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1、 四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 液壓挖掘機(jī)畢業(yè)論文 學(xué)生姓名 院系名稱 專業(yè)名稱 班 級 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 答辯時間 2011年4月9日 新型液壓挖掘機(jī)畢業(yè)論文 摘 要 將液壓挖掘機(jī)引入凍結(jié)法立井施工領(lǐng)域，可以加快施工速度、降低工人的勞動強(qiáng)度，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法對立井施工新型液壓挖掘機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，以期能研制出滿足市場需求、高性能的產(chǎn)品，

2、提高立井井筒凍結(jié)表土段掘進(jìn)的機(jī)械化程度。 本文首先進(jìn)行方案論證，決定采用電力驅(qū)動，從根本上消除了柴油機(jī)廢氣的危害；以日本小松PC50UU-Ⅱ小型柴油驅(qū)動挖掘機(jī)作為研制的母機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，明確了本文的研究重點(diǎn)為工作裝置優(yōu)化和液壓系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)兩方面。 通過對立井施工新型液壓挖掘機(jī)反鏟裝置運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，得到了動臂、斗桿、鏟斗及其連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動方程和幾種典型工況下的挖掘力計(jì)算方法。在此基礎(chǔ)上本文根據(jù)立井施工新型液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置的工作特點(diǎn)和性能要求，將確定工作裝置各鉸點(diǎn)的幾何參數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，用反鏟工作裝置的挖掘能力作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，對反鏟工作裝置實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用博世力士樂

3、的LUDV技術(shù)，本文重新設(shè)計(jì)了立井施工新型液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)。 本文進(jìn)一步建立了挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中電動機(jī)、泵、閥、缸和馬達(dá)的數(shù)學(xué)模型，研究工作機(jī)構(gòu)與其液壓回路數(shù)學(xué)模型之間的耦合，然后利用AMESim仿真軟件對新型挖掘機(jī)定點(diǎn)挖掘過程中工作裝置的液壓系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)動力學(xué)進(jìn)行綜合仿真，運(yùn)動學(xué)仿真結(jié)果表明工作裝置能很好的實(shí)現(xiàn)挖掘范圍要求，機(jī)構(gòu)無干涉；力學(xué)仿真結(jié)果表明液壓系統(tǒng)穩(wěn)定，整個工作過程中挖掘力很好的逼近其挖掘阻力曲線要求，挖掘性能優(yōu)異。 最后進(jìn)行了樣機(jī)試制和工業(yè)性試驗(yàn)，實(shí)踐檢驗(yàn)證明了立井施工新型液壓挖掘的設(shè)計(jì)是正確和可靠的，完全能滿足現(xiàn)場施工要求。 關(guān)鍵詞：電動液壓挖掘機(jī) 立井施工

4、工作裝置 液壓系統(tǒng) 優(yōu)化設(shè)計(jì) 目 錄 1 緒 論 1 1.1 課題的提出 1 1.2 液壓挖掘機(jī)概述 2 1.2.1 液壓挖掘機(jī)主要組成 2 1.2.2 液壓挖掘機(jī)工作循環(huán)過程 3 1.2.3 電動液壓挖掘機(jī) 3 1.3 液壓挖掘機(jī)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀 4 1.3.1 國外發(fā)展與研究現(xiàn)狀 4 1.3.2 國內(nèi)發(fā)展與研究現(xiàn)狀 7 1.4 虛擬樣機(jī)技術(shù)在本課題中的應(yīng)用 7 1.5 本章小結(jié) 9 2 新型液壓挖掘機(jī)工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)研究 11 2.1 新型液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置的運(yùn)動學(xué)分析 11 2.1.1 動臂運(yùn)動分析 11 2.1.2 斗桿運(yùn)動分析 12

5、2.1.3 鏟斗運(yùn)動分析 13 2.1.4 斗齒尖運(yùn)動分析 14 2.1.5 特殊工作尺寸 15 2.2新型液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置受力分析 16 2.2.1 挖掘阻力 16 2.2.2 挖掘力的分析 18 2.3 新型液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì) 23 2.3.1 設(shè)計(jì)變量的確定 24 2.3.2 目標(biāo)函數(shù)的建立 24 2.3.3 約束條件的確定 25 2.3.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)及結(jié)果分析 29 1 緒論 1.1 課題的提出 工程機(jī)械是實(shí)現(xiàn)施工高速度、高質(zhì)量、低成本、高效益的重要手段，它廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各部門，世界各國歷來都十分重視工程機(jī)械的發(fā)

6、展。液壓挖掘機(jī)是工程機(jī)械的一個主要機(jī)種，它利用鏟斗挖掘、鏟裝土壤和石塊，裝滿后提升鏟斗并回轉(zhuǎn)到卸土地點(diǎn)卸土，然后再使轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)、鏟斗下降到挖掘面，進(jìn)行下一次挖掘。液壓挖掘機(jī)廣泛應(yīng)用于礦山開采、道路工程、國防施工、農(nóng)田水利等基礎(chǔ)建設(shè)之中，對減輕繁重的體力勞動，加快施工進(jìn)度，提高勞動生產(chǎn)率具有十分顯著的意義。 在立井施工領(lǐng)域，凍結(jié)法鑿井技術(shù)得到了越來越多的應(yīng)用，我國在這一方面已跨入世界先進(jìn)行列，凍結(jié)深度從最早的105米發(fā)展到目前的700余米，相應(yīng)的凍結(jié)表土層也由最初的幾十米發(fā)展到今天的近600米。隨著凍結(jié)深度的增加，凍土的挖掘愈加困難，目前凍結(jié)井筒普遍采用風(fēng)鎬掘進(jìn)施工方法，即人工操作風(fēng)鎬破土、抓巖

7、機(jī)抓土裝罐。這種方法占用人員多、勞動強(qiáng)度大、施工效率低，造成工期、凍結(jié)送冷時間的延長，進(jìn)而導(dǎo)致施工成本的大幅度增加。因此，盡快開發(fā)出用于凍土挖掘的專業(yè)施工設(shè)備，提高立井井筒凍結(jié)表土段掘進(jìn)的機(jī)械化程度、加快施工速度、降低工人的勞動強(qiáng)度已成為一個重要的現(xiàn)實(shí)課題。 液壓挖掘機(jī)作為一種常用機(jī)械設(shè)備，操作方便、故障率低且易于維修，據(jù)統(tǒng)計(jì)，各種土石方作業(yè)中約有60％～70％的土方量是由它完成的。借鑒地面土石方工程中利用液壓挖掘機(jī)破碎和挖（裝）土的成功經(jīng)驗(yàn)，如能研制出（1）尺寸小，滿足井下工作面狹小空間施工要求；（2）挖掘力和斗容滿足施工產(chǎn)量需求；（3）回轉(zhuǎn)速度滿足中心抓巖機(jī)裝料效率需求；（4）設(shè)備性能好

8、，維修率低；（5）排放盡可能少，滿足環(huán)保和職業(yè)健康要求的立井井筒凍結(jié)表土層掘進(jìn)施工用新型液壓挖掘機(jī)，則可以大大提高凍土掘進(jìn)速度，取得十分顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益，同時也是對立井機(jī)械化施工技術(shù)的一個很好補(bǔ)充。基于上述考慮，中煤第五建設(shè)公司第三工程處在參考市場上同類先進(jìn)機(jī)型基礎(chǔ)上，進(jìn)行了斗容量為0.21m3的立井施工用新型電動液壓挖掘機(jī)的開發(fā)，改傳統(tǒng)柴油機(jī)驅(qū)動為電動機(jī)驅(qū)動，保留液壓傳動和反鏟工作裝置。新產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中要解決如何在符合正常的液壓挖掘機(jī)操作習(xí)慣下，與市場上同規(guī)格內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動機(jī)型相比尺寸、重量盡可能小，以適應(yīng)井下工作環(huán)境；如何保證采用電機(jī)驅(qū)動后不降低挖掘力、不影響機(jī)械回轉(zhuǎn)裝料效率，而且還要安全

9、、節(jié)能、可靠等難題。鑒于這種情況，本文結(jié)合該項(xiàng)目，采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法對立井施工新型液壓挖掘機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，以期能研制出滿足市場需求、高性能的產(chǎn)品。 1.2 液壓挖掘機(jī)概述 本節(jié)以常見的單斗反鏟液壓挖掘機(jī)為例，介紹其基本組成結(jié)構(gòu)、工作原理。 1.2.1液壓挖掘機(jī)主要組成 液壓挖掘機(jī)由動力裝置、傳動系統(tǒng)、操縱機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、工作裝置、行走機(jī)構(gòu)和輔助設(shè)備等幾部分組成，外形如圖1-1所示。其中動力裝置、傳動系統(tǒng)的主要部分、操縱機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、輔助設(shè)備和駕駛室等都安裝在可回轉(zhuǎn)的平臺上，總稱上車部分，它與行走機(jī)構(gòu)（又稱下車部分）用回轉(zhuǎn)支撐相連，平臺可以圍繞中央回轉(zhuǎn)軸作360回轉(zhuǎn)。常見的液壓挖掘

10、機(jī)多采用柴油發(fā)動機(jī)作為原動力，履帶或輪胎行走，斗容量小于1.6m3的中小型液壓挖掘機(jī)通常選用整體鵝頸式動臂反鏟裝置，它的主要運(yùn)動如整機(jī)行走、轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)、動臂升降、斗桿收放、鏟斗轉(zhuǎn)動等都靠液壓傳動，把發(fā)動機(jī)的機(jī)械能以油液為介質(zhì)，利用油泵轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗?，傳送給油缸、油馬達(dá)等轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，再傳動各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動和工作過程。 整體鵝頸式動臂反鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置主要由動臂1、動臂油缸2、斗桿3、斗桿油缸4、鏟斗5、鏟斗油缸6、搖臂連桿7等組成，如圖1-1所示。裝置各運(yùn)動部件之間全部采用銷軸鉸接，其中動臂鉸接于回轉(zhuǎn)平臺，以動臂油缸來支撐和改變動臂的傾角，通過動臂油缸的伸縮可使動臂繞下鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)動

11、臂的升降；斗桿鉸接于動臂的上端，由斗桿油缸控制斗桿與動臂的相對角度；鏟斗與斗桿前端鉸接，并通過鏟斗油缸伸縮使鏟斗轉(zhuǎn)動，為增大鏟斗的轉(zhuǎn)角，通常采用搖臂連桿機(jī)構(gòu)來和鏟斗聯(lián)結(jié)。 圖1-1 液壓挖掘機(jī)的主要組成 Figure1-1 Primary Structure of the Hydraulic Excavator 1-動臂；2-動臂油缸；3-斗桿；4-斗桿油缸；5-鏟斗； 6-鏟斗油缸；7-搖臂連桿；8-上部轉(zhuǎn)臺；9-行走機(jī)構(gòu) 1.2.2液壓挖掘機(jī)工作循環(huán)過程 液壓挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)、行走和工作裝置的動作都由液壓傳動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，原動機(jī)驅(qū)動雙聯(lián)液壓泵，把壓力油分別送到兩組

12、多路換向閥，通過司機(jī)的操作，將壓力油單獨(dú)或同時送往液壓執(zhí)行元件(液壓馬達(dá)和液壓油缸)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。 其工作循環(huán)過程如下： 首先液壓挖掘機(jī)驅(qū)動行走馬達(dá)和配套土方運(yùn)輸車輛一起進(jìn)入作業(yè)面，運(yùn)輸車輛倒車、調(diào)整，?？吭谕诰驒C(jī)的側(cè)方或后方。挖掘機(jī)司機(jī)扳動操縱手柄，使回轉(zhuǎn)馬達(dá)控制閥接通，于是回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)動并帶動上部平臺回轉(zhuǎn)，使工作裝置轉(zhuǎn)向挖掘地點(diǎn)，在執(zhí)行上述過程的同時操縱動臂油缸換向閥，使動臂油缸上腔進(jìn)油，將動臂下降，直至鏟斗接觸地面，然后司機(jī)操縱斗桿油缸和鏟斗油缸的換向閥，使兩者的大腔進(jìn)油，配合動作以加快作業(yè)進(jìn)度，進(jìn)行復(fù)合動作的挖掘和裝載；鏟斗裝滿后將斗桿油缸和鏟斗油缸的操縱手柄扳回中位，使

13、鏟斗和斗桿油缸閉鎖，再操縱動臂油缸換向閥，使動臂油缸的下腔進(jìn)油，將動臂提升，舉起裝滿土的鏟斗離開工作面，隨即扳動平臺回轉(zhuǎn)換向閥手柄，使上部平臺回轉(zhuǎn)，帶動鏟斗轉(zhuǎn)至運(yùn)輸車輛上方，再操縱斗桿油缸使斗桿高度稍降一些，并在適當(dāng)?shù)母叨炔倏v鏟斗油缸使鏟斗卸土。土方卸完后，使平臺反轉(zhuǎn)并降低動臂，直至鏟斗回到作業(yè)點(diǎn)上方，以便進(jìn)行下一工作循環(huán)。 1.2.3電動液壓挖掘機(jī) 柴油機(jī)驅(qū)動的液壓挖掘機(jī)雖然具有無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，但柴油機(jī)廢氣、煙霧、熱輻射及噪聲卻嚴(yán)重地污染了地下作業(yè)環(huán)境。而如果把柴油機(jī)驅(qū)動改為電力驅(qū)動，則可在保留液壓挖掘機(jī)大部分優(yōu)點(diǎn)的情況下，從根本上消除了柴油機(jī)廢氣的危害，同時電動機(jī)工作溫度比柴油機(jī)低，

14、噪聲小，因而有利于環(huán)境的保護(hù)和井下作業(yè)人員的健康，可節(jié)省添加通風(fēng)系統(tǒng)的大量資金耗費(fèi)。表1是類比瑞典波立登（Boliden）公司所屬礦山對電力驅(qū)動鏟運(yùn)機(jī)與柴油驅(qū)動鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)行的生產(chǎn)對比試驗(yàn)而完成的兩種驅(qū)動形式液壓挖掘機(jī)的對比分析，可以看出，立井施工新型液壓挖掘機(jī)應(yīng)采用電力驅(qū)動[3]。 電力驅(qū)動的挖掘機(jī)在國內(nèi)外的應(yīng)用多為大噸位（400以上）、機(jī)械式，普通噸位液壓傳動的電動挖掘機(jī)國內(nèi)也只有四川邦立在做，但它的產(chǎn)品沒有針對為在諸如豎井、隧道或地下等狹窄空間的挖掘作業(yè)而進(jìn)行優(yōu)化，所以要開發(fā)出完全適應(yīng)立井施工用液壓挖掘機(jī)還有很多工作要做[4]。 表1-1 電力驅(qū)動和柴油機(jī)驅(qū)動的挖掘機(jī)對比分析

15、 對比項(xiàng)目 對比分析 結(jié)論 設(shè)備總投資 電動挖掘機(jī)不需要柴油機(jī)及其相關(guān)附件，也不需要燃油箱，但需要電動機(jī)，還增加了供電電纜、電纜卷筒及傳動裝置、電控箱，考慮到低污染柴油機(jī)價格貴，綜合考慮來看兩者設(shè)備總投資基本持平。 基本持平 生產(chǎn)費(fèi)用 生產(chǎn)費(fèi)包括能源費(fèi)、修理費(fèi)和司機(jī)工資，后一項(xiàng)對兩種挖掘機(jī)相同，不予比較。電能比柴油便宜，類比瑞典波立登公司所屬礦山對電力驅(qū)動和柴油機(jī)驅(qū)動鏟運(yùn)機(jī)生產(chǎn)對比試驗(yàn)，電動挖掘機(jī)比柴油挖掘機(jī)能源費(fèi)低一半。且柴油機(jī)需要一筆不低的修理保養(yǎng)費(fèi)，而三相鼠籠電動機(jī)在其服務(wù)期間幾乎不需任何維修，電動機(jī)的壽命通常比挖掘機(jī)本身的壽命長。使用電動挖掘機(jī)，井下不需增加通風(fēng)費(fèi)用

16、。 電動挖掘機(jī)生產(chǎn)費(fèi)用遠(yuǎn)低于柴油挖掘機(jī) 設(shè)備能力和生產(chǎn)率 使用三相鼠籠電動機(jī)的挖掘機(jī)，其過載能力是額定扭矩的2倍，且牽引功率和回轉(zhuǎn)速度與柴油挖掘機(jī)一樣，而柴油機(jī)不可能承受高于額定值的負(fù)載，由于具有這些特點(diǎn)，電動挖掘機(jī)理論上應(yīng)比同級柴油挖掘機(jī)生產(chǎn)率高。 電動挖掘機(jī)同樣能達(dá)到柴油挖掘機(jī)的生產(chǎn)率 作業(yè)環(huán)境 電動挖掘機(jī)不排放廢氣，而柴油機(jī)會排放出大量對人體有害氣體，嚴(yán)重污染作業(yè)環(huán)境。電動機(jī)的熱效率也比柴油機(jī)高的多，這樣它的熱輻射也遠(yuǎn)低于柴油機(jī)。據(jù)測定資料，在司機(jī)座附件，電動挖掘機(jī)的噪聲比柴油機(jī)驅(qū)動挖掘機(jī)低20dB。 電動挖掘機(jī)優(yōu)于柴油挖掘機(jī) 機(jī)動性 電動挖掘機(jī)受到拖曳電纜的限制，機(jī)動

17、性不如柴油機(jī)驅(qū)動的液壓挖掘機(jī) 電動挖掘機(jī) 機(jī)動性差 1.3 液壓挖掘機(jī)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀 立井施工新型液壓挖掘機(jī)的研發(fā)必須有高起點(diǎn)，要借鑒目前市場上同規(guī)格機(jī)型的最先進(jìn)技術(shù)，并考慮其工作環(huán)境，采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法去設(shè)計(jì)，這樣才能大幅度提高產(chǎn)品性能、縮短開發(fā)周期、節(jié)省原材料、降低產(chǎn)品成本進(jìn)而獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。所以研發(fā)前必須首先對液壓挖掘機(jī)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢有比較深刻的認(rèn)識。 1.3.1國外發(fā)展與研究現(xiàn)狀 液壓挖掘機(jī)在國際上已達(dá)到相當(dāng)高的水平，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的挖掘機(jī)生產(chǎn)較早，法國、德國、美國、俄羅斯、日本是斗容量3.5～40m3單斗液壓挖掘機(jī)的主要生產(chǎn)國，從20世紀(jì)80年代開始生產(chǎn)

18、特大型挖掘機(jī)。例如，美國馬利昂公司生產(chǎn)的斗容量50～150m3剝離用挖掘機(jī)、斗容量132m3的步行式拉鏟挖掘機(jī)；B-E（布比賽路斯－伊利）公司生產(chǎn)的斗容量168.2m3的步行式拉鏟挖掘機(jī)，斗容量107m3的剝離用挖掘機(jī)等，是世界上目前最大的挖掘機(jī)。從20世紀(jì)后期開始，國際上挖掘機(jī)的生產(chǎn)向微型化、多功能化、專用化和自動化的方向發(fā)展，可歸結(jié)為： （1）整機(jī)設(shè)計(jì)側(cè)重于多用途性。為滿足市政建設(shè)和農(nóng)田建設(shè)的需要，國外發(fā)展了斗容量在0.25m3以下的微型挖掘機(jī)，最小的斗容量僅在0.01m3。為了在狹小場地作業(yè)，國外一些大挖掘機(jī)廠商（如卡特彼勒、OK、小松、凱斯、JCB等）推出了無尾型挖掘機(jī)，其特點(diǎn)是后部

19、短，回轉(zhuǎn)運(yùn)動在履帶寬度范圍內(nèi)，因此非常適合狹窄空間的作業(yè)。另外，數(shù)量最多的中、小型挖掘機(jī)趨向于一機(jī)多能，配備了多種工作裝置——除正鏟、反鏟外，還配備了起重、抓斗、平坡斗、裝載斗、耙齒、破碎錐、麻花鉆、電磁吸盤、振搗器、推土板、沖擊鏟、集裝叉、高空作業(yè)架、鉸盤及拉鏟等，以滿足各種施工的需要。如瑞典Engcon公司生產(chǎn)的Tiltrotator挖掘機(jī)附加裝置，模擬人的手腕功能，能回轉(zhuǎn)360，左右40擺動/回轉(zhuǎn)/側(cè)傾，內(nèi)裝快速更換器，可在任何角度接裝各種附加作業(yè)裝置，為3～32t挖掘機(jī)配套。德國SMP公司、Indexator公司也有類似的產(chǎn)品。與此相適應(yīng)，國外一些先進(jìn)挖掘機(jī)上還配置了快速更換系統(tǒng)，新型

20、的更換裝置能夠在正常液壓系統(tǒng)的壓力下自動快速更換各種裝置，司機(jī)無須離開司機(jī)室。如Riedlberg公司的“Coupfix”作業(yè)裝置液壓快速更換系統(tǒng)，能在10～15s內(nèi)完成任務(wù)，10根液壓軟管在液壓油高壓全流量下全自動接管。與此同時，國外還發(fā)展專門用途的特種挖掘機(jī)，如卡特彼勒的MC325CMH和利勃海爾的A904C、A944B-HD專用于工業(yè)材料裝卸，利勃海爾934B VD-HD為破碎拆除專用挖掘機(jī)， Mecalac公司714er系列采用特殊底盤和作業(yè)裝置，專用于城市建筑工地。 （2）重視采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)，加快標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化發(fā)展速度。例如，德國阿特拉斯公司生產(chǎn)的挖掘機(jī)裝

21、有新型的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置，使挖掘機(jī)按最適合其作業(yè)要求的速度來工作；美國林肯貝爾特公司新C系列LS-5800型液壓挖掘機(jī)安裝了全自動控制液壓系統(tǒng)，可自動調(diào)節(jié)流量，避免了驅(qū)動功率的浪費(fèi)。還安裝了CAPS（計(jì)算機(jī)輔助功率系統(tǒng)），提高挖掘機(jī)的作業(yè)功率，更好地發(fā)揮液壓系統(tǒng)的功能；日本住友公司生產(chǎn)的FJ系列五種新型號挖掘機(jī)配有與液壓回路連接的計(jì)算機(jī)輔助功率控制系統(tǒng)，利用精控模式選擇系統(tǒng)，減少燃油、發(fā)動機(jī)功率和液壓功率的消耗，并延長了零部件的使用壽命；德國奧加凱（O&K)公司生產(chǎn)的挖掘機(jī)油泵調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有合流特性，使油泵具有最大的工作效率；日本神鋼公司在新型904、905、907、909型液壓挖掘機(jī)上采用智

22、能型控制系統(tǒng)，即使無經(jīng)驗(yàn)的駕駛員也能進(jìn)行復(fù)雜的作業(yè)操作；德國利勃海爾公司開發(fā)了ECO（電子控制作業(yè)）操縱裝置，可根據(jù)作業(yè)要求調(diào)節(jié)挖掘機(jī)的作業(yè)性能，取得了高效率、低油耗的效果；美國卡特匹勒公司在新型B系統(tǒng)挖掘機(jī)上采用最新的3114T型柴油機(jī)以及扭矩載荷傳感壓力系統(tǒng)、功率方式選擇器等，進(jìn)一步提高了挖掘機(jī)的作業(yè)效率和穩(wěn)定性；韓國大宇公司在DH280型挖掘機(jī)上采用了EPOS電子功率優(yōu)化系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)動機(jī)負(fù)荷的變化，自動調(diào)節(jié)液壓泵所吸收的功率，使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持在額定轉(zhuǎn)速附近，即發(fā)動機(jī)始終以全功率運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣既充分利用了發(fā)動機(jī)的功率、提高挖掘機(jī)的作業(yè)效率，又防止了發(fā)動機(jī)因過載而熄火。 （3）更新設(shè)計(jì)理

23、論，提高可靠性，延長使用壽命。美、英、日等國家推廣采用有限壽命設(shè)計(jì)理論，以替代傳統(tǒng)的無限壽命設(shè)計(jì)理論和方法，并將疲勞損傷累積理論、斷裂力學(xué)、有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)、電子計(jì)算機(jī)控制的電液伺服疲勞試驗(yàn)技術(shù)、疲勞強(qiáng)度分析方法等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)的強(qiáng)度研究方面，促進(jìn)了產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)、高效率和競爭力。美國提出了考核動強(qiáng)度的動態(tài)設(shè)計(jì)分析方法，并創(chuàng)立了預(yù)測產(chǎn)品失效和更新的的理論。日本制定了液壓挖掘機(jī)構(gòu)件的強(qiáng)度評定程序，研制了可靠性處理系統(tǒng)。在上述基礎(chǔ)理論的指導(dǎo)下，借助于大量試驗(yàn)，縮短了新產(chǎn)品的研發(fā)周期，加速了液壓挖掘機(jī)的更新?lián)Q代，并提高了其可靠性和耐久性。例如，液壓挖掘機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)率達(dá)到85%～95%，使用壽命超

24、過1萬小時。 （4）加強(qiáng)對駕駛員的勞動保護(hù)，改善駕駛員的勞動條件。液壓挖掘機(jī)采用帶有墜物保護(hù)結(jié)構(gòu)和傾翻保護(hù)結(jié)構(gòu)的駕駛室，安裝可調(diào)節(jié)的彈性座椅，用隔音措施降低噪聲干擾。 （5）進(jìn)一步改進(jìn)液壓系統(tǒng)。中、小型液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)有普遍裝備負(fù)荷傳感系統(tǒng)的明顯趨勢。負(fù)荷傳感系統(tǒng)在液壓挖掘機(jī)上的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，能實(shí)現(xiàn)對不同負(fù)載壓力的多個執(zhí)行元件同時進(jìn)行快速和精確的控制，各個執(zhí)行元件互不干涉，操作性能好，輕便舒適，便于駕駛員集中精力操作。負(fù)荷傳感可以采用單泵并聯(lián)系統(tǒng)，系統(tǒng)緊湊、接管少，安裝使用成本低，并易于通過選用閥片增加執(zhí)行元件數(shù)量，實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的多功能。小松、卡特彼勒，利勃海爾、沃爾沃，阿

25、特拉斯、山貓、大宇、Schaeff、 Mce1co、JCB、Fiat-Kolbeco等公司都有多種采用負(fù)荷傳感系統(tǒng)的挖掘機(jī)產(chǎn)品。 （7）迅速拓展電子化、自動化技術(shù)在挖掘機(jī)上的應(yīng)用。20世紀(jì)70年代，為了節(jié)省能源消耗和減少對環(huán)境的污染，使挖掘機(jī)操作輕便和作業(yè)安全，降低挖掘機(jī)噪音，改善駕駛員工作條件，逐步在挖掘機(jī)上應(yīng)用電子和自動控制技術(shù)。20世紀(jì)80年代，以微電子技術(shù)為核心的高新技術(shù)，特別是微機(jī)、微處理器、傳感器和檢測儀表在挖掘機(jī)上的應(yīng)用，推動了電子控制技術(shù)在挖掘機(jī)上應(yīng)用和推廣，并已成為挖掘機(jī)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。目前先進(jìn)的挖掘機(jī)上設(shè)有發(fā)動機(jī)自動怠速及油門控制系統(tǒng)、功率優(yōu)化系統(tǒng)、工作模式控制系統(tǒng)、監(jiān)

26、控系統(tǒng)等電控系統(tǒng)。裝配這些控制系統(tǒng)后，可以顯著地提高挖掘機(jī)生產(chǎn)率、降低成本。通常挖掘一個整潔的工作平面可以比“手工”挖掘少3到4個過程，挖溝渠可節(jié)省10%～20%作業(yè)時間，從而加快施工進(jìn)程，節(jié)省燃油，減少磨損。借助電子控制駕駛員可以精確快速操作鏟斗，測量桿成為多余，駕駛員也無須為了測量而經(jīng)常離開駕駛室或中斷工作。 1.3.2國內(nèi)發(fā)展與研究現(xiàn)狀 我國從1958年開始生產(chǎn)液壓挖掘機(jī)，逐步形成了1～2.5m3小型液壓挖掘機(jī)系列，具有一定生產(chǎn)規(guī)模，斗容1～7.5m3的液壓挖掘機(jī)年產(chǎn)量超過1000臺。1983年以后采用引進(jìn)技術(shù)方式進(jìn)行生產(chǎn)，加快了液壓挖掘機(jī)的發(fā)展。但國內(nèi)挖掘機(jī)研發(fā)水平、制造技術(shù)、產(chǎn)品

27、質(zhì)量與韓國、日本、美國、歐洲等發(fā)達(dá)國家相比存在很大的差距。。我國挖掘機(jī)市場很大，但幾乎被外資壟斷，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前行業(yè)七家獨(dú)資與合資企業(yè)產(chǎn)品銷售量占全行業(yè)的比例由1996年的70%左右迅速上升到2003年的90%。除了貴州詹陽公司生產(chǎn)的輪胎液壓挖掘機(jī)仍是國內(nèi)品牌之外，可以說目前國外獨(dú)資與合資企業(yè)在我國液壓挖掘機(jī)行業(yè)中已占據(jù)主要地位，國外品牌液壓挖掘機(jī)已占領(lǐng)了國內(nèi)的主要市場。 1.4虛擬樣機(jī)技術(shù)在本課題中的應(yīng)用 新型液壓挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)水平關(guān)系到最終產(chǎn)品的質(zhì)量，須從高起點(diǎn)出發(fā)，借鑒先進(jìn)液壓挖掘機(jī)技術(shù)并針對立井施工的要求對工作裝置、液壓系統(tǒng)等進(jìn)行優(yōu)化，而設(shè)計(jì)過程中技術(shù)的先進(jìn)與否、數(shù)字化程度的高低，很大

28、程度上決定了產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的周期、質(zhì)量和成本。在工程設(shè)計(jì)中己得到廣泛應(yīng)用的有限元分析技術(shù)(FEA)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(CAD)就是這些先進(jìn)技術(shù)的代表。FEA技術(shù)可以幫助設(shè)計(jì)人員分析零件的應(yīng)力狀態(tài)，解決了傳統(tǒng)材料力學(xué)所無法處理的工程問題；CAD技術(shù)則利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲處理功能，加上設(shè)計(jì)師豐富經(jīng)驗(yàn)和主觀創(chuàng)造性進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)。改變了以經(jīng)驗(yàn)為主的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，以修改方便的高質(zhì)量三維計(jì)算機(jī)繪圖取代了繁瑣、重復(fù)的手工平面繪圖，使設(shè)計(jì)人員能把時間和精力真正用于創(chuàng)造性工作，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。新挖掘機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)廣泛地采用FEA和CAD技術(shù)。 但是液壓挖掘機(jī)是復(fù)雜的工程機(jī)械，零部件多，運(yùn)動方式多，須從系統(tǒng)

29、層面評價其性能的優(yōu)劣。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們認(rèn)識到即使傳統(tǒng)的技術(shù)手段使得挖掘機(jī)中的每個零部件都是最優(yōu)的，并不能保證整個挖掘機(jī)的性能是最好的，即系統(tǒng)整機(jī)的優(yōu)化不是所有部件優(yōu)化的簡單疊加。液壓挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)還存在許多有別于其他機(jī)械行業(yè)的特點(diǎn)，其中最重要的一點(diǎn)是它涉及的學(xué)科很多，包括機(jī)械運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)、液壓流體傳動、機(jī)電控制、熱力學(xué)、人機(jī)工程學(xué)、美學(xué)等。要獲取挖掘機(jī)的綜合最優(yōu)解不僅需要各學(xué)科專家的共同努力，更需要他們工作上的協(xié)同。 虛擬樣機(jī)技術(shù)是現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的最佳手段[5-9]。虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種基于智能設(shè)計(jì)技術(shù)、并行工程、仿真工程及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的先進(jìn)制造技術(shù)，它以計(jì)算機(jī)仿真和建模技術(shù)為支持，工程師

30、在計(jì)算機(jī)上建立樣機(jī)模型，用數(shù)字化形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)物樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，利用虛擬樣機(jī)在產(chǎn)品實(shí)際加上之前對產(chǎn)品的性能、行為、功能和產(chǎn)品的可制造性進(jìn)行預(yù)測，從而對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評估和優(yōu)化，以達(dá)到產(chǎn)品生產(chǎn)的最優(yōu)目標(biāo)。液壓挖掘機(jī)有別于其他機(jī)械的另一個特點(diǎn)是：工作環(huán)境惡劣，通常工作在地質(zhì)情況復(fù)雜、載荷情況多變、大氣條件差的條件下。液壓挖掘機(jī)物理樣機(jī)試驗(yàn)必須模擬不同工況，費(fèi)時費(fèi)力。另外挖掘機(jī)造價很高，尤其是附帶各種檢測設(shè)備的物理樣機(jī)單機(jī)成本極高。而試驗(yàn)的破壞性往往很大，反復(fù)試驗(yàn)不僅延長設(shè)計(jì)周期，還容易造成損壞，無形中提高了設(shè)計(jì)成本。采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，可使設(shè)計(jì)人員在虛擬環(huán)境中真實(shí)地模擬各種挖掘機(jī)的工作情況，快速分析多種設(shè)

31、計(jì)方案，幫助設(shè)計(jì)人員完成無數(shù)次物理樣機(jī)無法進(jìn)行的危險(xiǎn)試驗(yàn)，在整個仿真過程中，可以隨時按照優(yōu)化建議或市場用戶需求修改參數(shù)，得到改進(jìn)的虛擬樣機(jī)，反復(fù)這個過程直至獲得系統(tǒng)優(yōu)化級的整機(jī)設(shè)計(jì)方案。 新型液壓挖掘機(jī)開發(fā)還有一個獨(dú)特的特點(diǎn)，就是先參考同類機(jī)型先進(jìn)技術(shù)、消化吸收、再設(shè)計(jì)，如果仿制過程僅僅是拆機(jī)，照抄零件，對參考的挖掘機(jī)缺乏系統(tǒng)上的理解，設(shè)計(jì)人員沒有吃透樣機(jī)，效果肯定不佳。采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，技術(shù)人員便可以進(jìn)行系統(tǒng)層面的詳細(xì)研究，追蹤樣機(jī)的設(shè)計(jì)思想來指導(dǎo)其設(shè)計(jì)。從另一角度看，傳統(tǒng)的先借鑒參考、消化、再設(shè)計(jì)過程由于是從零件著手，設(shè)計(jì)方式是由下到上、從部件設(shè)計(jì)到整機(jī)設(shè)計(jì)，注意力往往集中在細(xì)節(jié)而忽略了

32、整體。而借助于虛擬樣機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)挖掘機(jī)時，可以根據(jù)用戶要求確定系統(tǒng)參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)在早期設(shè)計(jì)階段完成。早期虛擬樣機(jī)的仿真結(jié)果還可以作為零件設(shè)計(jì)的參考，這樣的設(shè)計(jì)過程是從整機(jī)到零件，是由上至下的設(shè)計(jì)順序，這樣可以避免代價昂貴的在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的失誤。 虛擬樣機(jī)相關(guān)技術(shù)的軟件化過程己經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)，目前有許多家公司在這個領(lǐng)域上競爭。比較有影響的產(chǎn)品包括美國機(jī)械動力學(xué)公司(Mechanical Dynamics Inc.)的ADAMS，美國CADSI(Computer Aided Design Software Inc.1998年后，CADSI公司與比利時LMS International公司合并，CADS

33、I易名為LMS-CADSI)公司的DADS，法國IMAGINE公司的AMESim(Advanced Modeling Environment for Simulations of engineering systems)以及德國航天局的SIMPACK。其中法國IMAGINE公司的AMESim是一種新型高級建模和仿真軟件，目前最新版本是AMESim4.2，它提供了一個系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的完整平臺，使得用戶可以在同一平臺上建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)的模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算和深入的分析，用戶可以在AMESim4.2平臺上研究任何元件或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。AMESim4.2采用基于物理模型的圖形化建

34、模方式，用戶可以直接使用AMESim4.2提供的豐富的元件應(yīng)用庫，使得用戶可以從繁瑣的數(shù)學(xué)建模中解放出來，從而專注于物理系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)。目前，AMESim已經(jīng)成為用于車輛、越野設(shè)備、航空航天以及重型設(shè)備工業(yè)的多學(xué)科領(lǐng)域，包括流體、機(jī)械、熱分析、電磁以及控制等復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真的優(yōu)選平臺[14]。 立井施工新型液壓挖掘機(jī)受限于狹窄的井下工作空間，其工作裝置不能照搬同類機(jī)型普通液壓挖掘機(jī)，必須借助計(jì)算機(jī)技術(shù)對其重新設(shè)計(jì)并分析其性能。而對于挖掘機(jī)工作裝置這樣復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，要想準(zhǔn)確地模擬其運(yùn)動，對其進(jìn)行動力學(xué)建模是必不可少的，基于計(jì)算機(jī)全面仿真的工作裝置設(shè)計(jì)研究成為產(chǎn)品開發(fā)過程中重要一環(huán)。立井施工新

35、型挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)是由多個液壓元件組成的復(fù)雜非線性系統(tǒng)，各液壓元件間依靠液壓介質(zhì)進(jìn)行能量的傳遞，同時依靠控制系統(tǒng)傳遞的控制信號實(shí)現(xiàn)壓力、流量的控制。對這樣復(fù)雜的液壓系統(tǒng)進(jìn)行定性和定量的仿真，僅用微分和差分方程的方法不能很好地模擬系統(tǒng)實(shí)際的各種工作性能，因此目前多采用專業(yè)液壓系統(tǒng)仿真軟件[11]。本課題將采用AMESim對挖掘機(jī)進(jìn)行機(jī)電液系統(tǒng)的綜合仿真，獲得系統(tǒng)層面性能分 1.5 本章小結(jié) （1）通過對我國立井井筒凍結(jié)法施工表土段掘進(jìn)現(xiàn)狀的分析，論證了將液壓挖掘機(jī)用于凍土挖掘的巨大優(yōu)勢和重要意義，提出立井施工新型液壓挖掘的設(shè)計(jì)為本文的研究課題。 （2）簡單介紹了液壓挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理

36、，分析了液壓挖掘機(jī)的國內(nèi)外的發(fā)展與研究現(xiàn)狀，指出了新型液壓挖掘機(jī)開發(fā)時應(yīng)注意的問題。 （3）根據(jù)對立井施工新型液壓挖掘開發(fā)過程的分析，確定了本文的主要研究內(nèi)容。 2 新型液壓挖掘機(jī)工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)研究 2.1 新型液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置的運(yùn)動學(xué)分析 反鏟工作裝置的幾何位置取決于動臂缸的長度、斗桿缸的長度和鏟斗缸的長度。當(dāng)、、為一組定值時，反鏟工作裝置就相應(yīng)處于一個確定的幾何位置?，F(xiàn)將反鏟工作裝置簡化為一平面機(jī)構(gòu)放入直角坐標(biāo)系進(jìn)行運(yùn)動分析，如圖2-1所示，其中軸落在地平面上且與反鏟機(jī)構(gòu)共面，軸與挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)中心線重合。 a 圖2-1 液壓挖掘機(jī)工作裝置參

37、數(shù)示意圖 Figure2-1 Main Parameters of the Hydraulic Excavator’s Backhoe Equipment 2.1.1動臂運(yùn)動分析 （1）動臂的擺角 動臂擺角是的函數(shù)。如圖2-2所示，點(diǎn)、點(diǎn)分別為動臂油缸、動臂與底盤的鉸點(diǎn)，點(diǎn)為動臂油缸與動臂的鉸點(diǎn)，點(diǎn)為動臂與斗桿的鉸點(diǎn)，角度 為連線與軸夾角。根據(jù)余弦定理 動臂擺角為 （2-1） 在水平線之下為角為負(fù)，之上為正。 圖2-2 動臂運(yùn)動計(jì)算簡圖 Figure2-2 Sketch for the Calculation of the Boom’s

38、Movement （2）動臂上各點(diǎn)瞬時坐標(biāo) 動臂上任意一點(diǎn)在任一時刻的位置坐標(biāo)也都是的函數(shù)，以B、F點(diǎn)為例，如圖2-2所示，其坐標(biāo)為 （2-2） （3）動臂缸的作用力臂 （2-3） 從圖2-2中可看出動臂油缸的最大作用力臂值，此時。 2.1.2斗桿運(yùn)動分析 斗桿的位置參數(shù)是動臂缸的長度和斗桿缸的長度的函數(shù)，本文暫時只討論斗桿相對動臂的運(yùn)動。圖2-3是斗桿運(yùn)動計(jì)算簡圖，其中D點(diǎn)為斗桿油缸與動臂鉸點(diǎn)，E點(diǎn)為斗桿油缸與斗桿鉸點(diǎn)，F(xiàn)點(diǎn)為動臂與斗桿鉸點(diǎn)。 （1

39、）斗桿相對于動臂的擺角 由圖2-3可知斗桿相對于動臂的擺角為 （2-4） 圖2-3 斗桿運(yùn)動計(jì)算簡圖 Figure2-3 Sketch for the Calculation of the Stick’s Movement （2）斗桿油缸的作用力臂 （2-5） 從圖2-3中可看出動臂油缸的最大作用力臂值，此時。 2.1.3鏟斗運(yùn)動分析 鏟斗的運(yùn)動是動臂缸的長度、斗桿缸的長度和鏟斗缸的長度的函

40、數(shù)，情況較復(fù)雜，這里暫討論鏟斗相對于斗桿的運(yùn)動。如圖2-4所示，G點(diǎn)為鏟斗油缸與斗桿鉸點(diǎn)，H點(diǎn)為曲柄與斗桿鉸點(diǎn)，M點(diǎn)為鏟斗油缸與曲柄及連桿的鉸點(diǎn)，N點(diǎn)為連桿與鏟斗鉸點(diǎn)，Q點(diǎn)為鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)，V點(diǎn)為鏟斗的斗齒尖點(diǎn)。 圖2-4 鏟斗運(yùn)動計(jì)算簡圖 Figure2-4 Sketch for the Calculation of the Buckte’s Movement （1）鏟斗連桿機(jī)構(gòu)傳動比i 由圖2-4可得鏟斗油缸相對于H點(diǎn)的作用力臂 （2-6） 新型液壓挖掘機(jī)工作機(jī)構(gòu)中E、H、Q三點(diǎn)在一條直線上，，故 鏟斗連桿機(jī)

41、構(gòu)傳動比 （2-7） （2）鏟斗相對于斗桿的擺角 （2-8） 2.1.4斗齒尖運(yùn)動分析(Kinematic Analysis of the Bucket Tooth) 斗齒尖V的坐標(biāo)值、是、和的函數(shù)，推導(dǎo)出和的函數(shù)表達(dá)式，整機(jī)作業(yè)范圍就可以確定。 如圖2-5所示，在中 在中 CV連線與水平線夾角 CV連線在水平線之上，為正，反之為負(fù)。 最后得到

42、 （2-9） 圖2-5 斗齒尖運(yùn)動計(jì)算簡圖 Figure2-5 Sketch for the Calculation of the Bucket Tooth’s Movement 2.1.5特殊工作尺寸 在作新型液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)時，首先要考慮的就是特殊工作尺寸約束，如最大卸載高度、最大挖掘半徑、最大挖掘深度等。 （1）最大卸載高度 如圖2-6所示，當(dāng)動臂油缸全伸、斗桿油缸全縮、Q V連線處于垂直狀態(tài)時，得最大卸載高度為 （2-10） （2）最大挖掘深度 如圖2-7所示

43、，當(dāng)動臂油缸處于全部收縮、前端處于最低工作位置，同時斗桿和鏟斗處于垂直位置（垂直向下）時，可以得到液壓挖掘機(jī)最大挖掘深度 （2-11） （3）最大挖掘半徑 如圖2-8所示，當(dāng)斗桿油缸全縮，F(xiàn)、Q 、V三點(diǎn)共線，且斗齒尖V與鉸點(diǎn)C處在同一水平線上時，可得液壓挖掘機(jī)最大挖掘半徑 （2-12） （4）停機(jī)面最大挖掘半徑 當(dāng)斗桿油缸、鏟斗油缸處于最大挖掘半徑狀態(tài)而鏟斗斗齒尖V靠在停機(jī)面上時得到停機(jī)面最大挖掘半徑，此時 （2-13） 圖2-6 最大卸載高度計(jì)

44、算簡圖 2-7 最大挖掘深度計(jì)算簡圖 Figure2-6 The Maximal Unloading Height Figure2-7 The Maximal Digging Depth 圖2-8 最大挖掘半徑計(jì)算簡圖 Figure2-8 The Maximal Digging Radius 2.2 新型液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置受力分析 2.2.1挖掘阻力 反鏟裝置工作時，典型的挖掘工況有鏟斗挖掘、斗桿挖掘、聯(lián)合挖掘三種。鏟斗挖掘工況采用鏟斗油缸單獨(dú)進(jìn)行挖掘，常用于清除障礙，挖掘較松軟的土壤以提高生產(chǎn)率；斗桿挖掘工況采用

45、斗桿油缸單獨(dú)進(jìn)行挖掘，中小型液壓挖掘機(jī)常以該工況在較堅(jiān)硬的土質(zhì)條件下進(jìn)行工作；聯(lián)合挖掘工況由鏟斗、斗桿油缸的復(fù)合動作進(jìn)行挖掘，必要時還需配以動臂油缸的動作，主要用于需要軌跡控制的情況。立井施工新型液壓挖掘機(jī)工作時以鏟斗挖掘?yàn)橹鳎窏U挖掘?yàn)檩o，下面討論這兩種情況下的挖掘阻力。 （1）鏟斗挖掘工況下挖掘阻力 實(shí)驗(yàn)證明，鏟斗挖掘時土壤切削阻力與切削深度基本上成正比，且前半過程切削阻力較后半過程高，這是因?yàn)榍鞍脒^程的切削角不利。切削阻力的切向分力可表示為 （2-14） 式中 C—表示土壤硬度的系數(shù)，對Ⅱ級土取C=50～80，Ⅲ級土取C=

46、90～150，Ⅳ級土取C=160～320； R—鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)至斗齒尖距離，即鏟斗切削半徑，，單位為cm； —挖掘過程中鏟斗總轉(zhuǎn)角的一半，單位； —鏟斗瞬時轉(zhuǎn)角，單位； B—切削刃寬度影響系數(shù)，，其中b為鏟斗平均寬度，單位為m； A—切削角變化影響系數(shù)，?。? Z—帶有斗齒的系數(shù)， （無斗齒時，）； D—切削刃擠壓土壤的力，與斗容量q有關(guān)，q=0.2～0.25m3時，D=8000～1000N。 圖2-9 鏟斗挖掘阻力分析圖 Figure2-9 Sketch for the Analysis of the Digging Re

47、sistance 鏟斗挖掘裝土阻力的切向分力為 （2-15） 式中 —密實(shí)狀態(tài)下土壤容重，單位為N/m3； —挖掘起點(diǎn)和終點(diǎn)連線與水平線的夾角，如圖2-9所示，單位； —土壤與鋼的摩擦系數(shù)。 計(jì)算表明：與相比很小，可忽略不計(jì)。當(dāng)，時出現(xiàn)鏟斗挖掘最大切向分力，其值為 （2-16） 試驗(yàn)表明法向挖掘阻力的指向是可變的，數(shù)值也比較小，一般=0～0.2。土質(zhì)愈均勻，愈小。從隨機(jī)統(tǒng)計(jì)的角度看，可以把看作為鏟斗挖掘的最大阻力。

48、 鏟斗挖掘的平均阻力可按平均挖掘深度下的阻力計(jì)算。也即把半月形切削斷面看作相等面積的條形斷面，條形斷面長度等于斗齒轉(zhuǎn)過的圓弧長度與其相應(yīng)之弦的平均值，這一計(jì)算方法是近似的，國外有試驗(yàn)認(rèn)為平均挖掘阻力為最大挖掘阻力的70%～80%。 （2）斗桿挖掘工況下挖掘阻力 斗桿挖掘時切削行程較長，切土厚度在挖掘過程中可視為常數(shù)。一般取斗桿在挖掘過程中的總轉(zhuǎn)角為=50～80，在這轉(zhuǎn)角行程中鏟斗被裝滿。斗桿挖掘阻力為 （2-17） 式中 r6—斗桿挖掘時的切削半徑，r6=lFV ，見式2-9； —土壤松散系統(tǒng)，一般取1.3

49、； —挖掘比阻力，對Ⅱ級土取=6～13，Ⅲ級土取=11.5～19.5，Ⅳ級土取=20～30；當(dāng)取主要挖掘土壤的值時可求得正常挖掘阻力，取要求挖掘的最硬土質(zhì)值時則得最大挖掘阻力。 一般斗桿挖掘阻力比鏟斗挖掘阻力小，主要原因是前者切削厚度較小。顯然，研究挖掘阻力的目的是確定立井施工新型液壓挖掘機(jī)需要的斗齒挖掘機(jī)及其變化規(guī)律，以便在工作裝置設(shè)計(jì)中予以保證。挖掘力太小挖掘能力自然降低，但挖掘力太大或其變化規(guī)律與阻力的變化不適應(yīng)，則功率利用率要降低。 2.2.2挖掘力的分析 挖掘力是衡量反鏟裝置挖掘性能的重要指標(biāo)之一，可以分為工作油缸的理論挖掘力、整機(jī)理論挖掘力和整機(jī)實(shí)際挖掘力。 （1）工作油

50、缸的理論挖掘力 工作裝置的動臂油缸主要用來提升鏟斗至一定高度卸載，我們所說的工作油缸理論挖掘力是對鏟斗油缸和斗桿油缸而言的。當(dāng)不考慮工作裝置自重、鏟斗負(fù)荷、液壓系統(tǒng)和連桿機(jī)構(gòu)的效率、液壓系統(tǒng)工作背壓等影響因素時，單獨(dú)使用鏟斗油缸或斗桿油缸挖掘，由工作裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)及油缸理論推力所能產(chǎn)生的沿鏟斗切削刃圓弧的切線方向上的作用力稱為該油缸的理論挖掘力。 如圖2-10所示，鏟斗油缸的理論挖掘力為 （2-18） 式中 P3—鏟斗液壓缸的理論推力，，為鏟斗液壓缸大腔作用面積，為液壓系統(tǒng)工作壓力；

51、 i—鏟斗連桿機(jī)構(gòu)傳動比，見式2-7，當(dāng)時，得。 如圖2-11所示，斗桿油缸的理論挖掘力為 （2-19） 式中 P2—鏟斗液壓缸的理論推力，，為鏟斗液壓缸大腔作用面積，為液壓系統(tǒng)工作壓力； —斗桿油缸的作用力臂，見式2-5； r6—斗桿挖掘時的切削半徑，r6=lFV ，見式2-9。 圖2-10 鏟斗油缸的理論挖掘力分析圖 圖2-11 斗桿油缸的理論挖掘力分析圖 Figure2-10 Analysis Sketch of Bucket Cyl

52、inder’s Figure2-11 Analysis Sketch of Stick Cylinder’s Theoretical Digging Force Theoretical Digging Force （2）整機(jī)理論挖掘力 液壓挖掘機(jī)處于某一工況下，工作油缸的主動挖掘力能否實(shí)現(xiàn)主要取決于下列條件： ①工作油缸的閉鎖能力； ②整機(jī)的工作穩(wěn)定性； ③整機(jī)與地面的附著性能； ④土壤的阻力； ⑤工作裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。 當(dāng)全面考慮這些條件后求得的工作油缸能實(shí)現(xiàn)的挖掘力值就是

53、整機(jī)在該工況下的挖掘力。 立井施工新型液壓挖掘機(jī)求整機(jī)理論挖掘力按下列假定進(jìn)行： ①考慮整機(jī)自重，有相對運(yùn)動的構(gòu)件重量分別計(jì)算； ②在挖掘過程中斗中土重視為主動液壓缸長度的分級線性函數(shù)，其重心與鏟斗重心一致； ③不考慮液壓系統(tǒng)和連桿機(jī)構(gòu)的效率； ④不考慮油缸小腔背壓； ⑤不考慮土壤阻力和工作裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度限制； ⑥不考慮停機(jī)面坡度、風(fēng)力、慣性力、動載等因素的影響。 以圖2-12所示立井施工新型液壓挖掘機(jī)鏟斗挖掘工況為例，先討論該工況下整機(jī)理論挖掘力的計(jì)算。 圖2-12 鏟斗挖掘工況整機(jī)理論挖掘力計(jì)算圖 Figure2-12

54、Analysis Sketch of Bucket Cylinder’s Practical Digging Force 如圖2-12(a)所示，鏟斗液壓缸主動作用產(chǎn)生的挖掘力為，其方向垂直于QV連線，大小參考式（2-14），同時鏟斗加土及連桿機(jī)構(gòu)自重將增加挖掘力，所以實(shí)際挖掘力大小為 （2-20） 式中是鏟斗加土和連桿機(jī)構(gòu)自重對Q點(diǎn)的作用力矩。P03D能克服的最大挖掘阻力W03D大小與P03D相等，方向相反。在W03D的作用下，斗桿油缸受壓，動臂油缸受拉。這一阻力還產(chǎn)生使整機(jī)繞I點(diǎn)逆時針方向傾翻的力矩，并

55、使整機(jī)有沿著地面向前滑移的趨勢。 動臂油缸在被動狀態(tài)下的抗拉能力取決于其小腔閉鎖力。當(dāng)動臂油缸閉鎖時，如圖2-12(b)所示，能克服的最大挖掘阻力W01D為 （2-21） 式中 —W01D對C點(diǎn)的作用力臂； —動臂油缸的作用力臂； —動臂油缸小腔閉鎖力，，為動臂油缸小腔作用面積，為動臂油缸限壓閥調(diào)定壓力； G1～G6—動臂、斗桿、帶土鏟斗、斗桿油缸、鏟斗油缸、連桿和搖桿的質(zhì)量； rC1～rC2—G1～G6的重心至C點(diǎn)的水平距離，即作用力臂。 如果，則

56、動臂油缸可鎖住，否則動臂油缸將被拉長。 同理，斗桿油缸的抗壓能力取決于其大腔閉鎖力，如圖2-12(c)所示，列出對F點(diǎn)的力矩平衡方程式可求得斗桿油缸的閉鎖條件所限制的挖掘阻力值W02D為 （2-22） 式中 —W02D對F點(diǎn)的作用力臂； —斗桿油缸的作用力臂； —斗桿油缸大腔閉鎖力，，為斗桿油缸大腔作用面積，為斗桿油缸限壓閥調(diào)定壓力； rFi—Gi的重心對F點(diǎn)的作用力臂。 如圖2-12(d)所示，列出對傾翻支點(diǎn)I的力矩平衡方程式，可求得整機(jī)穩(wěn)定條件所允許的挖掘阻力最大值W06D為

57、 （2-23） 式中 —W06D對I點(diǎn)的作用力臂； GG、GS—工作裝置、機(jī)體總重； rIG、rIS—GG、GS對I點(diǎn)的作用力臂。 附著條件所限制的挖掘阻力值W04D可由整機(jī)受力的X軸投影平衡方程求出 （2-24） 式中 —行走裝置與地面的附著系數(shù)； G—整機(jī)重量； —挖掘阻力的水平傾角。 綜上所述，立井施工新型液壓挖掘機(jī)鏟斗挖掘工況下整機(jī)理論挖掘力相應(yīng)于W01D、W02D、W03D、W04D和W06D中

58、的最小值。 以圖2-13所示立井施工新型液壓挖掘機(jī)斗桿挖掘工況為例，討論該工況下整機(jī)理論挖掘力的計(jì)算。 圖2-13 斗桿挖掘工況整機(jī)理論挖掘力計(jì)算圖 Figure2-13 Analysis Sketch of Stick Cylinder’s Practical Digging Force 如圖2-13(a)所示，斗桿液壓缸主動作用產(chǎn)生的挖掘力為，其方向垂直于FV連線，大小參考式（2-15），同時斗桿、鏟斗油缸、鏟斗加土及連桿機(jī)構(gòu)自重將增加挖掘力，所以實(shí)際挖掘力大小為 （2-25） 式中是斗桿、鏟斗油缸、鏟斗加土和連桿機(jī)

59、構(gòu)自重對F點(diǎn)的作用力矩。P03G能克服的最大挖掘阻力W03G大小與P03G相等，方向相反。在W03D的作用下，鏟斗油缸受壓，動臂油缸受拉。這一阻力還產(chǎn)生使整機(jī)繞I點(diǎn)逆時針方向傾翻的力矩，并使整機(jī)有沿著地面向前滑移的趨勢。 與鏟斗挖掘工況下整機(jī)理論挖掘力類似，斗桿油缸主動挖掘力的實(shí)現(xiàn)還受動臂液壓缸閉鎖能力、鏟斗液壓缸閉鎖能力、整機(jī)向后傾翻及整機(jī)對地面的前后滑移對的限制。 當(dāng)動臂油缸閉鎖時，如圖2-13(b)所示，能克服的最大挖掘阻力W01G為 （2-26） 式中各參數(shù)含義參考式2-21。 鏟斗油缸的抗壓能力取

60、決于其大腔閉鎖力，如圖2-13(c)所示，列出對Q點(diǎn)的力矩平衡方程式可求得鏟斗油缸的閉鎖條件所限制的挖掘阻力值W02G為 （2-27） 式中 —W02G對Q點(diǎn)的作用力臂； —鏟斗連桿機(jī)構(gòu)傳動比； —鏟斗油缸大腔閉鎖力，，為鏟斗油缸大腔作用面積，為鏟斗油缸限壓閥調(diào)定壓力； rQi—Gi的重心對Q點(diǎn)的作用力臂。 如圖2-13(d)所示，可求得斗桿挖掘工況整機(jī)穩(wěn)定條件所允許的挖掘阻力最大值W06G和附著條件所限制的挖掘阻力值W04G計(jì)算公式與鏟斗挖掘工況相同，為

61、 （2-28） （2-29） 式中各參數(shù)含義參考式2-23、式2-24。 立井施工新型液壓挖掘機(jī)鏟斗挖掘工況下整機(jī)理論挖掘力相應(yīng)于W01G、W02G、W03G、W04G和W06G中的最小值。 （3）整機(jī)實(shí)際挖掘力 如果考慮到整機(jī)理論挖掘力計(jì)算時簡化假定中忽略的某些因素，則可求得整機(jī)的實(shí)際挖掘力，其數(shù)值解法相當(dāng)繁瑣。立井施工新型液壓挖掘機(jī)工作環(huán)境穩(wěn)定，為簡化優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，只考慮整機(jī)理論挖掘力。 2.3 新型液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì) 工作裝

62、置的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，其工作參數(shù)的確定，通常是根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的總要求、國內(nèi)外同類機(jī)器的對比分析，查表，利用一些經(jīng)驗(yàn)公式初步確定。然后，再按照具體的受力狀況，進(jìn)行必要的驗(yàn)算。這種類比、統(tǒng)計(jì)分析及經(jīng)驗(yàn)的挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)方法，科學(xué)性和可靠性差，很難得到到合理的設(shè)計(jì)參數(shù)。 式中 L1、V1、G1、N1—已知挖掘機(jī)構(gòu)件的長度、鏟斗容量、質(zhì)量、功率； L2、V2、G2、N2—要設(shè)計(jì)挖掘機(jī)構(gòu)件的長度、鏟斗容量、質(zhì)量、功率。 反鏟工作裝置的性能參數(shù)主要包括確定各鉸點(diǎn)位置的幾何尺寸和各液壓缸的幾何尺寸、運(yùn)動參數(shù)等。性能參數(shù)對挖掘機(jī)的作業(yè)范圍、理論和實(shí)際挖掘力的大小與分布，以及作業(yè)循環(huán)時

63、間有著極大的影響。在設(shè)計(jì)中，若有一個參數(shù)選用不當(dāng)， 將導(dǎo)致整機(jī)性能的下降。所以，本文根據(jù)立井施工新型液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置的工作特點(diǎn)和性能要求，擬定采用全變量對其進(jìn)行優(yōu)化。將確定工作裝置各鉸點(diǎn)的幾何參數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，用反鏟工作裝置的挖掘能力作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，對反鏟工作裝置實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)。 2.3.1設(shè)計(jì)變量的確定 如圖2-1所示，如下立井施工新型液壓挖掘機(jī)幾何參數(shù)被用作優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)變量 動臂有關(guān)參數(shù)：、、、、、、； 斗桿有關(guān)參數(shù)：、、、、、、、； 斗桿有關(guān)參數(shù)：、、、、、、。 寫成數(shù)組形式為 2.3.2目標(biāo)函數(shù) 目前對反鏟裝置設(shè)計(jì)合理性的評價指標(biāo)可歸納成以下三項(xiàng)：

64、挖掘性能和挖掘力；各油缸作用力矩的匹配及油缸力臂的變化；挖掘時的整機(jī)穩(wěn)定性與附著性能。 第三項(xiàng)指標(biāo)由整機(jī)自重、各部分重心布置及作業(yè)支承方式等因素決定，與工作裝置設(shè)計(jì)關(guān)系不大。第二項(xiàng)指標(biāo)，要求動臂、斗桿機(jī)構(gòu)所提供的閉鎖力矩在主要作業(yè)區(qū)內(nèi)，分別大于鏟斗挖掘阻力對各機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的負(fù)載力矩；而在該區(qū)域邊緣，鏟斗挖掘阻力對動臂機(jī)構(gòu)和斗桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的最大負(fù)載力矩在計(jì)入自重影響之后盡可能接近閉鎖力矩，使液壓功率在挖掘作業(yè)中得到充分利用。隨著挖掘機(jī)液壓控制系統(tǒng)的進(jìn)步，這一點(diǎn)已迎刃而解，不需再從工作裝置的優(yōu)化角度考慮。 第一項(xiàng)指標(biāo)應(yīng)從斗齒挖掘力、生產(chǎn)率和工作尺寸三方面來衡量。如果不考慮操縱和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的因素，就工

65、作裝置而言，問題可歸結(jié)為挖掘力、挖掘速度和作業(yè)尺寸三方面。其中，挖掘力和挖掘速度是一對統(tǒng)一于挖掘功率的矛盾，挖掘力是矛盾的主要方面，而挖掘力應(yīng)從它的變化規(guī)律是否與挖掘阻力的變化規(guī)律相適應(yīng)來衡量。對作業(yè)尺寸，可作為優(yōu)化約束條件來滿足設(shè)計(jì)要求。因此，立井施工新型液壓挖掘機(jī)反鏟裝置設(shè)計(jì)，應(yīng)在保證作業(yè)尺寸的前提下，使鏟斗油缸和斗桿油缸的理論挖掘力曲線逼近其挖掘阻力曲線要求，即 式中 、—鏟斗油缸和斗桿油缸的理論挖掘力，見式2-18、式2-19； W1、W1g—鏟斗和斗桿挖掘工況下挖掘阻力，見式2-14、式2-17； 、—取樣計(jì)算點(diǎn)個數(shù)。 采用加權(quán)統(tǒng)一的方法將上

66、述2個目標(biāo)函數(shù)統(tǒng)一到一個目標(biāo)函數(shù)中，即 （2-30） 式中 —加權(quán)因子。 2.3.3約束條件的確定 （1）特殊工作尺寸約束 特殊工作尺寸約束有最大挖掘深度、最大卸載高度、最大挖掘半徑和停機(jī)面最大挖掘半徑。根據(jù)式2-10～式2-13可寫出四個等式約束 （2）穩(wěn)定性、閉鎖及地面附著條件約束 根據(jù)前面分析，在鏟斗挖掘工況下，油缸主動挖掘力的實(shí)現(xiàn)必須同時滿足動臂液壓缸閉鎖條件、斗桿液壓缸閉鎖條件、整機(jī)與地面附著條件及整機(jī)穩(wěn)定條件；在斗桿挖掘工況下，油缸主動挖掘力的實(shí)現(xiàn)必須同時滿足動臂液壓缸閉鎖條件、鏟斗液壓缸閉鎖條件、整機(jī)與地面附著條件及整機(jī)穩(wěn)定條件。整理成約束條件為 （3）運(yùn)動件轉(zhuǎn)角約束 為了實(shí)現(xiàn)預(yù)定的挖掘作業(yè)工作范圍，必須保證動臂、斗桿、鏟斗等運(yùn)動件具有足夠的轉(zhuǎn)角范圍。通常應(yīng)保證動臂轉(zhuǎn)角=90～105，但為結(jié)構(gòu)的宜于實(shí)現(xiàn)，動臂的仰角一般不大于45，俯角一般不小于-52；斗桿轉(zhuǎn)角=100～130；鏟斗轉(zhuǎn)角=105～180。整理成約束條件為