（机械制造及其自动化专业论文）液压挖掘机工作装置的计算机辅助设计.pdf

摘要 摘要 液压挖掘机作为一种建设施工机械，具有应用广泛、功能多等特点。由于 液压挖掘机具有多品种，多功能，高质量及高效率等特点，作为工程机械的主 力机种，深受广大施工作业单位的青睐，其生产制造业也在同益蓬勃的发展。 液压挖掘机主要有发动机、液压系统、工作装置、回转装置、行走装置和电 器控制等部分组成。挖掘机的主要工作就是土壤的挖掘。工作装置是直接完成 挖掘任务的装置，许多国家广泛采用新技术、新方法来不断地提高液压挖掘机的 作业性能和生产率。通过运用具有通用性及专业的挖掘机工作装置的设计方法， 进行工作装置的全面计算机通用性设汁研究对推动囡内挖掘机发展具有十分重 要的意义。 本论文通过收集国内外挖掘机工作装置设计的有关资料，对挖掘机的各种 工况进行了分析，并且对挖掘机工作装置的设计要求进行了总结，提出了基于 计算机全面仿真的现代设计方法。仿真跟随整个液压挖掘机工作装置设计的全 过程，对整机的全部特性进行全方位的仿真。 所有液压挖掘机工作装置可归纳为平面连杆机构。因此，本论文对平面连 杆机构的通用分析方法进行了讨论：通过对杆组分解方法的采用和杆组分解方 法的详细研究，建立了一套完整的建模方法，并把它变成理论；提出利用人机 交互方式的机构模型的建立方法，并且实现机构的结构形成和参数的输入。在 人机交互方式的分析基础上，解决了计算机求解流程，并实现了整个机构的计 算机自动建模，在机构的计算机自动建模实现的基础上，完成了机构通用分析 软件t j g m a 的编写。 利用机构通用分析软件，针对挖掘机工作装置的设计要求，完成了一套专 业性的挖掘机工作装置设计及性能分析软件t j c m d s 。利用此软件，对挖掘机的 工作装置的运动特性、受力特性、挖掘力分布特性等进行了详细分析。对计算 数据后处理和管理进行了研究，将被计算确定的设计参数传送到三维c a d 应用 软件上，为实现工作装置三维设计作了准备。利用此软件能够进行快速j 下确的 分析计算，并具有形象直观，操作简单等优点；当改变参数时，只要在计算机 的有关界面上简单操作就能达到修改的目的。从而实现减少用户的工作强度， 缩短设计周期的目标。 摘要 详细讨论和研究了机械三维设计软件，提出了挖掘机工作装置结构的三维 细化设计的自动化。采用三维通用软件u g ，实现了挖掘机工作装霄结构的参数 化设计。在对分析计算结果的结构模型的自动生成研究的基础上，实现了挖掘 机工作装置结构模型生成的自动化。 应用前面的理论，完成一个具体挖掘机的设计，对新设计的挖掘机所有性能 进行详细分析。利用开发的软件和三维通用软件相互结合，自动生成新设计的 挖掘机工作装置的三维模型。 关键词：液压挖掘机，工作装置，平面连杆机构，计算机建模，通用分析软件 a b s t r a c t e x c a v a t o ri sam a i nm u l t i f u n c t i o n a lc o n s t r u c t i o n a lm a c h i n e ，w h i c hi sw i d e l yu s e d i i lv 撕o u sc o n s t r u c t i o ns i t e s b e c a u s eo fi t sm u l t i f u n c t i o n ，v a r i o u sk i n d sa n dh i g h q u a l i t y , i ti sw e l c o m e db yu s e r s ，a n di ti sg e t t i n gd e v e l o p i n gd a yb y d a y ae x c a v a t o ri sm a d eu po fe n g i n e ，h y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e m ，w o r k i n gd e v i c e , r e t 啪d e v i c e ，w a l k i n gd e v i c ea n de l e c t r i cc o n t r o lp a r t s e x c a v a t o ri sm a i n l yu s e dt o d i gs o i l i t sw o r k i n gd e v i c ei st h em o s ti m p o r t a n tp a r t m a n yc o u n t r i e sw h i c h o w n a d v a n c e dt e c h n o l o g yo ne x c a v a t o ri sw i d e l yu s i n gn e wt e c h n o l o g ya n dn e ww a y s t o i m p r o v ei t sp e r f o r m a n c ea n dp r o d u c t i v i t y b ya p p l y i n g u n i v e r s a la n dp r o f e s s i o n a l d e s i g n i n gw a y s ，w es t u d ya n dd e v e l o p t h ee x c a v a t o r sw i t ht h ea s s i s t a n to fc o m p u t e r , w h i c hi sv c r yi m p o r t a n tf o ro u rc o u n t r yt o d r i v ea n dd e v e l o pt h ei n d u s t r yo f e x c a v a t o r s ic o l l e c tw i d e l yt h em a t e r i a lo ne x c a v a t o r si nh o m ea n da b r o a di n t h i s t h e s i s ， a n a l y z em a n yk i n d s o fw o r k i n gc o n d i t i o no fe x c a v a t o r s ，a n d c o n c l u d et h e r e q u i r e m e r i to fd e s i g n ia l s ob r i n gu pt h e i d e aa b o u tt h em o d e mw a y so fe m u l a t i o n a l c o m p l e t e l y t h ew o r k i n gd e v i c eo fe x c a v a t o r s c a nb er e d u c e dt op l a n ea n dl i n ko r g a n t h e r e f o r c ，d i s c u s st h eu n i v e r s a la n a l y s i sw a y s o nt h ep l a n ea n dl i n ko r g a n ，a p p l yt h e 、a v so fd e c o m p o s i n gt h eg r o u po fl i n k s b ys t u d y i n gt h e s ew a y si nd e t a i l ，s e tu pa w h o l ew a yo nm o d e l i n g ，a n dc o n v e r ti t t oac o m p l e t et h e o r y , b r i n gu pa ni d e ao f a p p l y i n gi n t e r c o m m u n i c a t eb e t w e e n m a c h i n e sa n dp e o p l et os e tu pa no r g a nm o d e l a j l di m p l e m e n tt h ec o n s t r u c t i o no ft h eo r g a na n dt h ei n p u to fp a r a m e t e r s o nt h eb a s e o fa n a l y s i so ni n t e r c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm a c h i n ea n dp e o p l e ，f i g u r e o u tt h e c a l c u l a t i n gf l o ww i t hc o m p u t e r , a n da l s oi m p l e m e n t t h ea u t o m a t i cm o d e l i n go n c o m p u t e r a f t e rf i n i s h i n ga l la b o v e ，e d i tt h e u n i v e r s a la n a l y s i ss o f t w a r e ：t j g m a a i ma tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n to fe x c a v a t o r s w o r k i n gd e v i c e ，a p p l y i n gt h i so r g a n s u n i v e r s a la n a l y s i ss o f t w a r e ，e d i tas e r i e so fd e s i g na n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i ss o t t w a r e o np r o f e s s i o n a le x c a v a t o r s w o r k i n gd e v i c e a p p l y i n g t h i ss o f t w a r e ，a n a l y z ea l l p e r f o r m a i l c ec o m p l e t e l yt oe x c a v a t o r si n c l u d i n gt h ep e r f o r m a n c e o fm o v e m e n t ，b e i n g 垒! ! ! ! ! 璺 -_-_一一 f o r c e da n dd i gs t r e n g t h sd i s t r i b u t i n g a f t e rs t u d y i n ga n dm a n a g i n gt h ec o m p u t e r d a t a ，s e n dt h ep a r a m e t e r sc o n f i r m e db yc o m p u t e rt ot h ea p p l y i n gc a d s o f t w a r e ，s e t u pt h eb a s ef o rt h ew o r k i n gd e v i c e s3 - dd e s i g n q u i c ka n da c c u r a t ec a l c u l a t i n gc a n b ei m p l e m e n tt h r o u g ht h i ss o f t w a r e ，i th a st h ea d v a n t a g eo fi n t u i t i o n i s t i ci m a g ea n d e a s i l yo p e r a t i o n w h e nt h ep a r a m e t e r sa r ec h a n g e d ，w ej u s to p e r a t eo n t h ei n t e r r e l a t e d i n t e r f a c et h e nw ec a ng e tt h es a t i s f a c t o r yr e s u l t t h e r e f o r e ，r e d u c et h eu s e r s w o r k ， s h o r t e nt h ep e r i o do fd e s i g n d i s c u s sa n ds t u d yt h e3 - dd e s i g ns o f t w a r ei nd e t a i l s ，b r i n gu pt h ei d e ao f a u t o m a t i c d e t a i l e d3 - dd e s i g na b o u tw o r k i n gd e v i c eo fe x c a v a t o r b a s eo nt h es o f t w a r e - u q i m p l e m e n tp a r a m e t r i z i n gd e s i g no fe x c a v a t o r sw o r k i n g d e v i c e f i n i s ht h es t u d yo f m o d e l ，sa u t o m a t i cf o r m i n ga c c o r d i n gt ot h er e s u l to fc a l c u l a t i n ga n da n a l y s i s ，w h i c h m a k e st h ew o r k i n gd e v i c e sm o d e la u t o m a t i cf o r m i n g a p p l yt h ea b o v et h e o r y , f i n i s hat y p i c a le x c a v a t o r s d e s i g n ，a n da n a l y z ea l l p e r f o r m a n c e so f t h en e w l yd e s i g n i n ge x c a v a t o na p p l yt h ec o m b i n i n gt h ed e v e l o p e d s o r r a r ea n d3 - du n i v e r s a ls o f t w a r e ，a u t o m a t i cf o r mt h en e w l yd e s i g no f e x c a v a t o r s w o r k i n g d e v i c e s3 - dm o d e l k e yw o r d s h y d r a u l i ce x c a v a t o r ，w o r k i n gd e v i c e ，p l a n ea n dl i n ko r g a n ，m o d e l i n gb y c o m p u t e r , u n i v e r s a la n a l y s i ss o f t w a r e i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 玉环_血 名 ， 剑 明 利7 作 年 文，矿 论 胗 墓i 缈 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 少肿否年 第1 章绪论 第1 章绪论 挖掘机作为我国工程机械的主力机种，被广泛应用于各种各样的施工作业 中，它在减轻繁重的体力劳动，保证工程质量，加快建设速度以及提高劳动生 产率方面起着十分重要的作用，被称为儿能机械。一台l 一液比挖抛机挖掘l 级土壤时，每班生产量大约相当于3 0 0 4 0 0 工人天的劳动生产量比1 。由于 液压挖掘机具有多品种，多功能，高质量及高效率等特点，受到了广大施工作 业单位的青睐。液压挖掘机的生产制造业也在同益蓬勃发展。 工作装置是液压挖掘机的主要组成部分，它直接完成挖掘的任务。挖掘机 工作装置的作业由三个油缸的复合动作和土壤的相互作用来实现，不依靠计算 机技术很难对液压挖掘机工作装置设计及其性能进行分析。因此，对基于计算 机全面仿真的液压挖掘机工作装置设计方法的研究成了推动挖掘机发腱l | j 的重 要一环。 1 1 国内外液压挖掘机工作装置的发展动态及研究现状 最早在液压挖掘机工作装嚣设计u 寸，改汁人贝通过类比、查农、理论汁算 初步确定性能参数以后，还需要花大量的时间对设计的合理性进行分析，计算 量相当大，而且在设计过程中，大都选取几个特殊位置进行检验计算，其精度 当然较低。当今计算机广泛应用于机械设计中，挖掘机工作装置设计得到了很 快发展。针对液压挖掘机工作装置的c a d 软件也已经有了不少的研究。 1 1 1国外发展动态及研究状况 从上一世纪5 0 年代出现第一台液压挖掘机至今，挖掘机工作装置已经发展 到了相当成熟的阶段“1 。随着液压挖掘机产量的提高和使用范围的扩大，世界上 著名的挖掘机生产商纷纷采用各种高新技术，并借此来提高自己生产的挖掘机 在国际上的竞争力。 目前，随着国外液压挖掘机产量的急剧上升，结构的逐步完善，在工程建设 和施工行业中占有越来越重要的位置。液压挖掘机迅速发展的根本原因，在于 第1 帝绪论 机械本身的具有重量轻、挖掘能力大、生产率高的优点，加上通用性好、操纵 轻便等原因，除此之外，也由于下述儿个凶索：巫视试验研究工作，液压挖 掘机的研制除了保证机械技术性能以外，十分重视挖掘机的使用经济性和工作 可靠性。在研制过程中，进行各种性能试验和可靠性试验，包括构件强度试验、 系统试验、操纵试验、耐久性试验等等，要通过严格的科学试验和用户评价， 才进行定型生产；重视电子计算机技术的引用，加快了新产品的发展速度。 国外出现了有总体、工作装置、液压系统等的设计程序，出现了总体优化设计 方法和适合于计算机数据处理的数学模型描述液压系统和元件特性的程序。这 样，就可以利用计算机在很短的时间内进行总体设计，新产品从设计到批最生 产的只需要2 - - 3 年左右， 当前液压挖掘机的研制和改进主要着眼于：发动机功率的充分有效利用， 通过各种途径使机械多做有效的功，其中包括动力装置与液压系统的最佳匹配， 传动效率的提高，回转机构功率的回收，高效液压系统的研究等；铲斗挖掘 力的充分发挥，挖掘力大小和有效作用范围是衡量各种液压挖掘机工作能力的 重要指标。 随着建筑施工和资源开发规模的扩大，对各种挖掘机需求量迅速增加，因 而国际上液压挖掘机工作装置的生产向多功能化和专用化的方向发展。当液压 挖掘机配置不同的作业装置时，可以用来吊、央、推、刮、松、挖、装、铣削、 拆除、清除和压实等作业，且大都采用快换装置。驾驶员在驾驶室内就可以完 成作业装置的更换，仅用2m i n 时间，就完成了作业装置的更换。工作装置中， 动臂、斗杆结构变化多样，也扩展了主机的使用助能，这一结构主要表现为动 臂、斗杆长度的变化，由动臂、斗杆的阿元件变化为阿节动臂、斗 ：f ：的多元件 和伸缩臂。 在b a u m a 2 0 0 4 展会上的液压挖掘机中，传统型和通j | j 型产占占样机较少，多是 一些有特殊构造的、有特色的产品和多功能的产品，如挖掘机工作装置的动臂、 斗杆和铲斗三元件构成的通用型产品相对较少，由大臂、中臂、斗杆和快换作 业装置四元件构成的产品很多，这既体现了各厂家市场差异化的产品发展战略， 也体现了各自的技术水平和实力。液压挖掘机多用途工作装置在展会上应有尽 有，这些多用途作业装置大大扩展了液压挖掘机的功用，提高了产晶的施工适 用性o - 只有具有专业性的挖掘机设计软件，才能设计出适应于各种各样建筑施 工的挖掘机工作装罱，也能够满足市场和用户的要求。 计算机辅助设计技术的同益推广，推动了机械设计及制造技术发生了革命性 第1 章绪论 变化。计算机辅助i 殳计技术既能缩短产占占的波汁川j 9 j 和制造心划，川l j 寸义能大 大提高产品的质量，相应也就提高了机器整体质m 的可舷性和稳定性。采加新 结构和新材料，利用现代设计技术和先进制造技术，仍是保证和提高液压挖掘 机性能的一个较重要的途径。 国外许多生产厂商拥有自己的软件。很多科研机构和一些大型企业，都已 经对挖掘机工作装置的设计进行了研究。并丌发出了一些专业软件，比如美国 卡特匹勒、德国利勃海尔、英国j b c 、同本神钢等公司将疲劳损伤累积理论、断 裂力学、有限元法、结构件优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技 术、疲劳强度分析方法等先进技术广泛应用于液压挖掘机的研究，促进了产品 的优质高效率和提高了竞争力，但目前市场上可供选用的商品化的成熟的应用 软件却还是很少。 1 1 2 国内发展动态及研究状况 早在1 9 5 8 年国内便开始了液压挖掘机的研制丌发工作，随后丌发出一系列 比较成熟的产品。当时由于受配件如发动机、液压件及企业自身条件的影响， 其质量和产量远未达到应有的水平，与国外同类产品相比也存在较大差距。 到了9 0 年代初，世界各工业发达国家的液压挖掘机技术水平得到了迅速的 提高，突出表现在追求高效率( 同一机重的挖掘机功率普遍提高，液压系统流量 增大，作业循环时间减小，作业效率大大提高) 、高可靠性和追求司机操作的舒适 性等方面。 国内原有的数家挖掘机专业生产厂为了生存和发展，利刖自身的实力和丰富 的挖掘机生产经验，纷纷在工厂的技术改造、试验研究、新产品丌发方面下大 功夫。有的新丌发的产品( 也包括某些已生产多年的老产讯) 为了捉盘作业的可 靠性，干脆采用了进口的液压件和发动机，甚至于整个传动系统都按照采用国 外元件来设计，这种经过改型或新设计丌发的液压挖掘机其工作可靠性和作业 效率得到很大的提高。这样，引进和消化国外的不少技术，在技术方面都有了 长足的进步。 国内液压挖掘机行业近年来虽有很大发展，但与国外挖掘机行业发达国家相 比仍存在许多不足，其原因除了国内挖掘机加工水平落后之外，挖掘机设计水 平与发达国家相比也有较大的差距，尤其是一些先进设计技术的掌握和应用。 国内众多的研究人员和单位对液压挖掘机工作装置设计进行了不少研究，丌发 第1 章绪论 了其设计软件，他们的研究基本上局限于解决某些问题，即工作装置的几何参 数、运动参数和力参数等的解决。关于工作装置设计参数分析和在c a d 上其自动 设计的综合研究文献还没有。因此，丌发出的软件缺少通用性，不能使用于挖 掘机工作装置的一些通用问题的解决，对工程机械这个行业不具有通用性。特 别是国内，c a d 在许多企业还停留在辅助制图的程度上，当然也有部分企业用 c a d 进行空间布置设计。虽然部分软件也有一定的分析计算能力，但是远远不能 达到设计需要，对液压挖掘机进行分析的大型通用软件目前市场上还很少。 经过近十年的研究，获得了一些成果，但是研究还不够深入，有些研究结 果已进入实际应用过程中。目前研究液压挖掘机工作装置设计的重点在于，为 了使挖掘机设计人员从繁忙的计算中解脱出来，现有工作装置机构的计算机辅 助计算和优化设计，即大多数的液压挖掘机工作装置设计研究在现有机构的基 础上局限地进行的。在这样一种情况下，丌发一个专业化的工作装置的设计工 具和软件显得非常必要。 1 2 液压挖掘机工作装置研究的必要性 挖掘机行业的发展历史久远，可以追溯到1 8 4 0 年。当时美国西部丌发，进 行铁路建设，产生了模仿人体构造，有大臂、小臂和手腕，能行走和扭腰类似 机械手的挖掘机，它采用蒸汽机作为动力在轨道上行走。f 哩足此后的很k 时l i l j 挖掘机没有得到很大的发展，应用范围也只局限于矿山作业中。 导致挖掘机发展缓慢的主要原因是：其作业装置动作复杂，运动范围大， 需要采用多自由度机构，古老的机械传动对它不太适合。而且当时的工程建设 主要是国土开发，大规模的筑路和整修场地等，大多是大面积的水平作业，因 此对挖掘机的应用相对较少，在一定程度上也限制了挖掘机的发展。 由于液压技术的应用，二十世纪四十年代有了在拖拉机上配装液压反铲的 悬挂式挖掘机。随着液压传动技术迅速发展成为一种成熟的f 冬动技术挖掘机 有了适合它的传动装置，为挖掘机的发腱建立了强有力的技术支撑，是挖掘机 技术上的一个飞跃一】。同时，工程建设和施工形式也发生了很大变化。在进行 大规模国土开发的同时，也开始进行城市型土木施工，这样，具有较长的臂和 杆，能装上各种各样的工作装置，能行走、回转，实现多自由动作，可以切削 高的垂直壁面，挖掘深的基坑和沟槽的挖掘机得到了广泛应用。 1 9 5 0 年在意大利北部生产了第一台液压挖掘机。当时液压挖掘机主要配置 4 第1 章绪论 反铲工作装置。在早年，许多液压挖掘机都配组合动臂。这种组合动臂可以调 节动臂的长度，现在大多数液压挖掘机都采用整体动臂。优点是重量轻，制造 方便，成本低。从2 0 世纪6 0 年代到8 0 年代中期，液压挖掘机进入了推广和蓬 勃发展的阶段，各国挖掘机制造厂和品种增加很快，产量猛增。1 9 6 8 一- 1 9 7 0 年 间，液压挖掘机产量已经达到挖掘机总产量的8 3 ，9 0 年代初工作装置的结构 有所改进。大多数制造厂家借助计算机技术设计制造更轻便的动臂和斗杆，而 不削弱其强度，其时对挖掘机工作装置的研究也已经十分成熟。 自第台手动挖掘机诞生以来的1 6 0 多年当中，挖掘机直在不断地飞跃 发展，其技术已经发展到相对成熟稳定的阶段。经过几十年的研究，被成为土 建机械手，成为建设机器人的代表，据有关专家估算，全世界各种施工作业场 约有6 5 至7 0 的土石方工程都是由挖掘机完成的。挖掘机是一种万能型工程 机械，目前已经无可争议地成为工程机械的第一主力机种，在世界工程机械市 场上已占据首位并且仍在发展扩大。挖掘机工作装置设计参数直接影响作业范 围、功率利用、挖掘力发挥等。该参数的设计与挖掘机性能的好坏有关。 目前商品化的液压挖掘机工作装置设计软件还没有，都采用各自开发的软 件。随着科学技术的发展和建筑施工现代化生产的需要，液压挖掘机需要大幅 度的技术进步，技术创新是液压挖掘机行业所面临的新挑战。通过开发通用性 及专业的液压挖掘机工作装置设计软件，能够实现工作装置设计的自动化，提 高挖掘机设计水平。因此，进行挖掘机工作装置设计的自主研究非常必要。 1 3 本论文研究内容及研究方法 液压挖掘机工作装置是多种多样，本文主要以反铲工作装置为主要研究对 象，对其现有的关键分析及设计技术进行比较和研究，采用平面连卡l ：机构通用 分析方法和理论，开发通用分析软件。并且提出基于计算机全面仿真的挖掘机 工作装置的设计方法，结合平面连杆机构通用分析软件、挖掘机工作装置性能 分析软件、大型应用软件u g ，开发出基于计算机全面仿真的液压挖掘机工作装 置的设计工具软件，为液压挖掘机工作装置的设计理论研究提供一定的参考信 息。 工作装置设计技术发展动态的分析研究 通过搜集国内外液压挖掘机工作装置设计方面的相关技术资料，系统地了 解了国内外液压挖掘机工作装置的发展历史，分析总结了工作装置设计方面的 第1 章绪论 研究现状和技术发展动态。 工作装置的设计要求与传统设计方法的总结 详细的分析液压挖掘机一个工作循环中的四种工况一挖掘工况、满斗举升 回转工况、卸载工况和卸载返回工况，总结了每个工况下各执行机构的主要复 合动作。根据液压挖掘机的主要工作特点，系统地总结了液压挖掘机工作装置 的设计要求：运动学的要求、力学的要求、结构强度要求、经济性要求，并分 别对各种要求进行了详细研究。 详细分析研究了最早传统的设计方法和基于计算机辅助设计方法的挖掘机 工作装置的设计理论及方法，归纳总结了目前液压挖掘机工作装茕设计中所存 在的优缺点。 提出了基于计算机全面仿真的现代设计方法，仿真跟随整个液压挖掘机工 作装置设计的全过程，对整机的全部特性全方位的进行仿真，并详细介绍此方 法的步骤。 研究平面连杆机构的通用分析方法和通用分析软件的开发 详细的研究了平面连杆机构的通用分析方法中的杆组分解方法，采用了杆组 分解方法，并对杆组分解方法进行了详细的研究，建立了一套完整的建模方法， 把它变成完整的理论。 提出了利用人机交互方式的机构模型的建立方法，用人机交互方式来实现机 构的结构过程和参数的输入。在人机交互方式的分析基础上，解决了计算机求 解流程，并实现了整个机构的计算机自动建模。 基于机构计算机自动建模的实现来完成机构通用分析软件t j g m a ，填补了目 前市场上没有此类具有通用性的商业软件的空缺。 挖掘机工作装置性能分析软件的开发 利用机构通用分析软件，针对挖掘机工作装霞的没计要求，完成了一套专业 性的挖掘机工作装置设计及性能分析软件t j c m d s 。利用此软件，对挖掘机的所 有性能进行了详细分析，包括工作装置的运动特性、受力特性、挖掘力分布特 性等。 对计算数据后处理和管理进行了研究，将被计算确定的设计参数传送到三维 c a d 应用软件，为能实现工作装置三维设计打好了基础。利用此软件能够进行快 速正确的分析计算。从而实现减少用户的工作强度，缩短设计周期的目标。 挖掘机工作装置的三维设计 详细讨论和研究了机械三维设计软件，提出了挖掘机工作装置结构的三维细 6 第l 章绪论 化设计的自动化。基于三维通用软件u g ，实现了挖掘机工作装置结构的参数化 设计。 进行了依据分析计算结果的结构模型的自动生成的研究，实现了挖掘机工作 装置结构模型生成的自动化。 通过液压挖掘机工作装置设计的研究，对推动国产液压挖掘机技术水平的 发展，提高国产挖掘机的设计水平和国内企业挖掘机产品技术含量具有很重要 的意义。 7 第2 章液压挖掘机的工作装胃的设计要求与传统设计方法 第2 章液压挖掘机工作装置的设计要求与传统设计方法 2 1 挖掘机的工况分析 动臂升降、斗杆收放、铲斗装卸、转台叫转、整机行走足挖抛机的土要功 能运动( 如图2 1 所示) 除此之外，挖掘机还有整机转向等辅助动作。除了辅 助动作不需全功率驱动以外，其它动作都要考虑全功率驱动。 挖掘机的典型作业流程：整机移动至合适的工作位置；回转平台，使用工 作装置处于挖掘位置；动臂下降，并调整斗杆、铲斗至合适位置；斗杆、铲斗 挖掘作业；动臂升起；回转工作装置至卸载位置：操纵斗杆、铲斗卸载。 由于液压挖掘机的作业对象和工作条件变化较大，主机的工作有两项特殊 要求：实现各种主要动作时，要求液压缸和液压马达的压力和流量能随着阻 力和作业速度的变化能随时作相应变化：为了充分币, j i j 发动机功率和缩短作 业循环时间，工作过程中往往要求有两个主要动作( 例如挖掘与动臂、提升与回 转) 同时进行复合动作。 液压挖掘机一个作业循环的组成和动作的复合主要包括： 挖掘：通常以铲斗液压缸或斗杆液压缸进行挖掘，或者两者配合进行挖掘， 因此，在此过程中主要是铲斗和斗杆的复合动作，必要时，配以动臂动作。 满斗举升回转：挖掘结束，动臂液压缸将动臀顶起，满斗提升，旧时凹转液 压马达使转台转向卸土处，此时主要是动臂和回转的复合动作。 卸载：转到卸土点时，转台制动，用斗杆液压缸调节卸载半径，然后铲斗液 压缸回缩，铲斗卸载。为了调整卸载位置，还要有动臂液压缸的配合，此时是 斗杆和铲斗的复合动作，间以动臂动作。 第2 章液压挖掘机的工作装置的设计要求与传统设计方法 5 5 图2 1 液压挖掘机的i ：作运动 l 动臂升降；2 一斗杆收放；3 一铲斗装卸；4 一转台回转；5 一整机行走 3 空斗返回：卸载结束，转台反向回转，动臂液压缸和- 1 杆液爪缸配合，把空 斗放到新的挖掘点，此时是回转和动臂或斗杆的复合动作。 整机移动工况：将整机移动至合适的工作位置。 姿态调整与保持工况：满足停放、运输、检修等需要。 其他辅助作业工况：辅助工作装雹作业工况。 2 1 i 挖掘工况分析 i 典型挖掘工况 铲斗挖掘工况：由铲斗液压缸单独动作进行挖掘的工况。采用铲斗液压 缸进行挖掘常用于清除障碍，挖掘较松软的土壤以提高生产警，因此，在一般 土方工程挖掘中( i i i 级土一下土壤的挖掘) 铲斗挖掘最常用。 斗杆挖掘工况：山斗 ：i ：液址缸卟独动作进 j ：挖j a i ；f i ，j 上况。征较i i 爷馊的土 质条件下工作时，为了能够装满铲斗，r 1 1 小型液艟挖j l ! 机f f 实际工作i l i 常以斗 杆液压缸进行挖掘。 联合挖掘工况：由铲斗、斗杆液压缸复合动作进行挖掘的工况，必要时 还需配以动臂液压缸的动作。主要用于需要轨迹控制的情况。 如果单独采用铲斗液压缸进行挖掘，挖掘轨迹以铲斗与斗杆的铰点为中心， 铲斗斗尖所作的圆弧线的长度决定于铲斗液压缸的行程。以铲斗液压缸进行挖 掘时的挖掘行程较短，为了能够装满铲斗，需要有较大的挖掘力以保证能挖掘 较大厚度的土壤，所以一般挖掘机的斗尖最大挖掘力都在采用铲斗液压缸挖掘 9 第2 章液压挖掘机的工作装置的设计要求与传统设计方法 时实现。 如果单独采用斗杆液压缸进行挖掘，挖掘轨迹以动臂与斗杆的铰点为中心， 铲斗斗尖所作的圆弧线的长度决定于斗杆液压缸的行程。当动臂液压缸位于最 小长度并以斗杆液压缸进行挖掘时，可以得到最大挖掘深度尺寸，并且也有较 大的挖掘行程。 一般认为斗容量小于0 5 m 3 或在土质松软时以转斗挖掘为主，反之则以斗杆 挖掘为主。这两种情况的挖掘阻力不同。 在实际挖掘工作中，往往需要采用各液压缸的复合工作。如在平整土地或 切削斜坡时，需要同时操纵动臂和斗杆，以使斗尖能沿直线运动，见图2 2 所 示。此时斗杆收回，动臂抬起，需要保证彼此动作独立，相互之间无干扰。如 果需要铲斗保持一定切削角度并按照一定的轨迹进行切削时，或者需要用铲斗 斗底压整地面时，就需要铲斗、斗杆、动臂三者同时作用完成复合动作( 卜们，见 图2 3 所示。这些动作决定于液压系统的设计。当进行沟槽侧壁掘削和斜坡切 削时，为了有效地进行垂直掘削，还要求向回转马达提供压力油，产生回转力， 保持铲斗贴紧侧壁进行切削，因此需要回转机构和斗杆机构复合动作。 a ) 图2 2 平整士地利切削斜坡 a 一水平地面的挖削；b 一斜坡地面的挖削 b ) 图2 3 地面的切削及压整 a 一水平地面的切削和压整；b 一斜坡地面的切削和压整 1 0 第2 章液压挖掘机的工作装置的设计要求与传统设计方法 单独采用斗杆挖掘时，为了提高掘削速度，一般采用双泵合流，个别也有 采用三泵合流。单独采用铲斗挖掘时，也有采用双泵合流的情况。 当动臂、斗杆和铲斗复合运动时，为了防止同一油泵向多个液压作用元件 供油时动作的相互干扰，一般三泵系统中，每个油泵单独对一个液压作用元件 供油较好。对于双泵系统，其复合动作时各液压作用元件间出现相互干扰的可 能性大，因此需要采用节流等措施进行流量分配，其流量分配要求和三泵系统 相同。 2 铲斗挖掘工况的挖掘阻力 铲斗挖掘时，土壤切削阻力随挖掘深度改变而有明显变化，切削阻力与切削 深度基本上成正比，前半过程切削阻力较后半过程高，因前半过程的切削角不 利，产生了较大的切削阻力，其切削阻力的切向分力可以用下列公式表达 嘶：c x r 【l - j 等”3 5 b a z x + d c o s t c p m x e f t ) 式中：c 一表示土壤硬度的系数，对i i 级土宜取c = 5 0 8 0 ，对i i i 级土宜取 c = 9 0 1 5 0 ，对级土宜取c = 1 6 0 3 2 0 ：r 一铲斗与斗杆铰点至斗齿尖距离，即 转斗切削半径，单位为c m ；一挖掘过程中铲斗总转角的一半；矽一铲斗瞬时 转角，伊= 办一诈o ，体为铲斗相对斗杆转角，饵。为挖掘起始位茸的铲斗相对斗 杆的初始转角；口一切削州宽度影响系数，b = l + 2 6 b ，其- | b 为铲斗j l 三均宽度， 单位为m ；彳一切削角变化影响系数，取么= 1 3 ；z 一斗齿系数，带有斗齿时取 z = 0 7 5 ，无斗齿时取z ；1 ；x 一斗侧壁厚度影响系数，x = l + 0 0 3 xs ，其中s 为 侧壁厚度，单位为c m ，初步设计时可取x = 1 1 5 ；d 一切削刃挤压土壤的力，根 据斗容量大小在d = 1 0 0 0 0 1 7 0 0 0 n 范围内选取。当斗容量q 0 2 5 m 3 时d 应小于 1 0 0 0 0 n 。 一 第2 章液压挖掘机的工作装置的设计要求与传统设计方法 - - - _ _ 一_ w n ，。、 i l i | 1 i a 2 妒。 幽2 4 铲斗挖捌掰l 力分析图 b 幽2 5 挖掘断面形状和载荷曲线 a 挖掘阻力与设计载荷曲线：卜铲斗挖掘典型断面 3 装土阻力( 单位为n ) l = 9 ，c o s p ，n 式中：厂一土壤密实状态密度，单位为k g m 3 ；一土壤倾斜角( 。) ；一土壤 与钢的摩擦系数。 1 2 第2 章液压挖掘机的工作装置的设计要求与传统设计方法 铲斗挖掘装土阻力的切向分力与切削阻力的切向分力相l t s 艮d , ，可忽略不 计。试验表明法向挖掘阻力的指向是可变的，数值也较小，一般= 0 o 2 。 土质愈均匀，愈小。从随机统计的角度看，取法向分力为零来简化计算 是允许的。国外有试验认为平均挖掘阻力为最大挖掘阻力的7 0 8 0 ，可作为参 考。 铲斗挖掘时，挖掘阻力设计载荷曲线如图2 5 所示。 4 斗杆挖掘时的挖掘阻力 斗杆挖掘时切削行程较长，切土厚度在挖掘过程中可视为常数，见图2 6 。 一般取斗杆在挖掘过程中的总转角为p = 5 0 。8 0 。，在这转角行程中铲斗被装满。 这时斗齿的挖掘行程为 s = o 0 1 7 4 5 g 式中：呢一斗干挖掘时的切削半径。 斗杆挖掘时的切削厚度办g 可按下式计算 2 志。面丽蠹面 式中：疋一土壤松散系数= 1 2 5 。 斗杆挖掘阻力为 w i g = k o h g b - 而器再 式中：一土壤的挖掘比阻力，由表查得。当取主要挖掘土壤的值时可求得 正常挖掘阻力，取要求挖掘的最硬土质k 。值时则得最大挖掘阻力。 斗杆挖掘时，挖掘阻力设计载荷曲线 卟吲彬) 5 而 第2 章液压挖掘机的工作装置的设计要求与传统设计方法 吖叫靠) 2 赤 吖( 扣m 志麓轰 图2 6 斗杆挖掘阻力分析和设计载荷曲线图 一般斗杆挖掘阻力比铲斗挖掘| 力小，主要原因是前者切削厚度较小。显然， 研究挖掘阻力的目的是确定需要的斗齿挖掘力及其变化规律，以便在工作装置 设计中给予保证。挖掘力太小挖掘能力自然降低，但挖掘力太大或者其变化规 律与阻力的变化不适应，则功率利用率要降低。 2 1 2 满斗举升回转工况分析 满斗举升回转的运动约占整个作业循环时间的5 0 - 7 0 ，能量消耗占2 5 4 0 ，回转液压回路的发热量占液压系统总发热量的3 0 4 0 ，因此要求尽可能 地缩短转台的回转时间。 挖掘结束后，动臂油缸将动臂顶起，满斗举升，同时回转液压马达使转台 转向卸载处，此时主要是动臂和回转马达的复合动作。动臂抬升和回转马达同 时动作时，要求二者在速度上匹配，即回转到指定卸载位置时，动臂和铲斗自 动提升到合适的卸载高度。由于卸载所需的回转角度不同，随液压挖掘机相对 卸载的位置而变，因此动臂提升速度和回转马达的回转速度的相对关系应该是 可调整的。卸载回转角度大，则要求回转速度快些，而动臂的提升速度慢些。 回转起动时，由于惯性较大，油压会升得很高，有可能从溢流阀溢流，此 1 4 第2 章液压挖掘机的工作装置的设计要求与传统设计方法 时应该将溢流的油供给动臂。在回转和动臂提升的同时，斗杆要外放，有时还 需要对铲斗进行调整。这时是回转马达、动臂、斗杆和铲斗进行复合动作。 2 1 3 卸载工况分析 回转至卸载位置时，转台制动，用斗杆调节卸载半径和卸载高度，用铲斗 油缸卸载。为了调整卸载位置，还需要动臂配合动作。卸载时，主要足斗杆和 铲斗复合动作，问以动臂动作。 2 1 4 空斗返回工况分析 当卸载结束后，转台反向回转，同时动臂油缸和斗杆油缸相互配合动作， 把空斗放在新的挖掘点。此工况是回转马达、动臂和斗杆复合动作。由于动臂 下降有重力作用，压力低、变量泵流量大、下降快，要求回转速度快，因此该 工况的供油情况为一个油泵的全部流量供回转马达，另一油泵的大部分油供给 动臂，少部分油经节流阀供给斗杆。 发动机在低转速时油泵供油量小，为防止动臂因重力作用迅速下降和动臂 油缸产生吸空现象，可采用动臂下降再生补油回路，利用重力将动臂油缸无杆 腔的油供至有杆腔。特点与满载回转类似，但转动惯嘬比满足时减小。 2 1 5 整机移动工况分析 挖掘机一般不作长距离行走，只在工地范围行走，作业时用来调整整机位置。 基本要求：左右履带可独立操纵，可调速，具有直线行走功能，具有一定的行 走速度( 2 - - 5 k m h ) 和爬坡能力( 3 5 度左右) ，具有制动能力。 在行走的过程有可能要求对作业装置液压元件( 如回转机构、动臂、斗杆 和铲斗) 进行调整。在双泵系统中，一个油泵为左行走马达供油、另一个油泵 为右行走马达供油，此时如果某一液压元