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毕业设计(论文)题 目 履带式液压单斗挖掘机三维建模与仿真 学院名称 指导教师 职 称 班 级 学 号 学生姓名 2012年 6 月 2 日毕业设计(论文)任务书学 院： 机械工程学院 题 目：履带式液压单斗挖掘机三维建模与仿真 起止时间： 2011年12月 28日 至 2012年6月2日学 生 姓 名： 专 业 班 级： 指 导 老 师： 教研室主任： 院 长： 2011年 12 月 28 日1. 毕业设计（论文）的主要内容与要求：履带式液压单斗挖掘机三维建模与仿真。液压挖掘机是一种重要的工程机械，广泛应用于房屋建筑、筑路工程、水利建设、农林开发、港口建设、国防工事等的土石方施工和矿山采掘工业中，对减轻繁重的体力劳动、保证工程质量、加快建设速度、提高劳动生产率起着十分巨大的作用。通过对履带式液压单斗挖掘机三维建模与仿真，以Pro/E等软件来进行挖掘机的结构设计及运动仿真，在对挖掘机的结构设计前要通过查阅、整理资料、实地考察、综合运用软件分析等一系列研究方法进行整合，结合实际情况制定实用的设计方案。掌握挖掘机的设计及运动仿真的方法和过程，任务执行者必须根据任务要求严格执行，同时鼓励提出异议、有所创新。综合所学知识，查阅相关资料及产品样本，掌握最新发展动态；设计的产品应符合目前技术发展水平，鼓励采用新技术、新思想。通过本设计能达到以综合训练为目的，有利于培养学生独立工作能力，巩固和提高所学知识。2毕业设计（论文）的具体工作内容：1）履带式液压单斗挖掘机的技术参数：整机质量：6000kg ；标准斗容量：0.25m3； ；发动机功率：60kW； 铲斗宽度：800mm 最大挖掘深度：3500mm ； 最大挖掘深度：5800mm；最大挖掘半径：6000mm ； 最大卸载高度：3600mm ； 液压系统工作压力：28Mpa； 最大流量：63x2L/min ； 爬坡度：27.8最大牵引力：48kN；最大行走速度：5km/h ；最低行走速度：3km/h ；外形尺寸（长x宽x高）：7800x2100x2620 mm。2）构建履带式液压单斗挖掘机三维模型，设计计算机动画制作通用过程； 3）对履带式液压单斗挖掘机进行各部件设计的与仿真，生成挖掘机工程图；4）图纸要求：履带式液压单斗挖掘机安装三维图0#号1张；液压挖掘机的各零部件结构三维图共合计0#号图纸3张。5）毕业设计说明书的字数不少于2万字，文字要通顺、语言流畅。译文3000汉字。3. 设计（论文）研究方法及步骤（进度安排）： 2011.12.282011.1.12 调研、资料收集、外文翻译、开题报告。2012.2.122012.2.16 履带式液压单斗挖掘机运动原理分析。2012.2.172012.3.17 履带式液压单斗挖掘机各部件设计，2012.3.182012.4.18 履带式液压单斗挖掘机各部件运动仿真。2012.4.192012.5.18 生成挖掘机工程图。2012.5.192012.5.20 撰写设计说明书。2012.5.212012.6.2 设计总结，整理设计资料，准备答辩。 4.主要参考文献【1】 雷天觉. 液压工程手册. 机械工业出版社.1990【2】 徐绳武. 柱塞式液压泵. 机械工业出版社.1985【3】 闻德生. 斜盘型开路式轴向柱塞泵. 机械工业出版社.1993【4】 濮良贵. 机械设计. 高等教育出版社.2001【5】 那成烈. 轴向柱塞泵可压缩流体配流原理.兵器工业出版社.2003【6】 关醒凡. 泵的理论与设计. 机械工业出版社.1987【7】高翔,等.一种新型内曲线式径向柱塞泵的设计. 武汉:海军工程大学,2004【8】 孔庆华、刘传绍.极限配合与测量技术基础.同济大学出版社.2002【9】 徐灏. 机械设计手册. 机械工业出版社.1995【10】朱龙根. 简明机械零件设计手册. 机械工业出版社.1997 【11】何存兴,等.液压传动与气压传动.武汉:华中科技大学出版社,2000【12】席琼,杨胜强;基于Pro/E的机械动态仿真研究J;机械管理开发;2005年02期【13】谢红,施炜;用SolidWorks计算机软件进行装配体三维设计J;机械设计与制造;2002年01期【14】刘宏军,赵红,翟斌;机械产品的CAD/CAM应用及三维造型技术J;机械设计与制造;2004年01期【15】邓志滔;面向工业设计的铣刨机三维建模及运动仿真D;四川大学;2005年指导老师：年 月 日南华大学本科生毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目履带式液压单斗挖掘机三维建模与仿真设计（论文）题目来源自选课题设计（论文）题目类型工程设计类起止时间2011.12.28-2012.6.2一、 设计（论文）依据及研究意义：设计依据：液压挖掘机是一种重要的工程机械，广泛应用于房屋建筑、筑路工程、水利建设、农林开发、港口建设、国防工事等的土石方施工和矿山采掘工业中，对减轻繁重的体力劳动、保证工程质量、加快建设速度、提高劳动生产率起着十分巨大的作用。根据国际及国内外液压挖掘机的发展形势，我们更应该对它进行不断的创新与优化。从20世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展：1)开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机；2)迅速发展全液压挖掘机，不断改进和革新控制方式，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵和电气控制、无线电遥控、电子计算机综合程序控制；3)重视采用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通用化发展速度；4)更新设计理论，提高可靠性，延长使用寿命；5)加强对驾驶员的劳动保护，改善驾驶员的劳动条件；6)迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。研究意义：和其它挖掘机一样将给人类带来诸多方便，能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，还能在农业中得到使用。能适应恶劣的野外工作环境，它在减轻繁重的体力劳动，保证工程质量的前提下，在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。而且还就具有节约能源的特点，从而使系统发热减少、燃油消耗降低、公害噪声减小、系统设备可靠性提高、液压元件的寿命增长等好处，也可大大节约作业成本和设备维修费用，将会受到广大施工作业单位的青睐。通过对履带式液压单斗挖掘机三维建模与仿真，以CATIA(V5R20)等软件来进行挖掘机的结构设计及运动仿真，在对挖掘机的结构设计前要通过查阅、整理资料、实地考察、综合运用软件分析等一系列研究方法进行整合，结合实际情况制定实用的设计方案。掌握挖掘机的设计及运动仿真的方法和过程，任务执行者必须根据任务要求严格执行，同时鼓励提出异议、有所创新。综合所学知识，查阅相关资料及产品样本，掌握最新发展动态；设计的产品应符合目前技术发展水平，鼓励采用新技术、新思想。通过本设计能达到以综合训练为目的，有利于培养学生独立工作能力，巩固和提高所学知识。二、 设计（论文）主要研究的内容、预期目标：（技术方案、路线）主要研究内容：1、履带式液压单斗挖掘机机械的基本原理与基本构造；2、履带式液压单斗挖掘机的三维造型，包括各个零件、部件及总装；3、履带式液压单斗挖掘机的运动仿真及动画的制作；4、履带式液压单斗挖掘机实际运动过程及人机工程模拟。预期目标：据查阅相关资料、实地考察等方式了解该设计的基本原理、构造、特征等 - 针对各个部件进行设计并改进 - 各部件软件分析（如有限元分析）- 履带式液压单斗挖掘机运动仿真、检查问题并改进 - 生成该挖掘机工程图- 撰写设计说明书。三、设计（论文）的研究重点及难点：研究重点：1、原理剖析；2、各部件及总装的三维建模与仿真；3、工程图。研究难点：1、履带式液压单斗挖掘机实际运动人机工程模拟设计，如人体上或下机舱时与机身的碰撞或接触的分析。2、履带式液压单斗挖掘机各部件间运动的仿真，几个部件联系运动时动画的制作比较困难。四、 设计（论文）研究方法及步骤（进度安排）：2011.12.282011.01.12 调研、资料收集、外文翻译、开题报告，2012.02.122012.02.16 履带式液压单斗挖掘机运动原理分析，2012.02.172012.02.29 履带式液压单斗挖掘机工作装置的设计，2012.03.012012.03.06 履带式液压单斗挖掘机行走装置的设计，2012.03.072012.03.12 履带式液压单斗挖掘机回转装置的设计，2012.03.132012.03.17 履带式液压单斗挖掘机其他部分的设计，2012.03.182012.03.25 履带式液压单斗挖掘机工作装置运动仿真，2012.03.262012.03.31 履带式液压单斗挖掘机回转装置运动仿真，2012.04.012012.04.06 履带式液压单斗挖掘机行走装置运动仿真，2012.04.072012.04.18 履带式液压单斗挖掘机其他部分运动仿真，2012.04.192012.05.18 生成挖掘机部分部件及总装工程图，2012.05.192012.05.25 撰写设计说明书，2012.05.262012.06.02 设计总结，整理设计资料，准备答辩。五、 进行设计（论文）所需条件：1、 相关参考资料：借阅的文献书籍报刊等；2、 三维软件：CATIA、Solidworks2012；二维绘图软件：AutoCAD；3、 曾参加的重要相关竞赛:全国三维数字化创新设计大赛。六、 指导教师意见：签 名： 年 月 日 南华大学机械工程学院毕业设计（论文）履带式液压单斗挖掘机三维建模与仿真摘要：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。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。 履带式液压单斗挖掘机三维建模与仿真设计的主要任务，是完成液压挖掘机主要参数如斗容量、整机质量、作业性能及尺寸参数等的确定及挖掘机工作装置、行走装置、回转装置、液压系统的选型和驾驶室的设计并在此基础上完成对此机械的基本动作仿真。 本次设计采用Solidworks2012软件建立了液压挖掘机整机的实体模型，并对其运动仿真。利用CAD软件绘出液压挖掘机铲斗挖掘范围包络图，对工作装置各组件进行分析，并以此为根据确定液压油缸的行程及铰点布置。在驾驶室的设计中，利用CATIA人机工程学模块对座椅的结构、操纵杆的布置进行设计。关键词：挖掘机； 工作装置； 回转装置；仿真 i南华大学机械工程学院毕业设计（论文）Crawler hydraulic single-bucket excavator 3D modeling and motion simulationAbstract: The hydraulic excavator is a versatile machinery, is widely used in water conservancy, transportation, power engineering, and of mining machinery construction, it is in reducing the heavy manual labor to ensure project quality. Accelerate the construction of speed and improve labor productivity plays an important role. Hydraulic excavator has the characteristics of multi-species, multi-functional, high quality and high efficiency, so by the majority of construction operations units of all ages. Production and manufacturing of hydraulic excavators are also increasingly flourish. Single bucket of crawler hydraulic excavator 3D modeling and simulation design task is the completion of the main parameters of the hydraulic excavator, such as bucket capacity, the whole quality, operating performance and size parameters to determine and excavator working device, running gear, rotarycompletion of the basic movements of this mechanical simulation, hydraulic system selection and design of the cab and on this basis. The design uses Solidworks2012 software to build a solid model of the hydraulic excavator machine and motion simulation. Use of CAD software to draw hydraulic excavator shovel digging reach envelope diagram, analyze the various components of the working device, and arranged according to the itinerary to determine the hydraulic cylinder and hinge point. CATIA ergonomic module structure on the seat in the cab design, the layout of the joystick design.Key words: Excavators; work device; rotary device; Motion simulation ii 南华大学机械工程学院毕业设计（论文）目 录1 绪论21.1 课题背景及目的21.2 研究意义 21.3 国内部分学者在挖掘机设计方面的工作32 履带式液压单斗挖掘机的基本结构与工作原理 5 2.1 设计基本组成部分52.2 液压挖掘机基本工作原理53 液压挖掘机工作装置的设计7 3.1 该设计基本参数7 3.2 液压挖掘机工作装置的工作原理7 3.3 液压挖掘机工作装置主要参数的确定8 3.4 动臂113.5 斗杆12 3.6 铲斗12 3.7 动臂液压缸的设计133.8 斗杆液压缸的设计15 3.9 铲斗液压缸的设计163.10 挖掘范围17 3.11 工作装置的仿真工作184 液压挖掘机回转装置的设计 214.1 回转支承装置 214.2 回转传动装置 264.3 回转运动分析 285 液压挖掘机行走装置的设计 305.1 行走装置的介绍305.2 行走装置的设计与仿真336 液压挖掘机驾驶室的设计346.1 驾驶室的总体设计要求346.2 驾驶室座椅的设计要求346.3 操作装置的布置要求347 液压挖掘机整机的运动仿真分析36参考文献 37谢辞38谢辞39iv南 华 大 学毕业设计(论文)综述报告题 目 履带式液压单斗挖掘机三维建模与仿真 学院名称 机械工程学院 指导教师 李岚 职 称 教授 班 级 机械085班 学 号 20084410504 学生姓名 石文利 2012年 01 月 10 日1. 本设计（课题）研究的目的和意义目的：1、通过对本课题设计前查阅有关履带式液压单斗挖掘机相关资料、整理资料、实地考察、综合运用软件分析等系列研究掌握挖掘机的基础知识。如：挖掘机的分类按驱动方式：有内燃机驱动挖掘机和电力驱动挖掘；按行走方式的不同，有履带式挖掘机和轮式挖掘机；按传动方式的不同，液压挖掘机和机械挖掘机；按用途来分，分为通用挖掘机，矿用挖掘机，船用挖掘机，特种挖掘机；按铲斗来分，分为正铲挖掘机、反铲挖掘机拉铲挖掘机和抓铲挖掘机。并在此基础上有所创新，如：小型挖掘机性能方面的要求 (1)改进挖掘机可控性和控制精确性以及复合动作。(2)简化液压系统、降低成本，达到大作业量与低油耗的动态平衡。(3)改进工作可靠性。(4)改进驾驶操作舒适性及降低劳动强度，提高单位生产率。(5)改进操作安全性。(6)低振动、低噪音适用生活区工作等。研究时尽量在此方面有所突破。 2、通过用三维软件对此设计的三维建模与仿真，进一步的深化建模与仿真的相关知识，并在建模与仿真过程中详细综合分析此挖掘机的各个方面。 意义：和其它挖掘机一样将给人类带来诸多方便，能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，还能在农业中得到使用。能适应恶劣的野外工作环境，它在减轻繁重的体力劳动，保证工程质量的前提下，在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。而且还就具有节约能源的特点，从而使系统发热减少、燃油消耗降低、公害噪声减小、系统设备可靠性提高、液压元件的寿命增长等好处，也可大大节约作业成本和设备维修费用，将会受到广大施工作业单位的青睐。2. 本设计（课题）国内外研究历史与现状（总结国内外典型的研究成果、专利）国外挖掘机发展基本状况：第一台手动挖掘机问世至今已有130多年的历史，期间经历了由蒸汽驱动半回转挖掘机到电力驱动和内燃机驱动全回转挖掘机，应用机电液一体化技术的全自动液压挖掘机的逐步发展过程。 由于液压技术的应用，20世纪40年代有了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式挖掘机，20世纪50年代初期和中期相继研制出了拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压挖掘机，初期试制的液压挖掘机是采用飞机和机床的液压技术，缺少适用于挖掘机各种工况的液压元件，制造质量不够稳定，配套件也不齐全。从20世纪60年代起，液压挖掘机进入推广和蓬勃发展阶段，各国挖掘机制造厂和品种增加很快，产量猛增。19681970年间，液压挖掘机产量已占挖掘机总产量的83%，目前已接近100%。 工业发达国家的挖掘机生产较早，法国、德国、美国、俄罗斯、日本等是斗容量3.5-40 m3单斗液压挖掘机的主要生产国，从20世纪80年代开始生产特大型挖掘机。例如，美国马利昂公司生产的斗容量50-150 m3的剥离用挖掘机，斗容量132 m3的步行式拉铲挖掘机；B-E公司生产的斗容量168.2 m3的步行式拉铲挖掘机，斗容量107 m3的剥离用挖掘机等，是世界上目前最大的挖掘机。 从20世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展。 1)开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。为满足市政建设和农田建设的需要，国外发展了斗容量在0.25 m3以下的微型挖掘机，最小的斗容量仅0.01 m3。另外，数量最多的中、小型挖掘机趋向于多功能，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、铰盘及拉铲等，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，如低噪声、水下专用和水陆两用挖掘机等。 2)迅速发展全液压挖掘机，不断改进和革新控制方式，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵和电气控制、无线电遥控、电子计算机综合程序控制。在危险地区或水下作业采用无线电操纵，利用电子计算机控制接收器和激光导向相结合，实现挖掘机作业操纵的完全自动化。所有这一切，挖掘机的全液压化为其奠定了基础和创造了良好前提。 3)重视采用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通用化发展速度。例如，德国阿特拉斯公司生产的挖掘机装有新型的发动机转速调节装置，使挖掘机按最适合其作业要求的速度来工作；德国奥加凯(O&K)公司生产的挖掘机的油泵调节系统具有合流特性，使油泵具有最大的工作效率；日本神钢公司在新型的904.905.907.909型液压挖掘机上采用智能型控制系统，即使无经验的驾驶员也能进行复杂的作业操作；德国利勃海尔公司开发了ECO(电子控制作业)的操纵装置，可根据作业要求调节挖掘机的作业性能，取得了高效率、低油耗的效果。 4)更新设计理论，提高可靠性，延长使用寿命。美、英、日等国家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，研制了可靠性信息处理系统。在上述基础理论的指导下，借助于大量试验，缩短了新产品的研究周期，加速了液压挖掘机更新换代的进程，并提高其可靠性和耐久性。例如，液压挖掘机的运转率达到85%95%，使用寿命超过1万小时。 5)加强对驾驶员的劳动保护，改善驾驶员的劳动条件。液压挖掘机采用带有坠物保护结构和倾翻保护结构的驾驶室，安装可调节的弹性座椅，用隔音措施降低噪声干扰。 6)迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。20世纪70年代，为了节省能源消耗和减少对环境污染，使挖掘机的操作轻便和安全作业，降低挖掘机噪音，改善驾驶员工作条件，逐步在挖掘上应用电子和自动控制技术。随着对挖掘机的工作效率、节能环保、操作轻便、安全舒适、可靠耐用等方面性能要求的提高，促使了机电液一体化在挖掘机上的应用，并使其各种性能有了质的飞跃。20世纪80年代，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应用和推广，并已成为挖掘机现代化的重要标志。 7)更注重环境保护，CAT、小松等厂家纷纷推出满足三次排放要求的挖掘机。国内挖掘机发展状况：中国的挖掘机生产起步较晚，从1954年抚顺挖掘机厂生产第一台斗容量为1m³的机械式单斗挖掘机至今，大体上经历了测绘仿制、自主研制开发和发展提高等三个阶段。 新中国成立初期，以测绘仿制前苏联20世纪3040年代的W501.W502.W1001.W1002等型机械式单斗挖掘机为主，开始了中国的挖掘机生产历史。由于当时国家经济建设的需要，先后建立起十多家挖掘机生产厂。1967年开始，中国自主研制液压挖掘机。早期开发成功的产品主要有上海建筑机械厂的WYl00型、贵阳矿山机器厂的W4-60型、合肥矿山机器厂的WY60型挖掘机等。它们为中国液压挖掘机行业的形成和发展迈出了极其重要的一步。 到20世纪80年代末，中国挖掘机生产厂已有30多家，生产机型达40余种。中、小型液压挖掘机已形成系列，斗容有0.12.5 m³等12个等级20多种型号，还生产0.5-4.0m³以及大型矿用10m³、12m³机械传动单斗挖掘机等，但总的来说，中国挖掘机生产的批量小、分散，生产工艺及产品质量等与国际先进水平相比，有较大的差距。 改革开放以来，积极引进、消化、吸收国外先进技术，以促进中国挖掘机行业的发展。其中贵阳矿山机器厂、上海建筑机械厂、合肥矿山机器厂、长江挖掘机厂等分别引进德国利勃海尔公司的A912.R912.R942.A922.R922.R962.R972.R982型液压挖掘机制造技术。稍后几年，杭州重型机械厂引进德国德玛克公司的H55和H85型液压挖掘机生产技术，北京建筑机械厂引进德国奥加凯(0&K)公司的RH6和MH6型液压挖掘机制造技术。与此同时，还有山东推土机总厂(其挖掘机生产基地改名为山重建机有限公司，包括STRONG和JCM两个品牌)、黄河工程机械厂、江西长林机械厂、山东临沂工程机械厂等联合引进了日本小松制作所的PC100、PC120.PC200、PC220.PC300、PC400型液压挖掘机(除发动机外)的全套制造技术。这些厂通过数年引进技术的消化、吸收、移植，使国产液压挖掘机产品性能指标全面提高到20世纪80年代的国际水平，产量也逐年提高。由于国内对液压挖掘机需求量的不断增加且多样化，在国有大、中型企业产品结构的调整，牵动了一些其他机械行业的制造厂加入液压挖掘机行业。 3. 目前存在的主要问题1、机械手连杆机构最具体计算；2、挖掘机吨位要求相对各机构的详细要求；3、履带能否拆分为二；4、挖掘机行走装置的具体运动仿真。 4. 本设计（课题）拟解决的关键问题和研究方法1、拟解决共振问题的措施：降低振动源振幅并加强隔振系统的隔振能力。挖掘机机架和驾驶室振动的来源是发动机，改变刚性机架的频率可使发动机的隔振措施