开题报告轮式越野挖掘机工作装置设计.doc

本科生毕业设计（论文）开题报告学生姓名：刘军伟学 号：14081003班 级：140810专 业：机械工程及自动化指导教师：陈伟目 录第一章 课题介绍11.1课题名称11.2课题背景11.2.1挖掘机的发展史11.2.2课题的国内外现状31.2.3轮式越野挖掘机的工作特点41.3工作内容和要求51.3.1设计要求51.3.2工作内容51.4课题的重点和难点61.5可能用到的主要知识和技能61.6需要自学的知识和技能6第二章 工作计划6参 考 文 献7第一章 课题介绍1.1课题名称轮式越野挖掘机工作装置设计1.2课题背景挖掘机分为两种：履带式挖掘机和轮式挖掘机，他们都有各自的特点。履带式挖掘机因接地面积大，所以在泥泞，湿地等容易陷进去的地方比较好，因为挖掘机本身自重较大，所以这就使挖掘机可以去的地方比较广泛，另外因履带是金属制品，在矿山或者工况恶劣的地方也能胜任,越野能力强。但是，相对来讲投资比轮式要大，贵点，另外就是移动性不好，最高设计时速才5-7KM/H，长距离移动依赖板车。而轮式挖掘机投资小，行动速度快，一般时速可达40-50KM/H，但是其使用范围狭窄，多以路政或者市内工程为主，不能进入矿山或者泥泞地带，爬坡能力差。近年来，由于天灾人祸（战争、地震，雪灾）等因素导致许多地方都要重建，但是工作环境恶略，传统的轮式挖掘机难以工作，而履带式挖掘机移动性能不好，移动需要板车。为了适应现代发展的需要，我们需要一种新型的轮式挖掘机轮式越野挖掘机。相对于传统的轮式挖掘机，它多了两个转动自由度，能够在矿山或者泥泞地带等恶略环境中工作，而对于履带式挖掘机，又有灵活，速度快等优点，是当今挖掘机发展的新方向。工作装置的结构性能分析，特别是其动静态强度和刚度性能的分析关系到结构设计优劣的重要因素，随着液压挖掘机向高速、重载和轻量化方向发展，结构的动静态性能分析与优化对提高液压挖掘机的工作性能、降低其成本、提高其工作的可靠性和安全性以及缩短产品的开发周期起着越来越重要的作用。1.2.1挖掘机的发展史当前社会建设中，挖掘机已经成为工程机械施工中的主力，挖掘机销售量是最高的，挖掘机日渐融入我们的生活。最早的挖掘机是以人力或畜力为动力，用于挖深河底的浚泥船，铲斗容量一般不超过0.2O.3立方米。第一台手动挖掘机问世至今已有130多 年的历史，期间经历了由蒸汽驱动斗回转挖掘机到电力驱动和内燃机驱动回转挖掘机、应用机电液一体化技术的全自动液压挖掘机的逐步发展过程。18331836年，美国人奥蒂斯设计和制造了第一台蒸汽机驱动、铁木混合结构、半回转、轨行式的单斗挖掘机，生产率为35立方米/时，但 由于经济性差没有应用。19世纪70年代经过改进的蒸汽铲正式生产并应用于露天矿剥离。1880年又出现了第一批以拖拉机为底盘的半回转式 蒸汽铲。20世纪初至40年代末，挖掘机进入动力和行走装置多样化的阶段。1910年，出现了第一台电机驱动的单斗挖掘机；1912年出现了汽油机和煤 油机驱动的全回转式单斗挖掘机；1916年出产了柴油发电机驱动的单斗挖掘机；1924年柴油机直接驱动开始用于单斗挖掘机上；履带式行走 装置于1910年开始采用。轮胎式行走装置随着汽车工业的发展，广泛用于小型挖掘机。30年代，出现了步行行走装置。由于液压技术的应用，20世纪40年代有了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式挖掘机。1951 年，第一台全液压反铲挖掘机由位于法国的 Poclain（ 波克兰 ） 工厂推出，从而在挖掘机的技术发展领域开创了全新空间。20世纪50年代初期和中期相继研制出拖式全回转液压挖掘机 和履带式全液压挖掘机。初期试制的液压挖掘机是采用飞机和机床的液压技术，缺少适用于挖掘机各种工况的液压元件，制造质量不够稳定 ,配套件也不齐全。从20世纪60年代起，液压挖掘机进入推广和蓬勃发展阶段，各国挖掘机制造厂和品种增加很快，产量猛增。1968-1970年 间，液压挖掘机产量已占挖掘机总产量的83%,目前已接近100%.中国挖掘机我国开始研制、发展液压挖掘机产品是在上个世纪六十年代末，这与日本发展液压挖掘机产品的时间大致相同。自1967年至1977年，这10年 我国有少数几家工厂开始研究，开发液压挖掘机，通过数年坚持不懈的努力，克服一个又一个的困难，终于有少量几种规格的液压挖掘机产 品获得初步成功，当时有上海建筑机械厂的WY100;贵阳矿山机器厂的W4-60;合肥矿山机器厂的WY60;长江挖掘机厂的WY160和杭州重型机械 厂的WY250等（在此之前，个别工厂也曾试图开发液压挖掘机，但因多种原因未能成功）；这为我国液压挖掘机行业的形成迈出了重要的一步2006年中国挖掘机市场销量历史性地突破45,000台，同比2005年增长58.6%,以大多数挖掘机制造商产销量高速增长完美收官，实现了历史性 突破。1993年我国液压挖掘机总销量为2,349台，15年后的2008年我国液压挖掘机的总销量高达83,000台，15年增长35倍。2009年中国挖掘机 市场与2008年相比可望增长10%以上，全年新机销售量将超过90,000台，销售额超过500亿元人民币。 2010年，我国挖掘机行业延续了上年发展态势，在政府加大基建投资、推进城镇化建设等多种政策叠加效应的作用拉动下，实际累计销售总量超过16.5万台。2011年上半年，国产挖掘机在全行业制造企业中产销量占有率有相当大幅度上升。目前中国挖掘机行业正处于高速增长期，调控是过度增长后的临时措施，调控过后将带来下一次更高增长。“十二五”期间中国挖掘机将超过装载机成为中国工程机械行业中销售量最大的机种。同“十二五”期间中国国产挖掘机将全面超过外资品牌挖掘机，成为中国挖掘机市场的主角！中国挖掘机行业前途仍无限光明！1.2.2课题的国内外现状 轮式越野挖掘机的总体结构主要由工作装置、上部转台和行走机构等三部分组成，其中工作装置是直接参与工作的部分，承受的载荷巨大且变化频繁，其结构的可靠性和安全性备受关注。目前，国内外研究人员对挖掘机工作装置的性能分析主要研究工作集中在运动学、铲斗轨迹规划与控制、动力学、工作装置的结构分析、灵敏度、振动分析、结构优化与相关的试验研究方面。工作装置运动方程与挖掘区域对液压挖掘机的运动学方面进行研究，可以确定挖掘区域，通过研究其运动方程，从而可以对挖掘过程进行规划和控制等。相关研究工作如浙江大学机械设计研究所的刘静运用机器人技术理论，推导了挖掘机的运动学和动力学方程，并用ADAMS开发了挖掘机虚拟样机的运动学和动力学模型，长安大学的刘本学利用D-H法建立了工作装置的运动学方程，并在C+环境下得到了铲斗齿尖。铲斗轨迹规划与控制对铲斗的轨迹进行规划和控制能提高挖掘效率，并且有利于实现自动挖掘减轻操作者的劳动强度。季炳伟对挖掘机的铲斗轨迹进行控制和优化研究，建立了数学优化模型，采用遗传算法寻优，通过对多种规划策略进行实验对比，结果表明该规划方法极大降低了液压系统的振动冲击，提高了挖掘机操纵平稳性；日本学者通过对经验丰富的挖掘机操作人员操作挖掘机整个过程进行分析，而后进行利用控制技术来模拟这种经验操作人员驾驶技术来实现高效挖掘的研究；利用全球定位系统对一个具有六自由度的液压挖掘机进行了运动控制通过现场实验获得数据后用和软件的仿真说明了其方法的可行性。动力学对液压挖掘机工作装置的动力学进行研究可以确定其动态特性，也是进行动态设计的基础。于国飞等人运用机械手的原理，将液压挖掘机工作装置机器人化，运用拉格朗日功能平衡法推导了工作装置的动力学方程，为研究自动控制和动力学仿真奠定了基础。试验研究液压挖掘机的研制需要进行各方面性能和可靠性试验包括强度、操纵、耐久性等，在经过严格的科学试验和用户评价之后才能定型生产。试验研究是判断结构设计优劣最原始也是最可靠的方法。波兰的J.Maciejewski等人通过试验研究了在挖掘过程中，挖掘机铲斗不同形状对挖掘效率的影响；通过实验并利用色彩、饱和值和颜色值空间对液压挖掘机在挖掘过程非工作时间进行了研究，从而通过控制设备的非工作时间提高了设备的使用效率。1.2.3轮式越野挖掘机工作装置的特点挖掘机由铲斗、铲斗柱、回转臂、支脚或支持轮和液压系统等组成。铲斗与铲斗柱铰接，铲斗柱铰接在回转臂的末端。液压系统通过各个专用油缸控制回转臂的升降和在水平面内的回转，铲斗柱在垂直面内的转动，支脚的升降，以及变换铲斗的挖掘、提升和卸土状态等，使铲斗能在地面以上和以下34米处挖掘土方，并将土卸到指定的部位。轮式越野挖掘机在实际工作过程中，工作装置的运动和受力情况均较复杂，主要表现在：1工作对象的多样性，挖掘机是通过颤抖与土壤建的相互作用事先挖掘的，在各种施工场地工作时，土质条件较复杂，受力情况难以确定；2工作过程是通过驱动三组液压缸的复合运动来实现，每个动作要两个以上的部件参与实现；3在挖掘过程中，工作装置承受着拉力、扭转和惯性冲击等多重载荷的复合作用。1.3.设计要求和工作内容1.3.1设计要求最大挖掘半径5400mm，最大卸载高度3760mm，最大挖掘深度4000mm，最大卸载高度时的作业半径3000mm，铲斗最大转角185度，系统额定工作压力30Mpa。1.3.2工作内容1. 完成机械结构设计图纸A0x3；2. 手绘总装设计草图A0x1；3. 完成液压控制系统原理图；4. 开题报告1份；5. 外文翻译资料5000汉字；6. 编写设计说明书1份（2万字以上）。1.4课题的重点和难点课题的重点：动壁采用整体式弯动臂，这种结构形式在中型挖掘机中应用较为广泛。其结构简单、廉价，刚度相同时结构重量较组合式动臂轻，且有利于得到较大的挖掘深度。都敢也有整体式和组合式两种，大多数挖掘机采用整体式斗杆。在本设计中由于不需要调节斗杆的长度，故也采用整体式斗杆。课题的难点：在实际挖掘作业中，由于土质情况、挖掘面条件以及挖掘机液压系统的不痛，反铲斗装置三种液压缸在挖掘循环中的动作配合可以使多样的、随机的上述过程动力学方程的建立。模拟器电液控制部分的设计。全液压制动控制系统由单片机控制，制动器以液压缸为执行元件、以伺服阀为控制元件，采用单片机来控制A/D、D/A信号转换。1.5可能用到的主要知识和技能机器人学 液压与气动 电液伺服控制 控制工程基础 工程图学 机械设计 机械制造基础 CAD Catia 1.6需要自学的知识和技能Matlab软件的应用 AYS软件的应用 第二章 工作计划第七学期第八学期第3周： 外文翻译、完成资料收集整理、开题报告第八学期第4周第八学期第8周： 方案设计及总体装配图第八学期第9周第八学期第11周： 确定各部分参数并绘制草图第八学期第12周第八学期第13周： 绘制零件图和控制原理图第八学期第14周第八学期第15周： 撰写设计说明书第八学期第16周： 准备答辩 答辩参 考 文 献1. 成大先主编. 机械设计手册 第2版. 机械工业出版社2. 寇尊权主编. 机械设计课程设计 吉林科学技术出版社3. 冯辛安等主编. 机械制造装备设计 机械工业出版社4液压传动设计手册（上、下） 上海科技出版社5西南交通大学编. 工程机械（上、下） 中国铁道出版社6杨占敏，王智明，张春秋等主编 轮式装载机 化学工业出版社