液压挖掘机论文

四川交通职业技术学院毕业论文液压挖掘机毕业论文学生姓名 院系名称 专业名称 班 级 学 号 指导教师 答辩时间 2011年4月9日 新型液压挖掘机毕业论文摘 要将液压挖掘机引入冻结法立井施工领域，可以加快施工速度、降低工人的劳动强度，具有广阔的应用前景。本文采用现代设计理论和方法对立井施工新型液压挖掘机进行设计研究，以期能研制出满足市场需求、高性能的产品，提高立井井筒冻结表土段掘进的机械化程度。本文首先进行方案论证，决定采用电力驱动，从根本上消除了柴油机废气的危害；以日本小松PC50UU-小型柴油驱动挖掘机作为研制的母机进行技术改造，明确了本文的研究重点为工作装置优化和液压系统重新设计两方面。通过对立井施工新型液压挖掘机反铲装置运动学和动力学分析，得到了动臂、斗杆、铲斗及其连杆机构的运动方程和几种典型工况下的挖掘力计算方法。在此基础上本文根据立井施工新型液压挖掘机反铲工作装置的工作特点和性能要求，将确定工作装置各铰点的几何参数作为优化设计变量，用反铲工作装置的挖掘能力作为优化目标函数，对反铲工作装置实施优化设计。采用博世力士乐的LUDV技术，本文重新设计了立井施工新型液压挖掘机液压系统。本文进一步建立了挖掘机液压系统中电动机、泵、阀、缸和马达的数学模型，研究工作机构与其液压回路数学模型之间的耦合，然后利用AMESim仿真软件对新型挖掘机定点挖掘过程中工作装置的液压系统和机构动力学进行综合仿真，运动学仿真结果表明工作装置能很好的实现挖掘范围要求，机构无干涉；力学仿真结果表明液压系统稳定，整个工作过程中挖掘力很好的逼近其挖掘阻力曲线要求，挖掘性能优异。 最后进行了样机试制和工业性试验，实践检验证明了立井施工新型液压挖掘的设计是正确和可靠的，完全能满足现场施工要求。关键词：电动液压挖掘机 立井施工 工作装置 液压系统 优化设计目 录1 绪 论11.1 课题的提出11.2 液压挖掘机概述21.2.1 液压挖掘机主要组成21.2.2 液压挖掘机工作循环过程31.2.3 电动液压挖掘机31.3 液压挖掘机的发展和研究现状41.3.1 国外发展与研究现状41.3.2 国内发展与研究现状71.4 虚拟样机技术在本课题中的应用71.5 本章小结92 新型液压挖掘机工作装置优化设计研究112.1 新型液压挖掘机反铲工作装置的运动学分析112.1.1 动臂运动分析112.1.2 斗杆运动分析122.1.3 铲斗运动分析132.1.4 斗齿尖运动分析142.1.5 特殊工作尺寸152.2新型液压挖掘机反铲工作装置受力分析162.2.1 挖掘阻力162.2.2 挖掘力的分析182.3 新型液压挖掘机反铲工作装置优化设计232.3.1 设计变量的确定242.3.2 目标函数的建立242.3.3 约束条件的确定252.3.4 优化设计及结果分析291 绪论 1.1 课题的提出工程机械是实现施工高速度、高质量、低成本、高效益的重要手段，它广泛应用于国民经济各部门，世界各国历来都十分重视工程机械的发展。液压挖掘机是工程机械的一个主要机种，它利用铲斗挖掘、铲装土壤和石块，装满后提升铲斗并回转到卸土地点卸土，然后再使转台回转、铲斗下降到挖掘面，进行下一次挖掘。液压挖掘机广泛应用于矿山开采、道路工程、国防施工、农田水利等基础建设之中，对减轻繁重的体力劳动，加快施工进度，提高劳动生产率具有十分显著的意义。在立井施工领域，冻结法凿井技术得到了越来越多的应用，我国在这一方面已跨入世界先进行列，冻结深度从最早的105米发展到目前的700余米，相应的冻结表土层也由最初的几十米发展到今天的近600米。随着冻结深度的增加，冻土的挖掘愈加困难，目前冻结井筒普遍采用风镐掘进施工方法，即人工操作风镐破土、抓岩机抓土装罐。这种方法占用人员多、劳动强度大、施工效率低，造成工期、冻结送冷时间的延长，进而导致施工成本的大幅度增加。因此，尽快开发出用于冻土挖掘的专业施工设备，提高立井井筒冻结表土段掘进的机械化程度、加快施工速度、降低工人的劳动强度已成为一个重要的现实课题。液压挖掘机作为一种常用机械设备，操作方便、故障率低且易于维修，据统计，各种土石方作业中约有6070的土方量是由它完成的。借鉴地面土石方工程中利用液压挖掘机破碎和挖（装）土的成功经验，如能研制出（1）尺寸小，满足井下工作面狭小空间施工要求；（2）挖掘力和斗容满足施工产量需求；（3）回转速度满足中心抓岩机装料效率需求；（4）设备性能好，维修率低；（5）排放尽可能少，满足环保和职业健康要求的立井井筒冻结表土层掘进施工用新型液压挖掘机，则可以大大提高冻土掘进速度，取得十分显著的经济和社会效益，同时也是对立井机械化施工技术的一个很好补充。基于上述考虑，中煤第五建设公司第三工程处在参考市场上同类先进机型基础上，进行了斗容量为0.21m3的立井施工用新型电动液压挖掘机的开发，改传统柴油机驱动为电动机驱动，保留液压传动和反铲工作装置。新产品设计过程中要解决如何在符合正常的液压挖掘机操作习惯下，与市场上同规格内燃机驱动机型相比尺寸、重量尽可能小，以适应井下工作环境；如何保证采用电机驱动后不降低挖掘力、不影响机械回转装料效率，而且还要安全、节能、可靠等难题。鉴于这种情况，本文结合该项目，采用现代设计理论和方法对立井施工新型液压挖掘机进行设计研究，以期能研制出满足市场需求、高性能的产品。1.2 液压挖掘机概述本节以常见的单斗反铲液压挖掘机为例，介绍其基本组成结构、工作原理。1.2.1液压挖掘机主要组成液压挖掘机由动力装置、传动系统、操纵机构、回转机构、工作装置、行走机构和辅助设备等几部分组成，外形如图1-1所示。其中动力装置、传动系统的主要部分、操纵机构、回转机构、辅助设备和驾驶室等都安装在可回转的平台上，总称上车部分，它与行走机构（又称下车部分）用回转支撑相连，平台可以围绕中央回转轴作360回转。常见的液压挖掘机多采用柴油发动机作为原动力，履带或轮胎行走，斗容量小于1.6m3的中小型液压挖掘机通常选用整体鹅颈式动臂反铲装置，它的主要运动如整机行走、转台回转、动臂升降、斗杆收放、铲斗转动等都靠液压传动，把发动机的机械能以油液为介质，利用油泵转变为液压能，传送给油缸、油马达等转变为机械能，再传动各执行机构，实现各种运动和工作过程。整体鹅颈式动臂反铲液压挖掘机工作装置主要由动臂1、动臂油缸2、斗杆3、斗杆油缸4、铲斗5、铲斗油缸6、摇臂连杆7等组成，如图1-1所示。装置各运动部件之间全部采用销轴铰接，其中动臂铰接于回转平台，以动臂油缸来支撑和改变动臂的倾角，通过动臂油缸的伸缩可使动臂绕下铰点转动实现动臂的升降；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；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，通常采用摇臂连杆机构来和铲斗联结。图1-1 液压挖掘机的主要组成Figure1-1 Primary Structure of the Hydraulic Excavator1-动臂；2-动臂油缸；3-斗杆；4-斗杆油缸；5-铲斗； 6-铲斗油缸；7-摇臂连杆；8-上部转台；9-行走机构1.2.2液压挖掘机工作循环过程 液压挖掘机的回转、行走和工作装置的动作都由液压传动系统实现，原动机驱动双联液压泵，把压力油分别送到两组多路换向阀，通过司机的操作，将压力油单独或同时送往液压执行元件(液压马达和液压油缸)驱动执行机构工作。 其工作循环过程如下：首先液压挖掘机驱动行走马达和配套土方运输车辆一起进入作业面，运输车辆倒车、调整，停靠在挖掘机的侧方或后方。挖掘机司机扳动操纵手柄，使回转马达控制阀接通，于是回转马达转动并带动上部平台回转，使工作装置转向挖掘地点，在执行上述过程的同时操纵动臂油缸换向阀，使动臂油缸上腔进油，将动臂下降，直至铲斗接触地面，然后司机操纵斗杆油缸和铲斗油缸的换向阀，使两者的大腔进油，配合动作以加快作业进度，进行复合动作的挖掘和装载；铲斗装满后将斗杆油缸和铲斗油缸的操纵手柄扳回中位，使铲斗和斗杆油缸闭锁，再操纵动臂油缸换向阀，使动臂油缸的下腔进油，将动臂提升，举起装满土的铲斗离开工作面，随即扳动平台回转换向阀手柄，使上部平台回转，带动铲斗转至运输车辆上方，再操纵斗杆油缸使斗杆高度稍降一些，并在适当的高度操纵铲斗油缸使铲斗卸土。土方卸完后，使平台反转并降低动臂，直至铲斗回到作业点上方，以便进行下一工作循环。1.2.3电动液压挖掘机 柴油机驱动的液压挖掘机虽然具有无可比拟的优点，但柴油机废气、烟雾、热辐射及噪声却严重地污染了地下作业环境。而如果把柴油机驱动改为电力驱动，则可在保留液压挖掘机大部分优点的情况下，从根本上消除了柴油机废气的危害，同时电动机工作温度比柴油机低，噪声小，因而有利于环境的保护和井下作业人员的健康，可节省添加通风系统的大量资金耗费。表1是类比瑞典波立登（Boliden）公司所属矿山对电力驱动铲运机与柴油驱动铲运机进行的生产对比试验而完成的两种驱动形式液压挖掘机的对比分析，可以看出，立井施工新型液压挖掘机应采用电力驱动3。电力驱动的挖掘机在国内外的应用多为大吨位（400以上）、机械式，普通吨位液压传动的电动挖掘机国内也只有四川邦立在做，但它的产品没有针对为在诸如竖井、隧道或地下等狭窄空间的挖掘作业而进行优化，所以要开发出完全适应立井施工用液压挖掘机还有很多工作要做4。表1-1 电力驱动和柴油机驱动的挖掘机对比分析对比项目对比分析结论设备总投资电动挖掘机不需要柴油机及其相关附件，也不需要燃油箱，但需要电动机，还增加了供电电缆、电缆卷筒及传动装置、电控箱，考虑到低污染柴油机价格贵，综合考虑来看两者设备总投资基本持平。基本持平生产费用生产费包括能源费、修理费和司机工资，后一项对两种挖掘机相同，不予比较。电能比柴油便宜，类比瑞典波立登公司所属矿山对电力驱动和柴油机驱动铲运机生产对比试验，电动挖掘机比柴油挖掘机能源费低一半。且柴油机需要一笔不低的修理保养费，而三相鼠笼电动机在其服务期间几乎不需任何维修，电动机的寿命通常比挖掘机本身的寿命长。使用电动挖掘机，井下不需增加通风费用。电动挖掘机生产费用远低于柴油挖掘机设备能力和生产率使用三相鼠笼电动机的挖掘机，其过载能力是额定扭矩的2倍，且牵引功率和回转速度与柴油挖掘机一样，而柴油机不可能承受高于额定值的负载，由于具有这些特点，电动挖掘机理论上应比同级柴油挖掘机生产率高。电动挖掘机同样能达到柴油挖掘机的生产率作业环境电动挖掘机不排放废气，而柴油机会排放出大量对人体有害气体，严重污染作业环境。电动机的热效率也比柴油机高的多，这样它的热辐射也远低于柴油机。据测定资料，在司机座附件，电动挖掘机的噪声比柴油机驱动挖掘机低20dB。电动挖掘机优于柴油挖掘机机动性电动挖掘机受到拖曳电缆的限制，机动性不如柴油机驱动的液压挖掘机电动挖掘机机动性差1.3 液压挖掘机的发展和研究现状立井施工新型液压挖掘机的研发必须有高起点，要借鉴目前市场上同规格机型的最先进技术，并考虑其工作环境，采用现代设计理论和方法去设计，这样才能大幅度提高产品性能、缩短开发周期、节省原材料、降低产品成本进而获得较高的经济效益。所以研发前必须首先对液压挖掘机国内外研究现状、发展趋势有比较深刻的认识。1.3.1国外发展与研究现状液压挖掘机在国际上已达到相当高的水平，工业发达国家的挖掘机生产较早，法国、德国、美国、俄罗斯、日本是斗容量3.540m3单斗液压挖掘机的主要生产国，从20世纪80年代开始生产特大型挖掘机。例如，美国马利昂公司生产的斗容量50150m3剥离用挖掘机、斗容量132m3的步行式拉铲挖掘机；B-E（布比赛路斯伊利）公司生产的斗容量168.2m3的步行式拉铲挖掘机，斗容量107m3的剥离用挖掘机等，是世界上目前最大的挖掘机。从20世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展，可归结为：（1）整机设计侧重于多用途性。为满足市政建设和农田建设的需要，国外发展了斗容量在0.25m3以下的微型挖掘机，最小的斗容量仅在0.01m3。为了在狭小场地作业，国外一些大挖掘机厂商（如卡特彼勒、OK、小松、凯斯、JCB等）推出了无尾型挖掘机，其特点是后部短，回转运动在履带宽度范围内，因此非常适合狭窄空间的作业。另外，数量最多的中、小型挖掘机趋向于一机多能，配备了多种工作装置除正铲、反铲外，还配备了起重、抓斗、平坡斗、装载斗、耙齿、破碎锥、麻花钻、电磁吸盘、振捣器、推土板、冲击铲、集装叉、高空作业架、铰盘及拉铲等，以满足各种施工的需要。如瑞典Engcon公司生产的Tiltrotator挖掘机附加装置，模拟人的手腕功能，能回转360，左右40摆动/回转/侧倾，内装快速更换器，可在任何角度接装各种附加作业装置，为332t挖掘机配套。德国SMP公司、Indexator公司也有类似的产品。与此相适应，国外一些先进挖掘机上还配置了快速更换系统，新型的更换装置能够在正常液压系统的压力下自动快速更换各种装置，司机无须离开司机室。如Riedlberg公司的“Coupfix”作业装置液压快速更换系统，能在1015s内完成任务，10根液压软管在液压油高压全流量下全自动接管。与此同时，国外还发展专门用途的特种挖掘机，如卡特彼勒的MC325CMH和利勃海尔的A904C、A944B-HD专用于工业材料装卸，利勃海尔934B VD-HD为破碎拆除专用挖掘机， Mecalac公司714er系列采用特殊底盘和作业装置，专用于城市建筑工地。 （2）重视采用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通用化发展速度。例如，德国阿特拉斯公司生产的挖掘机装有新型的发动机转速调节装置，使挖掘机按最适合其作业要求的速度来工作；美国林肯贝尔特公司新C系列LS-5800型液压挖掘机安装了全自动控制液压系统，可自动调节流量，避免了驱动功率的浪费。还安装了CAPS（计算机辅助功率系统），提高挖掘机的作业功率，更好地发挥液压系统的功能；日本住友公司生产的FJ系列五种新型号挖掘机配有与液压回路连接的计算机辅助功率控制系统，利用精控模式选择系统，减少燃油、发动机功率和液压功率的消耗，并延长了零部件的使用寿命；德国奥加凯（O&K)公司生产的挖掘机油泵调节系统具有合流特性，使油泵具有最大的工作效率；日本神钢公司在新型904、905、907、909型液压挖掘机上采用智能型控制系统，即使无经验的驾驶员也能进行复杂的作业操作；德国利勃海尔公司开发了ECO（电子控制作业）操纵装置，可根据作业要求调节挖掘机的作业性能，取得了高效率、低油耗的效果；美国卡特匹勒公司在新型B系统挖掘机上采用最新的3114T型柴油机以及扭矩载荷传感压力系统、功率方式选择器等，进一步提高了挖掘机的作业效率和稳定性；韩国大宇公司在DH280型挖掘机上采用了EPOS电子功率优化系统，根据发动机负荷的变化，自动调节液压泵所吸收的功率，使发动机转速始终保持在额定转速附近，即发动机始终以全功率运转，这样既充分利用了发动机的功率、提高挖掘机的作业效率，又防止了发动机因过载而熄火。 （3）更新设计理论，提高可靠性，延长使用寿命。美、英、日等国家推广采用有限寿命设计理论，以替代传统的无限寿命设计理论和方法，并将疲劳损伤累积理论、断裂力学、有限元法、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，促进了产品的优质、高效率和竞争力。美国提出了考核动强度的动态设计分析方法，并创立了预测产品失效和更新的的理论。日本制定了液压挖掘机构件的强度评定程序，研制了可靠性处理系统。在上述基础理论的指导下，借助于大量试验，缩短了新产品的研发周期，加速了液压挖掘机的更新换代，并提高了其可靠性和耐久性。例如，液压挖掘机的运转率达到85%95%，使用寿命超过1万小时。 （4）加强对驾驶员的劳动保护，改善驾驶员的劳动条件。液压挖掘机采用带有坠物保护结构和倾翻保护结构的驾驶室，安装可调节的弹性座椅，用隔音措施降低噪声干扰。 （5）进一步改进液压系统。中、小型液压挖掘机的液压系统有普遍装备负荷传感系统的明显趋势。负荷传感系统在液压挖掘机上的优点是显而易见的，能实现对不同负载压力的多个执行元件同时进行快速和精确的控制，各个执行元件互不干涉，操作性能好，轻便舒适，便于驾驶员集中精力操作。负荷传感可以采用单泵并联系统，系统紧凑、接管少，安装使用成本低，并易于通过选用阀片增加执行元件数量，实现挖掘机的多功能。小松、卡特彼勒，利勃海尔、沃尔沃，阿特拉斯、山猫、大宇、Schaeff、 Mce1co、JCB、Fiat-Kolbeco等公司都有多种采用负荷传感系统的挖掘机产品。（7）迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。20世纪70年代，为了节省能源消耗和减少对环境的污染，使挖掘机操作轻便和作业安全，降低挖掘机噪音，改善驾驶员工作条件，逐步在挖掘机上应用电子和自动控制技术。20世纪80年代，以微电子技术为核心的高新技术，特别是微机、微处理器、传感器和检测仪表在挖掘机上的应用，推动了电子控制技术在挖掘机上应用和推广，并已成为挖掘机现代化的重要标志。目前先进的挖掘机上设有发动机自动怠速及油门控制系统、功率优化系统、工作模式控制系统、监控系统等电控系统。装配这些控制系统后，可以显著地提高挖掘机生产率、降低成本。通常挖掘一个整洁的工作平面可以比“手工”挖掘少3到4个过程，挖沟渠可节省10%20%作业时间，从而加快施工进程，节省燃油，减少磨损。借助电子控制驾驶员可以精确快速操作铲斗，测量杆成为多余，驾驶员也无须为了测量而经常离开驾驶室或中断工作。1.3.2国内发展与研究现状我国从1958年开始生产液压挖掘机，逐步形成了12.5m3小型液压挖掘机系列，具有一定生产规模，斗容17.5m3的液压挖掘机年产量超过1000台。1983年以后采用引进技术方式进行生产，加快了液压挖掘机的发展。但国内挖掘机研发水平、制造技术、产品质量与韩国、日本、美国、欧洲等发达国家相比存在很大的差距。我国挖掘机市场很大，但几乎被外资垄断，据统计，目前行业七家独资与合资企业产品销售量占全行业的比例由1996年的70%左右迅速上升到2003年的90%。除了贵州詹阳公司生产的轮胎液压挖掘机仍是国内品牌之外，可以说目前国外独资与合资企业在我国液压挖掘机行业中已占据主要地位，国外品牌液压挖掘机已占领了国内的主要市场。1.4虚拟样机技术在本课题中的应用新型液压挖掘机的设计水平关系到最终产品的质量，须从高起点出发，借鉴先进液压挖掘机技术并针对立井施工的要求对工作装置、液压系统等进行优化，而设计过程中技术的先进与否、数字化程度的高低，很大程度上决定了产品设计开发的周期、质量和成本。在工程设计中己得到广泛应用的有限元分析技术(FEA)和计算机辅助设计技术(CAD)就是这些先进技术的代表。FEA技术可以帮助设计人员分析零件的应力状态，解决了传统材料力学所无法处理的工程问题；CAD技术则利用计算机强大的计算和数据存储处理功能，加上设计师丰富经验和主观创造性进行产品开发。改变了以经验为主的传统设计方法，以修改方便的高质量三维计算机绘图取代了繁琐、重复的手工平面绘图，使设计人员能把时间和精力真正用于创造性工作，提高了设计质量。新挖掘机设计中应广泛地采用FEA和CAD技术。但是液压挖掘机是复杂的工程机械，零部件多，运动方式多，须从系统层面评价其性能的优劣。随着技术的发展，人们认识到即使传统的技术手段使得挖掘机中的每个零部件都是最优的，并不能保证整个挖掘机的性能是最好的，即系统整机的优化不是所有部件优化的简单叠加。液压挖掘机的设计还存在许多有别于其他机械行业的特点，其中最重要的一点是它涉及的学科很多，包括机械运动学与动力学、液压流体传动、机电控制、热力学、人机工程学、美学等。要获取挖掘机的综合最优解不仅需要各学科专家的共同努力，更需要他们工作上的协同。虚拟样机技术是现阶段实现上述目标的最佳手段5-9。虚拟样机技术是一种基于智能设计技术、并行工程、仿真工程及网络技术的先进制造技术，它以计算机仿真和建模技术为支持，工程师在计算机上建立样机模型，用数字化形式代替传统的实物样机实验，利用虚拟样机在产品实际加上之前对产品的性能、行为、功能和产品的可制造性进行预测，从而对设计方案进行评估和优化，以达到产品生产的最优目标。液压挖掘机有别于其他机械的另一个特点是：工作环境恶劣，通常工作在地质情况复杂、载荷情况多变、大气条件差的条件下。液压挖掘机物理样机试验必须模拟不同工况，费时费力。另外挖掘机造价很高，尤其是附带各种检测设备的物理样机单机成本极高。而试验的破坏性往往很大，反复试验不仅延长设计周期，还容易造成损坏，无形中提高了设计成本。采用虚拟样机技术，可使设计人员在虚拟环境中真实地模拟各种挖掘机的工作情况，快速分析多种设计方案，帮助设计人员完成无数次物理样机无法进行的危险试验，在整个仿真过程中，可以随时按照优化建议或市场用户需求修改参数，得到改进的虚拟样机，反复这个过程直至获得系统优化级的整机设计方案。新型液压挖掘机开发还有一个独特的特点，就是先参考同类机型先进技术、消化吸收、再设计，如果仿制过程仅仅是拆机，照抄零件，对参考的挖掘机缺乏系统上的理解，设计人员没有吃透样机，效果肯定不佳。采用虚拟样机技术，技术人员便可以进行系统层面的详细研究，追踪样机的设计思想来指导其设计。从另一角度看，传统的先借鉴参考、消化、再设计过程由于是从零件着手，设计方式是由下到上、从部件设计到整机设计，注意力往往集中在细节而忽略了整体。而借助于虚拟样机技术设计挖掘机时，可以根据用户要求确定系统参数，优化设计在早期设计阶段完成。早期虚拟样机的仿真结果还可以作为零件设计的参考，这样的设计过程是从整机到零件，是由上至下的设计顺序，这样可以避免代价昂贵的在系统设计方面的失误。虚拟样机相关技术的软件化过程己经基本实现，目前有许多家公司在这个领域上竞争。比较有影响的产品包括美国机械动力学公司(Mechanical Dynamics Inc.)的ADAMS，美国CADSI(Computer Aided Design Software Inc.1998年后，CADSI公司与比利时LMS International公司合并，CADSI易名为LMS-CADSI)公司的DADS，法国IMAGINE公司的AMESim(Advanced Modeling Environment for Simulations of engineering systems)以及德国航天局的SIMPACK。其中法国IMAGINE公司的AMESim是一种新型高级建模和仿真软件，目前最新版本是AMESim4.2，它提供了一个系统工程设计的完整平台，使得用户可以在同一平台上建立复杂的多学科领域系统的模型，并在此基础上进行仿真计算和深入的分析，用户可以在AMESim4.2平台上研究任何元件或系统的稳态和动态性能。AMESim4.2采用基于物理模型的图形化建模方式，用户可以直接使用AMESim4.2提供的丰富的元件应用库，使得用户可以从繁琐的数学建模中解放出来，从而专注于物理系统本身的设计。目前，AMESim已经成为用于车辆、越野设备、航空航天以及重型设备工业的多学科领域，包括流体、机械、热分析、电磁以及控制等复杂系统建模仿真的优选平台14。立井施工新型液压挖掘机受限于狭窄的井下工作空间，其工作装置不能照搬同类机型普通液压挖掘机，必须借助计算机技术对其重新设计并分析其性能。而对于挖掘机工作装置这样复杂的机械系统，要想准确地模拟其运动，对其进行动力学建模是必不可少的，基于计算机全面仿真的工作装置设计研究成为产品开发过程中重要一环。立井施工新型挖掘机液压系统是由多个液压元件组成的复杂非线性系统，各液压元件间依靠液压介质进行能量的传递，同时依靠控制系统传递的控制信号实现压力、流量的控制。对这样复杂的液压系统进行定性和定量的仿真，仅用微分和差分方程的方法不能很好地模拟系统实际的各种工作性能，因此目前多采用专业液压系统仿真软件11。本课题将采用AMESim对挖掘机进行机电液系统的综合仿真，获得系统层面性能分1.5 本章小结（1）通过对我国立井井筒冻结法施工表土段掘进现状的分析，论证了将液压挖掘机用于冻土挖掘的巨大优势和重要意义，提出立井施工新型液压挖掘的设计为本文的研究课题。（2）简单介绍了液压挖掘机的结构组成和工作原理，分析了液压挖掘机的国内外的发展与研究现状，指出了新型液压挖掘机开发时应注意的问题。（3）根据对立井施工新型液压挖掘开发过程的分析，确定了本文的主要研究内容。2 新型液压挖掘机工作装置优化设计研究2.1 新型液压挖掘机反铲工作装置的运动学分析反铲工作装置的几何位置取决于动臂缸的长度、斗杆缸的长度和铲斗缸的长度。当、为一组定值时，反铲工作装置就相应处于一个确定的几何位置。现将反铲工作装置简化为一平面机构放入直角坐标系进行运动分析，如图2-1所示，其中轴落在地平面上且与反铲机构共面，轴与挖掘机回转中心线重合。a图2-1 液压挖掘机工作装置参数示意图Figure2-1 Main Parameters of the Hydraulic Excavators Backhoe Equipment2.1.1动臂运动分析（1）动臂的摆角动臂摆角是的函数。如图2-2所示，点、点分别为动臂油缸、动臂与底盘的铰点，点为动臂油缸与动臂的铰点，点为动臂与斗杆的铰点，角度为连线与轴夹角。根据余弦定理 动臂摆角为 （2-1） 在水平线之下为角为负，之上为正。图2-2 动臂运动计算简图Figure2-2 Sketch for the Calculation of the Booms Movement（2）动臂上各点瞬时坐标动臂上任意一点在任一时刻的位置坐标也都是的函数，以B、F点为例，如图2-2所示，其坐标为 （2-2）（3）动臂缸的作用力臂 （2-3）从图2-2中可看出动臂油缸的最大作用力臂值，此时。2.1.2斗杆运动分析斗杆的位置参数是动臂缸的长度和斗杆缸的长度的函数，本文暂时只讨论斗杆相对动臂的运动。图2-3是斗杆运动计算简图，其中D点为斗杆油缸与动臂铰点，E点为斗杆油缸与斗杆铰点，F点为动臂与斗杆铰点。（1）斗杆相对于动臂的摆角由图2-3可知斗杆相对于动臂的摆角为 （2-4）图2-3 斗杆运动计算简图Figure2-3 Sketch for the Calculation of the Sticks Movement（2）斗杆油缸的作用力臂 （2-5）从图2-3中可看出动臂油缸的最大作用力臂值，此时。2.1.3铲斗运动分析铲斗的运动是动臂缸的长度、斗杆缸的长度和铲斗缸的长度的函数，情况较复杂，这里暂讨论铲斗相对于斗杆的运动。如图2-4所示，G点为铲斗油缸与斗杆铰点，H点为曲柄与斗杆铰点，M点为铲斗油缸与曲柄及连杆的铰点，N点为连杆与铲斗铰点，Q点为铲斗与斗杆铰点，V点为铲斗的斗齿尖点。图2-4 铲斗运动计算简图Figure2-4 Sketch for the Calculation of the Bucktes Movement（1）铲斗连杆机构传动比i由图2-4可得铲斗油缸相对于H点的作用力臂 （2-6）新型液压挖掘机工作机构中E、H、Q三点在一条直线上，故 铲斗连杆机构传动比 （2-7）（2）铲斗相对于斗杆的摆角 （2-8） 2.1.4斗齿尖运动分析(Kinematic Analysis of the Bucket Tooth)斗齿尖V的坐标值、是、和的函数，推导出和的函数表达式，整机作业范围就可以确定。如图2-5所示，在中 在中CV连线与水平线夹角CV连线在水平线之上，为正，反之为负。最后得到 （2-9）图2-5 斗齿尖运动计算简图Figure2-5 Sketch for the Calculation of the Bucket Tooths Movement2.1.5特殊工作尺寸在作新型液压挖掘机反铲工作装置优化设计时，首先要考虑的就是特殊工作尺寸约束，如最大卸载高度、最大挖掘半径、最大挖掘深度等。（1）最大卸载高度如图2-6所示，当动臂油缸全伸、斗杆油缸全缩、Q V连线处于垂直状态时，得最大卸载高度为 （2-10）（2）最大挖掘深度如图2-7所示，当动臂油缸处于全部收缩、前端处于最低工作位置，同时斗杆和铲斗处于垂直位置（垂直向下）时，可以得到液压挖掘机最大挖掘深度 （2-11）（3）最大挖掘半径如图2-8所示，当斗杆油缸全缩，F、Q 、V三点共线，且斗齿尖V与铰点C处在同一水平线上时，可得液压挖掘机最大挖掘半径 （2-12）（4）停机面最大挖掘半径当斗杆油缸、铲斗油缸处于最大挖掘半径状态而铲斗斗齿尖V靠在停机面上时得到停机面最大挖掘半径，此时 （2-13）图2-6 最大卸载高度计算简图 2-7 最大挖掘深度计算简图Figure2-6 The Maximal Unloading Height Figure2-7 The Maximal Digging Depth 图2-8 最大挖掘半径计算简图Figure2-8 The Maximal Digging Radius2.2 新型液压挖掘机反铲工作装置受力分析2.2.1挖掘阻力反铲装置工作时，典型的挖掘工况有铲斗挖掘、斗杆挖掘、联合挖掘三种。铲斗挖掘工况采用铲斗油缸单独进行挖掘，常用于清除障碍，挖掘较松软的土壤以提高生产率；斗杆挖掘工况采用斗杆油缸单独进行挖掘，中小型液压挖掘机常以该工况在较坚硬的土质条件下进行工作；联合挖掘工况由铲斗、斗杆油缸的复合动作进行挖掘，必要时还需配以动臂油缸的动作，主要用于需要轨迹控制的情况。立井施工新型液压挖掘机工作时以铲斗挖掘为主，斗杆挖掘为辅，下面讨论这两种情况下的挖掘阻力。（1）铲斗挖掘工况下挖掘阻力实验证明，铲斗挖掘时土壤切削阻力与切削深度基本上成正比，且前半过程切削阻力较后半过程高，这是因为前半过程的切削角不利。切削阻力的切向分力可表示为 （2-14）式中 C表示土壤硬度的系数，对级土取C=5080，级土取C=90150，级土取C=160320； R铲斗与斗杆铰点至斗齿尖距离，即铲斗切削半径，单位为cm； 挖掘过程中铲斗总转角的一半，单位；铲斗瞬时转角，单位； B切削刃宽度影响系数，其中b为铲斗平均宽度，单位为m；A切削角变化影响系数，取；Z带有斗齿的系数， （无斗齿时，）；D切削刃挤压土壤的力，与斗容量q有关，q=0.20.25m3时，D=80001000N。图2-9 铲斗挖掘阻力分析图Figure2-9 Sketch for the Analysis of the Digging Resistance铲斗挖掘装土阻力的切向分力为 （2-15）式中 密实状态下土壤容重，单位为N/m3；挖掘起点和终点连线与水平线的夹角，如图2-9所示，单位；土壤与钢的摩擦系数。计算表明：与相比很小，可忽略不计。当，时出现铲斗挖掘最大切向分力，其值为 （2-16）试验表明法向挖掘阻力的指向是可变的，数值也比较小，一般=00.2。土质愈均匀，愈小。从随机统计的角度看，可以把看作为铲斗挖掘的最大阻力。铲斗挖掘的平均阻力可按平均挖掘深度下的阻力计算。也即把半月形切削断面看作相等面积的条形断面，条形断面长度等于斗齿转过的圆弧长度与其相应之弦的平均值，这一计算方法是近似的，国外有试验认为平均挖掘阻力为最大挖掘阻力的70%80%。（2）斗杆挖掘工况下挖掘阻力斗杆挖掘时切削行程较长，切土厚度在挖掘过程中可视为常数。一般取斗杆在挖掘过程中的总转角为=5080，在这转角行程中铲斗被装满。斗杆挖掘阻力为 （2-17）式中 r6斗杆挖掘时的切削半径，r6=lFV ，见式2-9；土壤松散系统，一般取1.3；挖掘比阻力，对级土取=613，级土取=11.519.5，级土取=2030；当取主要挖掘土壤的值时可求得正常挖掘阻力，取要求挖掘的最硬土质值时则得最大挖掘阻力。一般斗杆挖掘阻力比铲斗挖掘阻力小，主要原因是前者切削厚度较小。显然，研究挖掘阻力的目的是确定立井施工新型液压挖掘机需要的斗齿挖掘机及其变化规律，以便在工作装置设计中予以保证。挖掘力太小挖掘能力自然降低，但挖掘力太大或其变化规律与阻力的变化不适应，则功率利用率要降低。2.2.2挖掘力的分析挖掘力是衡量反铲装置挖掘性能的重要指标之一，可以分为工作油缸的理论挖掘力、整机理论挖掘力和整机实际挖掘力。（1）工作油缸的理论挖掘力工作装置的动臂油缸主要用来提升铲斗至一定高度卸载，我们所说的工作油缸理论挖掘力是对铲斗油缸和斗杆油缸而言的。当不考虑工作装置自重、铲斗负荷、液压系统和连杆机构的效率、液压系统工作背压等影响因素时，单独使用铲斗油缸或斗杆油缸挖掘，由工作装置结构参数及油缸理论推力所能产生的沿铲斗切削刃圆弧的切线方向上的作用力称为该油缸的理论挖掘力。如图2-10所示，铲斗油缸的理论挖掘力为 （2-18）式中 P3铲斗液压缸的理论推力，为铲斗液压缸大腔作用面积，为液压系统工作压力； i铲斗连杆机构传动比，见式2-7，当时，得。如图2-11所示，斗杆油缸的理论挖掘力为 （2-19）式中 P2铲斗液压缸的理论推力，为铲斗液压缸大腔作用面积，为液压系统工作压力； 斗杆油缸的作用力臂，见式2-5； r6斗杆挖掘时的切削半径，r6=lFV ，见式2-9。图2-10 铲斗油缸的理论挖掘力分析图 图2-11 斗杆油缸的理论挖掘力分析图Figure2-10 Analysis Sketch of Bucket Cylinders Figure2-11 Analysis Sketch of Stick CylindersTheoretical Digging Force Theoretical Digging Force（2）整机理论挖掘力液压挖掘机处于某一工况下，工作油缸的主动挖掘力能否实现主要取决于下列条件： 工作油缸的闭锁能力； 整机的工作稳定性； 整机与地面的附着性能； 土壤的阻力； 工作装置的结构强度。 当全面考虑这些条件后求得的工作油缸能实现的挖掘力值就是整机在该工况下的挖掘力。 立井施工新型液压挖掘机求整机理论挖掘力按下列假定进行： 考虑整机自重，有相对运动的构件重量分别计算； 在挖掘过程中斗中土重视为主动液压缸长度的分级线性函数，其重心与铲斗重心一致； 不考虑液压系统和连杆机构的效率； 不考虑油缸小腔背压； 不考虑土壤阻力和工作装置结构强度限制；不考虑停机面坡度、风力、惯性力、动载等因素的影响。以图2-12所示立井施工新型液压挖掘机铲斗挖掘工况为例，先讨论该工况下整机理论挖掘力的计算。图2-12 铲斗挖掘工况整机理论挖掘力计算图Figure2-12 Analysis Sketch of Bucket Cylinders Practical Digging Force如图2-12(a)所示，铲斗液压缸主动作用产生的挖掘力为，其方向垂直于QV连线，大小参考式（2-14），同时铲斗加土及连杆机构自重将增加挖掘力，所以实际挖掘力大小为 （2-20）式中是铲斗加土和连杆机构自重对Q点的作用力矩。P03D能克服的最大挖掘阻力W03D大小与P03D相等，方向相反。在W03D的作用下，斗杆油缸受压，动臂油缸受拉。这一阻力还产生使整机绕I点逆时针方向倾翻的力矩，并使整机有沿着地面向前滑移的趋势。动臂油缸在被动状态下的抗拉能力取决于其小腔闭锁力。当动臂油缸闭锁时，如图2-12(b)所示，能克服的最大挖掘阻力W01D为 （2-21）式中 W01D对C点的作用力臂； 动臂油缸的作用力臂； 动臂油缸小腔闭锁力，为动臂油缸小腔作用面积，为动臂油缸限压阀调定压力； G1G6动臂、斗杆、带土铲斗、斗杆油缸、铲斗油缸、连杆和摇杆的质量； rC1rC2G1G6的重心至C点的水平距离，即作用力臂。如果，则动臂油缸可锁住，否则动臂油缸将被拉长。同理，斗杆油缸的抗压能力取决于其大腔闭锁力，如图2-12(c)所示，列出对F点的力矩平衡方程式可求得斗杆油缸的闭锁条件所限制的挖掘阻力值W02D为 （2-22）式中 W02D对F点的作用力臂； 斗杆油缸的作用力臂；斗杆油缸大腔闭锁力，为斗杆油缸大腔作用面积，为斗杆油缸限压阀调定压力；rFiGi的重心对F点的作用力臂。如图2-12(d)所示，列出对倾翻支点I的力矩平衡方程式，可求得整机稳定条件所允许的挖掘阻力最大值W06D为 （2-23）式中 W06D对I点的作用力臂； GG、GS工作装置、机体总重；rIG、rISGG、GS对I点的作用力臂。附着条件所限制的挖掘阻力值W04D可由整机受力的X轴投影平衡方程求出 （2-24）式中 行走装置与地面的附着系数； G整机重量；挖掘阻力的水平倾角。综上所述，立井施工新型液压挖掘机铲斗挖掘工况下整机理论挖掘力相应于W01D、W02D、W03D、W04D和W06D中的最小值。以图2-13所示立井施工新型液压挖掘机斗杆挖掘工况为例，讨论该工况下整机理论挖掘力的计算。图2-13 斗杆挖掘工况整机理论挖掘力计算图Figure2-13 Analysis Sketch of Stick Cylinders Practical Digging Force如图2-13(a)所示，斗杆液压缸主动作用产生的挖掘力为，其方向垂直于FV连线，大小参考式（2-15），同时斗杆、铲斗油缸、铲斗加土及连杆机构自重将增加挖掘力，所以实际挖掘力大小为 （2-25）式中是斗杆、铲斗油缸、铲斗加土和连杆机构自重对F点的作用力矩。P03G能克服的最大挖掘阻力W03G大小与P03G相等，方向相反。在W03D的作用下，铲斗油缸受压，动臂油缸受拉。这一阻力还产生使整机绕I点逆时针方向倾翻的力矩，并使整机有沿着地面向前滑移的趋势。与铲斗挖掘工况下整机理论挖掘力类似，斗杆油缸主动挖掘力的实现还受动臂液压缸闭锁能力、铲斗液压缸闭锁能力、整机向后倾翻及整机对地面的前后滑移对的限制。当动臂油缸闭锁时，如图2-13(b)所示，能克服的最大挖掘阻力W01G为 （2-26）式中各参数含义参考式2-21。铲斗油缸的抗压能力取决于其大腔闭锁力，如图2-13(c)所示，列出对Q点的力矩平衡方程式可求得铲斗油缸的闭锁条件所限制的挖掘阻力值W02G为 （2-27）式中 W02G对Q点的作用力臂； 铲斗连杆机构传动比；铲斗油缸大腔闭锁力，为铲斗油缸大腔作用面积，为铲斗油缸限压阀调定压力；rQiGi的重心对Q点的作用力臂。如图2-13(d)所示，可求得斗杆挖掘工况整机稳定条件所允许的挖掘阻力最大值W06G和附着条件所限制的挖掘阻力值W04G计算公式与铲斗挖掘工况相同，为 （2-28） （2-29）式中各参数含义参考式2-23、式2-24。立井施工新型液压挖掘机铲斗挖掘工况下整机理论挖掘力相应于W01G、W02G、W03G、W04G和W06G中的最小值。（3）整机实际挖掘力如果考虑到整机理论挖掘力计算时简化假定中忽略的某些因素，则可求得整机的实际挖掘力，其数值解法相当繁琐。立井施工新型液压挖掘机工作环境稳定，为简化优化设计数学模型，只考虑整机理论挖掘力。2.3 新型液压挖掘机反铲工作装置优化设计工作装置的传统设计过程中，其工作参数的确定，通常是根据设计任务书的总要求、国内外同类机器的对比分析，查表，利用一些经验公式初步确定。然后，再按照具体的受力状况，进行必要的验算。这种类比、统计分析及经验的挖掘机工作装置的设计方法，科学性和可靠性差，很难得到到合理的设计参数。式中 L1、V1、G1、N1已知挖掘机构件的长度、铲斗容量、质量、功率； L2、V2、G2、N2要设计挖掘机构件的长度、铲斗容量、质量、功率。反铲工作装置的性能参数主要包括确定各铰点位置的几何尺寸和各液压缸的几何尺寸、运动参数等。性能参数对挖掘机的作业范围、理论和实际挖掘力的大小与分布，以及作业循环时间有着极大的影响。在设计中，若有一个参数选用不当， 将导致整机性能的下降。所以，本文根据立井施工新型液压挖掘机反铲工作装置的工作特点和性能要求，拟定采用全变量对其进行优化。将确定工作装置各铰点的几何参数作为优化设计变量，用反铲工作装置的挖掘能力作为优化目标函数，对反铲工作装置实施优化设计。2.3.1设计变量的确定如图2-1所示，如下立井施工新型液压挖掘机几何参数被用作优化设计的设计变量动臂有关参数：、；斗杆有关参数：、；斗杆有关参数：、。写成数组形式为2.3.2目标函数目前对反铲装置设计合理性的评价指标可归纳成以下三项：挖掘性能和挖掘力；各油缸作用力矩的匹配及油缸力臂的变化；挖掘时的整机稳定性与附着性能。第三项指标由整机自重、各部分重心布置及作业支承方式等因素决定，与工作装置设计关系不大。第二项指标，要求动臂、斗杆机构所提供的闭锁力矩在主要作业区内，分别大于铲斗挖掘阻力对各机构所产生的负载力矩；而在该区域边缘，铲斗挖掘阻力对动臂机构和斗杆机构产生的最大负载力矩在计入自重影响之后尽可能接近闭锁力矩，使液压功率在挖掘作业中得到充分利用。随着挖掘机液压控制系统的进步，这一点已迎刃而解，不需再从工作装置的优化角度考虑。第一项指标应从斗齿挖掘力、生产率和工作尺寸三方面来衡量。如果不考虑操纵和回转机构的因素，就工作装置而言，问题可归结为挖掘力、挖掘速度和作业尺寸三方面。其中，挖掘力和挖掘速度是一对统一于挖掘功率的矛盾，挖掘力是矛盾的主要方面，而挖掘力应从它的变化规律是否与挖掘阻力的变化规律相适应来衡量。对作业尺寸，可作为优化约束条件来满足设计要求。因此，立井施工新型液压挖掘机反铲装置设计，应在保证作业尺寸的前提下，使铲斗油缸和斗杆油缸的理论挖掘力曲线逼近其挖掘阻力曲线要求，即式中 、铲斗油缸和斗杆油缸的理论挖掘力，见式2-18、式2-19； W1、W1g铲斗和斗杆挖掘工况下挖掘阻力，见式2-14、式2-17； 、取样计算点个数。采用加权统一的方法将上述2个目标函数统一到一个目标函数中，即 （2-30）式中 加权因子。2.3.3约束条件的确定（1）特殊工作尺寸约束特殊工作尺寸约束有最大挖掘深度、最大卸载高度、最大挖掘半径和停机面最大挖掘半径。根据式2-10式2-13可写出四个等式约束 （2）稳定性、闭锁及地面附着条件约束根据前面分析，在铲斗挖掘工况下，油缸主动挖掘力的实现必须同时满足动臂液压缸闭锁条件、斗杆液压缸闭锁条件、整机与地面附着条件及整机稳定条件；在斗杆挖掘工况下，油缸主动挖掘力的实现必须同时满足动臂液压缸闭锁条件、铲斗液压缸闭锁条件、整机与地面附着条件及整机稳定条件。整理成约束条件为（3）运动件转角约束为了实现预定的挖掘作业工作范围，必须保证动臂、斗杆、铲斗等运动件具有足够的转角范围。通常应保证动臂转角=90105，但为结构的宜于实现，动臂的仰角一般不大于45，俯角一般不小于-52；斗杆转角=100130；铲斗转角=105180。整理成约束条件为