基于组合挖掘的反铲液压挖掘机工作装置优化设计.doc

基于组合挖掘的反铲液压挖掘机工作装置优化设计重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：庆飞指导教师：陈进教授专业：机械设计及理论学科门类：工学重庆大学机械工程学院二 O一四年五月 Optimal design of backhoe hydraulic excavator working device based on synthesis digging A Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Requirement for theMasters Degree of EingneeringByQing FeiSupervised by Prof. Chen JinMajor: Mechanical Design and TheoryCollege of Mechanical Engineering of Chongqing University, Chongqing, China May, 2014 重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要液压挖掘机作为工程机械的标兵产品，在道路建筑、城市规划以及能源建设等领域发挥决定性的作用，而工作装置作为液压挖掘机的核心机构，其工作性能是整机设计水平的重要标志。基于现状，国内挖掘机多半模仿国外典型机型的标杆产品进行改进设计，但是在实际挖掘过程中常出现挖掘力不足、工作效率低和燃油经济性差等现象，本文提出了基于组合挖掘的液压挖掘机工作装置优化设计新方法。经多次试验测试，挖掘机的习惯工作轨迹表明复合挖掘和斗杆挖掘在实际挖掘过程中发挥着重要的作用，每台挖掘机针对不同的挖掘对象，各具习惯的工作路径。本文提出的组合挖掘方式包括基于作业路径上的多段单缸挖掘轨迹的组合和基于可行区域内离散点的双缸同时主动复合作用两种，建立新的性能分析模型后，综合分析比较国内外先进的挖掘机挖掘性能参数，可以理论上解释国产挖掘机的挖掘性能缺陷，证明了基于组合挖掘的挖掘机性能分析方法可以更加准确的表达出挖掘机的挖掘性能。针对新的性能分析方法数学模型，抽取工作装置的铰点布置参数作为设计变量，加上有效的约束函数，可以设计出追求挖掘力大小、燃油经济性更好的优化产品。建立优化数学模型后，通过遗传算法求解多目标函数，优化结果显示挖掘机的挖掘性能在习惯作业路径上最大挖掘力提高了 10%,双缸复合挖掘时工作油缸的充分发挥比例提高了 13%以及最大复合挖掘力提高了 8%，证明新优化方法在提高挖掘性能上的可行性。最后通过 VB语言编制液压挖掘机的工作装置优化设计通用软件，给国产液压挖掘机提供更高更有效的设计平台。本文具体的研究内容包括以下：熟悉了液压挖掘机工作特点，建立挖掘机整机运动学、力学模型，求解推算工作装置的铰点坐标及整机挖掘力大小数学表达式，为挖掘性能分析提供理论依据。概述目前普遍的挖掘机挖掘性能分析及相应的优化设计方法，阐述基于组合挖掘性能分析方法的建模思想及可行性，利用 VB语言编制基于新的性能分析方法及优化方法的通用软件。针对某国产 36吨液压挖掘机及其标杆产品基于组合挖掘方式进行挖掘性能分析，对比习惯作业路径上挖掘机大小、充分发挥的比例以及复合挖掘力的大小、充分发挥比例，验证性的性能分析方法的准确性。建立基于组合挖掘方式的工作装置优化设计新方法，并针对有性能缺陷的国产挖掘机进行工作装置优化改进设计，通过遗传算法求解优化数学模型，最后I 重庆大学硕士学位论文中文摘要对比优化前后挖掘机挖掘性能，证明新的优化算法提高挖掘机挖掘性能的可行性。关键词：液压挖掘机，工作装置，优化设计，组合挖掘II 重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACT As the mainly machinery in the field of engineering machinery, hydraulic excavatorplay important roles in engineering construction, such as road construction,urban planning and Energy Base Construction. Working device is core system ofhydraulic excavator and its digging performance is an important symbol of the wholemachine design level. In order to solve the problem that domestic hydraulic excavator inthe real working process reveals insufficient digging force， inefficiency and poor fueleconomy, a new optimal design method for working device of hydraulic excavatorbased on synthesis digging is proposed while domestic hydraulic excavator is alwaysdeveloped based on advanced excavators from overseas.Characteristic digging trajectories back-calculated from multiple test datademonstrate that complex digging and arm-digging play important roles in actualdigging process, and the customary digging paths of different excavators vary withdifferent digging object. The specific methods of synthesis digging include thecombination of single-cylinder digging trajectories as a customary digging path andcomplex digging of two active cylinders on a point in feasible area. The diggingperformance gap between domestic and abroad excavators calculated with new diggingperformance analysis method based on synthesis digging can explain the reason to theperformance deficiency of domestic excavators, which proves excavator diggingperformance is calculated more accurately with the new analysis method. And thenbased on the new digging performance analysis method, the optimization mathematicalmodel is built to ensure the digging force and fuel economy of developed excavators asgreat as possible by extracting some hinge points layout parameters of working deviceas design variables and adding some effective constraint function. The optimizationmathematical model is built and the multi-objective optimization is solved by using ofgenetic algorithm. The optimization result shows that a certain model of a excavatorsmaximum digging force on the customary digging paths is improved by 10%, theproportion of two active cylinders when giving full play in complex digging process isimproved by 13% and the maximum complex digging force is improved by 8% after theoptimization on the working device of the excavator with weak digging force, whichproves that the new optimal design method based on synthesis digging is feasible toimprove the digging performance of hydraulic excavator. At last, the interactiveIII 重庆大学硕士学位论文英文摘要optimization software based on synthesis digging method is compiled by Visual Basiclanguage and it will provide a better platform for the research and development ofexcavators.The main contents of this paper are listed as follows: After mechanical analysis and kinematic analysis on the digging characteristicsof hydraulic excavators working device, the mathematical expressions of hinged pointcoordinates and the size of the whole machine digging force are presented by setting upthe mathematical model of the hinge point and forces model of the working device,which provides theoretical basis for digging performance analysis. Compared to some commonly used excavator digging performance analysismethods and the corresponding optimal design methods, modeling idea and feasibilityof a new excavator digging performance analysis method based on synthesis digging areproposed in detail, and then performance analysis and optimization software iscompiled by VB language. Apply the new performance analysis method to a 36t domestic hydraulicexcavator and the benchmarking product, and then compare their digging performanceto verify accuracy of the new performance analysis method, such as the size ofsingle-cylinder digging force on their customary paths, proportion of the diggingcylinder given full play, the size of complex digging force in feasible area andproportion of the complex digging cylinders given full play. A new optimal design method is proposed based on the new diggingperformance analysis method, and its feasibility is verified through applying the designmethod to the weak excavator to develop advanced excavator with better diggingperformance.Keywords: hydraulic excavator, working device, optimal design, synthesis diggingIV 重庆大学硕士学位论文目录目录中文摘要.I英文摘要. III1绪论. 11.1课题研究背景 . 11.2液压挖掘机的研究现状 . 112.1国外挖掘机的研究现状 . 11.2.2国内挖掘机的研究现状 . 31.3单斗液压挖掘机的特点及前景 . 51.4课题研究的目的及主要内容 . 51.4.1课题研究的目的 . 51.4.2课题研究的主要内容 . 62反铲液压挖掘机工作装置运动学和力学基础 . 82.1反铲液压挖掘机工作装置机构特点 . 82.2反铲液压挖掘机工作装置运动学分析 . 102.3反铲液压挖掘机工作装置位置模型建立 . 132.4反铲液压挖掘机工作装置整机挖掘力分析 . 152.4.1力臂的计算 . 152.4.2整机挖掘力模型 . 182.5本章小结 . 223基于组合挖掘的反铲液压挖掘机挖掘性能分析 . 233.1基于作业路径的反铲液压挖掘机挖掘性能分析 . 233.1.1基于作业路径的挖掘力模型 . 233.1.2编程分析 . 263.2基于复合挖掘的反铲液压挖掘机挖掘性能分析 . 263.2.1基于复合挖掘的挖掘力模型 . 263.2.2编程分析 . 293.3基于组合挖掘的反铲液压挖掘机性能分析特点 . 303.3.1基于作业路径的反铲液压挖掘机性能分析特点. 303.3.2基于复合挖掘的反铲液压挖掘机性能分析特点. 323.4本章小结 . 334基于组合挖掘的反铲液压挖掘机工作装置优化设计 . 34V 重庆大学硕士学位论文目录4.1优化设计简介 . 344.1.1优化设计方法的基本概念及应用 . 344.1.2遗传算法简介及优点 . 374.2优化设计的数学模型建立 . 394.2.1设计变量 . 394.2.2约束条件 . 404.2.3目标函数 . 414.3优化实例 . 424.4结果分析 . 434.5本章小结 . 455结论与展望. 475.1研究总结 . 475.2后续工作展望 . 48致谢. 49参考文献. 50附录. 53A.作者在攻读硕士学位期间发表的论文 . 53B.作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目 . 53VI 重庆大学硕士学位论文1绪论1 绪论1.1课题研究背景液压挖掘机是以开挖土方、石方为主要用途的一种通用机械设备，由于具有作业速度快、工作效率高、机动性好、操作轻便等优点，对于加快工程建设速度、降低劳动强度、提高工程质量、降低工程成本具有显著作用，在国民基础建设中发挥重要的作用，例如被广泛应用于交通运输、水利工程、矿山采掘和电力工程等机械施工中1。工程机械的发展史表明，挖掘机的发展在 21世纪进入了爆发期，需求量不断的增加促使挖掘机市场竞争越来越激烈，开发具有良好挖掘性能和较高可靠性、耐久性的挖掘机逐渐成为各液压挖掘机厂商的研发着力点。液压挖掘机的基本组成包括工作装置、回转平台、行走装置、液压系统和动力装置等部分组成，各个基本组成联合作用将液压能转换成机械能以实现挖掘机挖掘作业的完成2。由于挖掘对象和环境复杂多变，基本组成机构相互牵连作用，并且作为一台挖掘机的挖掘性能评价标准尤其是挖掘力、主动油缸充分发挥的比例大小以及工作装置强度的大小直接影响挖掘机作业时工作效率和整机性能，进而影响到整个工程的质量和进度，液压挖掘机的设计质量成为商家抢占市场的关键。为了缩短液压挖掘机的设计周期、提高设计质量以及减少设计成本，计算机辅助设计在挖掘机设计领域越来越受到重视，国内外均在计算机辅助设计时的建模方法、挖掘力求解等方面作了深入的研究3。国内各生产商及高校基于不同平台开发了一些性能分析软件，设计的产品整机挖掘性能显著提高。但是实际使用过程中，国内和国外的两款液压挖掘机在性能分析软件分析的挖掘机挖掘性能相似的情况下，国内挖掘机在挖掘过程中经常出现挖掘力不足、燃油经济性差以及挖掘作业效率低等现象。国内普遍采用的优化设计软件设计出的产品存在种种缺陷，说明优化设计的建模方法不能准确的表达挖掘机实际作业过程中的挖掘性能，为了真正的提高产品的质量，急需寻求一种更加准确的建模方法。本文课题来源于与某挖掘机生产厂家的项目合作，通过运用基于一般 CAE技术以及 VB编程软件等现代设计方法，针对厂家开发的某中型反铲液压挖掘机的工作装置进行挖掘性能分析以及对比国内外同吨位先进机型，以解释说明厂家开发的挖掘机与国外同吨位的先进机型的挖掘性能差距，提供厂家反铲液压挖掘机的挖掘性能改进设计意见，以便提高反铲液压挖掘机的工作效率和经济效益。1.2液压挖掘机的研究现状1.2.1国外挖掘机的研究现状1 重庆大学硕士学位论文1绪论以美国、德国和日本为代表的工业发达国家的液压挖掘机起步较早，技术革新快，产品型号及性能均领先工程机械领域，市场占有率比较高。从 20世纪后期开始，为了适应市场需求，国际上液压挖掘机集中体现出以下四种特点：产品规格上在保持原有主力机型的优点和稳定性基础上着力研究大型挖掘机和微型挖掘机；功能上在满足原有的基本功能，如破碎、挖掘、卸载等，向功能多样化、用途专用化方向发展；产品技术上在保证挖掘性能需求后向节能环保化、信息化、自动化、智能控制化的方向发展；生产制造上提高结构件的强度和使用寿命的同时专业化程度不断提高，具有优势的生产厂商规定的具体零部件维护周期和寿命指标甚至成为行业的生产技术管理标准4。目前国际上知名的挖掘机生产公司主要有 CATERPILLAR、HITACHI、Komatsu、CASE、HYUNDAI等，这些公司的某些先进机型都代表了当今世界的行业领先水平，产品各有所长。韩国的 Choongho Lee，Sangsik Lee等人设计出了一种旋转工作装置以应用于环境恶劣的情况 5；日本的 Masakzu Haga，WatanabeHiroshi等人设计出一种自动控制系统，通过该系统可以自动控制挖掘机工作过程中的挖掘轨迹6；Tadeusz Smolnicki，Damian Derlukiewicz等通过运用有限元分析方法找到了挖掘机各铰点力的加载方法，并对适合此方法的模型进行了描述7；近年来，伴随着液压挖掘机在国家基础建设中发挥着越来越重要的作用，国外液压挖掘机的市场需求量急剧上升，各个生产商为了抢占市场，不断地提高液压挖掘机的挖掘性能，在液压挖掘机的研发工作上投入巨大，主要体现在以下几个方面：加强试验测试。保证满足基本的机械设计理论外，重视试验测试数据分析对挖掘机在实际挖掘过程中的使用经济性和工作可靠性进行验证分析，总结理论设计的缺陷；重视计算机辅助设计技术的应用。基于不同平台开发一系列计算机辅助挖掘机性能分析与优化软件，可以迅速并且准确的分析出样机的挖掘性能，指导改进设计，大大缩短产品的生产周期和缩减产品开发成本；加强液压挖掘机液压系统的研制和改进。控制挖掘力与挖掘阻力合理匹配，保证发动机功率的得到充分有效地利用的同时，节能环保以及系统的稳定性成了追逐的新目标，操作的平滑性直接影响着操作人员的工作环境；创新开发新结构和新材料。伴随着材料等科学技术的发展，各种新型材料和结构形式不断应用在挖掘机生产中，提高挖掘机的整机强度的同时提高挖掘作业的效率，在挖掘机在生产制造方面取得了新的进展和进步。国外液压挖掘机的设计研究工作主要侧重在试验测试研究和计算机辅助技术，实验测试指导设计理论，在挖掘机的实际挖掘过程中充分发挥发动机的功率2 重庆大学硕士学位论文1绪论和工作装置的整机挖掘力是挖掘机改进设计的重点，同时通过正确虚拟样机技术仿真出结构件在挖掘过程中的应力变化，通过采用新的结构形式和新型先进材料来保证预定的挖掘机挖掘性能的基础上尽量提高工作装置的使用寿命。例如，国外许多学者针对挖掘机的挖掘轨迹进行控制，利用计算机技术分析轨迹上的挖掘特性规划出合理的挖掘路径，轨迹规划指导载荷谱的加载，针对工作装置的结构应力和液压系统的压力值变化进行参数化设计，这些研究工作对挖掘机的发展提供积极地影响8,9。同时，结合挖掘机的疲劳断裂学、结构强度分析等有限元技术，国外的学者结合生产上开发自己的软件。例如，澳大利亚墨尔本理工大学的Ghabraie，K和Xie Y.M.等人运用ESO法对地下挖掘机的结构形状进行了优化10；国立大学的Lee, M.C等人建立了液压缸的三维模型，对液压缸进行了有限元分析，并与实验结果进行比较分析11；英国帝国理工学院的Potts,D.M，Zdravkovic等人建立了挖掘机三维有限元模型，并进行了分析12；意大利的 SERWACH ANDRZEJ，JABIKOWSKI等人对挖掘机液压系统进行了参数优化分析和研究。1.2.2国内挖掘机的研究现状国内挖掘机的研究和生产制造相对与国外起步较晚，1954年抚顺挖掘机厂仿制出前苏联第一台 1m3的单斗机械式挖掘机，自主挖掘机研发工作正真是从 1976年开始的，至今伴随着液压挖掘机市场的不断壮大，国内的挖掘机发展史大体上经历了测绘模仿、自主研制开发和发展提高等三个阶段 13-15。目前从国内市场占有率总体分布上来说，国外的挖掘机在我国的挖掘机市场还是占据主导地位，自主品牌的挖掘机销量在不断地增加，某些机型的挖掘性能和工作效率已接近世界领先水平。但是，国内挖掘机研发人员清楚地认识到挖掘机的研发中心和关键零部件生产中心不在中国，在核心技术研究和掌握方面层层推进，结合中国国情和市场不断缩短国内与国外的挖掘机质量差距。近年来，我国自主品牌的挖掘机产品在市场竞争力上一步步增强，市场占有率也在追赶国外先进机型。客观上，伴随着挖掘机在国家基础建设中发挥的作用越来越大，计算机辅助设计技术在工程机械领域不断拓展，市场上挖掘机的核心竞争力集中在高品质、高效率并且低耗能。因此，面对机遇和挑战当前国内挖掘机行业急需研发拥有自主知识产权的核心技术以及提高设计和制造水平发展高性能液压挖掘机 16。虽然我国的挖掘机行业起步较晚、发展曲折，不过我国不断加大的基础设施投入激励着工程机械领域迅速发展，作为工程机械的排头兵挖掘机的发展得到国内科研机构、高等院校以及厂家企业大力支持，国内对挖掘机不断地深入研究使得挖掘机行业跨越式的发展和提高。目前国内较典型的挖掘机有柳工集团的 CLG220LC液压挖掘机、山河智能 SWE50E小型挖掘机、太重集团的 27m3大型矿用挖掘机、三一 SY230F正流量液压挖掘机等。通过引进吸收国外先进技术，国内挖掘机从弱小3 重庆大学硕士学位论文1绪论行业不断发展壮大，以三一重工和徐工为代表的工程机械生产企业发展异常迅速，国内挖掘机生产厂家达到 20家，机型达到了 30种以上17。中国已经成为世界上挖掘机市场最大的国家，也是世界挖掘机的制造中心，但是相对于国外先进的研发和生产技术，国内的挖掘机挖掘性能仍然相对落后。总结国内外挖掘机行业的差距，国内挖掘机行业正在努力解决以下几个重点问题：积极培养和引进人才，加强产学研的紧密结合，研发拥有自主产权的核心技术，提高企业的研发能力和产品的竞争能力。大力开发挖掘机的专用设计软件，将各种先进的设计理论和方法应用于液压挖掘机的设计和试验研究中。注重试验研究，着眼于提高产品的可靠性、使用经济性、操作安全性和维护便利性，以保证产品的质量和性能。积极研发和采用高效节能、减少环境污染的新技术，如发动机功率匹配的充分利用以及发动机与液压系统的最佳匹配问题，提高液压系统的效率问题以及能量回收问题等高效节能问题。着眼于挖掘机的多功能化和专业化，以扩大挖掘机的使用范围并满足特殊场合使用要求。跟踪外国先进技术，规划远期目标，实现跨越式发展。挖掘机机构复杂，涉及学科多，国内众多学者做了大量的研究工作，在挖掘机基础理论研究以及试验测试两个方面都取得了显著的成就。浙江大学的任友良针对液压缸对工作装置动态性能影响和考虑销轴接触影响下，深入研究了液压挖掘机工作装置的结构性能 18；同济大学的朱红妹利用计算机辅助设计方法，进行了在挖掘机整个作业区域挖掘性能分析和挖掘力变化特性分析计算，开发了相应的软件19；中南大学的周宏兵、胡雄伟利用仿真软件 ADAMS以及虚拟样机技术，对反铲液压挖掘机工作装置进行相关力学性能分析和优化设计 20,21；太原科技大学的史青录、连晋毅等开发的挖掘机分析软件 EXCA（10.0）可对反铲液压挖掘机工作装置、反铲轮胎挖掘机工作装置及挖掘装载机的悬挂式反铲工作装置进行几何结构设计、机构运动仿真及构件受力分析，可进行挖掘作业性能分析、最大挖掘力确定、整机稳定性分析、最不稳定姿态确定、起重作业分析及破碎作业分析22重庆大学陈进教授等在分析挖掘机挖掘性能的基础上，利用自主开发的基于 VB的液压挖掘机反铲工作装置优化设计软件，对反铲液压挖掘机在主挖区内的可行；挖掘角度区域（即可行域）内的挖掘性能进行了整体优化 23；另外，三一重工股份有限公司的李献杰、李作浩等在推导和分析液压挖掘机工作装置运动轨迹和受力规律的基础上，开发了工作装置挖掘性能可视化软件，该软件可快速准确地描绘出工作装置挖掘范围，并且该软件绘制的挖掘力云图可直观描述挖掘机在某一区域的挖掘性能24。4 重庆大学硕士学位论文1绪论1.3单斗液压挖掘机的特点及前景单斗挖掘机在破碎、挖掘和装载土石作业中操作方便、工作效率高以及大大的减小工程量，所以单斗挖掘机广泛应用在水电建设、建筑工程等国防基础建设中。单斗挖掘机根据传动形式的不同分为机械式和液压式两种，两种挖掘机各具特点：机械传动式挖掘机的发动机通过齿轮和链轮等机械传动件带动铲斗挖掘作业，目前机械式挖掘机主要应用在矿山等局部作业量较大的地方；液压式挖掘机发展迅速，市场占有量大，发动机通过液压元件带动铲斗挖掘作业，应用广泛。本文主要是研究单斗液压反铲液压挖掘机，工作装置通过动臂、斗杆和铲斗三组工作油缸将液压能转换为机械能，铲斗的运动轨迹由三组油缸的伸缩运动决定，主要完成停机面以下的作业对象挖掘作业。液压单斗挖掘机相对于机械式单斗挖掘机，在挖掘性能、经济和技术指标上具有明显的优势，液压挖掘机发展重心在于提高整机的挖掘性能和传动系统的传动效率，已达到更高的挖掘力以及最高的能源使用率。除此之外，目前国外许多发达国家追求挖掘机的作业对象的多样性，节约成本；实现零部件的标准化和模块化生产，以保证零部件的使用寿命；充分发挥计算机技术在挖掘过程中的检测和控制作用，实现机电液一体化；发动机与液压系统、液压系统与挖掘阻力的合理匹配，提高能源利用率，减少对环境的污染；在研发过程中充分考虑人体工程学，改善操作人员的工作环境 25。液压挖掘机将不断向大型化、微型化和智能化发展，随着我国基础建设的加快，作业对象的多样化，具有高挖掘性能、高可靠性以及安全性的挖掘机将成为不可或缺的作业工具，为我国的现代化建设发挥巨大的作用。1.4课题研究的目的及主要内容1.4.1课题研究的目的反铲液压挖掘机工作装置设计的数据繁多，计算复杂，经验设计、类比法设计等传统的设计方法产品开发周期长、创新不足，计算机辅助优化设计已成为行业内设计人员的首选。在挖掘机设计过程中，国内很多优秀企业已经摆脱传统的经验设计束缚，采用先进的基于虚拟样机技术的液压挖掘机性能分析方法 26。国内针对液压挖掘机的挖掘性能分析方法主要有两类：其一，建立完挖掘机的数学模型以后，对挖掘机进行运动学和动力学建模，选取挖掘机几个特殊工况进行性能评估，包括挖掘力大小及其整机挖掘力发挥受限制因素 27；其二，同样建模完成以后，根据动臂油缸、斗杆油缸以及铲斗油缸的分级，针对挖掘区域内部的有限数量工作姿态进行挖掘性能评估，包括最大挖掘力的大小、平均挖掘力的大小5 重庆大学硕士学位论文1绪论以及各整机挖掘力发挥受限制因素所占比例 28。对应的，液压挖掘机工作装置的优化设计有三中路径：其一，基于挖掘区域内的离散挖掘点，统计挖掘机的挖掘性能参数，利用图谱叠加原理对挖掘机工作装置