41.6.1 采取的研究方法 .41.6.2 技术路线及实施方案 .4第 二 章 优 化 设 计 的 准 备 工 作 .62.1 优化过程的数学模型： .62.1.1 优化设计变量的确定 .62.1.2 优化过程中间变量的确定 .72.2 优化后有效力、平均速度的计算 .272.2.1 有效力的计算 .272.2.2 平均速度的计算 .28东北大学硕士学位论文 目录V第 三 章 优 化 设 计 的 模 型 及 优 化 结 果 .293.1 设计变量的确定 .293.2 目标函数的确定 .303.2.1 后角差最小 .303.2.2 提升钢丝绳与斗杆中心线之间夹角最大 .313.2.3 功损耗最小 .313.3 总目标函数表达式 .323.3.1 多目标优化设计 .323.3.2 单目标优化设计 .343.4 确定约束条件 .353.4.1 设计变量约束 .353.4.2 挖掘性能约束 .353.4.3 等式约束 .363.5 优化方法及编程语言 .373.6 多目标优化结果 .403.6.1 料堆坡角 = 4050力的结果 .403.6.2 料堆坡角 = 5565力的结果 .403.6.3 料堆坡角 = 70力的结果 .413.6.4 料堆坡角 = 75力的结果 .413.6.5 料堆坡角 = 4050 速度结果 .513.7 单目标优化结果 .553.7.1 料堆坡角 = 55力的结果 .553.7.2 料堆坡角 = 55速度结果 .573.8 小结 .58第 4 章 机 械 式 挖 掘 机 挖 掘 厚 度 的 确 定 .624.1 准备工作 .624.1.1 挖掘体积的确定 .624.1.2 挖掘厚度的确定 .634.2 挖掘厚度实例计算与分析 .65东北大学硕士学位论文 目录VI4.2.1 边界及初始条件： .654.2.2 不同初始角 0 与 k、 的对应关系 .654.2.3 最大挖掘厚度 cmax 的确定 .664.3 小结 .68第 5 章 动 臂 及 斗 杆 合 理 断 面 的 确 定 .695.1 力学模型 .695.1.1 强度要求与刚性要求的关系 .695.1.2 梁自重的函数表达式 .705.2 实例计算 .745.2.1 基本数据 1.745.2.2 动臂的长度和高度的确定 .755.2.3 箱型梁高的鲁棒性 .765.2.4 动臂宽度的确定 .785.2.5 基本数据 2.815.3 斗杆的截面设计 .855.3.1 已知数据 .855.3.2 假设条件及计算结果 .865.4 扭转筒的计算 .875.5 小结 .88第 6 章 结 论 与 展 望 .896.1 结论 .896.2 展望 .90参 考 文 献 .91致 谢 .93东北大学硕士学位论文 绪论1第一章 绪论1.1 国内外研究现状、发展动态近年来矿用挖掘机发展的一个突出特点，是继续向大斗容发展 1，使设备进一步大型化。1.1.1 国外研究现状国外挖掘机的发展以美国为最快 2，不论从斗容量、品种、产量、技术水平、可靠性等，美国皆居领先地位。美国制造大型单斗挖掘机，主要有三大厂商：哈尼斯费格公司、简称为 P&H 公司，布比塞路斯伊利公司、简称 B-E公司，马力昂动力铲公司。三家公司产品遍布世界各国。三家公司制造的挖掘机代表了美国和世界先进技术水平。P&H 公司生产的挖掘机从小到大斗容量皆有产品，从 P&H1400 到 P&H5700，它们的斗容积由 3.5 到 40 。到 19833m3年，P&H2300 已生产出 115 台；P&H2800 生产了 81 台。P&H4100、P&H5700已应用到露天采矿作业中。近年来，国外大型矿用挖掘机发展的共同特点是把最先进的冶金和机械制造技术以及电子技术应用到他们最新系列的挖掘机上。随着应用计算机辅助设计和对高度复杂的疲劳应力状态的分析等方面的发展，致使大型矿用挖掘机不断得到改进和发展，结构更加合理、坚固，效率更高。为此目的如前所述美国三家公司所采取的措施几乎是相同的。1. 充分利用计算机进行优化设计，合理的确定工作装置的尺寸，使铲斗挖掘力增大，如 Marion 公司使挖掘机铲斗在不同的挖掘位置上都具有足够的切削力；而 P&H 公司近年来推出的大型矿用挖掘机则从增加起重臂上段长度，减小斗杆的长度来提高铲斗在挖掘位置上提升力的有效利用，以扩大斗容提高生产效率。2. 充分利用计算机技术，对挖掘机的各主要件都进行有限元分析，在保证强度，使用可靠的基础上减轻机器的重量。3. 在工作装置的结构形式上尽可能的使铲斗、斗杆等重量最轻，减少提升力的无用功消耗，以便扩大斗容。东北大学硕士学位论文 绪论24. 缩短工作循环时间，是提高整机生产能力的有效途径之一，挖掘机工作循环时间中回转时间占 60%以上，设法缩短回转时间就直接缩短了工作循环时间。1.1.2 国内发展状况我国挖掘机生产起步并不算晚，但其发展缓慢的原因主要是我国经济发展慢，技术水平低，管理亦不够先进造成的。70 年代，太原重型机械厂自行设计制造了第一台斗容量为 10 的 WK-10 型挖掘机，从此我国迈入自产斗容量为3m10 的挖掘机时代。随着采矿工业的发展，我国从美国的 P&H 公司引进技术，3m生产了斗容量为 16 和 23 的 P&H