液压挖掘机文献综述

本科毕业设计（文献综述）论文 题目：挖掘机的行走与回转装置学 院：机械工程学院 专 业：机械设计及理论姓 名：* 学号：* 指导教师：* 2013年3月26日目录目录I一、选题背景和意义1二、课题关键问题及难点1三、发展概况23.1液压挖掘机的发展概况23.1.1国内液压挖掘机的发展概况23.1.2国外液压挖掘机目前水平及发展趋势3四、英语文献翻译74.1摘要74.2关键词84.3引言84.4工作装置的受力分析84.4.1建立工作装置的位置模型84.4.2载荷作用下工作装置的受力分析94.5.1有限元模型和边界条件124.6 结论16五、参考文献16六、指导教师意见：17七、开题审查小组意见：17文 献 综 述一、选题背景和意义液压挖掘机是在机械传动挖掘机的基础上发展起来的。它的工作过程是以铲斗的切削刃切削土壤，铲斗装满后提升、回转至卸土位置，卸空后的铲斗再回到挖掘位置并开始下一次的作业。因此，液压挖掘机是一种周期作业的土方机械。液压挖掘机与机械传动挖掘机一样，在工业与民用建筑、交通运输、水利施工、露天采矿及现代军事工程中都有着广泛的应用，是各种土石方施工中不可缺少的一种重要机械设备。在建筑工程中可用来挖掘基坑、排水沟，拆除旧有建筑物，平整场地等，更换工作装置后，可以进行装卸、安装、打桩和拔除树根等作业。在水利施工中，可用来开挖水库、运河、水电站堤坝的基坑、排水和灌溉的沟渠，疏浚和挖深原有河道等。在铁路、公路建设中，用来挖掘土方、建筑路基、平整地面和开挖路旁排水沟等。在石油、电力、通信业的基础建设及市政建设中，用来挖掘电缆沟和管道沟等。在露天采矿场上，可用来剥离表土、采掘矿石和煤，也可用来进行堆弃、装载和钻孔等作业。在军事工程中，可用来筑路、挖壕沟和掩体、建造各种军事建筑物。所以，液压挖掘机作为工程机械的重要品种，对于减轻工人繁重的体力劳动，提高施工机械化水平，加快施工进度，促进各项建设事业的发展，起着很大的作用。据建筑施工部门统计，一台斗容量为1.0m的液压挖掘机挖是将设计问题转化为最优化问题。通常是借助计算机高速运算与逻辑判断功能，从满足设计方案中，按照预定的目标，利用计算机对其进行优化设计，对挖掘机的动臂、斗杆、铲斗进行优化，关键是符合实际且有效的数学模型。因此，本文着重研究并建立动臂、斗杆、铲斗的数学模型，对于提高挖掘机工作装置设计质量和确保优化设计有效性具有十分重要的意义。二、课题关键问题及难点本文将在传统设计的基础上，初步计算出工作装置：动臂、斗杆、铲斗的设计尺寸应用三维造型软件生成液压挖掘机工作装置造型实体，应用ANSYS软件对其进行受力分析，通过软件规范初设尺寸并反复进行修改，直到达到工况条件下正常工作的要求，使设计周期更短，优化尺寸更准确。本文研究的难点在于应用三维造型软件和ANSYS软件共同给出恰当的设计尺寸。三、发展概况3.1液压挖掘机的发展概况挖掘机的最早雏形，主要用于河道、港口的疏浚工作，第一台有确切记载的挖掘机械是1796年英国人发明的蒸汽“挖泥铲”。而能够模拟人的掘土工作，在陆地上使用的蒸汽机驱动的“动力铲”。（图1.1）于1835年在美国诞生，主要用于修筑铁路的繁重工作，被认为是现代挖掘机的先驱，距今已有170多年的历史。1950年，德国研制出世界上第一台全液压挖掘机（图1.2）。由于科学技术的飞速发展，各种新技术、新材料不断在挖掘机上得到应用，尤其是电子技术和信息技术的应用使得液压挖掘机在作业效率、可靠性、安全性和操作舒适性以及节能、环保等方面有了长足的进步。目前液压挖掘机已经在全世界范围内得到广泛应用，成为土石方施工不可缺少的重要机械装备。图1.2早起全液压挖掘机图1.1蒸汽机驱动的“动力铲” 3.1.1国内液压挖掘机的发展概况我国从1967年开始自行研制液压挖掘机。早期开发成功的产品主要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等。到20世纪701年代末80年代初，长江挖掘机厂和杭州重型机械厂分别研制成功了WY160和WY250等液压挖掘机产品。从1994年开始，美国的卡特彼勒公司、日本的神户制钢所、日本的小松制作所、日本的日立建机株式会社、韩国大宇重工、韩国现代重工业以及德国利勃海尔、德国雪孚、德国阿特拉斯、瑞典沃尔沃等公司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。近年来我国经济增长迅速，液压挖掘机市场需求不断扩大，形成了巨大的挖掘机市场空间，但该行业主要由合资企业和外资企业所垄断。国内一些工程机械行业的上市股份公司通过合资的方式介入了挖掘机产业，同时国内还有众多的企业也在生产液压挖掘机，但在生产规模、品种、质量等方面与国外大公司相比还有一定差距。为了发展民族挖掘机产业，必须瞄准国际先进水平，围绕国内外两个市场，在充分利用国际化配套和国外先进技术的基础上，增强自主创新意识，掌握核心设计制造技术，发挥性价比优势，提高产品竞争力，把我国液压挖掘机产品做大做强。3.1.2国外液压挖掘机目前水平及发展趋势工业发达国家的液压挖掘机生产较早，产品线齐全，技术成熟。美国、德国、日本是液压挖掘机的主要生产国，具有较高的市场占有率。从20世纪后期开始，国际上液压挖掘机的生产从产品规格上看，在稳定和完善主力机型的基础上向大型化、微型化方向发展；从功能上看，在满足基本功能的基础上，向多功能化、专用化方向发展；从产品性能上看，向高效节能化、自动化、信息化、智能化的方向发展。（1）液压挖掘机的大型化和微型化大型液压挖掘机主要用于大型露天矿山的开采及大型基础建设，多数为正铲。如日本的日立建机开发的UH50型正铲液压挖掘机斗容量为8.2 m质量为175t，EX3500型正铲斗容量为18.8 m，整机质量为330t。日立建机于2004年开发成功了超大型液压挖掘机EX8000,铲斗容量为40 m，整机质量为780t。目前全球最大型液压挖掘机为TEREX-O&K公司制造的RH400型，整机质量为980t，斗容量为50m。大型液压挖掘机的其他代表产品主要有小松的PC8000、三菱的MS1600、卡特彼勒的5130和5230、曼内斯曼德马克的H485以及利勃海尔的R992和R994等。如图1.3所示为超大型液压挖掘机。为满足市政建设和农田建设的需要，国外发展了斗容量在0.25m以下微型液压挖掘机，最小的斗容量仅有0.01m。例如，美国卡特彼勒公司新近发布的302.5C微型液压挖掘机，其整机质量仅有2850kg，配备三菱S3L2型18.6KW柴油发动机，其排放符合美国EPA2级和欧标准，所配备斗容量范围为0.0350.092m铲斗挖掘力可达25KN。卡特彼勒公司最小的微型挖掘机为301.5，其整机质量只有1673kg，发动机功率为13KW，斗容量范围为0.0180.056m。如图1.4为微型挖掘机。图1.3超大型液压挖掘机 图1.4 微型挖掘机（2）液压挖掘机的多功能化中、小型液压挖掘机趋向于一机多能，配备了多种工作装置。除正铲、反铲外，还配备了起重、抓斗、平坡斗、装载斗、耙齿、破碎锥、麻花钻、电磁吸盘、振捣器、推土板、冲击铲、集装叉、高空作业架、绞盘及拉铲等，以满足各种施工的需要。与此同时，发展专门用途的特种挖掘机，如低接地比压、低噪声、水下专用和水路两用液压挖掘机等。（3）液压挖掘机的电子化和信息化世界上各大液压挖掘机生产厂商在应用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通用化发展速度的过程中，重视电子技术、信息技术在挖掘机上的应用，使挖掘机向高效、节能、安全、环保以及操作方便舒适的方向发展。从20世纪80年代开始，以微电子技术为核心的高新技术，特别是微机、微处理器、传感器和检测仪表在挖掘机上的应用，推动了电子控制技术在挖掘机上的应用和推广，并已成为液压挖掘机现代化的重要标志。目前先进的液压挖掘机均装有电子控制单元（ECU），用于发动机和泵阀的电子控制以及工作模式控制和工作状态监控。应用在液压挖掘机柴油机上的控制装置主要有电子调速器、自动怠速系统、电子功率优化系统和电子油门控制系统等。泵阀电子控制系统主要有功率控制系统、流量控制系统和负荷传感控制系统等。卡特彼勒和阿特拉斯等公司开发了挖掘机车载卫星全球定位系统（GPS），用户可通过电信数据中心和国际互联网随时了解挖掘机的工作位置和工作环境，并通过对各种参数的分析了解挖掘机的工作状况，以确保安全使用和工作效率。（4）液压挖掘机设计制造手段的现代化美国、英国、日本等国家的液压挖掘机制造厂商在更新设计理论、提高可靠性、延长使用寿命等方面做了大量工作，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实验技术、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，提高了产品质量和竞争力。随着大型CAE软件的日渐成熟，虚拟设计技术和计算机仿真技术也被液压挖掘机的设计过程中。以往一种新机型需要经过多次反复试制、试验和修改，一般需要几年时间才能定型。而采用虚拟设计和计算机仿真技术，新产品设计可利用专业CAD软件、有限元分析软件和动力学仿真软件进行三维数字化建模、三维虚拟装配和基础零部件分析、优化，并进行整机的虚拟样机仿真和虚拟试验，直接在虚拟样机上修改设计，最终生成用于生产的产品工程图和工艺文件，缩短了新产品的研制周期，加速了液压挖掘机更新换代的进程。（5）增强液压挖掘机的安全性和舒适性随着世界贸易一体化进程的加快，各国对液压挖掘机的乘员安全保护及工作环境条件提出了更高要求。国外先进的液压挖掘机普遍采用带有落物保护结构（FOPS）和滚翻保护结构（ROPS）的驾驶室，安装可调节的弹性座椅，用隔音措施降低噪声干扰，操纵机构采用液压先导控制或电液比例控制，操作轻快、省力，操作环境的设计更加符合人机工程学。（6）液压挖掘机的液压系统得到进一步改进国外液压挖掘机液压系统总的发展趋势是高压、高速、大流量、低成本、高质量和高可靠性。国外知名公司的主流机型广泛采用双泵变量系统、液压先导控制、负荷传感控制等新技术。例如卡特彼勒公司新推出的325D型挖掘机系统压力最大为35MPa，主泵流量为2*235L/min。卡特彼勒的D系列挖掘机提供两种性能设定模式，标准操作模式和经济操作模式，以增强操作人员对机器性能与施工需要相匹配的控制能力。在标准操作模式中，可获得高生产率和燃油效率，在市政建设等较轻的作业中，可切换到经济模式，耗油量可降低15。(7)节能降耗成为挖掘机技术研究的热门液压挖掘机是一种大功率设备，其能量总利用率仅为20左右。在液压挖掘机上应用机电一体化技术，监测挖掘机的状态参数并进行分析运算，通过控制挖掘机的状态，使其在提高工作效率的同时达到节能的效果。当今世界，能源短缺，油价不断上涨。节省燃油，提高操作效率，就意味着提高了设备的性价比，增强了设备的竞争力。对于液压挖掘机，节能的目的不光是提高燃油的利用率，提高设备的操作效率，还在于提高了设备的可靠性，从而达到降低使用成本的效果。资料显示，工程机械将近40的故障来自发动机。采用节能技术后，可以使动力系统与负载所需功率更好地匹配，减少液压系统功率损失，提高发动机功率利用率，降低了发动机和液压元件的工作强度，从而提高设备在使用中的可靠性。世界范围内液压挖掘机功率控制节能技术的研究，从部件和整机两个层次上展开。1）针对挖掘机的各种重要部件如发动机、变量泵、马达、各种控制阀，采取节能、提高效率的措施。目前各种节能方案中得到成功应用的功率匹配方案，多在挖掘机“发动机液压系统铲斗负载”整个能量传递链上的某个环节实现功率匹配，主要是发动机泵的功率匹配和泵负载的功率匹配控制方案。在液压挖掘机上实现发动机泵的功率匹配，主要是提高泵对发动机输出功率的吸收能力，在采用转矩控制或者转速感应控制实现泵发动机精确匹配下，泵把吸收的发动机功率尽可能多地转化为液压能，实现节能效果。2）针对泵负载功率匹配的方案中应用较广泛的液压控制有负载传感控制、负荷流量控制，均为通过调节变量泵的摆角变化使输出流量与执行机构的输入流量相匹配，从而减少溢流损失和节流损失。3）围绕挖掘机整机性能展开研究。综合考虑发动机泵、阀负载的功率匹配，在发动机泵这个环节调节泵的流量，保证泵把发动机的功率基本吸收而转化为液压能；在阀负载这个环节调节阀的开口，目的是在压力随负载变化的情况下以改变执行机构速度的方式随时把液压能发挥到最大，在这两个阶段分别调节从而实现由发动机液压系统负载的全局功率匹配。目前湖南山河智能公司开始了“发动机液压系统执行系统负载”的全局功率匹配挖掘机的研发工作，山河智能公司在其SWE85挖掘机上已经分模块作出实验并逐步走向应用。四、英语文献翻译题目：基于VB和ANSYS的液压挖掘机工作装置强度分析作者：李松林，陈瑾，李石榴中国，重庆，40030，大学，重庆大学机械工程学院作者邮箱：4.1摘要 液压挖掘机广泛应用在现代工程建设，但复杂的工作条件增加了对液压挖掘机铲工作装置的强度设计难度。在本文中，我们用VB编写了程序对工作装置的任何工作位置和任何部分的局部受力情况进行分析，然后确定强度设计的边界条件，最后用ANSYS软件计算工作装置在各种工作环境下的强度。这种方法大大降低了静态工作静强度分析难度。4.2关键词 ANSYS分析；挖掘机；部分负荷；VB；静强度4.3引言随着计算机的快速发展和有限元分析方法的成熟，有限元分析方法已经广泛应用于液压挖掘机工作装置的强度设计分析。在有限元分析中网格划分和边界条件的确定往往占据了分析的大部分时间。目前，一些模型分析处理软件可以建立网格模型。但对于边界条件的确定是根据研究人员对物理模型想了解的某些性质而建立的。如果边界条件确定的不准确，得到的结果将会出现偏差甚至是错误的结果。边界条件分为力边界条件和位移边界条件。在本文中，我们假设了挖掘阻力达到最大值之前，确定了任何工作位置的力边界条件，然后利用VB编写的程序输出确定的力边界条件下每个铰链承受的力。我们也比较和分析了几种目前常用的位移边界条件，确定了合适的位移边界条件并结合挖掘机的实际工作情况得到了正确的结果。4.4工作装置的受力分析 4.4.1建立工作装置的位置模型图4.1液压挖掘机一般视图我们使用铰接的中心A为基本坐标原点，建立直角坐标系（如图1所示）。点G0是挖掘机的重心位置，F点是机身和动臂油缸的铰接接头。相对于连接构件臂和铲斗的角度（转盘，动臂，斗杆）分别为、。在实际操作中，司机可以通过控制3组液压缸的伸缩长度实现挖掘机的所有行动。只要知道、可以确定动臂、斗杆、铲斗的位置。例如，J点坐标代表铲斗的尖端轨迹，可以表示如下：式中： 、表示J点的X坐标值，J点的Y坐标值（下同）； 表示A点和B点之间的距离（下同）；4.4.2载荷作用下工作装置的受力分析我们想要计算3组液压缸的重量和简化在液压缸两端的等效重量。3组液压缸都可以看成是力的两个分量。假设靠近我们一侧的点和点分别记为和，远离我们一侧的点和点分别记为和，部分载荷施加在点侧向力沿z轴负方向（如图2所示）。图4.2施加在铲斗上的部分负载选择最恶劣的工作条件为设计条件。由此我们得到侧向力、切向力、法向力施加在铲斗齿顶（如图2所示），的大小可以通过旋转平台的制动扭力来确定，并使和实达到最大值。和施加在铲斗上会产生附加弯矩、，同理在点点点也会产生附加弯矩。如果假设和都作用在铲斗的齿顶并考虑所有的附加弯矩，我们就可以得到部分载荷施加在铲斗上的每一点的受力。并且侧向力引起的附加力也容易得到，所以我们只需要确定和引起的作用在铲斗中心齿的力和所有附加力矩。 1.分析作用在铲斗中心齿的力、我们把铲斗为研究对象，建立了静力平衡方程如下：式中 为铲斗重力； ,点和点的横坐标； 为切向挖掘阻力点的力矩臂；为正常挖掘阻力力矩臂点G；理论上，我们可以确定由沿链路的方向的两个分力引起的力，然后用方程（2）解出铲斗铰接接头处的力。同样，整个工作装置的铰接接头可以用这种方法解决，以整个工作装置为研究对象，分别求解。2.附加时间的受力分析动臂油缸、铲斗油缸都是两个分力。这些时刻可以由以下方程：式中 表示对旋转平台的制动力矩的大小； 表示铲斗的宽度；以整个工作装置为研究对象，我们可以得到力在A点和B点的附加弯矩。式中 表示与X轴的夹角；表示与X轴的夹角；，表示 之间的铰链宽度；铰链和在臂上的力可以由公式（4）得到，用下面的公式可以求得铰和的力： 同样，臂上的其他铰接点也可以通过使用上述方法确定。3.力边界条件自动计算模块的设计为满足挖掘机的系列要求，程序模块利用VB的力边界条件确定，并纳入挖掘机常用的分析软件。在这个模块中只要你输入、和其他所需的参数（如图3所示），就可以得到力边界条件。另外，要想想得到作用在挖掘机铲斗齿中心处的阻力，只要设置铲斗的宽度和旋转平台的制动力矩为零时即可得到。这个模块使力边界条件可以自动计算，降低了设计人员的工作强度。 4.5工作装置的静态强度分析 对臂和铲斗进行受力分析，以2 lt-level反铲液压挖掘机臂的有限元分析为例。用预处理软件ANSA网格模块（如图4所示），然后导入到ANSYS软件，元素类型是solidl87。我们选择使用垂直挖斗挖掘机和铲斗在最大挖掘深度时的工作条件。力边界条件可以通过在2.3节介绍的自动计算模块确定。结果如表1所示：表1计算条件下的力边界条件对于位移边界条件的确定，一些科研人员这样做：铰接A和C被限制为固定铰链，和力施加在铰接D和B。把挖掘阻力作用于铲斗中心齿而不是局部载荷作用在铲斗外齿这一限制方法也是不可行的。这种方法有一个由部分负荷施加在工作装置产生的沿Z轴的横向力，如果我们只考虑侧向力对工作装置的作用，且臂油缸两个分力已知，但横向力作用在气缸则臂油缸将会漏油。因此，侧向力将由上铰接A而平衡。此外，在计算过程中压力很大，不符合理论分析。总之，这种简化方法不可行。在本文中，臂简化为悬臂铰接一个固定端，和力施加在铰D，B和C的收缩方式不仅避免了上述问题，而且保证油缸压力的方向将沿油缸。更重要的是，每一个铰接计算在臂上是静定问题。即使在A点存在绕Z轴旋转的自由度，臂也不会发生旋转。然而由于软件的准确性是否会发生旋转还不能完全确定。因此我们限制了臂