挖掘机毕业论文

1、分类号 密级 UDC 学位论文大型矿用机械式挖掘机工作装置参数的优化设计 作 者 姓 名：康晶晶指 导 教 师：林贵瑜 高素荷东北大学机械工程与自动化学院太原重型机械（集团）有限公司技术中心申请学位级别：硕 士学科类别：工 学学科专业名称：机械设计及理论论文提交日期：2008年2月论文答辩日期：2008年3月学位授予日期：2008年3月答辩委员会主席：评 阅 人：东 北 大 学2008年3月A Dissertation in Mechanical Design and Theory The Design of Parameter Optimization on the Working Devi

2、ce of Mining large mechanical excavatorBy Kang JingjingSupervisor: Lin Guiyu Gao SuheNortheastern UniversityMarch 2008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己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：日 期：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

3、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。（如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。）学位论文作者签名： 导师签名：签字日期： 签字日期96东北大学硕士学位论文 摘要大型矿用机械式挖掘机工作装置参数的优化设计摘 要大型机械式挖掘机在目前国际国内的矿山开采及工程施工中得到了广泛的应用，大型挖掘机的性能和水平代表了一个国家的工业水平和科学技术水平，所以有必要采用可靠的设计方法设计挖掘机的工作参数，进而提高挖掘机设计水平、产品质量、效率和竟争能力。工作

4、装置部分是挖掘机工作的主要执行机构，所以工作装置部分的参数优化对总体设计起着至关重要的意义。论文的基本思想是根据采掘工艺，基于挖掘轨迹的思想，从多种不同的料堆形状出发推导挖掘轨迹，建立数学模型，确定目标函数，运用一种可靠的优化方法进行优化计算设计。从铲斗开始逐一推导工作装置各个部件之间的几何关系，针对不同的料堆边界条件，建立优化数学模型和目标函数；对工作装置进行运动学分析，优化计算推压速度与提升速度之比；选用混合罚函数调用鲍威尔方法，用语言编写优化设计程序进行多目标和单目标优化计算；根据边界条件确定合理的挖掘厚度，与优化结果中的挖掘厚度做比较；最后对动臂和斗杆合理断面的确定进行了尝试性的设计原

5、理研究。挖掘机工作装置部分的参数优化针对大型机械式挖掘机，开发出了具有自己知识产权的大型矿用挖掘机工作装置部分的参数优化设计软件，并具有普遍指导意义，为后续设计工作做准备，使设计具有延展性和继承性。关键词：优化设计； 大型挖掘机； 工作装置； 设计原理研究东北大学硕士学位论文 AbstractAbstractHeavy mechanical excavators in the current international and domestic mining and engineering construction has been widely used，and heavy excavato

6、rs level of performance represents a national industrial standards and scientific and technological level. Therefore, we need a reliable method to the design of the work of excavators design parameters, and to improve excavator design standards, product quality, efficiency and competitive ability.Th

7、is paper is about the optimized design of large mining excavators working device parts ,and the working device parts is a main part of the excavator executing agency, so the parameter optimization design on the working device parts plays a vital significance.The basic idea of this paper is based on

8、the design of mining trajectory according to mining technology, from the shape of material pile to educe the mining trajectory and get a mathematical model to determine a multi-objective function with a reliable method to optimize the design. Based on the working environment of the ore heap after th

9、e bursting to establish the mining trajectory describing the bucket sharp trajectory to determine material pile angle and other boundary conditions; For different material pile boundary conditions, from the bucket to educe the geometric relations between the various component working devices, as wel

10、l as mathematical models and optimization objective function; Working on the device kinematics analysis; Selecting the mixed penalty function calling Powell methods, and using computer language to the optimized design among the optimization process; According to the optimized results to get a ration

11、al mining thickness; Finally, working on the design principle study about the determination of reasonable cross-sections of the arm and handle.For heavy mechanical excavators, the parameter optimization design on the working device parts has developed with its own intellectual property rights of lar

12、ge mining excavators working device part of the system design parameter optimization software, and with universal significance for the design work to prepare for the follow-up scalability and inheritance design.Keywords: optimized design ;heavy excavator ;the working device; design principle 东北大学硕士学

13、位论文 目录目录独创性声明摘 要Abstract目录第一章 绪论11.1国内外研究现状、发展动态11.1.1国外研究现状11.1.2国内发展状况21.2优化设计的必要性及优化方法的选择31.3课题来源、选题依据和背景情况31.4课题研究目的31.5研究工作的思路、主要研究内容及解决的关键技术41.5.1研究工作的思路41.5.2主要研究内容41.5.3解决的关键技术41.6采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析41.6.1采取的研究方法41.6.2技术路线及实施方案4第二章 优化设计的准备工作62.1 优化过程的数学模型：62.1.1 优化设计变量的确定62.1.2 优化过程中间变量的

14、确定72.2优化后有效力、平均速度的计算272.2.1有效力的计算272.2.2平均速度的计算28第三章 优化设计的模型及优化结果293.1设计变量的确定293.2目标函数的确定303.2.1 后角差最小303.2.2提升钢丝绳与斗杆中心线之间夹角最大313.2.3功损耗最小313.3总目标函数表达式323.3.1 多目标优化设计323.3.2 单目标优化设计343.4确定约束条件353.4.1 设计变量约束353.4.2 挖掘性能约束353.4.3 等式约束363.5优化方法及编程语言373.6多目标优化结果403.6.1 料堆坡角= 40°50°力的结果403.6.2

15、料堆坡角= 55°65°力的结果403.6.3 料堆坡角= 70°力的结果413.6.4 料堆坡角= 75°力的结果413.6.5料堆坡角= 40°50°速度结果513.7 单目标优化结果553.7.1料堆坡角= 55°力的结果553.7.2料堆坡角= 55°速度结果573.8 小结58第4章 机械式挖掘机挖掘厚度的确定624.1 准备工作624.1.1 挖掘体积的确定624.1.2 挖掘厚度的确定634.2 挖掘厚度实例计算与分析654.2.1 边界及初始条件：654.2.2 不同初始角0与k、的对应关系654.

16、2.3 最大挖掘厚度cmax的确定664.3 小结68第5章 动臂及斗杆合理断面的确定695.1力学模型695.1.1强度要求与刚性要求的关系695.1.2 梁自重的函数表达式705.2 实例计算745.2.1 基本数据1745.2.2 动臂的长度和高度的确定755.2.3 箱型梁高的鲁棒性765.2.4 动臂宽度的确定785.2.5 基本数据2815.3斗杆的截面设计855.3.1已知数据855.3.2假设条件及计算结果865.4扭转筒的计算875.5 小结88第6章 结论与展望896.1 结论896.2 展望90参考文献91致谢93东北大学硕士学位论文 绪论第一章 绪论1.1国内外研究现状

17、、发展动态近年来矿用挖掘机发展的一个突出特点，是继续向大斗容发展1，使设备进一步大型化。1.1.1国外研究现状国外挖掘机的发展以美国为最快2，不论从斗容量、品种、产量、技术水平、可靠性等，美国皆居领先地位。美国制造大型单斗挖掘机，主要有三大厂商：哈尼斯费格公司、简称为P&H公司，布比塞路斯伊利公司、简称B-E公司，马力昂动力铲公司。三家公司产品遍布世界各国。三家公司制造的挖掘机代表了美国和世界先进技术水平。P&H公司生产的挖掘机从小到大斗容量皆有产品，从P&H1400到P&H5700，它们的斗容积由3.5到40。到1983年，P&H2300已生产出115

18、台；P&H2800生产了81台。P&H4100、P&H5700已应用到露天采矿作业中。近年来，国外大型矿用挖掘机发展的共同特点是把最先进的冶金和机械制造技术以及电子技术应用到他们最新系列的挖掘机上。随着应用计算机辅助设计和对高度复杂的疲劳应力状态的分析等方面的发展，致使大型矿用挖掘机不断得到改进和发展，结构更加合理、坚固，效率更高。为此目的如前所述美国三家公司所采取的措施几乎是相同的。1. 充分利用计算机进行优化设计，合理的确定工作装置的尺寸，使铲斗挖掘力增大，如Marion公司使挖掘机铲斗在不同的挖掘位置上都具有足够的切削力；而P&H公司近年来推出的大型矿用挖

19、掘机则从增加起重臂上段长度，减小斗杆的长度来提高铲斗在挖掘位置上提升力的有效利用，以扩大斗容提高生产效率。2. 充分利用计算机技术，对挖掘机的各主要件都进行有限元分析，在保证强度，使用可靠的基础上减轻机器的重量。3. 在工作装置的结构形式上尽可能的使铲斗、斗杆等重量最轻，减少提升力的无用功消耗，以便扩大斗容。4. 缩短工作循环时间，是提高整机生产能力的有效途径之一，挖掘机工作循环时间中回转时间占60%以上，设法缩短回转时间就直接缩短了工作循环时间。1.1.2国内发展状况我国挖掘机生产起步并不算晚，但其发展缓慢的原因主要是我国经济发展慢，技术水平低，管理亦不够先进造成的。70年代，太原重型机械厂

20、自行设计制造了第一台斗容量为10的WK-10型挖掘机，从此我国迈入自产斗容量为10的挖掘机时代。随着采矿工业的发展，我国从美国的P&H公司引进技术，生产了斗容量为16和23的P&H2300XP和P&H2800XP两种大型挖掘机，并投入矿山使用。这两种挖掘机的试制成功，使我国的挖掘机制造技术已跨入了世界先进行列，目前，我国以拥有自己的WK-20（20）、WK-27（27）、WK-35（35）型大型挖掘机，而且正在研究更大斗容量的挖掘机。优化设计在矿山机械设计中已得到广泛应用。优化的对象小自简单零件，大至复杂整机；优化的内容从机构、参数、比功率和重量，到运动方式、运动进程和

21、运动规律。优化设计方法已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(CAD)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。随着科学技术的发展，设计方法推陈出新，1980 年以来，在我国矿山机械特别是大型复杂矿山机械的研制和设计中，也开始大量采用各种新的技术方法，优化设计、有限元法设计、可靠性设计早已为广大设计人员所熟悉，并在矿山机械的设计中得到广泛的应用。近年来，智能设计、虚拟设计、绿色设计等新兴的现代设计方法也开始受到人们的关注。近年来，高校也对挖

22、掘机的设计进行了探索，在此之前，也曾有人运用复合形法和神经网络算法对挖掘机进行一种边界条件下的优化设计；而本文是基于挖掘轨迹的设计思想对挖掘机工作装置参数进行多种边界条件下的优化，选用罚函数法调用鲍威尔优化方法，发挥了传统优化方法成熟、可靠的优点；分别进行了多目标优化和单目标优化，用于比较分析；并采用语言编写计算及优化程序，其界面友好、直观，便于用户查看与修改。1.2优化设计的必要性及优化方法的选择在挖掘机设计过程中，机构参数的确定是一件非常复杂的工作，影响这些参数的因素也很多3，所有这些参数之间相互制约，长期以来我国挖掘机设计一直沿用传统的设计方法，利用经验公式首先作出一系列可行方案，然后在

23、这些方案中找出一个比较好的投入生产。这种方法工作量大，设计周期长，设计质量低，而且得出的方案也不一定是最优方案，它已不能适应现代挖掘机产品设计的要求。又因为机械式挖掘机工作过程复杂,工作时的边界条件具有不确定性,工作过程很难用确定型的数学模型描述,多年来一直沿用前苏联学者推荐的办法,即按指定工况进行挖掘机设计。所以我们有必要采用可靠的设计方法来设计挖掘机的工作参数4，并且在以前大量实验研究的基础上按有代表性的轨迹方程进行优化设计，进而提高挖掘机设计水平、产品质量、效率和竟争能力。本文所要做的是单斗机械式挖掘机工作装置的优化设计，就是试图提供一个可靠、完整，适合于其它各种机型的设计方案，它的最大

24、特点就是界面友好，使用户能够直接从计算机屏目上获得大量信息，为设计提供科学有效的设计手段。对于优化方法的选择有很多，如数学规划理论中的复合形法，混合惩罚函数法，近些年出现了许多新的优化方法5，如遗传算法，蚁群算法，人工神经网络拓扑设计等等；但这些新的优化方法目前尚在探索试用中，而本文是工程实际问题，需要选择一种成熟可靠的方法进行优化，因此选用了罚函数法调用鲍威尔法，即内点和外点罚函数的组合方法。1.3课题来源、选题依据和背景情况本课题来源于工程实际，是与太原重型机械有限公司技术中心合作的课题。此项目名称为“大型矿用挖掘机总体设计和整机参数设计系统软件开发”， 本文的设计任务是55机械式剥离型正

25、铲挖掘机的工作装置参数的优化设计。本课题是基于料堆形状以及铲斗挖掘轨迹（等后角对数螺旋线 6）进行设计的，挖掘类型为剥离型。同时实现用语言编写计算及优化程序。1.4课题研究目的对挖掘机工作装置部分的参数优化的目的是针对大型机械式挖掘机，开发出具有自己知识产权的大型矿用挖掘机工作装置部分的参数优化设计系统软件，使设计具有延展性和继承性。1.5研究工作的思路、主要研究内容及解决的关键技术1.5.1研究工作的思路本课题根据采矿工艺基于挖掘轨迹的设计思想8，从料堆形状出发推导挖掘轨迹建立数学模型，确定多目标函数，找到一种可以求出非劣最优点的优化方法进行优化设计。1.5.2主要研究内容（1）基于爆破后的

26、矿堆工作环境，建立描述斗尖的挖掘轨迹；（2）针对不同的料堆边界条件，从铲斗开始逐一推导工作装置各个部件之间的几何关系以及优化数学模型和目标函数；（3）工作装置的运动学分析；（4）用语言编写优化设计程序进行优化计算；（5）动臂和斗杆合理断面的确定。1.5.3解决的关键技术数学模型的建立，确定合理的目标函数和约束条件，选择可靠的优化方法，进行优化结果分析。1.6采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析1.6.1采取的研究方法在本课题中，通过对正铲挖掘机运动学分析建立数学模型，确定合理的目标函数和边界约束条件，采用混合罚函数调用鲍威尔方法进行优化，用语言编写优化程序并分析优化结果。1.6.2技

27、术路线及实施方案技术路线及实施方案框图如图 1.1所示：从铲斗开始逐一推导数学模型选择优化方法进行优化设计用语言编写优化程序对结果进行分析总结研究成果根据料堆形状推导轨迹方程图 1.1 技术路线及实施方案Fig.1.1 Technical line and the implementation scheme 东北大学硕士学位论文 优化设计的准备工作第二章 优化设计的准备工作2.1 优化过程的数学模型：2.1.1 优化设计变量的确定以下式中，z代表数组下标，它所代表的意义是在优化程序中根据料堆坡角这个边界条件分类定义优化设计变量18：(1) 当料堆坡角表示为a(z)时，z=0,1,2，分别与40

28、°，45°，50°依次对应，这三种边界条件的优化共用一个程序；(2) 当料堆坡角表示为a(z)时，z=0,1,2，分别与55°，60°，65°依次对应，这三种边界条件的优化共用一个程序；(3) 当料堆坡角分别为70°，75°时，没有数组，分别对每个料堆坡角的情况单独进行优化。优化变量示意图如图2.1所示：X(0)初始角，即推压轴中心与料堆起始点的连线与过推压轴中心垂线的夹角（°）X(1)有效转角（°）X(2)连杆AB的长度（m）X(3)开始挖掘时斗尖距料堆的水平距离(m)X(4)下节臂长(m)X

29、(5)动臂长(m)X(6)推压轴中心到动臂中心线的距离(m)X(7)天轮半径(m)X(8)斗杆有效长度(m)X(9)天轮向下偏心距(m)图2.1 优化变量示意图Fig.2.1 Diagram of optimization variables2.1.2 优化过程中间变量的确定2.1.2.1初始挖掘矢径rho0(z)的确定 (2-1)式中，Hbi动臂铰点距地面的高度ht0推压轴中心距地面的距离 (2-2)式中，a(z)料堆坡角htui(z)推压轴中心距挖掘开始点的垂直距离 (2-3) 式中，tht0(z)实际挖掘初始角 (2-4)式中，rho0(z)初始矢径2.1.2.2挖掘体积v(z) 的确定

30、(1) 求挖掘轨迹对数螺旋线围成的面积S1max(z)： (2-5)式中，rhod(z, j) 当前有效转角； kk(z) 挖掘轨迹对数螺旋线表达式中的参数， kk(z)= ctg(dat(z)，dat(z) 为切削角，即某点矢径与该点切线之间的夹角；S1max(z) 挖掘结束时对数螺旋线走过的面积；(2) 求初始矢径和终止矢径与料堆表面所围成的三角形的面积S2max(z)：在Lmax(z)，rho0(z)以及料堆表面（直线）围成的三角形中，根据正弦定理可得， (2-6)式中，Lmax(z)挖掘结束时铲斗出料堆点到推压轴中心的距离 (2-7)式中，S2max(z)初始矢径和终止矢径与料堆表面所

31、围成的三角形的面积(3) 求挖掘结束时铲斗所挖物料体积v(z)，其表达式由S1max(z)，S2max(z)两部分组成： (2-8)式中，v(z)挖掘结束时铲斗所挖物料体积Bn铲斗内部宽度(4) 求挖掘结束时斗尖的矢径： (2-9)式中，rhod(z, X(1)挖掘结束时斗尖的矢径(5) 讨论rhod(z, X(1) 与Lmax(z)的关系：当铲斗在挖掘过程中还未出料堆时，rhod(z, X(1) > Lmax(z)；当铲斗在挖掘过程结束时刚出料堆时，rhod(z, X(1) = Lmax(z)；当铲斗在已出料堆只提升的过程中，rhod(z, X(1) < Lmax(z)。2.1.

32、2.3 后角的确定(1) 后角有关量的确定，如图2.2所示： 式中，Ldch斗唇中心平面的长度式中，Hd铲斗上B,C两铰点的连线距铲斗前壁的距离在ABC中，ACB=As1，根据余弦定理得：在CGD中，CGDH 两内错角相等，HDC= 式中，B1斗齿刃角B2斗前壁中心平面与斗唇中心平面的夹角式中，j当前斗尖矢径转角角度值，j=0,1,2X(1)thtd(j)当前斗尖矢径转角弧度值 (2-10)式中，rhod(z,j)在料堆坡角a(z)的边界条件下当前转角j时的矢径图2.2 后角示意图Fig.2.2 Diagram of back angle 在DO1E中， (2-11)式中，dat(z)挖掘曲线

33、各点的切削角，令dat(z)=，其余切值ctg(dat(z)= kk(z)； (2-12)式中，铲斗挖掘轨迹切线与斗杆中心线的垂线的夹角 (2) 后角表达式 (2-13)式中，beta(z,j)=当前挖掘后角，在图中为角2.1.2.4提升力、推压力以及绷绳力的确定：为了求得提升力、推压力以及绷绳力，需要一些中间变量的计算：(1) 夹角A11(z,j)及A12(z,j)的确定斗杆中心线与提升绳的夹角A11(z,j)，推压中心与天轮中心连线O1O2和推压中心与提升耳孔连线O1P的夹角A12(z,j)的确定，如图2.3所示：在图2.2中，在RtPVD中，两个直角三角形相似，对应角相等 在RtPQ1D

34、中， 在RtO1ED中， (2-14)EF与DQ1平行且相等在RtO1FP中，令，求A12(z,j)的表达式： (2-15)图2.3 A11(z,j)，A12(z,j)的示意图Fig.2.3 Diagram of A11(z,j)，A12(z, j)在PO1O2中，在RtO2HP中，在O1O2P中， (2-16)式中，A11(z, j)当前斗杆中心线与提升绳的夹角(2) 挖掘厚度cc(z, j)，切向挖掘阻力W1(z, j) ，法向挖掘阻力W2(z, j)的确定，如图2.4所示：在O1D1D2中，由正弦定理得， (2-17)式中，当前斗尖矢径转角当前铲斗与料堆面交点与推压轴中心的距离 (2-1

35、8)式中，cc(z, j)当前挖掘厚度图2.4 挖掘阻力示意图Fig.2.4 Diagram of mining resistance (2-19)式中，bz挖掘比阻力Bw铲斗外部宽度W1(z, j)当前斗尖切向阻力 (2-20)式中，W2(z, j)当前斗尖法向阻力(3) 提升力Ft(z, j)，推压力Ftui(z, j)的确定，如图2.5所示：图2.5 推压力提升力示意图Fig.2.5 Diagram of pushing pressure and lifting force 1) 提升力Ft(z, j) 的确定： (2-21)式中，S1 (z, j)当前挖掘曲线对数螺旋线走过的面积 (2

36、-22)式中，S2 (z, j)当前料堆下初始矢径和当前矢径与料堆表面所围成的三角形的面积 (2-23)式中，Sd(z, j)当前挖掘物料的面积，如图2.5所示填充部分的面积 (2-24)式中，Gd铲斗本身重量，NBn铲斗内部宽度, m土壤重度，=N / m3G2(z, j)当前铲斗及斗内物料的总重量，N以铲斗和斗杆为隔离体，如图2.5所示，受力为挖掘阻力W1(z, j) 、W2(z, j)，提升力Ft(z, j)，推压力Ftui(z, j)，斗杆重力G1和当前铲斗与物料的总重量G2(z, j)，以推压齿轮和斗杆的切点Q为作用点，对它取矩： 挖掘切向阻力W1(z, j)对点Q的力矩为RD(z,

37、 j) ，在DRD1中，在QS1D1中， ，O1S1(z, j)平行且等于DEDS1(z,j)平行且等于O1E(z,j) 斗杆重力G1对点Q的力矩为QM(z, j) ，在QLK中， (2-25) 当前铲斗与物料的总重力G2对点Q的力矩为QN(z, j) ， (2-26)式中，Wd为铲斗的长度，在图2.2中为3.467m. 挖掘法向阻力W2(z, j)对点Q的力矩为QR(z, j) ，在QS1D1中，在DRD1中， (2-27)提升钢丝绳的长度， 提升力Ft(z, j) 对点Q的力矩为QP1(z, j) ，在QST中，在PP1T中， (2-28)以铲斗和斗杆为隔离体，对点Q取距得提升力Ft(z,

38、 j)的表达式： (2-29)式中，Ft(z, j)当前提升力2) 切向推压力Ftui(z, j)的确定：铲斗和斗杆隔离体在沿推压齿轮切线方向合力，得推压力Ftui(z, j) 的表达式： (2-30)式中，Ftui(z, j)当前推压力3) 推压轴处的法向反力Fn(z, j)的确定：以斗杆和铲斗为隔离体，如图2.6所示，受力为沿推压齿轮切线方向的推压力Ftui(z, j)，推压轴处的法向反力Fn(z, j)，斗杆重力G1和当前铲斗与物料的总重量G2(z, j)，挖掘阻力W1(z, j) 、W2(z, j)，提升力Ft(z, j)，在法向反力Fn(z, j)方向投影，得 (2-31)式中，Fn

39、(z, j)当前推压轴处的法向反力图2.6 推压轴处的法向反力Fn(z, j)示意图Fig.2.6 Diagram of Fn(z, j) (4) 绷绳力Fb(z, j) 及动臂铰点支反力的确定：1) 求卷筒提升力Qt(z, j) (2-32)式中，Qt(z, j)当前的卷筒提升力滑轮组效率图2.7动臂受力示意图Fig.2.7 Diagram of force on the movable arm2) 求绷绳力Fb(z, j)以动臂为隔离体，如图2.7所示，动臂受力为提升力Ft(z, j)，沿斗杆方向的推压力Ftui(z, j)，推压轴处的法向反力Fn(z, j)，动臂重力Gbi，卷筒提升力Q

40、t(z, j)，动臂铰点支反力Rx、Ry，对动臂铰点取距得Fb(z, j)的表达式： (2-33)式中，abi动臂与水平线的夹角，Atubi(z, j)推压力Ftui(z, j)方向与动臂下节臂的夹角，式中，Atbi(z, j)提升力Ft(z, j)方向与动臂的夹角，求推压轴处的法向反力Fn(z, j)的力矩dFn(z, j)，如图2.8所示： (2-34)，式中，dFn(z, j)推压轴处的法向反力Fn(z, j)的力矩，AQbi 卷筒提升力与动臂的夹角，Abbi 绷绳与动臂夹角，Fb(z, j) 当前绷绳力，图2.8 推压轴处的法向反力Fn力矩示意图Fig.2.8 Torque diagr

41、am of Fn3) 求动臂铰点处的支反力Rx(z, j)，Ry(z, j)以动臂为隔离体进行受力分析，如图2.7所示，垂直动臂方向的合力得Rx(z, j)的表达式： (2-35)式中，Rx(z, j)动臂铰点处垂直动臂方向的支反力以动臂为隔离体进行受力分析，如图2.7所示，沿动臂方向的合力，得Ry(z, j)的表达式： (2-36)式中，Ry(z, j)动臂铰点处沿动臂方向的支反力2.1.2.5 连杆力的确定图2.9 连杆力示意图Fig.2.9 Diagram of force on the Link-bar 以铲斗为隔离体，其受到重力G2(z, j) (铲斗和物料重量)，提升力Ft(z,

42、j)，挖掘阻力W1(z, j) 、W2(z, j)，连杆AB的拉力Flg(z, j)，以及铰点C处的支反力Fcx(z, j)、Fcy(z, j)；对C点取距，求各力的力矩，如图2.9所示：(1) 求连杆AB的拉力Flg(z, j)的力矩CA1在ABC中，由余弦定理得ABC=在CA1B中，(2) 求挖掘阻力W1(z, j) 、W2(z, j)的力矩dCW1(z, j)、dCW2(z, j)过点D沿着W1的方向线做延长线，过铰点C做延长线的垂线，垂足为D2在RtCD2D中，(3) 求提升力Ft(z, j)的力矩CC2沿斗杆与推压齿轮相切的平面做延长线至P1P的延长线交点为P2，过C点做P1P2的垂

43、线CC2，CC2与QP2交与点C1，则CC2= CC1+C1C2RtC1C2P2RtC1C3CC1CC3=P1P2Q=A11(z, j)在RtC1C3C中，式中，CC3=d铰点C距斗杆下表面的距离在RtQP1P2中，在RtQM1C4中，对顶角相等 在RtCC3C4中，在RtC1C3C中,则，对C点取距，得连杆AB的拉力Flg(z, j)的表达式， (2-37)式中，M1N(z，j) 的表达式见公式(2-26)2.1.2.6优化过程中有效提升力和有效推压力的确定 (2-38)式中，1°有效转角X(1)被平均分成X(1)份后每份的值Fts(z)提升力平方与每份角度值的积之和，z=0,1,

44、2 ，j=0,1,2X(1) (2-39)式中，Ftuis(z)推压力平方与每份角度值的积之和，z=0,1,2 ，j=0,1,2X(1) (2-40)式中，Fty(z)当前料堆下整个挖掘过程中的有效提升力，z=0,1,2 (2-41)式中，Ftuiy(z)当前料堆下整个挖掘过程中的有效推压力，z=0,1,22.1.2.7 运动学分析(1) 根据挖掘轨迹方程，确定斗尖处速度之比，如图2.10所示：图2.10 速度比示意图Fig.2.10 Diagram of Speed ratio 挖掘轨迹方程，可求得相对轨迹的法向速度与切向速度之比20：令则 (2-42)式中，初始矢径为矢径与轨迹切线之间的夹

45、角，即切削角矢径转角相对轨迹的法向速度相对轨迹的切向速度由此可见，相对轨迹的法向速度与切向速度之比是一个常数，大小等于kk(z)=.(2) 确定机构的推压速度与提升速度之比21,22：该机构是由斗杆和铲斗刚性连接而成的刚体，该刚体上任一点在推压机构和提升机构作用下实现既伸出又回转的平面运动，由斗尖处的速比可求得机构的速比。由图2.10可知，机构的瞬时推压速度为，瞬时提升速度为，是刚体相对于斗杆与推压齿轮啮合点的转动速度。在斗尖处向方向投影得：在斗尖处向方向投影得：若已知，得：令求斗杆绕啮合点Q转动的角速度：其中， P点绕啮合点Q的转动速度为：其中， 将P点的速度矢量向提升速度投影得：令则机构的

46、瞬时推压速度与瞬时提升速度之比为： (2-43)2.2优化后有效力、平均速度的计算运用优化后提升力、推压力的值计算对应料堆下整个挖掘过程中的有效提升力Fty(z)、有效推压力Ftuiy(z)，当前总挖掘阻力Wh(z, j)，当前平均提升速度Vtp(z, j)，当前平均推压速度Vtuip(z, j).2.2.1有效力的计算(1) 有效提升力Fty(z)的计算： (2-44)式中，Fty(z)优化后对应料堆下整个挖掘过程中的有效提升力，z=0,1,2 (2-45)式中，1°把挖掘过程的有效转角X(1)平均分成X(1)份，每份1°Ft(z,j)优化后的提升力，NFts1(z)优化

47、后的提升力平方与每份角度值的积之和，z=0，1，2；j=0，1，2X(1)(2) 有效推压力Ftuiy(z)的计算： (2-46)式中，Ftuiy(z)优化后对应料堆下整个挖掘过程中的有效推压力，z=0,1,2 (2-47)式中，Ftui(z,j)优化后的推压力，NFtuis1(z)优化后的推压力平方与每份角度值的积之和，z=0，1，2，j=0，1，2X(1)(3) 总挖掘阻力Wh(z, j)的计算： (2-48)式中，当前的切向挖掘阻力，N当前的法向挖掘阻力，NWh(z, j)当前挖掘阻力合力，N2.2.2平均速度的计算(1) 当前平均提升速度Vtp(z, j)的计算： (2-49)式中，Vtp(z, j)当前平均提升速度，m/s当前料堆下整个挖掘过程中钢丝绳的伸长量，mX(1)斗尖矢径有效转角，度time整个挖掘过程的推压提升时间，s(2) 当前平均推压速度Vtuip(z, j)的计算： (2-50)式中，Vtuip(z, j)当前平均推压速度，m/s当前料堆下整个挖掘过程中斗杆的推出量，m(3) 当前平均推压提升速度之比Vb1的计算： (2-51)式中，Vb1(z, j)当前平均推压速度与提升速度之比东北大学硕士学位论文 优化设计的模型及优化结果第三章 优化设计的模