小型液压挖掘机工作装置与液压系统的分析研究

1、西南交通大学硕士学位论文小型液压挖掘机工作装置与液压系统的分析研究姓名：朱杰申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：王国志20080501西南交通大学硕士研究生学位论文第页摘要液压挖掘机由于施工效率、质量、多用途等方面的原因，早已被作为一种重要的土方机械得到了广泛的应用。近来又由于社会的发展，市场条件的变化，社会对全液压小型、微型挖掘机又有了新的需求，其生产制造业也日益蓬勃发展。按照通常的分类，小型液压挖掘机也是由动力系统、液压系统、工作装置、回转装置、行走装置、和电气系统等部分组成。除了具有液压挖掘机一般的共性外，由于其成本和体积的限制，小挖又有一些自身的特点，在诸多特点中最为关键的一

2、个就是，小型单斗液压反铲挖掘机往往受制造成本的限制而无法配备比较先进的电子控制装置，这使得它的工作性能在更大程度上依赖于液压系统等机械装置的设计水平；另外，相对于大中型挖掘机它还对各系统有更高的集成度要求。论文从两方面考虑挖掘机的工作装置，一是挖掘机工作装置本身。可将工作装置理解为机器人学中操作机的机械手臂，使用牛顿一欧拉动力学公式建模分析，这样可以把动臂、斗杆等工作装置结构件的内在性能参数引入仿真设计，利用它可以分析挖掘机工作装置在稳态下挖掘力的分布变化情况。二是从液压系统着眼分析工作装置的控制性能。本文针对系统分析了影响工作装置性能的流量分配特性进行了仿真分析，简要讨论了负载间流量分配与单

3、个负载流量控制线性化的问题。关键词挖掘机；工作装置；液压系统西南交通大学硕士研究生学位论文第页，；，；西南交通大学凹南父逋大罕学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于保密口，在年解密后适用本授权书；不保密囝，使用本授权书。（请在以上方框内打“）学位论文作者签名：齐鸯期：砷口岁琴指导老师签名：彤羁同期：泖孑、）西南交通大学学位论文创新性声

4、明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成采。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均邑在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果内本人承担。本学位论文的主要创新点如下：结合机器人学知识建立了挖掘机工作装置的动力学模型，并利用这一模型绘制出了工作装置包络面内的挖掘力分布图，总结了油缸力对等挖掘力区域大小的影响，对工作装置油缸的选型设计提供了原则依据。利用建立了多路阀原理模型，经过仿真得到了比较真实合理的结果。验证了系统的流量分淝特性，分析了多路阀串足个关键参数对输出流量的影

5、响，其结果对多路阀的设计具有一定借鉴作用第一章绪论液压挖掘机作为工程机械的代表产品在社会建设中发挥了巨大的作用，其中又以全液压履带反铲挖掘机的应用最为广泛，它在降低工作强度、保证施工质量、提高劳动生产率方面具有十分显著的作用。工作装置的性能是决定挖掘机能效高低的关键因素，它的设计好坏直接决定了挖掘机的性能水平。工作装置是典型的机液结合部件，从机械和液压两个方面综合考虑无疑是研究提高其性能合理而明智的方法。研究的目的和意义目前就世界范围来看，已处于挖掘机的市场成熟期，主要工业化发达国家挖掘机的供需相对稳定。与此同时，由于经济与国内需求的不断增长，以中国为代表的新兴市场经济国家对挖掘机具有非常巨大

6、的需求。我国改革开放以来，城市化进程不断加快，城市建设也由以前的粗放型向精雕细刻方向转变，而且由于国内劳动力价格的上涨和市政工程对时效的要求，决定了以往以人工劳动为主的施工形式必然寻求其他经济高效的施工手段，另外，全国公路里程的迅速增加，导致公路养护工作量的增加，仅靠人工养护已不能适应多样化的环境要求和日益增加的工作量。小型全液压反铲履带挖掘机（以后简称“小挖”）以其相对低廉的价格和小巧的身形是以上种种问题比较合适的解决方案。目前我国还处于液压挖掘机市场的初级成长阶段，市场相对发达国家还远未饱和，且由于国产挖掘机的价格优势和发达国家对小挖有一定的需求，都使得小挖具有非常光明的发展前景。挖掘机按

7、重量分，最为常见的是吨左右的中型机，它是工程建设土石方作业的主力机型，其往往配备了如发动机控制系统、各主要环节的监测系统、等比较先进复杂的电子设备，使得这类机型具有一定程度的自动化水平，与之对应，中型或以上级别的挖掘机往往也具有不菲的价格。由于价格和实际作业需求的原因限制了这类机型的使用范围向市政工程这类主要以替代人工作业、工作量又相对不高的领域发展。目前业界对小挖并无一个比较明确的界定，一般认为小挖工作重量在吨以下，也有认为机重在吨以下、标准斗容在。以下即可认定为小挖。小挖机动能力强、体积小，适合于各种土方量分散、作业范围狭窄的工况。挖掘机作为一种具有广泛适用性的“万能机械已开始对装载机等功

8、能比较单一的工程机械进行替代。小挖的主要适应场合为：公路养护、园林绿化、小区建设、市政工程及农田建设等。其典型的工作装置配置是由动臂和斗杆配以反铲斗或破碎锤进行施工，其他诸如铣刨器、液压剪等特种工作装置目前使用范围还比较有限。对挖掘机工作装置狭义的界定往往是指挖掘机为完成各种作业使用的具体工具，如：铲斗、破碎锤、铣刨器、液压破碎剪等，实际上这里指的工作装置是指完成某类具体作业形式的具体用途的终端执行器，它们只为完成如：铲、凿、刨、剪等施工目的，挖掘机的施工质量好坏和效率的高低更多地体现在完成这种种最终作业前的诸如启动、停止、定位、平顺性等动态指标的好坏上。这样挖掘机工作装置的定义可以推广到包括

9、了各个工作臂在内的整个多连杆机构上，具体到常见的小挖就是由动臂、斗杆、铲斗以及各个油缸组成的反铲斗机构。机构各铰点以及其具体结构的设计将是决定工作装置性能水平的重要因素；另外，其动态品质还受到液压系统的影响。总之，结构的设计、液压系统的配置等综合因素决定了液压挖掘机的工作性能，影响其最终使用感受的好坏，所以对液压挖掘机工作装置的研究合理而必要的途径应该是从机构和液压两方面综合考虑。国内外小型液压挖掘机工作装置研究的现状挖掘机工作装置（包括动臂、斗杆、铲斗在内）的发展是伴随着材料、结构、工艺、传动形式的发展而变化的，在经历了早期的钢管桁架式组合臂、蒸汽动力、钢索传动的比较原始的阶段后，经过一百多

10、年的发展，现在作为使用最为广泛的一类挖掘机，全液压反铲履带挖掘机已经发展成为一种比较成熟的产品，其工作装置的结构组成已经比较固定，即由动臂、斗杆、铲斗（或其他作业工具）组成的开放式连杆机构，关节由各自的液压油缸驱动，每一连杆均由厚度不一的低合金高强度钢板焊接而成。国外小挖工作装置发展现状随着上世纪四五十年代液压技术得到了迅速的发展，全液压挖掘机的生产使用量得以快速扩大，到目前为止已很难见到采用非液压传动形式的单斗挖掘机，液压单斗挖掘机得到如此青睐不仅是由于液压技术的成熟，其中一个重要的原因也是由于经过无数挖掘机生产厂家的努力，对挖掘机的工作装置不断改进、完善，使得现在的液压挖掘机在可靠性、寿命

11、、对工程的适应性上有了很大的提高。在众多厂家中又以国外制造商在这些方面具有较强的实力，其体现在以下几个方面：（）按照科学严谨的方法进行研究工作，重视基础性的研究。在设计定型之前往往进行充分的性能试验、可靠性试验，并且在设计过程中充分考虑了用户的反馈意见；另外，在如耐磨垫片、长寿命轴承等关键部件上也都有自己的核心能力。（）重视电子技术在传统机械上的应用，如、总线、智能技术等。国外厂家对这类技术的引入使用，通常都是以应用和用户的需求为动力，在成本得到控制的前提下尽量为使用者提供舒适便捷的产品，而不盲目追求技术的先进和复杂。（）重视利用计算机技术提高企业对市场的反应速度。国外不仅已具有了挖掘机各个模

12、块的专用设计软件和数据库，并且将技术的发展整合到了整个生产过程中，使得采购、设计、生产、销售、售后、财务等环节可以得到一体的考虑，提高了企业竞争力。在挖掘机功能和市场需求的相互影响下，伴随建筑施工规模和范围的扩大，国际上挖掘机的工作装置向着多功能化方向发展，根据不同的作业目标挖掘机可以选择配置不同种类和型号的作业装置，配以快换接头能够快速适应工况的变化，目前对应不同工作装置，挖掘机可实现吊、夹、推、刮、松、挖、刨、夯实等作业。通过换装非标准尺寸的动臂或斗杆也是拓展挖掘机作业范围的一个途径，这对于满足超深、超高作业要求是一个合理的解决方案。另外，针对细分市场、特殊用户许多个性化产品也应运而生，如

13、伸缩臂挖掘机、偏转动臂挖掘机、偏转斗杆挖掘机、多工作装置挖掘机等。国内小挖工作装置发展现状我国国内企业从上世纪六十年代左右开始涉足液压挖掘机制造，从中、大型液压挖掘机起步，主要从事整机设计生产，主要是技术含量比较低的结构件的制造，关键部件如：发动机、液压系统等主要依靠进口。经过几十年的发展，引进和消化了不少国外技术，在技术方面有了长足的进步，但与液压挖掘机发达国家尚有一定差距。目前，液压挖掘机工作装置结构件的生产制造技术国内企业都已基本掌握，在如下方面与国外厂家尚有差距：（）产品设计能力。国内企业在外观设计、管路布置、设计细节上与国外企业还有一定差距。（）产品质量。国内挖掘机产品与国外产品的差

14、距在工作装置上的表现主要在铰点轴承寿命、各个臂的结构优化水平、涂装质量等方面。西南交通大学硕士研究生学位论文第页国内外液压挖掘机液压系统的发展现状液压系统与动力系统作为液压挖掘机最重要的核心系统，其成本在整机中的比例也是最大的。液压系统作为传动系统与能量分配系统，直接决定了驾驶员大部分的操作感受。目前行业主要关注液压系统在挖掘机中几个方面的作用：（）操纵特性与流量分配；（）节能；（）能量密度和可靠度的提高。操纵特性与流量分配是一对相互影响的因素。在先导液控条件下，各路流量的独立性和每个油路的控制特性往往互有影响，一般要求液控先导手柄的操作直观感受要与相应油缸或马达的动作一致，即是线性关系，这样

15、操作人员很容易上手。另一方面，一套系统中执行器的数量往往大于独立油源的数量，连接同一油源的执行器同时动作时它们之间必然会有相互影响，破坏各自工作时的独立控制特性。日本小松（）九十年代以前一直致力于开发的开式系统，使用一个三位六通阀的两个台阶同时对进油油路和旁路油路进行节流调速，这种系统阀芯位移与实际输出流量关系复杂，并且还受负载和油源的影响，使得操纵性、微动性能都不好，并不能解决实际使用复合动作的需要。由于操作手柄输入与流量输出不能保持一定的关系，随时都在变化，装备开式系统的挖掘机即使对于技术熟练的驾驶员操作起来也不是一件轻松的事。由于开式系统以上种种不适应于挖掘机的特点，后来出现了闭式系统，

16、其利用压力补偿的方法实现了供油路的定差减压，能够只用一个油源向所有执行器供油，每个执行器的速度只与操纵阀的阀杆行程有关，复合动作时各路相互干扰小。在执行器流量利用上，出现了利用回油补充供油油路以加快油缸速度的油液再生方案。对于更加高级或有特殊需求的系统，往往采用利用气动、电磁、伺服控制、计算机程序控制等更加高级的控制手段替代液压先导级以实现更加自动化和更加复杂的操作需求。目前挖掘机液压系统节能的主要思想是调节泵的流量使之尽量接近负载的需求，不至于多出太多造成溢流损失。通常的做法是利用负载压力的变化作为负反馈束调节变量泵的斜盘角，进而控制泵的流量输出，对于泵来说从口开始到执行器都应算是负载段，用

17、于控制泵排量的反馈压力所处的位置对于节能系统的性能也有影响，常见的负荷传感系统是直接利用泵出口处的压力来控制斜盘，这种系统的好处是反馈压力离泵很近（反馈回路可能就是与泵做成一体的），使调速节流压差损失尸很小，微动性能好。另外一种功率调节反馈压力取自主控阀后，离执行器比较近，以西南交通大学硕士研究生学位论文第页系厂家为代表的负流量系统就是采用这种形式，它的优点主要是对负荷的响应比较快，但是由于反馈压力是由节流阀建立起来的，在低速重载时响应不灵敏，可控性较差。面对越来越高的功率需求，由于大流量会导致系统损失和体积的增加，液压传动系统选择的是向高压方向发展，对于流量的需求则靠多泵并联的方式解决，目前

18、国外先进挖掘机液压元件额定压力在左右，这对密封、配合和油液的清洁度提出了更高的要求。在可靠性方面，通过理论与实验结合的方法，主要是针对泵、阀中配合面高精度配合摩擦的研究，通过对油液中摩擦微粒的分析不断优化元件设计。国内小挖液压元件配套采购目标主要还是国外知名品牌产品。导致这种现状的主要原因是国产液压系统在性能、可靠性方面与国外产品有不小差距，导致了国内市场对国产元件缺乏认同。目前国内挖掘机液压系统行业尚处在跟随国外企业，模仿学习的阶段。图小型挖掘机模型三维模型中：下车（底盘）、整机装配、涂装山作者完成，作装旨郑家坤同学完成，网转平台由陆！坊同学完成，驾驶室和机罩山邓迎寅同学究成，液脏系统山蒋道

19、成同学究成。西南交通大学硕士研究生学位论文第页第二章工作装置分析与模型建立小挖作为全液压反铲斗挖掘机在操作重量分类上的一个子类，它的工作装置在结构和使用方法上与一般反铲斗挖掘机具有很多的共同点，只是在一些细节上采用了适应其小型化的设计方案，这使得在工作装置的设计上小挖与一般挖掘机具有很多共性又有其独特的地方。挖掘机工作装置的设计除在结构上要基本满足要求之外，最关心的问题是在频繁挖掘区域和有挖掘能力要求的区域能否达到设计目标或使用要求，对挖掘力的控制和分布的合理设计是对挖掘机性能的提高，这样，工作装置模型的建立对这方面工作的进行就显得很必要。工作装置的设计原则设计合理的工作装置应该满足下列要求：

20、主要工作尺寸及作业范围能满足使用要求。在设计通用反铲装置时要考虑与同类型、同等级机器相比的先进性，考虑国家标准的规定，并考虑到运动参数受结构碰撞限制等的可能性。整机挖掘力的大小及其分布情况应满足使用要求，并具一定的先进性。功率利用情况尽可能好，理论工作循环时间尽可能短。确定铰点布置，结构形式和截面尺寸形状时尽可能使受力状态有利。在保证强度、刚度、和连接刚性的条件下尽可能减轻结构自重。作业条件复杂，使用情况多变时应考虑工作装置的通用性。采用变铰点构件或配套构件时要注意分清主次。在满足使用要求的前提下力求替换构件种类少，结构简单，换装方便。运输或停放时工作装置应有合理的姿态，使运输尺寸小，行驶稳定

21、性好。保证安全可靠，并尽可能使液压缸卸载或减载。工作装置液压缸设计应考虑三化（标准化、统一化、合理化），采用系列参数，尽可能减少液压缸零件种类，尤其是易损件的种类。工作装置的结构形式和布置要便于装拆和维修，尤其应便于易损件的更换。要采取合理措施束满足特殊使用要求。西南交通大学硕士研究生学位论文第页小挖工作装置分析反铲液压挖掘机是主要用于挖掘停机面以下土壤的工程机械，根据使小挖工作循环分析用的作业装置不同其还可具有挖、吊、铲、凿、刨、剪等多种功能用途，但是在实际中使用最为广泛的作业装置还是反铲斗，挖掘机使用反铲斗时典型的作业循环是：、）通过行走系统（履带式或轮胎式）定位作业地点；）调整动臂高度进

22、行斗杆或铲斗挖掘；）在满斗过程中同时进行抬动臂和回转动作至卸荷地点；卸荷后在各油缸和回转马达复合动作下回到第）步的挖掘位置准备进入下一次挖掘。调整挖掘地点。通过以上对挖掘机工作循环的描述，可以知道挖掘和卸荷循环的反复过程是挖掘机的主工况，是体现挖掘机效能的关键点；与之相对，行走能力是在赋予挖掘机一定通过能力的前提下帮助其定位于合适的开挖位置，由于（履带式）小挖通常采用车辆运输的方式转场，它对行走系统的要求仅限于工地上近距离的移动，所以（履带式）小挖的行走并非它的主工况，无论是挖掘效果还是作业效率受它的依赖都不大。小挖在主工况过程中需要工作装置和回转系统的密切配合来产生上述从第）步到第）步连贯而

23、流畅的作业表现。由于是在变负载条件下的多路复合动作，这往往将发动机功率使用到极限，再加上工作装置本身是大质量惯性系统，使得如何处理各油路间关系和复合动作过程中工作装置响应速度和准确性成为一个值得考虑的问题。挖掘阻力的分析挖掘机主要的反铲挖掘方式是转斗挖掘和斗杆挖掘或两种方式的混合，实际使用哪种方式挖掘依挖掘姿态和所挖土壤情况而定，挖掘阻力是挖掘总阻力的切向分力，主要由土壤切削阻力、土壤对铲斗的摩擦阻力和装土附加阻力组成，这三项阻力分别与切削断面面积、铲斗与土壤的摩擦系数、土壤的内摩擦系数及铲斗容量和装满系数等因素有关。为简化挖掘阻力计算可将挖掘阻力看作是切削土层厚度和铲斗宽度的函数：（一）西南

24、交通大学硕士研究生学位论文第页式中一挖掘阻力，（）；一挖掘比阻力，（）；一铲斗切削宽度，（）：一切削层厚度，（）。土壤的工程分类把土壤（包括岩石）按开挖的难易程度分为十六级，用罗马数字表示，第级是最易开挖的土壤（砂、种植土），最坚硬的岩石属于级。级土壤可以用机械直接开挖，级以上土壤需要爆破后才能用机械进行装载作业。级土壤的部分性质见表表级土壤部分性质土壤级别土壤种类砂土、亚砂细小砾石、普通黏土、石块、粗卵土、亚黏土湿黏土重质黏土石、含石块的黏土铁锹，略用丁字镐，铁丁字镐，铁开挖方法铁锹开挖丁字镐开钎铁锹开钎部分用挖挖楔子和锤开挖密度（。）反铲挖掘比阻力（）最大容许比压（。）转斗挖掘阻力转斗挖掘

25、，是在经动臂、斗杆调整好挖掘位置后，仅使用铲斗进行挖掘的作业方式，由于转斗挖掘力具有明显的挖掘力优势，它是反铲挖掘机发挥最大挖掘力应付难挖土壤的重要办法之一，由于机重和功率的限制，它也成为小挖的主要挖掘方式。根据经验结论，转斗挖掘最大挖掘力大约出现在铲斗总转角一半的位置，忽略挖掘时的法向分力和装土阻力的转斗挖掘最大挖掘阻力的经验公式为：（）式中。（一）一最大转斗挖掘阻力，（）；土壤，；一土壤硬度密实计打击次数，对级土壤，对级。氏一铲斗与斗杆铰点至斗齿尖距离，即铲斗的转斗切削半径，（）；一挖掘过程中总转角的一半，即最大转斗挖掘力位置，（。）；一切削刃宽度影响系数，一，为铲斗宽度，（）；一切削角变

26、化影响系数，取七一；一斗齿的影响系数，取，一（无齿时取）；一前边斗齿对地面倾斜角度的影响系数，取。公式（）是在实验基础上得到的经验公式，由于其中对挖掘过程的诸多条件进行了假设，并且公式的近似准确性是对变量取值范围有一定范围要求的，其中对计算结果影响较大的因素是铲斗的转斗切削半径和一次挖掘的总转角，一次转斗挖掘的总转角取值一般不应超过。，即丸。不超过。，否则计算出的最大转角阻力值偏大。转斗挖掘的平均挖掘阻力可以把半月形切削断面看作等效的等截面积条形断面来利用式（）来计算，等效截面的长度取斗齿转过圆弧的长度与其对应玄的平均值，平均切削厚度可表示为：万；鱼！二尘盟（）驴詈式中，一平均切削厚度，（）；

27、缈一转斗挖掘时的铲斗转角，（）。将式（）代入式（）即可得到平均转斗挖掘阻力。图一平均转斗挖掘阻力计算简图斗杆挖掘阻力进行斗杆挖掘时的情形与转斗挖掘类似，挖掘轨迹都是一段圆弧，由于弧长半径和切削行程都比较大，可以把切土壤厚度当作常数处理，具体厚度可利用斗容和所挖土壤体积的关系换算出来，对应切削距离可用以下经验公式计算：（）式中卜一转斗挖掘弧长，（）；一斗杆挖掘时的切削半径，即斗杆与动臂铰点至斗齿尖的距离，（）；够一斗杆转角，（。）。斗杆挖掘时的切削厚度可按下式计算：旦：里堕：（）式中一斗杆挖掘时的切削厚度，（）；一铲斗容量，（）；一铲斗切削宽度，（）。将式（）和式（）代入式（一）即得到斗杆挖掘平

28、均阻力：；：冗（）西南交通大学硕士研究生学位论文第页可见工作装置在同样的结构尺寸和同样利用斗容计算挖掘土壤厚度的情况下，平均挖掘力会成为斗容的线性函数，实际中我们可以通过斗容来比较不同机器的挖掘阻力大小，对于转斗挖掘若用同样方法估计挖掘厚度也会得到同样的结果。斗杆挖掘由于使用斗杆主动，增大了挖掘行程，同时也增大了油缸施力的杠杆比例，因此斗杆挖掘力一般比转斗挖掘力小。对工作装置设计的要求作业空间的要求挖掘机工作尺寸包络图（图）是表示挖掘机作业空间大小及分布以及衡量一台挖掘机性能高低最直观和重要的技术资料。包络图上的包络曲线所围的区域是铲斗斗尖所能到达的区域，其中最大挖掘高度、最大挖掘深度、最大水

29、平挖掘距离大致描述了挖掘机的作业范围，最大卸荷高度将决定挖掘机实际使用时与工作环境和别的工程机械（如：自卸卡车）的适应情况。最大挖掘高度一般影响挖掘机高空作业时的使用，如使用破碎锤进行拆除作业；最大挖掘深度影响挖掘机挖掘基坑、沟渠的能力；通常在最大水平挖掘距离处发挥不出最大挖掘力，最大水平挖掘距离会影响到作业时的安全作业空间大小以及对减少挖掘机在工地上的移动次数有帮助；挖掘机的最大卸荷高度应能适应施工中常见运输车辆的高度，使得工作循环卸荷过程流畅。挖掘力的要求液压挖掘机通常用于挖掘不超过级的土壤，超过级的土壤需爆破后才能挖掘，对于小挖来说，由于功率和机重的限制以及使用环境的细微区别，实际挖掘能

30、力可能还要低于级土壤。挖掘机在整个包络图范围内都要求达到挖掘级土壤的能力或某一均一的挖掘力是不经济也不现实的，一般要求挖掘机在主挖掘区域内能实现最大挖掘力。液压反铲挖掘机主要用于挖掘停机面以下的土壤，所以在设计和使用中都特别注意其包络图中水平面以下的挖掘力大小，它对挖掘机的使用影响较大。挖掘机工作区域有一部分已伸入停机面履带水平投影之下，对这个地方进行挖掘将影响整机的稳定性和施工安全，这一区域主要是有利于在某些工况下的挖掘机自救和挖沟时的清根作业。西南交通大学硕士研究生学位论文第页彳劢），飞氐、，惫时、）、一）。，益行陛妊】自自冽峙。，）一最大水平挖掘距离；一最大挖深；一最大挖高；一最大卸荷高

31、度。图挖掘机包络图工作装置模型建立挖掘机工作装置是一开放的三自由度机械手，是由动臂、斗杆、铲斗以及相应关节的驱动油缸组成的。动臂和斗杆是由油缸调节的三连杆机构控制关节转动，铲斗是由油缸调节的四连杆机构控制的。若不考虑平台的转动，挖掘机工作装置可看作是一平面连杆机构，进而可以利用平面连杆机构的分析方法对其进行研究。平面连杆机构传统的分析涉及复杂的计算与作图，对复杂系统的分析工作量将很大，且分析结果描述不直观。计算机的出现，给平面连杆机构的计算机辅助分析提供了可能，目前世界上已有的机械运动分析软件或集成于知名的大型软件如：等或作为独立的软件包出现，如等。它们大都为用户提供了进行运动学和动力学计算的

32、图形化用户界面，方便操作；但它们通常都是基于各自的软件环境，为用户提供的可控选项有限，往往限制了用户新想法的实施。依靠以及强大的数学计算功能和丰富的工具箱，运用机器人学的部分知识，也可以建立挖掘机工作装置模型，并且可以提高其中可控因素的数量，方便用户使用。西南交通大学硕士研究生学位论文第页机器人学基础机器人学是研究如人手一样的机械臂的运动学和动力学问题的学科。挖掘机工作装置就可看作是一平面上机械手，所以机器人学对它同样适用，机器人学使用理论力学、线形代数等工具研究开放或封闭的操作机上各个构件、关节的位置、速度、加速度等物理量，然后考虑如何对其进行控制。在挖掘机工作装置这类平面连杆机构中，按照运

33、动物体的独立性对部件进行划分，如果忽略小部件可以把工作装置划分成：动臂、斗杆、铲斗、摇杆、连杆、动臂油缸简、动臂油缸杆、斗杆油缸筒、斗杆油缸杆、铲斗油缸筒、铲斗油缸杆十一部分，它们其中有的绕铰点作旋转运动，有的在共同的直线上作往复运动，或是兼而有之，其中任意一个部件，我们可以利用运动学、理论力学的原理对其进行位置、速度、加速度分析。对于动臂，从动臂和平台铰点开始，在一一动臂、动臂缸、平台一一斗杆、斗杆缸、动臂一一斗杆、铲斗缸，摇杆、连杆、铲斗三处形成的封闭多边形中反复应用三角形的角一边关系就可以得到某一瞬时工作装置上所划分的十一块每一部分的位置。对于速度和加速度，在假设的初始状态下并假设工作装

34、置外界输入在一步长中不变，将直线移动和转动的牛顿第二定理分别应用于各部件，可依次计算出各部件的线速度和角速度。若把上述计算方法使用线性代数的方式表示就是经典的牛顿一欧拉动力学方程¨】“，。，姒”曼”一（）“一一？尺ד嚼；。垦。（）（）（）（）“一尺（×只。×（畔×。）“，。“蚴。ד气“，×（“。ד吃。）“。”鼻，”屹“皑（）式中一角速度向量，（）：口一角度向量，（）；一坐杯轴向量，（）；尺一回转矩阵；一位置坐标向量，（）：一线速度向量，（）；一力向量，（）；一质量向量，（）；一扭矩向量，（确）；一惯性张量；下

35、标一代表质心；角标中和西南交通大学硕士研究生学位论文第页一用以区别迭代的次数式（）到式（）是一组叠代方程，在给定机构初始条件和计算步长后沿杆系依次计算每个杆件的位置、速度、加速度，最终得到系统末梢的状态，对应于挖掘机工作装置就是铲斗尖的状态。式（）至式（）分别计算杆件每一步的角度、角加速度、线加速度、质心线加速度、质心受力以及扭矩。这六个公式是利用了线性代数矩阵变换后高度概抽象的表示，其物理意义仍然是对平面连杆机构多次利用牛顿公式、三角函数进行分解求取每个杆件、关节的物理变量值。牛顿一欧拉方程只是研究操作机运动的一种方式，它是通过对刚体系统中每个部件依次循环求取瞬时状态变量的方法来解动力学问题

36、，多刚体系统另外一种求解方法是使用拉格朗日方程，它是对系统建立全面的封闭方程组避免了叠代需要考虑步长的问题。模型的建立挖掘机工作装置平面连杆机构模型的建立基于环境，利用了机械工具箱。模型原形是作者曾参与研发的某型吨小挖。变量的确定对工作装置的分块依然将其分为十一部分，并合理忽略液压油管等较小的小零部件，十一部分分别是：动臂、斗杆、铲斗、摇杆、连杆、动臂油缸筒、动臂油缸杆、斗杆油缸筒、斗杆油缸杆、铲斗油缸筒、铲斗油缸杆。它们每一部分都将被当作刚体看待，具有六个自由度（三个平移自由度和三个转动自由度），并将给其分配一个坐标系（图）。各个部件在经过装配成工作装置后其总自由度将降到三个，即动臂、斗杆、

37、铲斗的摆动，图固接于统一刚体上的各坐标系（部件）的相对位置（相对角度，距离）是已知量，各刚体的重量、转动惯量在结构设计一定时也是已知量使用工作装置时，三支液压油缸将是主动力，挖掘阻力和重力将是被动阻力，所以，三支液压油缸缸筒与缸杆间的位置、速度、加速度将是一组主动变量，另外，我们还关心铲斗的挖掘力大小。故确定工作装置模型变量如表。西南交通大学硕士研究生学位论文第页一动臂；一动臂油缸筒；一动臂油缸杆：一斗杆油缸筒；一斗杆油缸杆；一铲斗油缸筒；一斗杆；一铲斗油缸杆；一摇杆；一铲斗；一连杆。图工作装置部件坐标分配表工作装置变量部件动臂斗杆铲斗动臂油缸斗杆油缸铲斗油缸铲斗垂直于铲斗与斗杆铰点和斗齿连线

38、的挖掘阻力油缸缸筒与刚杆的相对位置、速度、加速度说明动臂相对于水平面角度斗杆相对于动臂的角度铲斗相对于斗杆的角度系统的建立使用中机械工具箱，构建挖掘机工作装置模型如图，该模型是基于牛顿一欧拉叠代方法的机械动力学模型，它可以计算包括讵向动力学、逆向动力学和运动学问题。诈向动力学即是已知机械系统的驱动输入去求解其输出：逆向动力学是指已知机械系统的某种行为，去求解导致这种行为发生的外部驱动凼数：运动学问题是指不考虑力与能量西南交通大学硕士研究生学位论文的因素，只考虑机构几何构型的相互关系。第页由于只知道一个大概范围，而无法准确知道实际挖掘阻力的大小和变化关系，所以模型进行逆向动力学问题求解。以人为施

39、加的挖掘阻力和油缸动作为输入，以油缸压力为输出，并将输出数据导出到全局工作空间中以备后处理使用。图工作装置模型方框图小结本章介绍了有关小挖的设计原则，对了挖掘机工作过程、工作阻力进行了分析，最后通过引进机器人学的部分知识以为原型建立了工作装置的动力学、运动学模型。第三章工作装置挖掘力的仿真研究挖掘机挖掘力的发挥受到诸多因素影响，其中一些影响因素比较容易通过简单的校核计算确定设计的正确性，比如，挖掘机横向稳定性、纵向稳定性、坡上稳定等静稳定问题，可以通过关键位置、最不利位置的校核确定设计合理性。然而，知道工作装置挖掘力大小的具体区域分布对评价挖掘机性能以及对挖掘效果的改进都是大有裨益的。挖掘阻力

40、的计算转斗挖掘阻力转斗挖掘最大阻力计算根据式，分别取级土壤和级土壤硬度密实计打击次数分别为和，切削角变化影响系数为，斗齿影响系数为，前边斗齿对地面倾斜角度的影响系数为，再参考作者参与设计吨小挖的铲斗与斗杆铰点至斗齿尖距离为，铲斗总转角的一半为。，铲斗宽度为，得切削刃宽度影响系数为，代入公式得转斗最大挖掘阻力：级土壤。舡一×（。）】级土壤×【（。）】再根据式估计转斗挖掘平均厚度为：带入式一，挖掘比阻力级土壤取，级土壤取得转斗挖掘平均挖掘力为：级土壤级土壤互一，珂。！：旦三！竺兰：兰三！垒里二！竺兰兰三！璺旦！：（×万÷）×××

41、×：斗杆挖掘阻力由式，参考作者参与设计吨小挖的铲斗斗容为，斗杆与动臂铰点至斗齿尖的距离为。得斗杆挖掘阻力为：级土壤；一：；：××级土壤：经过以上经验公式计算分析，可以看出斗杆挖掘力相对转斗挖掘力要小得多，小了一个数量级，以上转斗挖掘力偏大，分析原因，可能是这里计算变量超出了经验公式的适用范围造成结果无效。计算斗杆挖掘力较小的原因是这台吨小挖铲斗斗容比同类型挖掘机偏大，而计算转斗挖掘力是用斗容来换算的挖掘深度，所以使得斗杆挖掘力偏小。另外，从参考资料第页表也可看出，斗容左右的铲斗斗宽超过已经更加接近高阻力铲斗了。这样看来，有时为了提高挖掘机的工作效率而换装大容量铲斗

42、，反而可能导致挖掘力的下降，从而降低工作效率，得不偿失。单从挖掘力方面分析大斗容铲斗适用于比阻力比较小的土壤挖掘，反之小斗容铲斗适用于比阻力比较大的难挖土壤挖掘。皇一暑。石××挖掘力的分析挖掘机主要用于挖掘前下方停机面以下的土壤，仅仅通过校核当斗杆大约垂直于地面，铲斗刚从地表开挖时的挖掘力大小是不够的，个别点的数据还不能描述工作装置在包络区域内的能力分布，有必要绘制挖掘机工作装置的挖掘力图以直观展示、了解、分析其性能。从运动学上看，挖掘机工作装置输入变量有三个，分别是三个油缸的长度，输出只有一个，就是铲斗的位置；从动力学上看同样，只不过对应的位置变量变成了力的大小。对于挖掘

43、机工作装置的三自由度关节，铲斗尖的每个瞬时位置，都对应了一组油缸的伸长量，反之，要使铲斗斗尖到达包络内某一位置，可能有多组油缸的长度组合可以满足要求。这样我们无法通过按油缸的长度组合在包络平面上表现出挖掘力的分布情况，为此尝试固定三个油缸中的一个束使铲斗位置与余下的油缸变量成为一一对应关系。西南交通大学硕士研究生学位论文第页铲斗四连杆机构分析铲斗油缸通过四连杆机构驱动铲斗有利于增大铲斗的摆动角，使铲斗可以做到满斗抬动臂准备回转时土壤不致落出，卸荷时又能翻斗快速卸荷。由于挖掘阻力是不容易知道的，但是液压系统的设定压力和油缸的参数却是设计工作装置时可以知道和控制的，于是可以采取逐渐增加挖掘阻力，来

44、看所提供油缸力是否满足要求，并从这个过程中观察挖掘力与铲斗转角和外载的变化关系。吨小挖液压系统设定最高压力为，铲斗油缸大腔直径，小腔直径，行程，忽略系统背压，计算得：铲斗油缸伸出最大力××，业卜石。铲斗油缸最大缩回力棚胆）（半肛实际使用中铲斗油缸除了卸荷等少数状态以外，主要是靠伸出力工作，因此以铲斗挖掘阻力作为输入变量，从零开始，以为增量逐渐增大，作用于斗尖，方向垂直于铲斗和斗杆铰点与斗尖连线并使铲斗油缸有缩短的趋势。将铲斗油缸行程分成段，取个长度等级从小到大依次在作用挖掘阻力的情况下片历整个铲斗行程，依次增加如此得到铲斗全行程等挖掘力的行程一油缸反力曲线。挖掘阻力在每次行

45、程过后增加，直到所需铲斗油缸反力不能克服挖掘阻力为止，将得到的所有行程一油缸反力曲线和铲斗油缸最大反力线绘在一张图上，如图。通过观察可以发现，在铲斗油缸行程范围中，铲斗大约在行程中间具有最大挖掘力，在行程开始和结束时挖掘力都将减小；另外，在当前给定工作装置和液压系统参数下，铲斗最大挖掘力约离使用转斗方式挖掘、级土壤的最大挖掘阻力（以上）还差的比较远，不过比较接近转斗挖掘、级土壤的平均挖掘阻力（），更是远远大于斗杆挖掘、级土壤的挖掘阻力。图中表现出铲斗挖掘力在铲斗油缸行程两头小中间大的现象，是由于铲斗与油缸连接的四连杆机构造成的，在由斗杆、遥杆、连杆、铲斗组成的四边形运动变形过程中存在一个使连卡

46、给铲斗的转动力矩最大的西南交通大学硕士研究生学位论文第页瞬态位置，这个极值的出现位置即与四杆机构尺寸有关，也与四杆工作的终始位置有关。四杆各边长度只要满足传递油缸力量并且互不干涉即可，铲斗最大转斗挖掘力出现在铲斗转角的位置可以通过改变铲斗油缸缸筒在斗杆上铰点位置来调整。一般铲斗摆角是关于斗杆一动臂铰点和铲斗一斗杆铰点连线对称分布的，一般不超过。，这样的分布可以坚固满斗提升和空斗卸荷的要求。综合以上分析，为使工作装置挖掘力图绘制过程简化，遂将铲斗位置固定在使斗齿尖、铲斗与斗杆铰点、斗杆与动臂铰点三点一线的位置上，认为可以通过铲斗油缸的调节使得在这一点上能发挥最大转斗挖掘力，使在这一位置的铲斗四连杆机构处于经常使用并且是转斗挖掘、斗杆挖掘晟不利的位置。这样就使得工作装置仿真时输入变量减少为两个，使铲斗位置和输入变量是一一对应的关系，方便了下一步对包络区域内挖掘力分布的计算。图铲斗油缸反力曲线西南交通大学硕士研究生学位论文第页，一，一，斧谈。，三一，图转斗机构载荷曲线图，：转斗输出的挖掘力对于油缸行程两头小中间大的关系，也和转斗挖掘时的挖掘阻力变化关系具有相同的趋势，如图。考虑图，通过系统压力、闭锁力或铲斗油缸参数的改变来改变铲斗油缸伸出力量大小，即是使图中水平虚线上下移动，进而通过选择一根等挖掘力曲线来决定了最大挖掘力