基于虚拟样机的挖掘机工作装置的设计与仿真_图文

1、西南交通大学硕士学位论文基于虚拟样机的挖掘机工作装置的设计与仿真姓名：郑家坤申请学位级别：硕士专业：驱动技术与智能系统指导教师：于兰英20080401西南交通大学硕士研究生学位论文第页摘要液压挖掘机是一种应用广泛、功能多样、结构复杂的建设施工机械。随着挖掘机市场竞争的不断加剧，其产品的开发速度及其可靠性日益成为最具挑战性的因素。由于新产品开发周期长、成本高、设计手段落后而导致我国传统工程机械行业缺乏市场竞争力。逐渐成熟的虚拟样机技术为实现新产品的快速开发，提高我国工程机械产品的设计水平和市场竞争力提供了强有力的手段。本文将虚拟样机技术引入到液压挖掘机的设计开发过程中，并主要从以下几个方面进行研

2、究：首先介绍了虚拟样机技术的基本理论，回顾了虚拟样机技术和液压挖掘机一在国内外的研究现状和发展趋势，论述了将虚拟样机技术应用于液压挖掘机设计的必要性。在分析了液压挖掘机整机系统组成以及工作装置的设计要求与方法的基础上，依据虚拟样机技术的基本理论，利用、软件对液压挖掘机进行设计和仿真。探讨了软件与软件之间的数据传输途径以及应用软件建立了液压挖掘机的运动学与动力学仿真模型。通过对挖掘机在复合动作作业方式下的力学特性分析，建立了对称载荷工况下的动力学模型，进行了仿真分析。基于现代设计方法，利用软件对液压挖掘机工作装置的连杆机构进行优化设计。在铲斗液压缸闭锁力一定的情况下，分析得出了铲斗发挥最大挖掘力

3、的最佳传动比。关键词：虚拟样机；液压挖掘机工作装置；仿真；优化西南交通大学硕士研究生学位论文第页，：，：；西南交通大学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；不保密使用本授权书。（请在以上方框内打“）菩曩嚣；弹讲第铂西南交通大学学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工

4、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果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已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由本人承担。本学位论文的主要创新点如下：将虚拟样机技术应用到液压挖掘机反铲工作装置的分析中，并建立了挖掘机的运动学和动力学仿真模型。在软件中，利用文件建立了液压挖掘机反铲工作装置的数学模型，并利用所建立的方程组求得了挖掘机的作业范围，并绘图输出。建立了基于软件的铲斗连杆机构的优化模型。西南交通大学硕士研究生学位论文第页第章绪论虚拟样机技术概述随着世纪世界经济和科学技术的飞速发展，全球性的市场竞争日益激烈，产

5、品的消费结构日趋向多元化、个性化方向发展。面对持续发展、风云变幻的市场需求，企业为了提高自身竞争力，必须尽快推出新产品，更新设计，缩短产品的研发周期，提高产品质量，降低研发成本，进行创新性设计，这样才能对瞬息万变的市场需求做出敏捷反应，从而在竞争中获得相当的市场份额和利润。虚拟样机技术就是在这种迫切市场需求的驱动下产生的【】【。虚拟样机的基本概念虚拟样机（，简称）技术是当前设计制造领域的一项新技术，又称为机械系统动态仿真（）技术【，是国际上年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程（墟）新技术。一种新产品的开发和研制需要考虑诸多因素，因此对传统设计方法提出了挑战，虚拟样机技术从

6、分析解决机械系统整体性能及其相关问题的角度出发，研究解决采用传统的机械产品设计方法学所带来的弊端的一项高新技术手段【刀。利用该技术，工程设计人员可以直接利用系统所提供的各零部件的物理信息（如质量、质心位置、转动惯量等）及几何信息，在计算机上进行虚拟装配（定义零部件间的连接关系及其作用力、运动激励），从而获得产品的虚拟样机模型，并对其进行仿真分析，进而在产品物理样机试制出来之前就对其性能有一个大体了解，并可把仿真结果作为对系统关键零部件有限元分析的依据。目前虚拟样机的概念从机械工程研究领域的角度出发，等人认为虚拟样机是一种针对测试对象和物理原形进行的一个虚拟制造和仿真过程，基于虚拟样机技术建立的

7、工程化制造开发模型可以使设计人员访问一个实际物理模型的所有关于机械、物理、外观和功能特性的有关信息。虚拟样机技术的核心理论工程中的研究对象大多是由大量零部件构成的系统，根据设计优化与性西南交通大学硕士研究生学位论文第页态分析的要求可以将其分为两大类【】：一类称为结构，它们的特征是在正常的工况下构件间没有相对运动，研究中只关心这些结构在受到载荷时的强度、刚度与稳定性。另一类是系统在运行过程中部件间存在相对运动的机构。如航空航天器、操作机械臂、机器人等复杂机械系统。力学模型为多个物体通过运动副连接的系统，称为多体系统。对于复杂的机械系统，研究其在载荷作用下各部件的动力学响应是产品设计中的重要问题。

8、已知外力求系统运动的问题归结为求非线性微分方程的积分，称为动力学正问题。已知系统的运动确定运动副动反力的问题称为动力学的逆问题，它是系统各部件强度分析的基础。虚拟样机技术的核心理论是多体系统动力学。多体系统动力学是由多刚体系统动力学与多柔体系统动力学组成的。多刚体系统动力学的研究对象是由任意有限个刚体组成的系统，刚体之间以某种形式的约束连接，这些约束可以是理想完整约束、非完整约束、定常或非定常约束。研究这些系统的动力学需要建立非线性运动方程、能量表达式、运动学表达式以及其他一些量的公式。多刚体系统动力学主要解决多个刚体组成的系统动力学问题，各个构件之间可以有较大的相对运动。多柔体系统动力学的研

9、究对象是由大量刚体和柔体组成的系统。多柔体系统动力学可以看作是多刚体动力学的自然延伸。根据多柔体系统组成的特点，一般以多刚体系统动力学的以研究为基础，对系统中柔性体进行不同的处理，在机械系统中常用的处理方法有离散法、模态分析法、形函数法和有限单元法等。将柔性体的分析结果与多刚体系统的研究方法相结合，最终得到系统的动力学方程。虚拟样机技术的特点传统的产品开发步骤通常分为：产品设计、试验室试制、制造物理样机和产品生产等四个阶段。这种基于物理样机的设计研发模式的致命缺点是成本高、周期长，因此它不能适应现代化制造业中的柔性化、快捷化以及高质量的要求。同传统的基于物理样机的设计研发方法相比，虚拟样机设计

10、方法具有以下特点】：全新的研发模式。传统的研发方法从设计到生产是一个串行过程，它存在很多弊端。而虚拟样机技术真正实现了系统角度的产品优化，它基于并行工程，无需建立物理模型，在产品的概念设计阶段就可以迅速地分析、比较多种设计方案，确定影响产品性能的敏感参数，并进行优化和改进，通过可视化技术仿真分析产品在各种真实工况下的行为特征以及所具有的响应，西南交通大学硕士研究生学位论文第页直至获得最优工作性能。更短的研发周期、更低的研发成本、更高的产品质量。虚拟样机的设计方法是通过计算机技术建立产品的数字化模型（虚拟样机），摆脱了对物理样机的依赖，从而可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验，有时这些试验是

11、破坏性的，因此大大减少了物理样机的数量，而且缩短了研发周期、提高了产品质量。实现动态联盟的重要手段。为了适应快速变化的全球市场，克服单个企业资源的局限性，出现了在一定时间内，通过临时缔结成的一种虚拟企业，即目前被世界广泛接受了的动态联盟（）的概念。参盟的企业为了实现并行设计和制造，信息的快速交流尤显重要，而虚拟样机是一种数字化模型，通过网络可以快速、准确的传输，从而为动态联盟活动的高度并行性提供了基础。虚拟样机技术的发展及应用现状虚拟样机技术源于对多体系统动力学的研究。世纪年代，古典的刚体力学、分析力学与计算机相结合的力学分支多体系统动力学产生了，其主要任务是【加】【】：建立复杂机械系统运动学

12、和动力学程式化的数学模型，开发实现这个数学模型的软件系统，自动进行程序化处理。开发和实现有效的处理数学模型的计算方法与数值积分方法。实现有效的数据后处理，采用动画、图表或其他可视化显示方式提供数据处理结果。经过了多年的发展，多体系统动力学理论框架已经建成，并编制了相应的计算机程序，使理论研究成果商品化，开发了多种多体动力学软件。但一种优秀的虚拟样机分析软件除了进行机械系统运动学和动力学分析，还应包含以下技术【：软件和技术。为机械系统建模服务，并用来展示分析结果。有限元分析（）软件和技术。可以利用运动学和动力学分析的结果，确定进行机械系统有限元分析所需的外力和边界条件，对构件应力、应变和强度进行

13、进一步的分析。利用实验装置的实验结果进行某些构件的建模并模拟各种各样的作用力对样机进行仿真分析。系统优化分析、控制系统设计与分析软件和技术。虚拟样机软件可以运用传统的和现代的控制理论，进行机械系统的运动仿真分析，并运用虚拟西南交通大学硕士研究生学位论文第页样机分析技术进行机械系统的优化设计和分析。通过分析获得机械系统的最佳综合性能。目前国外虚拟样机技术软件的商品化过程已经完成，在这个日益增长的市场上竞争的有二十多家公司，其中比较有影响力的产品包括美国公司的、比利时公司的以及德国航天局的。虚拟样机技术在一些较发达国家，如美国、德国、日本等已经广泛地应用，应用领域从汽车制造业、工程机械、航天航空业

14、、造船业、机械电子工业、国防工业、通用机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等很多方面。基于一些客观因素，虚拟样机技术在我国还没有被广泛的应用。但作为一项适用于各种产品的设计过程的通用技术，只要找对市场切入点，组织得当并加强与国外的交流，定会使虚拟样机技术为中国的工业发展服务。虚拟样机技术是一门新兴的技术，它有着广阔的发展前景及市场。液压挖掘机工作装置的发展动态及研究现状最早在液压挖掘机工作装置设计时，往往通过类比法、查表、理论计算初步确定性能参数以后，再花大量的时间对设计的合理性进行分析，计算量大，而且在设计过程中，大多选取几个关键位置进行检讨计算，其精度较低。当今计算机广泛应用于机械

15、设计中，挖掘机工作装置的设计得到了快速发展。针对液压挖掘机工作装置的技术也已经有了不少的研究。国外发展动态及研究现状从世纪年代生产第一台全液压挖掘机至今，挖掘机工作装置已经发展到了相当成熟的阶段【。随着液压挖掘机市场的增大、产量的提高和使用范围的扩大，世界著名的挖掘机生产商纷纷采用新技术、新手段来提高产品质量，提高产品的市场竞争力。液压挖掘机作为工程机械的产品代表，它具有重量轻、结构紧凑、挖掘力大、传动平稳、操纵简便、易实现无级变速和自动控制等系列优点，被广泛应用于水利电力工程、建筑工程、市政工程、矿山采掘以及国防等工程的施工中。它具有很高的生产效率和可靠的安全稳定性，对于保证工程质量、加快建

16、设速度，有着重要作用。据建筑施工部门统计，一台斗容为的液压挖掘机挖掘级土壤时，每班生产率大约相当于个工人一天的作业量引。因此，一般工程施工中约有的土方量、露天煤矿中的剥离量和采掘量都是用挖掘机完成的。因此使得挖掘机在现代西南交通大学硕士研究生学位论文第页“挖土改水的建设中发挥中越来越重要的作用。随着建筑施工和资源开发规模的扩大，各种作业环境的不同，使得国际上液压挖掘机工作装置的生产向多功能化和专业化方向发展。从世纪年代开始，发展了正铲、反铲、起重、钻机等，年代液压破碎锤开始应用于液压挖掘机。年代中期，根据需求，利用液压挖掘机底盘开发了钻机、螺旋钻井机、履带起重机等设备。到年代后期，又开发出全回

17、转叉式液压机、碎石机、道路破碎机、汽车拆除机及伸缩式斗杆、橘瓣式铲斗等。此后经不断改进并系列化发展。年代广泛发展的主要是专用附件、拆除机械等。进入年代，各种特殊的附加设备相继被开发，如泥地工作机、拆除专用机、可伸缩式履带起重机的系列化及隧道专用机、钢材搬运机。工作装置在实现多种功能的同时，大多采用快换装置，仅用的时间就可以完成作业装置的更换。随着计算机辅助设计技术的日益推广，机械设计及制造技术发生了革命性的变化，而作为一个重要分支的液压挖掘机行业，应用现代计算机辅助设计技术势在必行。在国外很多科研机构和一些大型企业，都已经对挖掘机工作装置的设计进行研究，并开发了一些专业软件，并将疲劳损伤累积理

18、论、断裂力学、有限元法、结构优化设计、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，提高了产品质量，增强了竞争力。国内发展动态及研究现状我国从年开始研制液压挖掘机，逐步开发了系列产品；年代初从德国公司与公司引进技术生产斗容量中型规格产品，但质量和数量与国外相比均存在较大差距【切，在故障时间、经济性、燃油消耗率、施工成本等方面差距明显。到了年代末、年代初，世界各工业发达国家液压挖掘机技术水平得到迅速的提高，在追求高效率（同一机重的挖掘功率普遍提高，液压系统流量增大，作业循环时间减小，作业效率大大提高）、高可靠性、司机操作的舒适性方面表现尤为突出。

19、当前，国际上液压挖掘机的生产正向大型化、微型化、多能化、专用化和智能化的方向发展引，应用新技术、新工艺、新结构和新材料，加快了向标准化、系列化、通用化发展的步伐，相对而言，虽然国内液压挖掘机行业近年来有很大发展，但总体水平与发达国家相比还有一定差距，可喜的是国内众多的研究人员和单位对液压挖掘机工作装置设计进行了不少研究，开发西南交通大学硕士研究生学位论文第页了设计软件，为工作装置设计参数分析和在上自动设计提供了基础和参考。为了使挖掘机设计人员从繁忙的计算中解脱出来，将计算机辅助计算和优化设计应用于液压挖掘机工作装置的设计中是目前研究的重点。随着我国加入，在国际化合作变得日益密切之际，对国内液压

20、挖掘机行业来说，充分利用国际化配套、积极引进先进的生产技术和积极采用先进的设计开发技术迫在眉睫。本文的主要内容及研究方法本文在基于虚拟样机技术理论、机械动力学理论以及挖掘机相关设计理论的基础上，提出了将虚拟样机技术应用于液压挖掘机的研究开发上。本课题针对某厂生产的液压挖掘机样机建立起虚拟样机模型，对挖掘机进行运动学、动力学仿真分析，并进行了优化设计。在阅读了大量资料的基础上，概述了虚拟样机技术的概念、特点及其应用现状，阐述了多体动力学仿真软件建模仿真的基本流程，分析了它与常用三维软件之间的数据交换问题。利用软件绘制了液压挖掘机三维实体模型，并对虚拟样机模型进行前处理，然后将模型导入中，建立了虚

21、拟样机的运动学和动力学模型，并进行了复合动作作业方式下仿真分析。在软件中对挖掘机虚拟样机机械系统运动轨迹及整机的工作范围进行了仿真，并与在中绘制的包络曲线进行比较，对比验证了参数化设计的优点。在中对关键零部件重新建立三维实体模型，并对设计关键点进行参数化，在此基础上借助中的参数化分析方式（设计研究、试验设计、优化设计），对工作装置的铲斗连杆机构进行了优化。西南交通大学硕士研究生学位论文第页第章工作装置的运动学及动力学分析基础工作装置是液压挖掘机的主要组成部分之一、是液压挖掘机直接用来进行挖掘作业的施工工具。根据不同的用途，工作装置种类繁多，其中最主要的有反铲装置、正铲装置、挖掘装载装置、起重装

22、置和抓斗装置等【引。反铲装置是中小型液压挖掘机的主要工作装置，也是工程施工中运用最广泛的工作装置。本文主要以反铲液压挖掘机作为虚拟样机技术实现的研究对象。工作装置的结构及工况分析液压挖掘机的组成图整体式动臂反铲液压挖掘机动臂动臂油缸一斗杆一斗杆油缸铲斗铲斗油缸摇杆连杆上部转台下车部分单斗反铲液压挖掘机是以一个铲斗进行挖掘作业的工程机械，它由工作装置、上部转台和行走装置三大部分组成。反铲装置主要用于挖掘停机面以下的土壤（基坑、壕沟等），其挖掘轨迹取决于液压缸的运动及相互配合的情况。斗容量小于的中小型液压挖掘机通常选用反铲装置，它分为整体臂式和组合臂式。其中长期作业条件相似的挖掘机反铲装置大多采用

23、整体式弯动臂结构。采用这种动臂有利于加大挖掘深度，且结构简单，价格低廉。刚度相同时，其重量比组合式动臂轻，是目前应用最广泛的挖掘机工作装置西南交通大学硕士研究生学位论文第页结构形式。整体式弯动臂反铲挖掘机工作装置采用连杆机构原理，而各部分的运动则通过液压缸的伸缩来实现；它主要由动臂、动臂油缸、斗杆、斗杆油缸、铲斗、铲斗油缸、摇杆、连杆、销轴等组成，如图所示。液压挖掘机反铲工作装置各运动部件之间全部采用销轴铰接，以动臂油缸来支撑和改变动臂的倾角，通过动臂油缸的伸出与缩回可使动臂绕下铰点转动实现动臂的上升与下降。斗杆铰接于动臂的上端，由斗杆油缸控制斗杆与动臂的相对角度。当斗杆油缸伸缩时，斗杆可绕动

24、臂上铰点转动。铲斗与斗杆前端铰接，并通过铲斗油缸伸缩使铲斗转动。为增大铲斗的转角，通常采用摇杆连杆机构来和铲斗连接。挖掘机的工况分析对液压挖掘机来说，反铲装置是中小型液压挖掘机的主要工作装置，也是工程施工中运用最广泛的工作装置。反铲装置的作业工况较复杂，但总体来说分为以下几个典型工况：典型的挖掘工况挖掘机在清除障碍、挖掘较松软的土壤时，主要采用铲斗液压缸进行挖掘作业，即铲斗挖掘工况。此种作业方式有利于提高生产率，因此，在一般土方工程挖掘中（级土以下土壤的挖掘）铲斗挖掘最常用闭。在挖掘较坚硬的土质时，为了能够装满铲斗，挖掘机在实际工作中常以斗杆液压缸进行挖掘，即斗杆挖掘工况。在实际工作中，为了提

25、高效率、节约作业时间，经常是两种工况联合作用，有时为了轨迹的控制需要，还配以动臂液压缸的动作。满斗举升回转工况挖掘结束后，动臂油缸将动臂顶起，满斗举升，同时回转液压马达使转台转向卸载处，此时主要是动臂和回转马达的复合动作。动臂抬升和回转马达同时动作时，要求二者在速度上匹配，即回转到指定卸载位置时，动臂和铲斗自动提升到合适的卸载高度。在回转和动臂提升的同时，斗杆要外放，有时还需要对铲斗进行调整。这时是回转马达、动臂、斗杆和铲斗进行复合动作卸载工况工作装置回转至卸载位置时，转台制动，用斗杆调节卸载半径和卸载高度，用铲斗油缸卸载。为了调整卸载位置，还需要动臂配合动作。卸载时，主要是斗杆和铲斗复合动作

26、，间以动臂动作。西南交通大学硕士研究生学位论文第页空斗返回工况当卸载结束后，转台反向回转，同时动臂油缸和斗杆油缸相互配合动作，把空斗放在新的挖掘点。整机移动工况挖掘机一般不作长距离行走，只在工地范围行走，作业时用来调整整机位置。履带式挖掘机在大距离工地转移时，一般是借助其它运输工具转移。姿态调整工况挖掘机在合适的停放、保证运输尺寸与姿态和特殊的检查姿态时，工作装置及其它功能运动制动与锁定，并满足接地比压要求。工作装置的设计原则所谓设计¨，就是尽可能少地消耗以材料、能源、劳动力、资金等形态存在的资源，而创造出满足预先陈述的功能要求的物质实体，以实现对某一设计对象潜在要求的过程。它在本质

27、上是多学科的交汇集和综合优化创新的结果。机械设计是机械产品研制的第一道工序，设计工作的质量和水平，直接关系到产品质量、性能、研制周期和技术经济效益【。对液压挖掘机反铲工作装置进行设计时，所遵循的设计原则为【：满足主要工作尺寸及作业范围的要求，在设计时应考虑与同类机型相比时的先进性，性能与主参数应符合国家标准之规定。满足整机挖掘力大小及分布情况的要求。理论工作循环时间短，功率利用情况好。确定各铰点布置，结构形状应尽可能使受力状态有利，在保证刚度和强度的前提下，重量越轻越好。应考虑到通用性和稳定性要求。运输或停放时应有合理的姿态。液压缸设计应考虑到“三化，即零件标准化、部件通用化、产品系列化，采用

28、系列参数。工作装置应安全可靠，拆装维修方便。满足特殊使用要求。工作装置的运动学及动力学分析动臂机构液压挖掘机反铲工作考虑到主要作业区域在地面以下，为有利于挖深，西南交通大学硕士研究生学位论文第页一般常选用整体式弯动臂，考虑到动臂强度，动臂弯角一般不宜太小，推荐取。一。但弯角一般不小于。，同样有利于地面以下作业。为了结构的宜于实现，动臂的仰角一般不大于。，俯角一般不小于。，由此来保证几何参数在运动过程中均成立。动臂与斗杆的长度比瓦，可在很大范围内变化，一般为墨称为长动臂短斗杆方案；瓦称为短动臂长斗杆方案；墨时称为中间方案。在设计动臂机构及选用动臂油缸时，应考虑到动臂液压缸作用力的要求，要求应保证

29、反铲作业过程中在任何位置上都能提起带有满载斗的工作装置到达最高和最远的位置。计算时，可选用下述三个位置：从最大挖深处提起满载斗；从最大挖远处提起满载斗；从最大卸高处提起满载斗。动臂液压缸应有足够的闭锁力，保证斗杆或铲斗挖掘力充分发挥。本文采用动臂缸置于动臂下方，且动臂为整体式弯动臂的方案。斗杆机构在反铲工作装置作业时，斗杆起着将铲斗拉近的作用，因此对挖掘机的挖掘性能影响很大。斗杆相对越长，其作业范围也越广，但挖掘力相对愈小，不仅如此，考虑到车体的稳定性，长斗杆一般装的是小容量的铲斗；斗杆短时虽然作业范围变小，但是斗杆的切削力增大，故可在硬地面或用大容量铲斗进行高效快速的挖掘、装载作业。斗杆与动

30、臂的长度比值一般在加之间，比值小时，则会造成装土不足或近前挖掘困难，太大则会使斗杆在回扣装土时碰撞驾驶室或行走部分。确定斗杆液压缸铰点位置、行程及力臂比时应当考虑以下因素：保证斗杆液压缸产生足够的斗齿挖掘力。一般来说希望液压缸在全行程中产生的挖掘力始终大于正常挖掘阻力；液压缸全伸全缩时的作用力都应足以支撑满载斗和斗杆静止不动；液压缸作用力臂最大时产生的挖掘力应大于要求克服的最大挖掘阻力。液压缸应有必要的闭锁能力。要求在主挖区内铲斗挖掘力能够得到充分的发挥。保证斗杆的相对摆角范围。对于通用式挖掘机构，斗杆的摆角范围大致为。一。，在满足工作范围和运输要求的前提下，此值应尽可能的小些。一般来说，斗杆

31、越长摆角范围也越小。当斗杆、铲斗液压缸全伸时，斗前壁与动臂之间的距离应大于。考虑到作业范围，在结构强度满足的前提下，应保证在运动过程中几何结构相关性的成立。西南交通大学硕士研究生学位论文第页铲斗连杆机构反铲铲斗机构通常采用六连杆机构。铲斗在挖掘时的转角大致为。，为了满足开挖和最后卸载及运输状态的要求，铲斗总的转角往往要达到。当铲斗缸全缩时，齿尖可能在斗杆的延长线上，或者，在其上侧。处，在个别情况下，为了适应挖掘深沟及垂直侧壁的作业要求，为不使斗底先于斗齿接触土壤，常采用大仰角机构，此时，仰角可达。铲斗机构挖掘力的要求：要求铲斗最大理论挖掘力应与铲斗最大挖掘阻力相适应，当铲斗以。的仰角开挖时，最

32、大挖掘力一般应出现在斗杆的延长线下受。处，也即铲斗挖掘时转角行程的一半处，此时，挖掘土壤的厚度最大，挖掘阻力也最大。此外，要求连杆机构在液压缸的全行程中均能成立，当铲斗液压液压缸闭锁力一定的条件下，连杆机构传动比的大小，直接影响挖掘机构挖掘力的大小，因此在保证斗杆挖掘力正常发挥时，应对连杆机构进行优化设计，找出最佳传动比，使得挖掘力最大发挥。本文在中对连杆机构进行优化分析。挖掘机的理论挖掘阻力计算挖掘阻力是指铲斗在挖掘过程中所遇到的土壤阻力。挖掘阻力由于其对液压挖掘机可靠性和挖掘能力影响比较显著，因此对挖掘机的挖掘阻力作以分析和计算。在进行挖掘机的动力学分析时，挖掘阻力是涉及到的外载荷之一。通

33、常挖掘阻力可近似地认为作用在铲斗的斗齿尖上，并可将其按挖掘轨迹的切线方向和法线方向分解为切向挖掘阻力职和法向挖掘阻力职，它们的经验计算公式如驯：切向阻力：一（）法向阻力：，（）式中挖掘比阻力，是铲斗挖掘装置每挖一个单位面积的土壤所需克服的阻力，它综合反映了铲斗挖掘时，土体破裂、装土、摩擦等阻力的总和。单位：。切削宽度（斗宽），单位：西南交通大学硕士研究生学位论文第页挖掘深度，一般（一），单位：妒挖掘阻力系数根据参考文献知，小型挖掘机通常在一般土壤下进行挖掘作业，即级土壤（普通粘土、松湿的重质粘土、坚实的亚粘土），因此假设挖掘土壤类型为级。则选取挖掘比阻力，切削宽度，即本文所建立的虚拟样机的液压

34、挖掘机斗宽，挖掘深度取切削宽度的倍，即，挖掘阻力系数缈，则根据公式（）、（），挖掘机工作时的挖掘阻力计算如下：切向阻力：眠一。法向阻力：职妒形一。在进行动力学仿真时，设定挖掘阻力的作用点在铲斗斗齿的中间位置，切向阻力形沿挖掘轨迹的切线方向指向斗齿尖，法向挖掘阻力职沿挖掘轨迹的法线方向指向斗齿尖，并且，在挖掘机整个挖掘过程中，挖掘阻力的方向相对于铲斗不变，而相对于地面是在不断变化的。挖掘动作分析本节对两种挖掘方式进行分析，其中所采用的油缸型号分别如下，油缸表示形式为：×；如图所示：式中一液压缸直径，单位：咖一活塞杆直径，单位：卜一活塞杆行程，单位：斗杆油缸：××铲斗

35、油缸：××图油缸见图斗杆油缸挖掘方式斗杆挖掘时，斗齿的路径以动臂与斗杆的铰点为中心，该铰点至斗齿尖的距离为半径所作的弧线，挖掘过程由斗杆油缸单独驱动。如图，依据力矩平衡原理，对点取矩、斗杆的理论挖掘力可表示为：一鼍乎（）西南交通大学硕士研究生学位论文第页式中斗杆油缸的工作压力，单位：如斗杆油缸大腔面积，单位：艘两铰点、之间的距离，单位：触如三铰点、连成一条直线时的长度，单位：代入数据计算可得：昂一半一三茎尘生坚蓦茬菩苦笔与暑篆占萨图斗杆挖掘示意图图铲斗挖掘示意图铲斗油缸挖掘方式铲斗挖掘时，斗齿路径是以铲斗与斗杆的铰点为中心，该铰点至斗齿尖的距离为半径所作的弧线，挖掘过程由铲

36、斗油缸单独驱动铲斗的动作。如图，依据力矩平衡原理，分别对、点取矩，铲斗的理论挖掘力可表示为：昂一警×毕（）式中昂铲斗油缸的工作压力，单位：如铲斗油缸大腔面积，单位：咖两铰点、之间的距离，单位：铰点到两铰点连线之间的距离，单位：栅敏点到两铰点连线之间的距离，单位：咖两铰点、之间的距离，单位：代入数据计算可得：。警×警×万（。）句。一×一×挖掘机工作循环时间对于挖掘机来说，当机型一定时，决定挖掘机生产率的基本因素是工作循环时间。表示为：。一。，（）式中。挖掘时间抬臂回转时间，卸料时间，回转降臂时间挖掘时间取决于铲斗挖掘速度的高低，过高的挖掘速度将增

37、加操作人员的紧张和疲劳程度。为减少运行时间和返回时间，应在允许的情况下尽量减少回转角。回转角的合理范围一般为。一。，最佳角度为。卸料时间主要取决于铲斗的结构和土壤的性质。不同斗容量与不同土质条件下的挖掘机的自由卸料时间有所差异，土壤的粘性高和斗容量大，卸料时间会相对增加。对于熟练的操作工，在充分利用了挖掘机复合动作，并且动作间衔接紧密，挖掘土壤类型为级时，表给出了本文所研究的液压挖掘机的理论作业循环时间表。该时间表依据“流量法从理论上计算出了各动作所需作业时间。计算条件如下：系统采用变量柱塞泵。液压系统的工作压力为×。本机土壤容重×。挖掘范围取动臂缸与铲斗缸夹角从。，卸载高

38、度取，转台转角为。挖掘时，斗杆缸主动挖掘，铲斗装满后动臂提升与转台回转同时进行，当转台转到。位置时斗杆缸和铲斗缸缩回卸料，卸料完毕转台反转、动臂下降，回置于挖掘的初始位置。表理论作业循环时间表单位：动作作业循环时间名称执行元件工况斗杆缸伸钐箩勿钐挖掘铲斗缸伸呖；亏孑抬臂动臂缸伸夕乡多勿回转铲斗缸伸：钥回转马达正转场；乒朔斗杆缸缩既：§彳多卸料，铲斗缸缩怛宅回转回转马达反转荔歹萝纠降臂髟多二咧动臂缸缩根据上表，液压挖掘机在复合动作方式下作业，总的理论作业时间是，每个分动作都是总的工作循环时间的分段函数。干涉检查是分析液压挖掘机工作装置连杆机构可能出现的运动“死点、“碰撞和“撕裂一等位置

39、，保证工作装置能正常工作，以各动作理论作业时间在虚拟样机模型中建立函数方程，可对工作装置的杆件间有无干涉做出分析判断。物料重力和挖掘机各构件的重力西南交通大学硕士研究生学位论文第页物料的重力挖掘机在挖掘过程中，物料是逐渐增多的，因此物料的重力也是逐渐增大的。而且，从挖掘开始到卸料结束，随着铲斗的移动其位置在不断的改变，但物料重力的方向始终是垂直向下的。物料的重力（）是根据液压挖掘机的铲斗容量得到的，本文机型的铲斗容量为，取一般土壤（级土壤）的密度为×，重力加速度为×，则由公式（）可得挖掘机的物料质量为，由公式（）可得其物料重力为。（）式中密度，单位：体积，单位：（）式中质量

40、，单位：重力加速度，单位：各构件的自重及重心位置根据液压挖掘机的设计尺寸，建立虚拟样机模型，在三维样机模型中得到挖掘机各构件的自重，其重心位置可从导入到中的挖掘机虚拟样机得到。在仿真时，将中相应构件的重力数值进一步确认，即可真实正确进行挖掘机的动力学仿真。表即为液压挖掘机各杆件质量和重力设计值。表各杆件质量和重力杆件名称质量（）重力（）动臂斗杆铲斗连杆摇杆动臂油缸斗杆油缸每幻铲斗油缸回转机构（含配重、驾驶室）行走机构（含回转支撑）西南交通大学硕士研究生学位论文第页本章小结在对挖掘机整体结构介绍的基础上，分析了挖掘机各工况的作业特点；根据工作装置的设计原则，分析了动臂机构、斗杆机构、铲斗连杆机构

41、的结构约束条件；计算得出了挖掘机的理论挖掘阻力与挖掘机的工作循环时间，分析并确定了挖掘过程中的物料重力及工作装置各机构自身的参数。本章是工作装置的运动学和动力学分析的前提，为后面章节的仿真分析提供了基础。西南交通大学硕士研究生学位论文第页第章挖掘机工作装置虚拟样机的建立虚拟样机三维建模及仿真模型前处理软件的特点及建模方法（简称）软件为美国公司的五大主要产品（、）之一，以一体化而著称。它广泛应用于航空、航天、汽车、通用机械、模具和家具电器等领域。在虚拟样机建模过程中用到该软件以下特州：具有统一的数据库，真正实现了墟删等各模块之间的无数据交换的自由切换，可实施并行工程。用基于特征（如孔、凸台、型腔

42、、沟槽、倒角等）的建模和编辑方法作为实体造型的基础，形象直观，类似传统的设计方法，为工程师设计提供方便，并能用参数驱动。出图功能强，可十分方便的从三维实体模型直接生成二维工程图。能按标准和国家标准标注尺寸、形位公差和汉字说明等。并能直接对实体做旋转剖、阶梯剖和轴测图挖切生成各种剖视图，增强了绘制工程图的实用性。以为实体建模核心，实体造型功能处于领先地位。为不同软件间的转换提供了支持。目前著名咄洲软件均以此作为实体造型基础。对现在我们所使用的（）版，其零件的三维建模方法目前主要是基于实体特征的建模方法。从技术基础上看，有参数化技术和变量化技术两种。产品的建模方法基于装配建模瞄。实体建模方法（）实

43、体造型技术能够精确地表达零件的全部属性，可以表达和处理模型的质量、重心、转动惯量等物理特性，在理论上有助于统一、各应用模块的模型表达，使删的一体化成为可能。实体造型技术是用点、曲线和曲面来创建模型，不同的实体之间没有相关性。参数化建模方法（）参数化（基于历史的）建模方法是基于特征（）的实体建模方法，参数化的轮廓及路径被称为草绘。所生成的轮廓和路径一般用于零件的实体造型。零件的大部分尺寸是在草绘过程中产生的。这些尺寸在产品设计的各个阶段都能修改，尺寸修改后，零件的形状将随之改变。设计人员可咀在草绘模块中体现自己的设计思想。草绘是先进系统的基本功能，草绘与零件造型往往是密不可分的。参数化建模具有基

44、于特征、全尺寸约束、尺寸驱动、全数据相关等主要优点，因此在三维建模中得到成功的应用，节约了设计时间和设计过程，极大地提高了生产率。工作装置三维实体模型的建立及仿真模型的前处理挖掘机工作装置的三维实体模型没有涉及到特别复杂的曲面、曲线，基本上零件的建模方法是：先建立二维草图，然后进行拉伸等操作。对于钣金件，在中有专门模块进行钣金件设计，方便快捷，如图所示；下车中的部分零件采用先建立基本的特征体，例如圆柱、圆锥、立方体、球等，然后利用交、并、差等布尔运算实现：对于工作装置、上车、下车中的液压管路的设计布置，在中有专门的机械布管模块，它将复杂管路的空间走线操作变得简单方便。模块如图所示。口日口口日口！，口口口日目黜躲一一。，一一一、十一！也。一一，图钣金模块图。聃叫。一一、；，一图机械布管模块对于在挖掘机虚拟样机建模中用到的标准件，中可以外挂中国国家标准件库，在：下安装了后，继续安装中国国家标准件库，安装目录为：、，然后运行，这样就可以将国家标准零件库导入到菜单中。导入的标准件库的菜单条如图所示，在挖掘机虚拟样机建模过程中，需要用到标准零件时，直接调用即可，方便、准确、快捷。毫凹一亩首冒孽可冒可口一渺卓宙日口强懵审弗嗲图中国国家标准件库菜单图左右摇杆三维模型工作装置各主要组件在中所建立的三维模型分别如图、图、芒阵函障卜蔓霜瀚熏、西南交通大学硕士研究生学位论文第页