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三节臂挖掘作业装置的特性分析及优化

2020-03-19 00:13 admin

  ChinaAdissertation Master’Sdeg ree Characteristics analysis three_-armsexcavati ng device Author’S Name: Wei Li Speciality: Mechanical ElectricalEngineering Supervisor:Prof.Keyi Wang Finished Time: Apr.30th,20 14 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名:奎 煎签字日期: 中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一,学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权,即:学校有权按有关规定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,可以将学位论文编入《中国学 位论文全文数据库》等有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 口公开 口保密(——年) 作者签名:查 煎导师签名: 签字日期: 摘要 摘要反铲挖掘作业★▽…◇装置是军用工程机械的重要作业装置,常用的有传统折弯式挖 掘作业装置和伸缩臂式挖掘作业装置。传统折弯式挖掘作业装置挖掘性能好、作 业范围广,但结构尺寸大,不便于总体布置;伸缩臂式挖掘作业装置结构紧凑, 布置方便,防护性好,但挖掘作业范围相对较◇•■★▼窄。而三节臂挖掘作业装置作业范 围广、挖掘性能好,同时克服了布置困难的问题,军事效益显著。在本文中,详 细阐述了三节臂挖掘作业装置的设计原则及设计流程,开展了三节臂挖掘作业装 置的运动学分析、数学建模、优化设计等关键技术的研究。 本文综述了挖掘机的发展概况以及三节臂挖掘作业装置在国内外的应用情 况,分析了挖掘作业装置的典型工况,总结了挖掘作业装置的设计目标和设计方 法。依据设计原则,将现有的传统折弯式挖掘作业装置的整体式动臂改为铰接式 动臂,变为三节臂挖掘作业装置,保证修改设计前后挖掘性能基本保★◇▽▼•持不变。采 用Denavit.Hatenberg矩阵法通过形成三节臂挖掘作业装置各个自由度之间的齐 次变换矩阵,建立了整个机构的运动学模型。以铲斗挖掘时主挖掘区内铲斗油缸 主动作用力充分发挥的比例为目标函数,确定了三节臂挖掘作业装置的优化设计 计算模型。最后,采用遗传算法对三节臂挖掘作业装置进行了优化,并通过绘制 挖掘图谱对三节臂挖掘作业装置优化前后方案进行了对比。 本文对三节臂挖掘作业装置的特性分析和优化设计,完善了三节臂挖掘作业 装置的设计理论,为相关产品的研制提供了技术支持。 关键词:三节臂,挖掘装置,优化,挖掘图谱 Abstract ABSTRACT Mining equipment importantoperation device militaryengineering machinery,mainly including traditional bending mining device telescopicarm mining device.The traditional bending mining device has goodmining performance wideoperation range,but overallarrangement itsbig structure size big;Telescopicarm mining devices has compactstructure,convenient arrangement goodprotection,but miningoperation range relativelynarrow.While three—armsmining device has wide operation range,good mining performance,and overcomes difficultarrangement problem.This thesis deeply studies three—armsmining device,and carries out relevant researches,like kinematics analysis,mathematical modeling optimizationdesign. This thesis describes three-armsmining device typicalsituations miningequipment principles analyzed;themining device performance requirements designprinciple,the three-alms mining device designed,bychanging integratedarm aexistingtraditional bending mining device articulatedarnl.The mining performance before modificationremains unchanged.With Denavit-Hatenberg homogeneous transform matrix,the kinematics model three—almsmining device allrevolving joints based basalreference frame three-armsexcavming device.According three-armsmining device,the optimization model proportionwhen bucketarm active force madefull use mainexcavating area established.Furthermore,the distribution excavatingforce excavatingarea obtained.And miningmap,the three—arms mining device before afteroptimizmion compared.II Abstract In thesis,characteristicanalysis optimizationdesign three-armsmining device carriedout.And technical support relatedequipment. Key Words:three—arms,excavating device,optimization,excavating map III 目录 目录 摘要……………………………………………………………………..I ABSTRACT……………………………………………………………………………………….I I目录………………………………………………………………………工V 第1章绪论…………………………………………………………….1 1.1研究背景…………………………………………………………………….1 1.2国内外应用现状…………………………………………………………….7 1.3本论文研究的目的和创新之处…………………………………………….9 1.4本论文研究内容和结构安排……………………………………………….9 第2章三节臂挖掘作业装置方案设计……………………………….1l 2.1反铲挖掘作业装置的设计…………………………………………………1 12.2三节臂挖掘作业装置的设计…………………………………………….17 2.3小结…………………………………………………………………………………………………21 第3章机构优化设计…………………………………………………22 3.1三节臂挖掘作业装置的运动学分析………………………………………22 3.2挖掘力分析…………………………………………………………………28 3.3机构优化设计………………………………………………………………33 3.4小结…………………………………………………………………………39 第4章挖掘性能对比分析……………………………………………40 4.1挖掘图谱简介………………………………………………………………40 4.2挖掘性能对比分析…………………………………………………………41 4.3小结…………………………………………………………………………………………………43 第5章总结和展望……………………………………………………46 IV 目录 5.1总结…………………………………………………………………………46 5.2展望…………………………………………………………………………46 参考文献…………………………………………………………………47 致谢…………………………………………………………………………………………50 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果…………………………5 绪论挖掘机械以开挖土方、石方为主要用途,是建设中使用最广泛的一种工程机 械,广泛地应用于矿山开采、道路施工、港口建设、国防建设等工程中。作为挖 掘机最主要的作业装置之一,反铲作业装置设计的优劣直接影响到挖掘作业性能 和挖掘作业效率。目前,反铲挖掘作业装置主要有两种形式:折弯式挖掘作业装 置和伸缩臂式挖掘作业装置,这两种作业装置各有其优缺点,设计一种同时兼具 二者优点的作业装置就成为提高挖掘性能的重要方向。 1.1研究背景 1.1.1挖掘机的发展概况 自1836年美国机械师奥季斯设计、制造的蒸汽驱动的机械式单斗挖掘机问 世以来,虽然挖掘机械开挖土方、石方的用途没有改变,其机构原理及组成基本 没有发生较大的变化。但是随着科学技术的不断进步与发展,挖掘机已经从以正 铲为挖掘作业装置的机械式挖掘机发展到当今以采用液压传动和计算机控制技 术为特征的液压挖掘机。特别是20世纪80年代至今,挖掘机从整机到零部件, 从技术设计到生产工艺和实验研究,从内部结构、作业性iii!I使用可靠性和寿命 都发生了较大的变化和改进。 挖掘机械当前主要分为两大类:单斗挖掘机(间歇作业式挖掘机)和多斗挖 掘机(连续作业式挖掘机)。单斗挖掘机有机械传动的单斗挖掘机(简称机械式 挖掘机)和液压传动的单斗挖掘机(简称液压挖掘机)两类。多斗挖掘机主要包 括斗轮式挖掘机、链斗式挖掘机、轮斗式挖沟机、隧道联合掘进机等。其最早于 1860年在法国设计制造,应用于苏伊士运河的开挖。1916年出现了轨道式斗轮 挖掘机,1919年第一台履带式斗轮挖掘机在德国生产制造,随后在欧洲一些国 家得到了广泛应用。经过一百五十多年的发展,多斗挖掘机已广泛应用于露天采 矿、水电工程及建筑材料采掘等行业,己成为高效率的现代化施工作业机械。目 前,挖掘机械中应用最广泛的是单斗挖掘机,其产量是挖掘机械总产量的90% 以上;单斗挖掘机械中应用最广泛的是液压挖掘机,其产量约占单斗挖掘机产量 的98%。 1.1.1.1国外方面 第1章绪论 工业革命期间,蒸汽驱动的机械式单斗挖掘机从发明到广泛的应用于建筑业 和采矿业大约经历了一个世纪的时间。20世纪初,轮胎式挖掘机和履带式挖掘 机开始大规模地采用汽油机和柴油机进行驱动,大大改善了其越野和使用性能。 20世纪50年代初,挖掘机开始用液压传动替代传统的机械传动,并且逐渐 由半液压传动发展到全液压传动。1951年,法国Poclain公司首先生产了全回转 式的、部分机构由液压驱动的半液压挖掘机。1954年,德国Demag公司制造出 世界上第一台所有工作机构均有液压驱动的全液压式挖掘机。到20世纪60年代 中后期,随着液压传动技术的发展,一些技术问题得到解决,促使中小型液压挖 掘机迅猛发展。德国、美国、日本、法国等许多国家都开始生产液压挖掘机。20 世纪70年代以后,随着机械制造、液压传动行业生产水平的提高以及对挖掘机 结构的持续改进,国外挖掘机生产制造的专业化程度不断提高,挖掘机关键零部 件的使用寿命、整机的性能参数、可靠性等得到了极大地提高。 近年来,国外单斗挖掘机的主要发展特点可总结成以下几点: (1)小型挖掘机和大型、巨型挖掘机发展迅速。20世纪初,欧美国家小型 挖掘机销售量占挖掘机总销售量的40%50%。目前,最小的液压挖掘机重量仅 为0.5t,功率为10kW,斗容量小于0.1m3。大型、巨型挖掘机主要是为了满足矿 石开采日益增长的需要。美国TEREX公司生产的RH400型液压挖掘机重量达 980t,斗容为50 m3。 (2)挖掘机的标准化、模块化、系列化程度不断提高。挖掘机整机生产商 •□▼◁▼和零部件生产商分工协作,节约了生产成本和社会资源,这样不仅保证了零部件 的质量、降低了产品成本,还使零部件的标准化、系歹净化和通用化程度进一步提 高,便于零部件的更换和挖掘机整机的维护保养。 (3)液压系统实现高压化。高压化的液压元件质量小、传递效率高,目前 国外液压系统的最大压力已达到35~40MPa。 (4)可靠性更□◁高。目前,挖掘机关键零部件均采用了疲劳设计,延长了平 均无故障间隔时间和使用维护周期等可靠性指标,保证了作业效率。 (5)应用疲劳损伤累计理论、优化设计、有限元法等先进的设计理论和方 法设计挖掘机。对作业装置、行走装置、回转平台优化结构设计,根据应力分布 的不同合同应用不同的材料,减轻整机重量,降低挖掘机的制造成本。 (6)十分重视挖掘机的试验研究工作。国外比较大型的挖掘机制造公司都 建设有自己的实验室或者试验基地,方便大批量生产前对挖掘机的样机进行整机 可靠性试验、钢结构的强度试验、人机工程学试验等,以降低生产风险。 1.1.1.2国内方面 我国第一台斗容量为lm3的单斗机械式挖掘机是抚顺挖掘机厂于1954年通 第1章绪论过仿制前苏联的相关产品生产的。我国于1958年开始自主研制单斗液压挖掘机 和多斗挖掘机,开发了WYl 10、WY60、WY250等一系列比较成熟的产品。到 1965年我国工程机械行业的发展已初具规模,共有127个企业,生产有200多 个品种的工程机械,其中挖掘机生产厂家有9家,主要生产7个品种的单斗挖掘 机,年产量为400余台。 20世纪70年代初期,我国进入全面研制液压挖掘机阶段,相继开发出6种 级别共10个型号的挖掘机,其中上海建筑机械厂、贵州矿山机械厂、北京建筑 机械厂生产的挖掘机,由于采用定量液压系统,元器件在国内基本能够实现配套, 在1975年产品基本定型并投入批量生产。此外参与开发和生产的合肥矿山机器 厂、长江挖掘机厂、杭州重型机器厂开始采用变量液压系统。到1983年,形成 系列并正式生产的中小型液压挖掘机有斗容量0.1-2.5m3的10个级别共30个型 号。到1987年前后,我国液压挖掘机的年平均产量为700~800台。与此同时, 天津工程机械研究所、浙江大学、太原重机学院等单位,开展了挖掘机整机和零 部件的试验研究、作业装置优化设计及结构强度有限元计算等科研工作。 虽然我国的挖掘机发展有所进步,但是挖掘机所需的主要配套件如发动机、 液压件等国内尚不能提供,有些关键配套件甚至需要主机厂自行研制。为了加快 挖掘机生产水平的提高,从20世纪80年代开始,我国从发动机、液压件、减速 机到整机全面引进德国先进的挖掘机技术(包括技术图纸和生产制造技术)。上 海建筑机械厂、贵州矿山机械厂、合肥矿山机器厂、长江挖掘机厂引进了德国 LIEBHERR公司的挖掘机生产技术,北京建筑机械厂引进了德国O&K公司的 RH6型号挖掘机生产技◆●△▼●术,太原重型机械厂引进了德国DEMAG公司的H121 型号挖掘机生产技术。通过对国#1-弓1进技术的消化和吸收,国内挖掘机厂进行了 技术改造,增添了先进的工艺设备和加工手段,对生产的挖掘机系列产品的性能、 结构、工艺进行了更新换代。 20世纪80年代末,由于各种工程(如小浪底水电站、高速公路、市政工程 等),受工期限制,急需大量高质量的工程机械。而国内挖掘机产业正受到技术 不足、资金短缺、国产化配套件质量不过关等因素制约。这种情况下,20世纪 90年代初我国每年从国外进口的挖掘机就有1~2万台,这也吸引了国外挖掘机 厂的关注,我国挖掘机械开始进入合资办厂的新阶段。到1997年,涌现了大批 中外合资或外商独资挖掘机企业,如山东推土机厂与日本小松公司合资成立的小 松山推工程机械有限公司、徐州工程机械集团与美国卡特彼勒公司合资成立的卡 特彼勒(徐州)工程机械有限公司、成都工程机械厂与日本神户制钢合资成立的 成都神钢建设机械有限公司以及贵阳矿山机械厂与美国CC詹森国际有限公司合 资组建的贵州詹阳机械工业有限公司等。中外合资、外商独资企业按照原国外公 第1章绪论司的技术要求生产该公司的品牌挖掘机,采用国际著名公司的配套件,使得国内 制造挖掘机的性能和质量迅速提升到国际同期水平。 在21世纪的第一个十年,挖掘机的产销量几乎年年翻番。一些国内企业也 开始自主创新,研发出高质量、高性能的挖掘机,如湖南山河智能机械的电子控 制液压挖掘机、合肥振宇工程机械股份有限公司的ZYLl60型轮式挖掘机等。 2010年我国液压挖掘机年销售量已增至16.5万台,可以说国内挖掘机行业正处 于高速发展的高峰期。但是,为更好的应对新一轮的市场竞争,总的来说我国液 压挖掘机的研究与发展还需要朝以下几个方面继续努力: (1)挖掘机的可靠性设计。对比国外同类产品,目前国内生产的挖掘机可 靠性明显不高。主要做好以下三点:一是要在设计阶段进行零部件和整机的可靠 性设计;二是要努力提高挖掘机的工艺以及生产制造水平;三是投入市场前要加 强对挖掘机样机的试验,确定可靠性指标并加以改进,同时验证可靠性设计的准 (2)挖掘机的智能化设计。目前挖掘机已经能够实现计算机智能化监控装置和模式开关操作,使挖掘机经常处于最佳作业状态。做好智能化设计,一方面 要做好计算机领域相关技术的跟踪和吸收;另一方面要集合研发团队的力量创新 设计满足实际作业需要的智能化挖掘机。 (3)挖掘机的高效低耗、环保节能设计。随着全球环境的变化,机械车辆 的尾气排放引起了人们越来越多的重视和关注。针对设计高效低耗、环保节能的 挖掘机,一方面要研制高效率低能耗的发动机;另一方面要对发动机的能量回收 技术、发动机与液压▲●…△系统的最佳匹配技术等进行公关,掌控属于自己的核心技术。 (4)挖掘机的多功能设计。能否一机多用,已成为用户选用挖掘机械的重 要考虑。设计一种怎样的机构能够使挖掘机的多种作业装置实现快速地更换,也 是国内各挖掘机生产商需要考虑和解决的问题。 1.1.2挖掘机械的分类 挖掘机构造形式多样,类型繁多复杂,一般按照作业循环方式、用途、动力 装置、传动方式等进行划分,具体分类见表1.1。 本文中研究对象是单斗挖掘机的挖掘作业装置,所以主要对单斗挖掘机进行 介绍。 按照传动方式,单斗挖掘机主要分为机械式和液压式两大类。机械式单斗挖 掘机一般有电驱动和柴油驱动两种形式,通过发动机带动齿轮、齿条、钢丝绳等 传动元件组成复杂的传动系统,带动各执行元件来执行挖掘机的各项动作。液压 式单斗挖掘机(简称为液压挖掘机)主要通过发动机直接驱动或经分动箱带动液 第1章绪论压泵,经液压油管和控制阀组、液压油缸或液压马达组成的液压系统来驱动各执 行元件。相对机械式挖掘机,液压挖掘机因为其独具的优越性得到了广泛的应用。 液压挖掘机一般由、回转平台(包括动力装置等)和作业装置三部分组成。 表1.1挖掘机分类表 分类依据 形式 具体机型 单斗机械、液压挖掘机(正铲、反铲等)按作业循环方式 连续俸业式 斗轮挖掘机、链轮挖掘机等 建筑型 中、,J、型反铲单斗挖掘机 按用途 采矿型 大型电铲、液压正铲挖掘机 大型电铲、液压歪铲挖掘机、斗轮挖掘机电驱动 电铲 按动力装置 内燃机驱动 中、小型正铲、反铲挖掘机 复合驱动 柴、电混合动力 机械传动 机械式挖掘机 液压传动 大、中、小型反铲、正铲挖掘机 按传动方式 电驱动 电铲、斗轮挖掘机 混合驱动 ◆◁•柴、电混合动力 履带式 中、小型正铲、反铲挖掘枧 轮胎式 中、小型反铲挖掘机 汽车式 小型反铲挖掘枫 按行走装置形式 步行式 大型拉铲挖掘枫 轨道式 小型反铲挖掘枫 中型反铲挖掘枫行走底盘主要包括轮胎式底盘、履带式底盘、浮船式底盘、轨道式底盘、浮 箱式水陆两用底盘、步履式底盘等。 回转平台一般通过回转支承置于行走底盘上,动力装置、、电气系统、液压 系统驾驶室等其他附属装置都安装在回转平台上。动力装置一般主要是柴油机或 者电动机,主要为液压泵提供转速和扭矩,同时驱动发电机,为空调系◆■统、冷却 系统等提供能源。 作为直接进行工程作业的机械机构,作业装置一般由动臂、斗杆、铲斗三部 分组成。为了适应不同工程作业的要求挖掘机械可以安装不同的作业装置,如反 铲挖掘作业装置、正铲挖掘作业装置、起重作业装置、平整装◁☆●•○△置、推土装置、冲 第1章绪论目前,在民用单斗液压挖掘机上广泛采用的作业装置是整体折弯式动臂与斗 杆组合的(图1.1)。传统折弯式挖掘作业装置主要有动臂、斗杆、铲斗及其驱动 油缸组成,这种挖掘作业装置具有较好的挖掘性能,且作业范围广,但结构尺寸 大,不便于总体布置。 图1.1传统折弯式挖掘作业装置 动臂是传统折弯式挖掘作业装置的主要部件之一,分为整体式和组合式两 类。整体臂有直臂和弯臂(图1.2)两种形式。 直臂构造简单轻巧,布置紧凑,适用于挖掘幅度大、挖深要求不大的机型; 与相同长度的直臂相比,采用弯臂的挖掘作业装置虽然布置重心较高,但是可得 较大的挖掘深度,挖掘范围更大。因而目前大部分挖掘机型的挖掘作业装置的动 臂均采用弯臂。 图1.2整体臂形式(直臂和弯臂) 组合臂一般有采用辅助连杆或者液压缸联接、采用螺栓或者销轴联接两种组 合方式。采用辅助液压缸连接的组合臂能够在作业过程中实现上、下动臂夹角的 无级调整,从而提高机械的工作性能,特别是用抓铲或反铲挖掘窄而深的基坑时。 特别是,上、下动臂央角可调到180。而成直臂适用于『F铲或起重机。 图1.3伸缩臂式挖掘作业装置军用工程机械因为对作业装置的布置有较高要求,所以大多采用伸缩臂式挖 掘作业装置(图1.3)。伸缩臂式挖掘作业装置结构紧凑,布置方便,防护性好, 但挖掘作业范围相对较窄。 可以说,军用工程机械亟需设计一种便于布置,同时挖掘性能好、挖掘范围 广即兼具折弯式作业装置和伸缩臂式作业装置优点的挖掘作业装置。三节臂挖掘 作业装置就是这样一种挖掘作业装置,它在传统挖掘作业装置的基础上采用铰接 式动臂的形式,在保留原有挖掘作业范围广优点的同时,达到降低重心,便于布 置的目的。 1.2国内外应用现状 图1.4“科迪亚克熊”装甲工程车 图1.5法国EPG主力工程车 目前外军21世纪初新研制的装甲工程车多采用三节臂挖掘作业装置,例如 德国的“科迪亚△▪▲□△克棕熊”装甲工程车(图1.4)、法国EPG主力工程车(图1.5) 均采用三节臂挖掘作业装置。行军状态整车布置将臂体分别展开,平行布置于车 体上方,克服了折弯式挖掘作业装置垂直布置于车体上方,重心高,不易在军用 底盘上布置等缺点,具有整车重心低,布置美观等特点。 德国的“科迪亚克棕熊”装甲工程车以“豹一2”坦克底盘为基础车,车长 第l章绪论10.2m、宽3.54m、高2.3m,挖掘作业装置位于中央位置,伸距为9.0m;挖掘深 度为4.5m,斗容为lm3;法国EPG主力工程车以“勒克莱尔”装甲抢救车底盘 为基础车,车长9.15m、宽3.8m、高2.6m,挖掘臂可以旋转230。,最大伸距9 m,最大挖掘深度4.3 m,挖掘臂可换装铲斗、土钻、抓斗、振锤或起吊勾等多 种液压作业装置。 我国贵州某厂生产的高速挖掘机采用的也是三节臂挖掘作业装置,行驶时三 节臂挖掘作业装置可以折叠放置在车体上,从而降低了重心,满足了轮式挖掘机 高速行驶的需要。但是其设计基本上依靠对国外进口样机的分析,没有针对三节 臂挖掘作业装置开展系统地理论和设计方法研究。 图1.6高速挖掘机 可以看出,三节臂挖掘作业装置存在有两种形式(图1.7),主要由上动臂、 下动臂、斗杆、铲斗铰接而成。相比于折弯式挖掘作业装置,三节臂挖掘作业装 置采用了组合式动臂,即采用上动臂、下动臂铰接,增加了一个自由度,从而扩 大了作业范围(图1.8)。 图1.7三节臂挖掘作业装置的两种形式 第1章绪论图1.8三节臂挖掘作业装置作业范围示意图 图1.7中两种三节臂挖掘作业装置各有特点,两者的区别在于左图中下动臂 油缸位于臂体上方,右图中下动臂油缸位于臂体下方。两者均能够通过调整上、 下动臂油缸使上、下动臂夹角到180。而成直臂,降低了挖掘作业装置的布置重 心。但是左图中液压缸全伸可使上、下动臂较小,有利于地面下深处作业,而且 下动臂、辅助液压缸和上动臂下部组成刚度较大的三角型结构,使动臂主要受压, 弯矩较小,受力情况改善。 1.3本论文研究的目的和创新之处 本文着眼于三节臂挖掘作业装置,提出一种三节臂挖掘作业装置的设计方 案,并对该方案进行优化;论文工作在几个方面取得突破,研究内容创新点如下: (1)设计了一种可布置在装甲工程车上的三节臂挖掘作业装置,同时该挖 掘作业装置具有较优的挖掘作业性能。文章对三节臂挖掘作业装置进行了运动学 和力学特性分析。 (2)采用机器人机构学中的D.H矩阵法建立了三节臂挖掘作业装置的数学 模型,简洁直观,便于对挖掘作业装置的优化和机构设计。 1.4本论文研究内容和结构安排 本论文主要开展了三节臂挖掘作业装置的机械设计、机构优化和特性分析对 比等关键技术的研究工作。本论文分为五章: 第一章介绍本文的研究背景、研究目的以及研究内容。首先简述反铲挖掘作 第1章绪论业装置的类型,综述不同类型挖掘作业装置的优缺点。其次介绍了三节臂挖掘作 业装置的优势,以及在国内外的应用现状,最后介绍本文研究内容的创新之处。 第二章介绍了三节臂挖掘作业装置的方案设计。首先简单总结了挖掘作业装 置的设计原理,其次通过对现有传统折弯式挖掘作业装置的改进,设计得到三节 臂挖掘作业装置的设计方案。 第三章介绍三节臂挖掘作业装置的机构优化设计,首先建立了三节臂挖掘作 业装置的数学模型,并对挖掘作业装置进行了运动学分析和挖掘力分析,其次选 用遗传算法,并以铲斗挖掘时主挖区内铲斗油缸主动作用力充分发挥的比例为目 标函数,对上一章得到的三节臂挖掘作业装置设计方案进行了优化设计。 第四章介绍对优化前后方案的挖掘性能对比分析。通过对比优化前后设计方 案的挖掘图谱,来直观地评价挖掘作业装置设计的合理性。 第五章对本论文当前和后续的工作分别进行了总结和展望。回顾了论文研究 工作和取得的主要成果,提出工作中的不足和改进措施,并对后续其他研究工作 提出了一些建议和展望。 10 第2章三节臂挖掘作业装置方案设计 第2章三节臂挖掘作业装置方案设计 相比于传统折弯式挖掘作业装置,三节臂挖掘作业装置采用的是铰接式动 臂。为此,我们可以通过对现有的传统折弯式挖掘作业装置进行改进设计,将整 体式动臂改为铰接式动臂,从而得到三节臂挖掘作业装置的设计方案。本章重点 介绍反铲挖掘作业装置(传统折弯式挖掘作业装置)的设计原则,以及三节臂挖 掘作业装置的设计流程,为接下来的优化设计和对比分析打下基础。 2.1反铲挖掘作业装置的设计 反铲挖掘作业装置的设计首先应明确设计目标、设计指标、设计原则,然后 确定具体的设计内容并制定详细的设计步骤。 一般情况下,反铲挖掘作业装置的设计目标和设计原则主要是包括几个方 (1)满足主要作业尺寸或者挖掘作业范围要求;(2)满足最大挖掘力及其挖掘力分布规律要求; (3)在确定结构形式、铰接点位置及截面尺寸时要考虑空间布置条件、避 免机构干涉、使部件受力状态有利,并在满足强度和冈0度条件的基础上尽可能使 结构紧凑并减轻自重; (4)应满足运输和停放的姿态要求,使运输尺寸小、停放姿态安全、行驶 稳定性好; (5)要考虑作业装置的通用性,以便于更换作业装置、满足不同的作业要 反铲挖掘作业装置的设计内容包括以下几点:(1)确定反铲挖掘作业装置的结构组成; (2)确定反铲挖掘作业装置主要挖掘性能参数; (3)确定作业装置各部件铰接点位置; (4)设计作业装置各部件的结构形式和尺寸参数并对其进行强度、刚度等 校核; (5)设计合理性分析。 在明确了设计目标、设计指标设计原则后,反铲挖掘作业装置的设计方法主 要有以下几种: (1)解析计算法:该方法通过对反铲挖掘作业装置机构几何参数的分析计 第2章三节臂挖掘作业装置方案设计 算,确定作业装置各部件的铰接点位置。确定铰接点位置后,验算作业尺寸、挖 掘力、提升力矩等挖掘性能参数是否满足要求。 (2)几何作图法:该方法通过给定的反铲挖掘作业装置作业尺寸,利用几 何作图法来确定各部件的铰接点位置,在此基础上验算挖掘力、提升力矩等挖掘 性能参数是否满足要求。 (3)比拟法:该方法通过寻找待设计的反铲挖掘作业装置与同类型作业装 置的比例关系,参照样机来确定作业装置各部件的铰接点位置。通常情况下,使 用该方法需要测绘同类型样机的几何机构参数和其它性能参数。 (4)优化设计法:该方法是在要求的优化(或设计)目标下(一般为挖掘 性能参数),通过利用计算机软、硬件技术对现有机型工作装置的几何铰接点位 置或其他几何参数进行调整,使其得到理想的设计目标或对挖掘作业装置的性能 作最大限度的改善。 (5)虚拟样机设计法:该方法是借助计算机三维设计软件(Pro/E、UG、 Solidworks),建立待设计作业装置的三维模型。在设计阶段即可观察到作业装置 的装配关系、运动关系,并生成二维设计图及加工和工艺卡等。在此基础上,某 些软件还可进一步分析机器的动力学特性等各项性能,是近年来比较流行的设计 方法,也是未来的主要发展方向。 以上设计方法各有优缺点,具体使用哪种方法应根据客观条件来分析确定。 但是,无论采用哪种方法都应掌握基本的设计理论,尤其是掌握某些设计参数的 选择依据、各参数之间的相互关系以及它们对挖掘作业性能的影响。 目前,反铲挖掘作业装置的基本机构形式基本定型,但是如何选择其具体的 机构参数使其达到期望的目标,以及如何分析某些参数对挖掘作业性能的影响却 存在较大的难度。其原因主要是机构参数较多,比如仅涉及传统折弯式挖掘作业 装置铰点位置的几何参数就有30余个。而各个参数对设计目标的影响是高度非 线性的,单独研究某个参数的影响只能在特定的局部范围内才有意义,对整体挖 掘作业性能的研究则需综合考虑全部参数。其次这些参数之间存在非线性的关 系,在既定的同一目标下研究它们之间的关系尤其是对其力学特性的影响无论是 在理论上还是在实验上都存在较大的困难,因此需要从设计的角度确定这些参数 的选择方法。 2.1.1动臂结构形式及动臂和动臂油缸布置方案的确定 第一章中提到,动臂按结构形式主要分为整体式动臂和组合式动臂两种形 式。整体式动臂(图▼▼▽●▽●1.2)结构简单、质量轻、刚度大但通用性较差;组合式动 臂虽然结构复杂但是能够满足不同作业范围的要求。从动臂结构外形看,整体式 12 第2章三节臂挖掘作业装置方案设计 动臂分为直动臂和弯动臂:整体式直动臂结构简洁,但对挖掘深度有较大影响, 一般用于小型或悬挂式挖掘机上。相对于整体直动臂,整体式弯动臂有利于反铲 挖掘作业装置地面以下的挖掘作业,但是其结构较复杂且在动臂弯曲部位容易引 起应力集中等强度方面的问题。但是,经过长时间实践的▼▲检验,目前大部分挖掘 机型的挖掘作业装置的动臂均采用弯臂。组合式动臂按连接方式可分为液压油缸 连接方式和螺栓连接方式等。三节臂挖掘作业装置就采用了液压油缸组合式动 回转平台和动臂是通过动臂液压油缸连接的。动臂液压油缸是举升整个挖掘作业装置及物料的动力单元,在挖掘过程中它还必须有足够的闭锁压力以保证挖 掘力的正常发挥和挖掘过程的顺利进行,因此动臂及动臂油缸铰接点的布置对作 业装置的受力起着十分重要的作用。按照结构形式,动臂油缸的布置一般有下置 式(图2.1)和上置式(图2.2)两种方案。 2图2.1动臂油缸下置式方案 图2.2动臂油缸上置式方案 下置式方案即动臂油缸置于动臂臂体的前下方。在水平方向,动臂及动臂油 缸的下支点可以置于转台回转中心之前或者之后。在垂直方向,应略高于回转平 台底面,以保证回转平台的正常运行。动臂和动臂油缸的铰接点也有两种方案: 一种是动臂油缸铰接于动臂△▪▲□△中部,此时动臂油缸一般为双缸,分别布置于动臂两 侧,有利于增加反铲挖掘作业装置的挖掘深度并提高其稳定性——在一定程度上 避免了作业装置的横向晃动,但会削弱动臂强度,中大型挖掘机多采用此方案。 另一种是单动臂油缸铰接于动臂下翼板的方案,该方案对动臂的强度没有影响, 但影响了动臂的下降幅度,并降低了挖掘深度,在小型挖掘机上比较多见。 13 第2章三节臂挖掘作业装置方案设计 综上所述,各种动臂结构形式以及动臂和动臂油缸的布置方案都各有其优缺 点,具体确定时,应首先满足挖掘装置的使用要求,同时还应参考比较成熟的结 构形式,最后通过各方面综合分析来确定。 2.1.2斗杆结构形式及斗杆和斗杆液压油缸布置方案的确定 按照结构形式,斗杆主要分为两类:整体式斗杆和组合式斗杆。整体式斗杆 结构简单,但难以满足不同作业尺寸的要求。组合式斗杆则可以弥补这种不足, 但组合式斗杆结构复杂,同组合式动臂相同,也有多种组合方式可选,如螺栓连 接组合式斗杆、液压油缸连接组合式斗杆。具体使用哪种结构形式也需要根据挖 掘装置的使用要求等确定。 对于大多数反铲挖掘作业装置,斗杆油缸一般布置于斗杆的上部。这主要是 考虑到反铲挖掘作业装置的挖掘方式为向下向后挖掘,此时斗杆油缸大腔为工作 腔,能产生较大的挖掘力;且当铲斗油缸单独工作进行挖掘时,斗杆油缸大腔闭 锁,也能产生足够的闭锁压力。 2.1.3动臂和斗杆长度比的确定 动臂长度与斗杆长度的比值K=厶/4是反映挖掘作业装置特性的一个重要 参数,但其选择范围可能会因作业要求的不同而变化很大,所以难以对其准确分 类和描述。同一台挖掘机常常会根据不同的作业条件和要求配置不同的可换工作 装置,如加长斗杆、加长动臂、采取组合动臂或组合斗杆,而改变该特性参数的 取值。 结合反铲挖掘作业的特点,从挖掘作业范围来说,在作业尺寸相同的条件下, K越大,斗杆相对越短,作业范围越窄,反之,则作业范围越▲=○▼大。从挖掘方式 来说,K,大宜以斗杆挖掘为主,这是因为斗杆相对较短,斗杆阻力臂较小,因 而可以产◇…=▲生较大的斗杆挖掘力,反之则以铲斗挖掘为主。无论哪种挖掘方式,铲 斗挖掘的最大挖掘力一般大于斗杆挖掘的最大挖掘力。这主要是因为斗杆机构与 铲斗机构形式不同导致传动比不同的缘故。 2.1.4铲斗与铲斗油缸连接方案的确定 铲斗油缸的作用力或直接作用在铲斗上,或通过铲斗连杆机构传递至铲斗。 从现有挖掘装置铲斗和铲斗油缸的连接形式来看,大多数反铲挖掘作业装置的铲 斗油缸不直接与铲斗相连,而是通过摇臂和连杆与铲斗相连。根据有无中间部件 及中间部件的结构形式,一般将铲斗连杆机构分为四连杆机构和六连杆机构。 14 第2章三节臂挖掘作业装置方案设计 图2.3反铲铲斗连杆机构的结构形式卜铲斗油缸;2一斗杆;3一摇臂;4一连杆;5一铲斗 如图2.3a ̄d所示,铲斗和铲斗油缸的连接方式分别为a型、b型、C型和d 型。a型连接方式是铲斗油缸、铲斗、斗杆构成的一种四连杆机构,该连接方式 在铲斗油缸形成相同的情况,铲斗转角范围较小。b型、C型和d型连接方式是 铲斗油缸1、摇臂3和连杆4、斗杆2、铲斗5构成的一种六连●杆机构。b型连接 方式中,摇臂、连杆、铲斗油缸铰接在同一个点上;C型和d型连接方式中,连 杆和摇臂、铲斗油缸和摇臂分别铰接在不同的两点上。三种连接方式的相同点是 具有六连杆机构的优点,即对比a型连接方式(四连杆机构),在铲斗油缸行程 相同的情况下,铲斗能够获得比较大的转角。不同点则在于c型连接方式相对于 b型、d型连接方式其铲斗转角提前了一个角度;b型、d型连接方式的不同则在 于当铲斗油缸行程相同时,d型连接方式铲斗的转动角度更大,镑斗挖掘力小而 力矩变化较大,b型连接方式则转动角度小、挖掘力大,工作力矩变化较小。 总的来说,采用铲斗油缸与铲斗直接相连的四连杆机构,结构简单,但铲斗 的转动角度较小,工作力矩的变化较大。采用六连杆共点机构,较四连杆机构复 杂,但铲斗的转角范围易于保证,工作力矩变化平稳。采用六连杆非共点机构, 结构较为复杂,当铲斗油缸的力臂较小时可获得较大的铲斗极限摆角,但会较低 发挥在斗齿尖上的挖掘力。目前通过理论分析和长期的实践,大多数挖掘作业装 置上采用的是六连杆共点机构。 2.1.5铲斗结构形式、斗形参数的确定 按照作业要求和用途划分,反铲作业装置结构形式主要包括以下几种形式 (图2.4): (1)标准型铲斗,轻质土和重质土的铲斗斗容量不同,一般采用铲斗挖掘 半径不变,只改变斗宽以得到不同的斗容量(图2.4a);

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