（机械设计及理论专业论文）大型液压正铲挖掘机工作装置的优化设计.pdf

”a1， ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a ld e s i g na n d t h e o r y t h e d e s i g no fo p t i m i z a t i o n o nt h e w o r k i n g d e v i c eo f l a r g eh y d r a u l i c f a c e - s h o v e l e x c a v a t o r b yx uy u m i n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rl i ng u i y u n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 了1 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已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。一 学位论文作者签名：影明 日 期：a 税7 牛 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。 ” 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年一年口一年半口 学位论文作者签名：许荨目目 签字日期： 夏。0 7 两年口 导师签名：彳紊差纸 签字日期：似棚沪7 7 _ ，3 f ， j 包 l j l 东北大学硕士学位论文摘要 大型液压正铲挖掘机工作装置的优化设计 摘要 大型液压正铲挖掘机在露天煤矿采掘、水利建设等工程中越来越得到广泛的应用， 而工作装置是液压正铲挖掘机的重要工作部件，其结构的合理性直接影响到挖掘机的工 作性能，对其进行研究是非常必要的，也是整机开发的基础。 从液压正铲挖掘机工作装置的组成及工作特点出发，分析工程中常见的4 种液压正 铲工作装置的结构方案，确定挖掘装载装置为设计方案，建立该工作装置的挖掘工作位 置模型，采用经验公式法、回归方程法和原理设计法，确定有关初始参数值，其中包括 动臂、斗杆、铲斗机构的相关几何和力能参数。 绘制挖掘轨迹包络图，斗齿尖点的密度即斗齿尖理论上所能达到位置的概率情况， 在主要挖掘区点的密度较大，而在边界点的密度小；通过水平推压工况分析，求得动臂 在整个水平推压过程中动臂相对于转台转角的变化范围及水平推压力的变化范围，基本 符合水平推压过程中外载荷的变化情况。 基于典型的挖掘与提升过程运用遗传算法对工作装置的参数进行优化。优化后动 臂、斗杆及铲斗机构传动角增大，油缸行程缩短，动臂油缸的提升力更加符合将满载的 铲斗由任何可能的挖掘位置上提升到卸载点处所需力的变化情况，斗杆油缸的挖掘力及 铲斗油缸的挖掘力较优化前更加符合物料的挖掘阻力变化情况。 用v b 和m a t l a b 作为开发工具，a c c 燃s 作为后台数据库，开发大型液压正铲挖 掘机工作装置设计软件，缩短研究和开发周期，降低产品成本，提高了设计质量。该软 件系统具有继承性、安全性、界面友好等特点，初步形成自主的设计体系，对大型液压 正铲挖掘机工作装置设计具有普遍指导意义。 关键词：液压挖掘机；工作装置；优化设计；正铲 呜 鼋 一；0 t t 、 - ， 午 。 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t h e d e s i g no fo p t i m i z a t i o no nt h ew o r k i n gd e v i c eo fl a r g e h y d r a u l i cf a c e - s h o v e le x c a v a t o r a b s t r a c t l a r g eh y d r a u l i cf a c e - s h o v e le x c a v a t o rh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e di nt h eo p e nm i n i n ga n d w a t e rc o n s e r v a n c yp r o j e c t s ，a n dt h ew o r kd e v i c ei st h ei m p o r t a n tw o r k i n gc o m p o n e n to f h y d r a u l i ce x c a v a t o r , i t ss t r u c t u r ed i r e c t l yi m p a c to nt h ew o r k i n gp e r f o r m a n c e t h er e s e a r c hi s v e r yi m p o r t a n t ，a l s ot h eb a s i sf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h ee n t i r em a c h i n e f r o mt h ec o m p o s i t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h eh y d r a u l i cf a c e - s h o v e le x c a v a t o r w o r k i n gd e v i c e ，a n a l y s i st h ef o u rk i n d so fs t r u c t u r a ls c h e m ef o rw o r k i n gd e v i c ei nt h e c o m m o np r o j e c t , d e t e r m i n ed i g g i n ga n dl o a d i n ge q u i p m e n t t h ed i d d i n gl o c a t i o nm o d e lo f t h ew o r k i n gd e v i c ei se s t a b l i s h e d ，d e t e r m i n et h er e l a t e di m t i a lp a r a m e t e r sw i t hr e g r e s s i n g e q u a t i o na n dp r i n c i p l ed e s i g n ，i n c l u d i n gt h eg e o m e t r i ca n de n e r g e t i cp a r a m e t e r so ft h eb o o m ， s t i c ka n db u c k e ts t r u c t u r e d r a w i n ge n v e l o p ed i a g r a m ，u s e do fg e e t i n gt h et i po fb u c k e tt o o t ht or e a c ht h el o c a t i o n , t h ed e n s i t yo f p o i n t sr e a c t st h el o c a t i o no fp r o b a b i l i t yo fb u c k e tt o o t hc a r lt h e o r e t i c a l l yr e a c h , t h ed e n s i t yo f p o i n ti sg r e a t e ri nt h em a i nd i g g i n gd i s t r i c tt h a na tt h eb o r d e rp o i n t ；t h r o u g h a n a l y s i so ft h es t r a i g h tl i n ee x c a v a t i n gc o n d i t i o n , t h ec h a n g i n gs c o p e so fb o o m sc o m e ra n d t h ec h a n g i n gs c o p e so fs t r a i g h tl i n ee x c a v a t i n gf o r c ea r es o l u t e di nt h ew h o l es t r a i g h tl i n e e x c a v a t i n gp r o c e s s t h ec h a n g eo fs t r a i g h tl i n ee x c a v a t i n gf o r c ea c c o r d st ot h ec h a n g i n g p r o c e s so f t h el o a d i n g b a s e do nt h et y p i c a lp r o c e s so f d i g g i n ga n dl i f t i n g , i tu s e so fg e n e t i ca l g o r i t h m st o o p t i m i z et h ep a r a m e t e r so fw o r k i n gd e v i c e a f t e ro p t i m i z a t i o n ，t h et r a n s m i s s i o na n g l eo f s t r u c t u r ei n c r e a s e s ，t h et r i po fc y l i n d e r sa r es h o r t e n e d ，t h el i f t i n gf o r c e so fb o o m c y l i n d e r si s m o r ei nl i n ew i t ht h en e c e s s a r yf o r c eo f r a i s i n g t h el o a d i n gb u c k e tf r o ma n ye x c a v a t i n g l o c a t i o nt ou n l o a d i n gp o i n t s a f t e ro p t i m i z a t i o n ，t h ec h a n g e si nd i g g i n gf o r c e so ft h es t i c k c y l i n d e ra n dt h eb u c k e tc y l i n d e ra r em o r et h a nc o i n c i d e n g c ew i t ht h ec h a n g eo ft h ed i g g i n g r e s i s t a n c eo fm a t e r i a l s ，i m p r o v e sm i n i n gp e r f o r m a n c e t h ed e s i g n i n gs o r w a r eo fl a r g eh y d r a u l i cf a c e - s h o v e le x c a v a t o ri s d e v e l o p e dw i t h m a t l a ba n dv b n e t , a c c e s sa sb a c k g r o u n dd a t a b a s e ，s h o r t e n st h ec y c l eo fr e s e a r c ha n d i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e v e l o p m e n t ，r e d u c e st h ec o s t o fp r o d u c t sa n di m p r o v e st h eq u a l i t yo ft h ed e s i g n t h e s o f t w a r es y s t e mh a sf e a t u r e so fi n h e r i t a n c e ，s e c u r i t y , u s e r - f r i e n d l y t h ea u t o n o m o u sd e s i g n i n g s y s t e mi si n i t i a l l yf o r m a t e d ，i su n i v e r s a ls i g n i f i c a n c ew i t hd e s i g nf o rw o r k i n g d e v i c eo fl a r g e h y d r a u l i ce x c a v a t o rf a c e - s h o v e l k e y w 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 ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n ；f a c e s h o v e l i 、厂 叶 0 ， 瞳 屯 ； 声 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a bs tra c t i i i 第1 章绪论l 1 1 研究背景与意义l 1 2 液压挖掘机的研究现状及发展动态。l 1 2 1 国外的研究现状及发展动态l 1 2 2 国内的研究现状及发展动态3 1 3 本文研究的主要内容及技术路线6 第2 章液压正铲挖掘机工作装置设计9 2 1 液压正铲挖掘机的基本组成和工作原理9 2 2 工作装置结构方案的确定l o 2 3 工作装置的位置模型建立1 1 2 3 1 动臂与平台铰点位置a 的确定1 3 2 3 2 动臂及斗杆长度的确定1 5 2 3 3 机构转角范围确定1 9 2 4 工作装置油缸铰点及行程确定2 3 2 4 1 动臂油缸的铰点及行程确定2 4 2 4 2 斗杆油缸的铰点及行程确定。2 5 2 4 3 铲斗油缸的铰点及行程确定2 7 2 5 工作装置力学模型的建立2 8 2 5 1 挖掘阻力计算2 8 2 5 2 确定油缸参数3 l 第3 章液压正铲工作装置的优化设计3 5 3 1 建立目标函数3 5 3 2 确定设计变量3 9 3 3 确定约束条件3 9 3 4 优化设计方法的选择4 6 3 4 1 优化设计方法分类4 6 3 4 2 优化设计方法的选择。4 6 v 东北大学硕士学位论文 目录 第4 章液压正铲工作装置设计软件开发4 9 4 1 需求分析4 9 4 1 1 功能需求4 9 4 1 2 性能需求4 9 4 2 软件开发平台4 9 4 3 软件系统设计5l 4 3 1 总体设计5 2 4 3 2 详细设计5 3 第5 章应用实例6 l 5 1 动臂及斗杆长度确定6 1 5 2 机构转角范围确定6 1 5 3 油缸铰点及行程确定6 2 5 3 1 动臂油缸铰点及行程确定6 2 5 3 2 斗杆油缸铰点及行程确定6 2 5 3 3 铲斗油缸铰点及行程确定6 3 5 4 油缸参数确定6 4 5 4 1 挖掘阻力计算“ 5 4 2 油缸参数计算6 5 5 5 绘制包络图6 5 5 6 水平推压工况分析6 6 5 7 优化设计6 7 5 7 1 参数比较6 8 5 7 2 性能分析比较6 8 第6 章结论与展望7 3 6 1 结论7 3 6 2 展望7 4 参考文献7 5 致谢7 9 汀 一 ， 。i 0 r p 0 ： 1 r 东北大学硕士学位论文第1 幸绪论 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 目前我国露天矿的开采规模逐渐扩大，为了适应日益增大的矿用汽车铲装的需要， 这就需要较大斗容的挖掘机，由于挖掘机愈大，每单位土石方的施工成本愈低【1 1 ，而液 压挖掘机较机械式挖掘机有很多优点，但是国内对大型液压正铲挖掘机的研究较少，液 压挖掘机工作装置是完成挖掘机各项功能的主要构件，其结构的合理性直接影响到挖掘 机的工作性能和可靠性，对其研究是整机开发的基础，对工作装置进行优化，目的在于 缩短研究和开发周期，降低产品成本，提高设计质量，本课题的任务就在于此。 现代化建设速度，在很大程度上取决于各种工程建设速度，而工程机械水平的高低， 又直接对工程建设速度发挥着促进或抑制作用。传统研发管理及设计方法只是被动地重 复分析产品的性能，而不是主动地设计产品的参数。作为一项设计，不仅要求方案可行、 合理，而且应该是某些指标达到最优的理想方案。随着电子计算机的应用，在机械设计 领域内，已经可以用现代化的设计方法和手段进行设计，来满足对机械产品提出的要求。 利用优化设计方法，人们就可以从众多的设计方案中寻找出最佳设计方案，从而大大提 高设计效率和质量。可靠性是我国工程机械的致命弱点，我们要正视差距，增强科研开 发力度，提高技术水平，更多地发展具有自主知识产权的高质量产品，进一步促进工程 机械的发展。 1 2 液压挖掘机的研究现状及发展动态 近年来液压挖掘机发展的一个突出特点，是向大斗容、大功率发展，使设备进一步 大型化，以满足千万吨级大型矿山建设的需要【2 1 。 1 2 1 国外的研究现状及发展动态 1 2 1 1 国外产品发展趋势 1 9 5 0 年在意大利生产了第一台液压挖掘机【3 1 ，由于其挖掘能力强、生产率高、通用 性好、操纵轻便等特点，在工程建设施工中起着重要的作用。六十年代，随着西方经济 的发展，液压挖掘机需求数量急剧上升，但大多数属于中小型液压挖掘机。七十年代开 始，随着科学技术的进步和大型水电工程及大型露天矿建设的需要，液压挖掘机向高速、 高压、大斗容、大功率发展。随着液压挖掘机产量的提高和使用范围的扩大，世界上著 1 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 名的挖掘机生产商纷纷采用各种高新技术，来提高产品的竞争力。国外的一些公司开始 研制大型矿用液压挖掘机，其中以德国、法国产品居岁4 】，不同公司出品的大型液压正 铲挖掘机主要技术性能参数如表1 1 所示： 表1 1 不同公司出品的大型液压正铲挖掘机 ! ! 垒! ! ! ：! 三璺婆! 垒窭翌兰! i ! ! 塾竺：! 皇2 坚! 呈兰! 呈翌1 2 竖竺巴垫星垒竺垒! ! 堡竺! 1 2 翌已竺! 竺 公司名称型号标准斗容m 3机重t功率k w 在液压挖掘机产品功能方面，液压挖掘机工作装置向多功能化的方向发展。当液压 挖掘机配置不同的作业装置时，可以用来吊、夹、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，一般在2 分钟内就可以完成作业装置的更换。工作装置中动臂、斗杆结构变化多样， 扩展了主机的使用功能。随着传统型和通用型产品样机减少，一些有特殊构造的、有特 色的产品和多功能的产品备受用户的青睐，这些多用途作业装置大大扩展了液压挖掘机 的功用，提高了产品的施工适用性。同时也体现了各厂家市场差异化的产品发展战略和 各自的技术水平。所以，研究专业性的挖掘机设计理论、方法甚至是专用软件，以便缩 短设计周期、提高产品性能和可靠性，快速响应市场和用户的要求。 1 2 1 2 国外液压挖掘机设计方法研究现状 ( 1 ) 设计理论和方法研究及应用。韩国的p y u n gh u nc h a n g 、l e e ，s j 【5 】对液压挖掘 机铲斗轨迹跟踪进行了研究。日本的y o k o t as h i n i c h i 、s a s a om a s a n o r i 和i c h i r y uk e n 【6 对液压挖掘机动臂和斗杆的轨迹控制做了深入研究。澳大利亚的h a l la s 和m c a r e e e r 7 1 对大型液压挖掘机铲斗精确运动轨迹进行了研究。南斯拉夫的d u r k o v i tr a d a n 和 b u l a t o v i cr a n i s l a v l 3 】对液压挖掘机工作装置进行了建模和优化。意大利的s e r w a c h a n d r z e j 、f r y d l i n s k is t e f a n 、j a b i k o w s k i 9 】等人对挖掘机液压系统参数优化分析进行研究， 德国的b r a c hi 【1 0 l 对液压挖掘机动臂油缸进行分析研究。美国的w a r dp e t e r 、w a k e l i n g a n d r e w l l l 】等人设计了一款软件对液压挖掘机斗杆进行优化设计。m o t t l 1 2 】使用一种选举 法对液压挖掘机进行优化，对一些参数非线性问题提供了解决方法。 2 ， - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 国外生产企业在产品的设计和研制过程中，广泛推广采用有限寿命设计理论，以替 代传统的无限寿命设计理论和方法，并将疲劳损伤累积理论、断裂力学、有限元法、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应用 于液压挖掘机的强度研究方面，促进了产品的优质高效率和竞争力。美国提出了考核动 强度的动态设计分析方法，并创立了预测产品失效和更新的理论。日本制定了液压挖掘 机构件的强度评定程序，研制了可靠性处理系统。借助于现代设计理论和方法，缩短了 新产品的研发周期，加速了液压挖掘机更新换代的进程，提高其可靠性和耐久性。例如， 德国d c m a g 公司的h 4 8 5 型液压挖掘机，0 & k 公司的r h - 4 0 0 型液压挖掘机，l i c b h e r 的8 9 9 4 型液压挖掘机，法国p o c l a i n 公司的1 0 0 0 c k 型液压挖掘机，都是应用现代设计 理论和方法设计的新型机型。 ( 2 ) 重视实验研究和电子计算机技术的应用。近年来，国外液压挖掘机产量急剧上 升，结构逐步完善，在工程建设和施工行业中占有很重要的位置。液压挖掘机迅速发展 的根本原因，在于机械本身的优越性，也由于下述几个因素：重视试验研究工作， 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，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，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应用，设计制造更轻便的工作装置，而不削弱其强度，其实对挖掘 机工作装置的研究已经十分成熟。它的应用加快了新产品的发展速度，使新产品从设计 到批量生产的周期缩短到2 - 3 年左右。 ( 3 ) 采用新结构和新材料，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型1 3 】。 1 2 2 国内的研究现状及发展动态 1 2 2 1 国内产品发展概况 我国开发液压挖掘机的时间是从1 9 6 7 年开始的，与日本开发液压挖掘机的时间差 不多是相同的。早期开发成功的产品主要有上海建筑机械厂的w y l 0 0 ，贵阳矿山机器 厂的w 4 6 0 ，合肥矿山机器厂的w y 6 0 。到7 0 年代末8 0 年代初出现了长江挖掘机厂的 w y l 6 0 和杭州重型机械厂的w y 2 5 0 等液压挖掘机产品。我国挖掘机制造业已有4 0 多 年的历史，现有生产企业3 0 多家( 其中中外合资和外商独资企业1 0 家) ，可生产斗容 量从0 1 5 5 4 m 3 时的各种规格型号的液压挖掘机，目前中外合资、外商独资企业产品及 进口机已占市场大部份额。纵观我国液压挖掘机近4 0 多年的发展历史，大致可以分以 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 下几个阶段： ( 1 ) 开发阶段( 1 9 6 7 1 9 7 7 年) ，以测绘仿制为主的开发。通过多年坚持不懈的努 力，有少量几种规格的液压挖掘机获得初步成功，为我国挖掘机行业的形成和发展迈出 了重要的一步。 ( 2 ) 发展、提高，并全面替代机械挖掘机阶段( 1 9 7 8 1 9 8 6 年) 。这个阶段通过各 主机厂对引进技术( 主要是德国挖掘机制造技术) 的消化、吸收和移植，使我国液压挖 掘机产品的性能指标全面提高到国际7 0 年代末8 0 年代初的水平。 ( 3 ) 液压挖掘机生产企业数量增加( 1 9 8 7 1 9 9 3 年) ，新加入挖掘机行业的国有大、 中型企业以技贸结合、合作生产方式联合引进日本挖掘机制造技术。由于国内对挖掘机 的需求量的不断提高，新加入挖掘机行业的企业通过开发和引进挖掘机制造技术，其产 品批量或小批量的投放国内市场或出口，打破了多年来主要由国外挖掘机生产企业垄断 国内挖掘机市场的局面，形成了有益于提高产品质量、性能和产量的良性竞争。 ( 4 ) 国内液压挖掘机供需矛盾日益扩大( 1 9 9 4 年一至今) ，国外各著名挖掘机制造 厂商看好中国市场纷纷前来创办合资、独资挖掘机生产企业。从1 9 9 4 年开始，特别到 1 9 9 5 年在我国挖掘机行业掀起了一股不小的合资浪潮。其中美国卡特彼勒公司率先在徐 州金山桥开发区合作建立了生产液压挖掘机的中外合资企业，日本神户制钢所与成都工 程集团公司在成都合资创建企业。随后日本小松制作所、日立建机株式会社、韩国大字 重工、韩国现代重工业以及德国利勃海尔、德国雪孚、德国a t l a s 、瑞典v o l v o 公司等都 先后在中国建立了中外合资、外商独资挖掘机生产企业，生产具有世界先进水平的多种 型号和规格的液压挖掘机产品。近几年这些企业运营情况良好，发展速度很快。 ( 5 ) 产品型式以液压反铲挖掘机为主。广西玉柴机器集团公司、三一重机、贵阳矿 山机械厂、湖南山河智能机械股份有限公司、江西南特集团等公司都生产的是液压反铲 挖掘机【1 4 1 。 我国是一个地广人多的发展中国家，国家不断加大基础设施建设的投入。今后相当 长的时间内，公路、铁路、港口、机场、能源、水利、农田、矿山、生态环境及城镇住 宅建设等方面的大量的经济建设任务和国防建设均需大量的液压挖掘机，并且在众多旆 工场合，多种工作装置的液压挖掘机正在逐步替代装载机、推土机作业，因此挖掘机的 需量将有很大增加。将来的发展趋势是，不断推出可靠性好、售价低、维修性好、美观 舒适的新机型，以新的营销观念、服务观念，与合资、独资企业产品争夺市场份额，开 发适合各种自然条件下的经济型机、轮胎式机、多种用途机等新产品，以满足多方位、 多层次的需求。 4 东北大学硕士学位论文第1 幸绪论 1 2 2 2 国内设计方法研究现状 自2 0 世纪8 0 年代以来，国外一些先进商用有限元、多体系统动力学软件进入我国， 如a n s y s ，a d a m s ，m e d y n a ，m o c a l ，a l g o r 等，应用于液压挖掘机的结构分 析、仿真和优化。国内对于挖掘机工作装置设计理论与方法的研究可归纳如下： ( 1 ) 工作装置的运动分析。对工作装置的运动分析，关系到挖掘机的力学分析，是 其他分析与设计的基础。文献 1 5 $ 1 j 用个人编制的软件对液压小型反铲挖掘机各种静态 姿态角度下的理论挖掘力进行了分析与仿真；文献【1 6 】利用矩阵变换原理对单斗反铲液 压挖掘机进行了详尽的阐述；文献 1 7 】对液压挖掘机反铲工作装置各主要构件进行了运 动学和动力学分析，得到了反铲装置各关键点的坐标和实现挖掘力的限制条件；文献 1 8 】 利用拉格朗日第方程对液压挖掘机的工作装置建立了挖掘作业过程中的动力学模型，对 其动能、势能和挖掘力进行计算，为分析挖掘作业工作装置所受到的力和运动之间关系、 控制作业规划和仿真提供了理论基础。 ( 2 ) 工作装置的优化。优化设计方法己在我国工程设计领域得到广泛运用。它是建 立在近代数学最优化方法和计算机程序之上，解决复杂设计问题的一种有效工具，是计 算机辅助设计( c a d ) 应用中的一个重要方面。它运用到机械设计中，能根据产品的要求， 合理地确定和计算各项参数，以其达到最佳设计目标。文献【1 9 】应用变换矩阵来建立数 学模型，编制挖掘机工作装置设计软件对挖掘机工作装置进行快速有效的计算。文献 2 0 】 针对液压挖掘机铲斗连杆机构采用复合形法进行优化求解，并且给出了程序设计的流程 框图。文献 2 l 】提出了利用优化方法分析计算挖掘机在各种工况下的稳定系数和具体解 决方法，找出并分析了挖掘机在特定工况下的最不稳定姿态，为挖掘机的稳定性分析提 供了理论计算公式和具体分析手段。文献【2 2 】开发了液压正铲挖掘机工作装置通用分析 软件，只能对现有的机型进行分析，没有从原理出发对工作装置参数进行设计，并进行 优化。国内太原重型机械学院和浙江大学在这方面做出了突出的贡献，浙江大学1 9 8 8 年开发了一个用于液压挖掘机c a d 的大型软件系统【2 3 1 ，在此基础上于9 0 年代初开发了 液压挖掘机的集成化智能c a d 系统【2 4 】；此外太原重型机械有限公司研究所利用u g 开 发计算6 - 8 m 3 挖掘机的三维仿真软件【2 5 】；徐州工程机械研究所利用i - d e a s 软件完成 w y 2 0 整机、w y 2 0 a 工作装置的三维实体造型等【2 们。但是由于受客观条件的限制，在 产品的设计制造中大部分工作还是采用传统的设计方法和理论，虽然采用了优化设计方 法，但主要针对国内小型液压反铲挖掘机的设计做了大量工作。 ( 3 ) 正铲工作装置设计现状。由于矿山条件恶劣，液压挖掘机在矿山没有得到广泛 应用，因此国内对液压正铲挖掘机的研究很少，没有形成自己的设计体系。近年来随着 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 液压技术的发展及液压元件质量的提高，大型液压正铲挖掘机在矿山才得到应用，合理 地设计工作装置的主要构件是行业发展的需要。 目前研究液压挖掘机工作装置设计的重点在于：提高工作装置结构件的可靠性 和耐久性；对工作装置机构进行计算机辅助计算和优化设计，提高挖掘机的挖掘性 能，同时使挖掘机设计人员从繁忙的计算中解脱出来。因此，开发一个专业化的工作装 置设计的工具软件显得非常必要。 1 3 本文研究的主要内容及技术路线 本文进行以下几个方面的研究与工作： 根据目前市场的需求、现行技术状况及用户的个性需求，在此基础上对液压挖掘机 进行分析 ( 1 ) 分析液压正铲挖掘机工作装置的组成及工作特点，确定工作装置的结构方案； ( 2 ) 建立工作装置位置模型，对挖掘机工作装置机构进行初步设计，根据开采工艺 参数、初始参数及边界条件等，确定动臂机构、斗杆机构、铲斗机构的相关几何参数和 力能参数； ( 3 ) 基于典型的挖掘与提升过程用遗传算法对工作装置进行优化设计，以便寻求合 理的构件尺寸和最佳的机构铰点位置； ( 4 ) 用v b 和m a t l a b 作为开发工具，a c c e s s 作为后台数据库，开发大型液压正 铲挖掘机工作装置设计软件系统：计算工作装置的相关几何参数和力能参数，并对其进 行优化；绘制包络图，通过主要挖掘区斗齿尖理论上所能达到位置的概率情况，检验机 构设计是否合理；并对水平推压工况进行分析，对水平直线位置仿真，挖掘力的发挥情 况进行分析，检验是否符合水平推压过程中外载荷的变化情况，从而使挖掘力得到充分 的发挥。它使液压正铲挖掘机工作装置的设计发展到自动化程度高，设计周期短，设计 一 方案优越，计算精度高的现代化设计； ( 5 ) 应用大型液压正铲挖掘机工作装置设计软件，设计液压正铲4 2 m 3 挖掘机工作， 装置的参数。 技术路线图如图1 1 所示： ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 图1 1 技术路线图 7 东北大学硕士学位论文 第2 章液压正铲挖掘机工作装置设计 第2 章液压正铲挖掘机工作装置设计 2 1 液压正铲挖掘机的基本组成和工作原理 液压正铲挖掘机由工作装置，上部转台和行走装置三大部分组成，如图2 1 所示。 其中上部转台包括动力装置、传动机构的主要部分、回转机构、辅助设备和驾驶室；工 作装置由动臂、斗杆、铲斗及动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸组成，如图2 2 所示。 3 行 图2 1 液压正铲挖掘机的基本组成 f i g 2 1t h e b a s i cc o m p o s i t i o no fh y d r a u l i cf a c e - s h o v e le x c a v a t o r 斗 图2 2 液压正铲挖掘机工作装置 f i g 2 2w o r k i n gd e v i c eo fh y d r a u l i cf a c e s h o v e le x c a v a t o r 挖掘作业时，操纵动臂油缸使动臂下降至铲斗接触挖掘面，然后操纵斗杆油缸和铲 斗油缸，使斗进行挖掘和装载工作。铲斗装满后，操纵动臂油缸，使铲斗升高离开挖掘 面，在回转马达的驱动下，使铲斗回转到卸载地点，然后操纵斗杆和铲斗油缸使铲斗转 动至合适位置，再回缩开斗油缸转动铲斗，使斗前、斗后分开卸载物料。卸载后，开斗 9 - 东北大学硕士学位论文 第2 章液压正铲挖掘机工作装置设计 油缸伸长使斗前、斗后闭合，将工作装置转到挖掘地点进行第二次循环挖掘工作。转移 工作场地时，操纵行走马达，驱动行走机构完成移动工作。 2 2 工作装置结构方案的确定 在工程中常见到的液压正铲挖掘机工作装置的结构方案一般有4 种：如图2 3 ( a ) 、 ( b ) 、( c ) 、( d ) 。 ( c ) 1 m 东北大学硕士学位论文 第2 章液压正铲挖掘机工作装置设计 ( d ) 图2 3 工作装置的结构方案 f i g 2 3t h es t r u c t u r a ls c h e m eo fw o r k i n ge q u i p m e n t 图( a ) 铲斗缸的两端分别与斗杆中部和铲斗铰接形成四连杆机构，此机构相对来 说不适宜于水平直线挖掘，不能自动满足提升过程中铲斗对水平的倾角不变( 即“平移 性要求) 2 7 1 和降斗过程中的自动放平功能。 图( b ) 铲斗缸的两端分别与动臂和连杆装置连接，形成六连杆机构，铲斗相对于 斗杆的摆角范围增大。但由于铰点数量的增多，机构损失加大，当液压缸行程相同时， 挖掘力也较小【2 7 1 。铲斗油缸铰点的位置影响到转斗机构力臂变化曲线的分布，也影响到 液压缸的行程。 图( c ) 动臂缸与动臂铰接于动臂断面两侧，这样有利于挖深，但是动臂断面强度 大为削弱，同时液压正铲挖掘机主要挖掘地面以上的物料，所以很少采用。 图( d ) 工作装置把铲斗缸的铰点由斗杆移到动臂端部，这样铲斗由原来的四连杆 机构变成为五连杆机构，此工作装置称为挖掘装载装置，可以完成正铲的挖掘方式，还 适宜于水平直线挖掘，挖掘力比普通正铲装置提高2 0 左右【2 7 1 。 经分析挖掘力大小及对工作装置强度的影响，可认为图( d ) 结构形式的工作装置 比较好。 2 3 工作装置的位置模型建立 现以图2 3 ( d ) 形式的工作装置为例进行分析，从动臂与转台铰点a 出发，借助 各相关转角a 。、0 ：和日，建立各关键点b 、c 、d j 的位置模型，得到各关键点的 坐标，从而为下一步的分析提供依据。 以地面为横坐标，以回转中心线为纵坐标，建立直角坐标系x o y 如图2 4 所示。 东北大学硕士学位论文 第2 章液压正铲挖掘机工作装置设计 y x 图2 4 液压正铲挖掘机机构简图 f i g 2 4t h es n l j c t u r es k e t c ho fh y d r a u l i cf a c e s h o v e le x c a v a t o r 在实际作业过程中，司机通过操纵4 组液压缸的伸缩来实现挖掘、提升、卸载的全 过程，而在挖掘的过程中，确定了动臂瞬时转角0 ，、斗杆相对于动臂转角0 ：、铲斗相对 于斗杆转角六即可确定挖掘机上各个点的位置，即正铲装置的几何位置，则斗齿尖j 所 在的髟就表示挖掘半径，巧为正值时就表示挖掘高度，负值时就表示挖掘深度。 ( 1 ) 以a 点作为参考点，动臂油缸与转台铰点f 坐标为： x f 。xa 七l 订c o su 耳= 匕一三s i n g l l ( 2 ) 动臂上各点( 点b 、c 、d 、e 、g 。) 的坐标为： x b = xa 七l 碡c o s o z 圪= 匕+ l 曲s i n o l x c = x + 三。c o s ( o l l b a c ) 圪= 匕+ ks i n ( o l l b a c ) xd2x + l a d c o s ( o , 一b a d ) 一 = 匕+ l 耐s i n ( o l z b a d ) x e = x + l e o s ( o l z b a e ) 圪= 匕+ ks i n ( o , 一z b a e ) x 6 l = x _ + l 鳝lc x , s ( o i + z b a g l ) 圪l = + l 昭ls i n ( o l + z b a g l ) - 1 2 - 东北大学硕士学位论文第2 章液压正铲挖掘机工作装置设计 ( 3 ) 斗杆上的点，以b 点作为参考点，各点( 点g 、h 、g ，) 坐标为： x g = x 口+ l 6 譬c o s ( e , + 吼一万) = 匕+ l 6 譬s i n ( 0 l + 0 2 一万) x h = xbj rl b hc o s ( o , + e z 一氕一l g b h ) = k + ks i n ( # l + 0 2 一万一l o e h ) x g 2 = x 口+ l 6 窖2c o s ( 0 , + 岛一万+ z g b g 2 ) 圪2 = 匕+ 三6 窖2s i n ( e i + 岛一万+ z g b g 2 ) ( 4 ) 铲斗上的点，以g 点作为参考点，各点( 点i 、j 、g 3 ) 坐标为： x ，= x g + 暑fc o s ( 2 # 一b 一岛一0 3 + i g j ) y i = y g 一三s i n ( 2 刀r b 0 2 一岛+ l i g j ) x j = x g + 三c o s ( 2 万一q 一色一岛) y s = y g 一s i n ( 2 1 t 一幺一岛一0 3 ) x g 3 - x g + l 嚣3c o s ( 2 n 一b 0 2 一岛一z i g g 3 + z i g j ) 】，g 3 - y g l