科研训练—液压挖掘机.doc

1 目录目录 前言前言 2 一 关于液压挖掘机行业介绍一 关于液压挖掘机行业介绍 3 1 1 液压挖掘机行业发展背景液压挖掘机行业发展背景 3 1 2 液压挖掘机行业现状及发展方向液压挖掘机行业现状及发展方向 4 二 液压挖掘机的基本组成二 液压挖掘机的基本组成 5 2 1 挖掘机控制系统概述挖掘机控制系统概述 5 2 2 发动机的控制系统发动机的控制系统 6 2 3 液压控制阀控制系统液压控制阀控制系统 7 2 4 液压元件控制系统液压元件控制系统 7 2 5 执行元件控制系统执行元件控制系统 8 2 6 液压挖掘机整机控制系统液压挖掘机整机控制系统 9 四 混合动力液压挖掘机四 混合动力液压挖掘机 14 五 五 国内外超大型液压挖掘机概况及展望国内外超大型液压挖掘机概况及展望 15 六 六 CATIA 在液压挖掘机产品开发中的应用在液压挖掘机产品开发中的应用 17 6 1 应用应用 CATIA 建模及虚拟装配建模及虚拟装配 17 6 2 电子样机的空间分析及运动模拟电子样机的空间分析及运动模拟 19 6 3 结构件的静力学有限元分析结构件的静力学有限元分析 19 6 4 模型的参数化及知识库的建立模型的参数化及知识库的建立 21 七 结论七 结论 22 参考文献参考文献 23 2 前言前言 液压挖掘机是一种多功能机械 目前被广泛应用于水利工程 交通 运输 电力工程和矿山采掘等机械施工中 它减轻了繁重的体力劳动 保证了工程质量 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 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 因此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日益 蓬勃发展 我国小型挖掘机的零部件配套体系已趋于完善和成熟 国内零部件 企业在工作油缸 四轮一带 回转支承 驾驶室 座椅 电气仪表等方 面已经取得了技术突破 基本可以替代进口产品 但是在工艺性和可靠 性上需要重点加强 其他关键液压件也在进行国产化准备 国内发动机 企业在提高设计和制造水平 满足环保要求后 已经可以配套小型挖掘 机使用 大型液压挖掘机的特点是 总重在 60 650t 的巨型液压挖掘机已经 越来越多地占领了原属于电铲的市场 选用露天矿山设备的原则是投资 尽可能省和操作费用尽可能低 液压挖掘机具有使用寿命长 装载能力 大 控制能力可选择 可到性高 能耗低 基本不需要辅助设备等优点 符合这些原则 在 20 世纪 70 年代制造的 130 吨级 8 m 铲斗的大型液压挖掘机至 今累计作业时间已达 80000h 而 80 年代制造的 220 吨级的挖掘机累计作 业时间至今也以超过 40000h 由于运输距离的增加 将增加对大型卡车 的需求量 超过 240 吨容量的的 卡车在将来会变得更重要 对这种吨 位的卡车 就必须要一种能用三至四铲即可将其装满的挖掘机 对于铲 斗容量超过 20 m 的机型来说 液压挖掘机取代电铲的趋势是必然的 而 3 且也存在着这种潜力 一 关于液压挖掘机行业介绍一 关于液压挖掘机行业介绍 1 1 液压挖掘机行业发展背景液压挖掘机行业发展背景 自 1967 年至 1977 年 这 10 年我国有少数几家工厂开始研究 开发 液压挖掘机 少量几种规格的液压挖掘机产品获得初步成功 有上海建 筑机械厂的 WY100 贵阳矿山机器厂的 W4 60 合肥矿山机器厂的 WY60 长江挖掘机厂的 WY160 和杭州重型机械厂的 WY250 等 20 世纪 80 年代初我国最早涉足挖掘机行业的不少挖掘机主机生产厂 先后引进了当时国际上比较先进的液压挖掘机制造技术 例如 贵阳矿 山机器厂引进了德国利勃海尔 Liebherr 公司的 A912 和 R912 型挖掘机 制造技术 上海建筑机械厂引进了德国利勃海尔 Liebherr 公司的 R942 型挖掘机制造技术 合肥矿山机器厂引进了德国利勃海尔 Liebherr 公 司的 A922 和 R922 型挖掘机制造技术 长江挖掘机厂引进了德国利勃海 尔 Liebherr 公司的 R962 R972 R982 型挖掘机制造技术 稍后几年 杭州重型机械厂也引进了德国德玛克 Demag 公司的 H55 和 H85 型液 压挖掘机制造技术 北京建筑机械厂引进了德国奥加凯 OUH20 型斗容量 3 2m 工作重量 50t UH30 型斗 容量 4 4m 工作重量 75t 1979 年 日立建机成功开发了 UH50 型正铲 17 超大型液压挖掘机 斗容量达 8 2m 工作重量 175t 目前超大型液压挖 掘机的最大工作重量已突破 900t 级 铲斗斗容达 50m 由于具有结构紧 凑 操作方便 运动灵活及易于维护保养等优点 超大型液压挖掘机已 形成逐步代替钢索机械式或电动式挖掘机 俗称电铲 的趋势 图 2 超大型液压挖掘机 超大型液压挖掘机主要用于各种大规模露天矿山的开采及大型基础 建设 同时还被用于填海造地工程及港湾河道疏通工程 其中正铲式挖 掘机占大部分 目前生产超大型挖掘机的厂商主要分布在美国 日本 德国等工程机械制造强国 著名的生产企业有利勃海尔 卡特彼勒 日 立 小松 特雷克斯 O K 等公司 超大型液压挖掘机采用发动机 油泵电气控制系统 可以最大限度 地发挥发动机的性能 降低油耗 使机械高效地工作 大部分超大型挖 掘机采用故障检测系统 利用装设在驾驶室的显示器为驾驶员提供各主 要部件 系统及整机的工作状况 机械操作的自动化程度及适应性大大 18 提高 另外 超大型液压挖掘机的工作装置也有了极大的改进 在斗杆与 铲斗之间采用了平行伸缩机构 使铲斗的工作范围加大 作业性能提高 为使驾驶员容易观察到大型自卸车的装卸状况 许多超大型挖掘机驾驶 室的前窗采用了前倾的形式 以使之具有良好的观察视野 为改善驾驶员的工作条件 驾驶室内均采用了大容量空气调节器 使驾驶员可以长时间工作而不致感到疲劳 在一些超大型挖掘机上采用 履带接地长度可伸缩机构 按需改变挖掘机的接地面积 大大提高挖掘 机的作业性能 近年来 随着液压挖掘机技术的发展 超大型反铲液压挖掘机开发 与市场需求增加引起了行业的关注 超大型挖掘机为了获得最大装载能 力 大部分采用的是大容量正铲斗 与正铲挖掘机相比 反铲挖掘机由 于反铲挖掘力稳定 可进行强有力的挖掘 因此具有较高的生产效率 如日立 EX3500 3 型超大型反铲挖掘机 其斗容量为 20 6m 挖掘高度可 达 11m 我国超大型液压挖掘机的研发起步较晚 目前国产大型及超大型液 压挖掘机超过 60t 级的极少 四川邦立重机有限责任公司是我国较早开发 大型和超大型液压挖掘机的企业 近几年 该公司相继成功开发出拥有 自主知识产权的 65t 级 75t 级 100t 级 125t 级和 185t 级矿用型和土方 型大型和超大型液压挖掘机 填补了国内空白 六 六 CATIA 在液压挖掘机产品开发中的应用在液压挖掘机产品开发中的应用 6 1 应用应用 CATIA 建模及虚拟装配建模及虚拟装配 19 CATIA 中复杂实体的建模主要在零件设计模块和自由曲面模块中完 成 应用 CATIA 软件建立的三维模型可以从空间任意方向观看模型 视图 比二维模型的各个平面投影视图更易于直观考察零件的结构和干 涉情况 而且 CATIA 提供的智能化树状结构 为用户重复修改产品模型 提供了既简单又便捷的工作平台 即使是在设计的最后阶段需要作重大 修改或者对原有方案进行更新换代 都很容易实现 根据设计计算所掌 握的参数数据 建立起主要结构件的模型 如图 3 所示 图 3 主要结构件模型 CATIA 装配设计模块是高效的装配管理工具 它提供了在装配环境 下可由用户控制关联关系的设计能力 并灵活运用自顶向下和自底向上 的方法管理装配层次 通过约束所要装配零件的相对位置 使零件装配 到一起构成装配件 可以直观地了解装配件中各零件的相对位置关系和 零件装配的次序 及时发现和解决现实产品装配中可能出现的问题 进 而验证所设计结构的合理性 同时 CATIA 也允许用户在不同的模型上 使用特定的零件 实现装配设计和零件设计之间的并行工程 在 CATIA 中建立的工作装置的装配体爆炸图如图 4 所示 20 图 4 wYl25 液压挖掘机工作装置爆炸视图 6 2 电子样机的空间分析及运动模拟电子样机的空间分析及运动模拟 CATIA 的电子样机空间分析模块提供了一系列测量和分析工具 通 过对所建立的样机模型进行组内及组间物体之间最短距离的测量 三点 弧线的测量 实体的表面积 体积 重心的测量 质量和惯量的测量等 操作 获得模型的数据信息 通过切削平面对样机进行截面剖分 显示 模型内部结构并判断干涉部位 对装配模型进行碰撞分析 接触分析和 间隙分析 判断元件之间的干涉程度 并将干涉结果以报告的形式输出 CATIA 运动机构模拟模块能够模拟机械运动以校验机构性能 通过干涉 分析和最小间隙分析来进行机构的运动分析 也可以通过与其他 DMU 产 品的集成做更多组合的仿真分析 6 3 结构件的静力学有限元分析结构件的静力学有限元分析 工程分析中的一项重要工作是利用分析工具计算零部件的强度 刚 度及动态特性 从而预知所设计的零部件是否满足要求 以动臂为例 取挖掘工作中动臂可能出现最大载荷的位置 分析其在反铲无偏载工况 下的强度 刚度特性 得到动臂的载荷图 变形图 应力图及挠度图 见 21 图 5 22 图 5 动臂强度与刚度分析 6 4 模型的参数化及知识库的建立模型的参数化及知识库的建立 CATIA 不仅拥有从设计建模 工程分析 运动仿真到数控加工的完 整产品开发方案 而且其特有的软件框架 知识工程及专家系统 可 利用基于知识的参数化操作 使相似设计得以重复使用 为产品改型和 产品系列化带来很多方便 提高了新产品的开发效率 对于标准件和通用件 CATIA 利用设计表功能按组存储相关标准数 据 并建立表中数据与三维模型特征参数的联系 通过选择表中不同记 录 即可改变几何尺寸以获得所需零件的模型 这种智能化的解决方案 把定义产品功能的显性规则和在设计过程中交互地捕捉设计意图结合起 来 使得系统像顾问一样指导用户来完成整个设计过程 对违反规则或 发生冲突的情况发出警告 并提出适当的建议 实现智能化设计 大大 减少出错的风险 例如液压挖掘机的铲斗 根据作业对象和作业条件的不同 有多种 标准斗容量和结构型式如图 6 所示为在一个装配产品中调用了 4 个结构 形式不同的铲斗模型 设计人员也可以通过学习算法及编程语言 将本 企业的设计知识加入知识库 不断地丰富产品的知识库 使其更有助于 设计 这样当用户进行创新设计时速度更快也更加安全 图 6 液压挖掘机铲斗形式 23 七 结论七 结论 通过对有关液压挖掘机资料的搜集整理 大体上了解了有关液压挖 掘机发展背景 当前国内外液压挖掘机的发展现状及发展方向 液压技 术是液压挖掘机的关键技术包括液压回路设计 液压结构件 液压控制 装置 液压构件加工工艺 这也是我国液压挖掘机行业需要技术突破的 关键部分 目前国内小型液压挖掘机技术基本成熟 但大型液压挖掘机 生产技术相对落后 我国工程机械行业要把握好时机 应用计算机辅助 制造技术 引进国外的先进制造设备和制造工艺 研制出高质量 高可 靠性 高性能的现代化液压挖掘机 24 参考文献参考文献 1 林锋 潘双夏 挖掘机器人的实时控制系统研究 机电工程 2004 4 2 刘 静 潘双夏 冯培恩 挖掘机器人虚拟样机建模策略与仿真 技术研究 浙江大学学报 工学版 2004 11 EI 收录 3 冯培恩 高峰 高宇 液压挖掘机节能控制方案的组合优化 农业机械学报 2002 年 7 月 4 刘静 潘双夏等 基于 Simulink 的挖掘机液压系统建模与仿真 技术 中国工程机械学报 2003 10 5 高