液压挖掘机
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1
重庆大学硕士学位论文
统计，各种土方作业中约有 65%~70%的土方量是由挖掘机来完成的。
1.2.1.国外现状
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 3.5-40m³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 50-150m³剥离用挖掘机， 斗容量 132m ³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。 可换工作装置具有挖、锤、钳、夹、吊、铲、平、推、夯、抓、装、填、钻、碎、 剪等多种功能。 美国 Marion、 Caterpillar， 日本日立建机、 小松、 神钢， 德国 Liebherr、 Demag 等公司的产量占据了世界挖掘机市场的半数以上。 从 20 世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专 用化和自动化的方向发展。主要发展方向是采用遥控及微机控制的自动化技术， 整个机组具有以下主要特点：功率增大；独立作业性强；配件标准化；能降低噪 声、振动。 一是开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。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。另外，数量最的中、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。与此同时，发展专门用途的特种挖掘机，如低比 压、低嗓声、水下专用和水陆两用挖掘机等。 二是重视采用新技术、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， 利用程控模式选择系统， 减少燃油、 发动机功率和液压功率的消耗，并处长了零部件的使用寿命；德国奥加凯(O&K) 公司生产的挖掘机的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的 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)的操纵装置， 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
1.2 国内外研究现状综述
单斗挖掘机是一种重要的工程机械， 它利用单个铲斗挖掘和铲装土壤和石块， 广泛应用在国民经济各部门和军事工程上，对减轻繁重的体力劳动，加快施工进 度，提高劳动生产率起了很大作用。 单斗挖掘机有机械传动和液压传动两种,机械传动挖掘机有 100 多年的历史， 是利用机械传动件(齿轮、卷筒、钢索滑轮组等)带动各种动作，具有坚牢耐用等 优点，广泛用于矿山开挖等作业。液压传动挖掘机只有 50 多年的历史，是利用液 压元件(泵、马达、缸等)带动各种动作，具有结构简单，重量轻等优点，尤其是 中小型液压挖掘机几乎取代了中小型机械传动挖掘机。 挖掘机在技术发展的阶段上经历了三次飞跃。第一次是柴油机的出现，使挖 掘机有了较理想的动力装置；第二次是液压技术的广泛应用，使挖掘机有了较理 想的控制系统；第三次是机电液一体化、智能化技术的应用，使挖掘机面貌焕然 一新。挖掘机具有挖掘、装载、卸载和整机移动等功能，可连续高效地工作。据
I
英文摘要
ABSTRACT
Optimal design method is widely used in the field of mechanical design of our country. It is an available tool based on modern optimization method and computer program, resolving complex design problem. It is an important aspect on computer aided design (CAD). Based on manufacture request, rationalization confirm and compute parameter, optimal design can reach furthest result on mechanical design. The research of performance parameters and structure synthetic optimal design of kinematics and dynamics in hydraulic excavator’ s parametric modeling of WYL160 will be carried on in this paper as an example. Most work and conclusion are listed as follows： ① Based on the optimal design method and the colligate design method, a concept of the colligate optimal design method is introduced in this paper. It’ s an effective optimal design method on complex machine like excavator, and a new design idea has been introduced for optimal design. So a new system of manufacture exploder and inaugurate has been founded. ② According to the theory of the hydraulic excavator’ s parametric modeling, using the kinematics equation based on the Denavit-Hartenberg homogeneous transformed matrix, this paper educes its equations of kinematics and dynamics. ③ The paper has accomplished the study in the performance parameter kinematics and dynamics colligate optimization of the hydraulic excavator’ s parametric modeling, optimized and ameliorated mostly performance parameters. ④ The paper has accomplished the study in the structure kinematics and dynamics colligate optimization of the hydraulic excavator’ s parametric modeling. This paper discuss the whole process of the dynamic optimization of the hydraulic excavator’ s parametric modeling, including the establishment of FEM model, simplified model, confirm the loading value, confirm the cells, plot the lattice, and achieves sensitiveness analysis, optimization design of the structure and the post processing of the FEM model and so on. After optimized calculate, lighten weight of parametric modeling，increase security and dependability of excavator design. ⑤ Created a CAD system to colligate optimizing a kinematics and dynamics on hydraulic excavator’ s parametric modeling. Build a developed flat on object oriented and accomplished designing process for analysis of dynamical and optimization for
III
重庆大学硕士学位论文
object oriented. Key word：Hydraulic excavator, parametric modeling, kinematics and dynamics, synthetic optimal design
IV
1 引言
1 引 言
1.1 概述
优化设计方法已在我国工程设计领域得到广泛运用。它是建立在近代数学最 优化方法和计算机程序之上，解决复杂设计问题的一种有效工具，是计算机辅助 设计（CAD）应用中的一个重要方面。它运用到机械设计中，能根据产品的要求， 合理地确定和计算各项参数，以其达到最佳设计目标。在阅读了大量文献资料和 总结前人在液压挖掘机工作装置优化经验的基础上，综述了优化设计方法、综合 设计方法等当前挖掘机优化设计中的主要方法。分析了其中尚存在的不足，最后 提出了课题的研究内容及方向。 本文研究的“液压挖掘机工作装置运动与动力综合优化”的课题，提出了综 合优化设计方法，并以液压挖掘机工作装置为例进行了性能参数运动与动力综合 优化和结构综合优化两项主要工作。针对性能参数综合优化，对工作装置进行了 较为详细的运动与动力分析，经过方案比较分析计算，找出影响因素，提出改进 措施，并形成可行的最优方案，可明显提高了参数性能。针对结构动力优化，主 要对其关键部件——动臂和斗杆机构进行了有限元分析，计算载荷经过比较分析 和灵敏度研究，在保证结构强度的条件下，可明显降低结构件重量，而结构性能 不受影响。最后研制开发了液压挖掘机工作装置运动与动力综合优化 CAD 软件， 建立了面向对象的开发平台，实现了动态分析的优化设计过程。
中文摘要
摘ห้องสมุดไป่ตู้
要
优化设计方法已在我国工程设计领域得到广泛运用。它是建立在近代数学最 优化方法和计算机程序之上，解决复杂设计问题的一种有效工具，是计算机辅助 设计（CAD）应用中的一个重要方面。它运用到机械设计中，能根据产品的要求， 合理地确定和计算各项参数，以其达到最佳设计目标。本文以 WYL160 型液压挖 掘机工作装置为例，进行了性能参数和结构的运动与动力综合优化研究。主要工 作和结论以下： ① 在深入研究优化设计方法和综合设计方法的基础上， 提出了综合优化设计 方法。其方法为复杂机械优化设计提出了一种新的优化设计思想，建立了一种能 用于产品开发、设计的新体系。 ② 根据机器人机械手结构原理，应用 Denavit－Hartenberg 齐次变换矩阵对 液压挖掘机工作装置运动与动力分析， 导出了新的工作装置运动学和动力学方程。 ③ 完成了液压挖掘机工作装置性能参数的运动与动力综合优化。 优化改进了 挖掘机工作装置的主要性能参数。 ④ 完成了液压挖掘机工作装置的结构综合优化。探讨了结构综合优化集成， 即结构优化建模、结构有限元分析、灵敏度分析、前后置处理、综合优化设计和 CAD 系统等。通过综合优化计算，减轻了工作装置的重量，提高了挖掘机设计的 安全可靠性。 ⑤ 运用综合优化设计理论和方法， 研制开发出液压挖掘机工作装置运动与动 力综合优化 CAD 系统。实现了动态分析和面向对象的优化设计过程。 关键词：液压挖掘机，工作装置，综合优化，运动与动力，性能参数综合优化， 结构综合优化
重庆大学硕士学位论文
统计，各种土方作业中约有 65%~70%的土方量是由挖掘机来完成的。
1.2.1.国外现状
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 3.5-40m³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 50-150m³剥离用挖掘机， 斗容量 132m ³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。 可换工作装置具有挖、锤、钳、夹、吊、铲、平、推、夯、抓、装、填、钻、碎、 剪等多种功能。 美国 Marion、 Caterpillar， 日本日立建机、 小松、 神钢， 德国 Liebherr、 Demag 等公司的产量占据了世界挖掘机市场的半数以上。 从 20 世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专 用化和自动化的方向发展。主要发展方向是采用遥控及微机控制的自动化技术， 整个机组具有以下主要特点：功率增大；独立作业性强；配件标准化；能降低噪 声、振动。 一是开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。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。另外，数量最的中、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。与此同时，发展专门用途的特种挖掘机，如低比 压、低嗓声、水下专用和水陆两用挖掘机等。 二是重视采用新技术、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， 利用程控模式选择系统， 减少燃油、 发动机功率和液压功率的消耗，并处长了零部件的使用寿命；德国奥加凯(O&K) 公司生产的挖掘机的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的 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)的操纵装置， 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
1.2 国内外研究现状综述
单斗挖掘机是一种重要的工程机械， 它利用单个铲斗挖掘和铲装土壤和石块， 广泛应用在国民经济各部门和军事工程上，对减轻繁重的体力劳动，加快施工进 度，提高劳动生产率起了很大作用。 单斗挖掘机有机械传动和液压传动两种,机械传动挖掘机有 100 多年的历史， 是利用机械传动件(齿轮、卷筒、钢索滑轮组等)带动各种动作，具有坚牢耐用等 优点，广泛用于矿山开挖等作业。液压传动挖掘机只有 50 多年的历史，是利用液 压元件(泵、马达、缸等)带动各种动作，具有结构简单，重量轻等优点，尤其是 中小型液压挖掘机几乎取代了中小型机械传动挖掘机。 挖掘机在技术发展的阶段上经历了三次飞跃。第一次是柴油机的出现，使挖 掘机有了较理想的动力装置；第二次是液压技术的广泛应用，使挖掘机有了较理 想的控制系统；第三次是机电液一体化、智能化技术的应用，使挖掘机面貌焕然 一新。挖掘机具有挖掘、装载、卸载和整机移动等功能，可连续高效地工作。据
I
英文摘要
ABSTRACT
Optimal design method is widely used in the field of mechanical design of our country. It is an available tool based on modern optimization method and computer program, resolving complex design problem. It is an important aspect on computer aided design (CAD). Based on manufacture request, rationalization confirm and compute parameter, optimal design can reach furthest result on mechanical design. The research of performance parameters and structure synthetic optimal design of kinematics and dynamics in hydraulic excavator’ s parametric modeling of WYL160 will be carried on in this paper as an example. Most work and conclusion are listed as follows： ① Based on the optimal design method and the colligate design method, a concept of the colligate optimal design method is introduced in this paper. It’ s an effective optimal design method on complex machine like excavator, and a new design idea has been introduced for optimal design. So a new system of manufacture exploder and inaugurate has been founded. ② According to the theory of the hydraulic excavator’ s parametric modeling, using the kinematics equation based on the Denavit-Hartenberg homogeneous transformed matrix, this paper educes its equations of kinematics and dynamics. ③ The paper has accomplished the study in the performance parameter kinematics and dynamics colligate optimization of the hydraulic excavator’ s parametric modeling, optimized and ameliorated mostly performance parameters. ④ The paper has accomplished the study in the structure kinematics and dynamics colligate optimization of the hydraulic excavator’ s parametric modeling. This paper discuss the whole process of the dynamic optimization of the hydraulic excavator’ s parametric modeling, including the establishment of FEM model, simplified model, confirm the loading value, confirm the cells, plot the lattice, and achieves sensitiveness analysis, optimization design of the structure and the post processing of the FEM model and so on. After optimized calculate, lighten weight of parametric modeling，increase security and dependability of excavator design. ⑤ Created a CAD system to colligate optimizing a kinematics and dynamics on hydraulic excavator’ s parametric modeling. Build a developed flat on object oriented and accomplished designing process for analysis of dynamical and optimization for
III
重庆大学硕士学位论文
object oriented. Key word：Hydraulic excavator, parametric modeling, kinematics and dynamics, synthetic optimal design
IV
1 引言
1 引 言
1.1 概述
优化设计方法已在我国工程设计领域得到广泛运用。它是建立在近代数学最 优化方法和计算机程序之上，解决复杂设计问题的一种有效工具，是计算机辅助 设计（CAD）应用中的一个重要方面。它运用到机械设计中，能根据产品的要求， 合理地确定和计算各项参数，以其达到最佳设计目标。在阅读了大量文献资料和 总结前人在液压挖掘机工作装置优化经验的基础上，综述了优化设计方法、综合 设计方法等当前挖掘机优化设计中的主要方法。分析了其中尚存在的不足，最后 提出了课题的研究内容及方向。 本文研究的“液压挖掘机工作装置运动与动力综合优化”的课题，提出了综 合优化设计方法，并以液压挖掘机工作装置为例进行了性能参数运动与动力综合 优化和结构综合优化两项主要工作。针对性能参数综合优化，对工作装置进行了 较为详细的运动与动力分析，经过方案比较分析计算，找出影响因素，提出改进 措施，并形成可行的最优方案，可明显提高了参数性能。针对结构动力优化，主 要对其关键部件——动臂和斗杆机构进行了有限元分析，计算载荷经过比较分析 和灵敏度研究，在保证结构强度的条件下，可明显降低结构件重量，而结构性能 不受影响。最后研制开发了液压挖掘机工作装置运动与动力综合优化 CAD 软件， 建立了面向对象的开发平台，实现了动态分析的优化设计过程。
中文摘要
摘ห้องสมุดไป่ตู้
要
优化设计方法已在我国工程设计领域得到广泛运用。它是建立在近代数学最 优化方法和计算机程序之上，解决复杂设计问题的一种有效工具，是计算机辅助 设计（CAD）应用中的一个重要方面。它运用到机械设计中，能根据产品的要求， 合理地确定和计算各项参数，以其达到最佳设计目标。本文以 WYL160 型液压挖 掘机工作装置为例，进行了性能参数和结构的运动与动力综合优化研究。主要工 作和结论以下： ① 在深入研究优化设计方法和综合设计方法的基础上， 提出了综合优化设计 方法。其方法为复杂机械优化设计提出了一种新的优化设计思想，建立了一种能 用于产品开发、设计的新体系。 ② 根据机器人机械手结构原理，应用 Denavit－Hartenberg 齐次变换矩阵对 液压挖掘机工作装置运动与动力分析， 导出了新的工作装置运动学和动力学方程。 ③ 完成了液压挖掘机工作装置性能参数的运动与动力综合优化。 优化改进了 挖掘机工作装置的主要性能参数。 ④ 完成了液压挖掘机工作装置的结构综合优化。探讨了结构综合优化集成， 即结构优化建模、结构有限元分析、灵敏度分析、前后置处理、综合优化设计和 CAD 系统等。通过综合优化计算，减轻了工作装置的重量，提高了挖掘机设计的 安全可靠性。 ⑤ 运用综合优化设计理论和方法， 研制开发出液压挖掘机工作装置运动与动 力综合优化 CAD 系统。实现了动态分析和面向对象的优化设计过程。 关键词：液压挖掘机，工作装置，综合优化，运动与动力，性能参数综合优化， 结构综合优化