1、 基于组合挖掘的反铲液压挖掘机工作装置优化设计重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：庆飞指导教师：陈进教授专 业：机械设计及理论学科门类：工学重庆大学机械工程学院二 O一四年五月Optimal design of backhoe hydraulic excavator working device based on synthesis digging A Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Requirement for theMasters Degree of EingneeringB
2、yQing FeiSupervised by Prof. Chen JinMajor: Mechanical Design and TheoryCollege of Mechanical Engineering of Chongqing University, Chongqing, China May, 2014重庆大学硕士学位论文 中文摘要摘要液压挖掘机作为工程机械的标兵产品，在道路建筑、城市规划以及能源建设等领域发挥决定性的作用，而工作装置作为液压挖掘机的核心机构，其工作性能是整机设计水平的重要标志。基于现状，国内挖掘机多半模仿国外典型机型的标杆产品进行改进设计，但是在实际挖掘过程中常出现
3、挖掘力不足、工作效率低和燃油经济性差等现象，本文提出了基于组合挖掘的液压挖掘机工作装置优化设计新方法。经多次试验测试，挖掘机的习惯工作轨迹表明复合挖掘和斗杆挖掘在实际挖掘过程中发挥着重要的作用，每台挖掘机针对不同的挖掘对象，各具习惯的工作路径。本文提出的组合挖掘方式包括基于作业路径上的多段单缸挖掘轨迹的组合和基于可行区域内离散点的双缸同时主动复合作用两种，建立新的性能分析模型后，综合分析比较国内外先进的挖掘机挖掘性能参数，可以理论上解释国产挖掘机的挖掘性能缺陷，证明了基于组合挖掘的挖掘机性能分析方法可以更加准确的表达出挖掘机的挖掘性能。针对新的性能分析方法数学模型，抽取工作装置的铰点布置参数作
4、为设计变量，加上有效的约束函数，可以设计出追求挖掘力大小、燃油经济性更好的优化产品。建立优化数学模型后，通过遗传算法求解多目标函数，优化结果显示挖掘机的挖掘性能在习惯作业路径上最大挖掘力提高了 10%,双缸复合挖掘时工作油缸的充分发挥比例提高了 13%以及最大复合挖掘力提高了 8%，证明新优化方法在提高挖掘性能上的可行性。最后通过 VB语言编制液压挖掘机的工作装置优化设计通用软件，给国产液压挖掘机提供更高更有效的设计平台。本文具体的研究内容包括以下：熟悉了液压 挖掘机工作特点，建立挖掘机整机运动学、力学模型，求解推算工作装置的铰点坐标及整机挖掘力大小数学表达式，为挖掘性能分析提供理论依据。概述
5、目前普遍的挖掘机挖掘性能分析及相应的优 化设计方法，阐述基于组合挖掘性能分析方法的建模思想及可行性，利用 VB语言编制基于新的性能分析方法及优化方法的通用软件。针对某国产 36吨液压 挖掘机及其标杆产品基于 组合挖掘方式进行挖掘性能分析，对比习惯作业路径上挖掘机大小、充分发挥的比例以及复合挖掘力的大小、充分发挥比例，验证性的性能分析方法的准确性。建立基于组 合挖掘方式的工作装置 优化设计新方法，并 针对有性能缺陷的国产挖掘机进行工作装置优化改进设计，通过遗传算法求解优化数学模型，最后I重庆大学硕士学位论文 中文摘要对比优化前后挖掘机挖掘性能，证明新的优化算法提高挖掘机挖掘性能的可行性。关键词：
6、液压挖掘机，工作装置，优化设计，组合挖掘II重庆大学硕士学位论文 英文摘要ABSTRACT As the mainly machinery in the field of engineering machinery, hydraulic excavatorplay important roles in engineering construction, such as road construction,urban planning and Energy Base Construction. Working device is core system ofhydraulic excavator
7、 and its digging performance is an important symbol of the wholemachine design level. In order to solve the problem that domestic hydraulic excavator inthe real working process reveals insufficient digging force， inefficiency and poor fueleconomy, a new optimal design method for working device of hy
8、draulic excavatorbased on synthesis digging is proposed while domestic hydraulic excavator is alwaysdeveloped based on advanced excavators from overseas.Characteristic digging trajectories back-calculated from multiple test datademonstrate that complex digging and arm-digging play important roles in
9、 actualdigging process, and the customary digging paths of different excavators vary withdifferent digging object. The specific methods of synthesis digging include thecombination of single-cylinder digging trajectories as a customary digging path andcomplex digging of two active cylinders on a poin
10、t in feasible area. The diggingperformance gap between domestic and abroad excavators calculated with new diggingperformance analysis method based on synthesis digging can explain the reason to theperformance deficiency of domestic excavators, which proves excavator diggingperformance is calculated
11、more accurately with the new analysis method. And thenbased on the new digging performance analysis method, the optimization mathematicalmodel is built to ensure the digging force and fuel economy of developed excavators asgreat as possible by extracting some hinge points layout parameters of workin
12、g deviceas design variables and adding some effective constraint function. The optimizationmathematical model is built and the multi-objective optimization is solved by using ofgenetic algorithm. The optimization result shows that a certain model of a excavatorsmaximum digging force on the customary
13、 digging paths is improved by 10%, theproportion of two active cylinders when giving full play in complex digging process isimproved by 13% and the maximum complex digging force is improved by 8% after theoptimization on the working device of the excavator with weak digging force, whichproves that t
14、he new optimal design method based on synthesis digging is feasible toimprove the digging performance of hydraulic excavator. At last, the interactiveIII重庆大学硕士学位论文 英文摘要optimization software based on synthesis digging method is compiled by Visual Basiclanguage and it will provide a better platform fo
15、r the research and development ofexcavators.The main contents of this paper are listed as follows: After mechanical analysis and kinematic analysis on the digging characteristicsof hydraulic excavators working device, the mathematical expressions of hinged pointcoordinates and the size of the whole
16、machine digging force are presented by setting upthe mathematical model of the hinge point and forces model of the working device,which provides theoretical basis for digging performance analysis. Compared to some commonly used excavator digging performance analysismethods and the corresponding opti
17、mal design methods, modeling idea and feasibilityof a new excavator digging performance analysis method based on synthesis digging areproposed in detail, and then performance analysis and optimization software iscompiled by VB language. Apply the new performance analysis method to a 36t domestic hyd
18、raulicexcavator and the benchmarking product, and then compare their digging performanceto verify accuracy of the new performance analysis method, such as the size ofsingle-cylinder digging force on their customary paths, proportion of the diggingcylinder given full play, the size of complex digging
19、 force in feasible area andproportion of the complex digging cylinders given full play. A new optimal design method is proposed based on the new diggingperformance analysis method, and its feasibility is verified through applying the designmethod to the weak excavator to develop advanced excavator w
20、ith better diggingperformance.Keywords: hydraulic excavator, working device, optimal design, synthesis diggingIV重庆大学硕士学位论文 目录目录中文摘要I英文摘要. III1绪论 11.1课题研究背景 . 11.2液压挖掘机的研究现状 . 112.1国外挖掘机的研究现状 . 11.2.2国内挖掘机的研究现状 31.3单斗液压挖掘机的特点及前景 . 51.4课题研究的目的及主要内容 . 51.4.1课题研究的目的 51.4.2课题研究的主要内容 62反铲液压挖掘机工作装置运动学和力学基础
21、 . 82.1反铲液压挖掘机工作装置机构特点 . 82.2反铲液压挖掘机工作装置运动学分析 . 102.3反铲液压挖掘机工作装置位置模型建立 . 132.4反铲液压挖掘机工作装置整机挖掘力分析 . 152.4.1力臂的计算 152.4.2整机挖掘力模型 182.5本章小结 . 223基于组合挖掘的反铲液压挖掘机挖掘性能分析 233.1基于作业路径的反铲液压挖掘机挖掘性能分析 . 233.1.1基于作业路径的挖掘力模型 233.1.2编程分析 263.2基于复合挖掘的反铲液压挖掘机挖掘性能分析 . 263.2.1基于复合挖掘的挖掘力模型 263.2.2编程分析 293.3基于组合挖掘的反铲液压挖
22、掘机性能分析特点 . 303.3.1基于作业路径的反铲液压挖掘机性能分析特点. 303.3.2基于复合挖掘的反铲液压挖掘机性能分析特点. 323.4本章小结 . 334基于组合挖掘的反铲液压挖掘机工作装置优化设计 . 34V重庆大学硕士学位论文 目录4.1优化设计简介 . 344.1.1优化设计方法的基本概念及应用 344.1.2遗传算法简介及优点 374.2优化设计的数学模型建立 . 394.2.1设计变量 394.2.2约束条件 404.2.3目标函数 414.3优化实例 . 424.4结果分析 . 434.5本章小结 . 455结论与展望 475.1研究总结 . 475.2后续工作展望
23、. 48致 谢. 49参考文献. 50附 录. 53A.作者在攻读硕士学位期间发 表的论文 53B.作者在攻读硕士学位期间参加的科研 项目 53VI重庆大学硕士学位论文 1 绪论1 绪论1.1课题研究背景液压挖掘机是以开挖土方、石方为主要用途的一种通用机械设备，由于具有作业速度快、工作效率高、机动性好、操作轻便等优点，对于加快工程建设速度、降低劳动强度、提高工程质量、降低工程成本具有显著作用，在国民基础建设中发挥重要的作用，例如被广泛应用于交通运输、水利工程、矿山采掘和电力工程等机械施工中1。工程机械的发展史表明，挖掘机的发展在 21世纪进入了爆发期，需求量不断的增加促使挖掘机市场竞争越来越激
24、烈，开发具有良好挖掘性能和较高可靠性、耐久性的挖掘机逐渐成为各液压挖掘机厂商的研发着力点。液压挖掘机的基本组成包括工作装置、回转平台、行走装置、液压系统和动力装置等部分组成，各个基本组成联合作用将液压能转换成机械能以实现挖掘机挖掘作业的完成2。由于挖掘对象和环境复杂多变，基本组成机构相互牵连作用，并且作为一台挖掘机的挖掘性能评价标准尤其是挖掘力、主动油缸充分发挥的比例大小以及工作装置强度的大小直接影响挖掘机作业时工作效率和整机性能，进而影响到整个工程的质量和进度，液压挖掘机的设计质量成为商家抢占市场的关键。为了缩短液压挖掘机的设计周期、提高设计质量以及减少设计成本，计算机辅助设计在挖掘机设计领
25、域越来越受到重视，国内外均在计算机辅助设计时的建模方法、挖掘力求解等方面作了深入的研究3。国内各生产商及高校基于不同平台开发了一些性能分析软件，设计的产品整机挖掘性能显著提高。但是实际使用过程中，国内和国外的两款液压挖掘机在性能分析软件分析的挖掘机挖掘性能相似的情况下，国内挖掘机在挖掘过程中经常出现挖掘力不足、燃油经济性差以及挖掘作业效率低等现象。国内普遍采用的优化设计软件设计出的产品存在种种缺陷，说明优化设计的建模方法不能准确的表达挖掘机实际作业过程中的挖掘性能，为了真正的提高产品的质量，急需寻求一种更加准确的建模方法。本文课题来源于与某挖掘机生产厂家的项目合作，通过运用基于一般 CAE技术
26、以及 VB编程软件等现代设计方法，针对厂家开 发的某中型反铲液压挖掘机的工作装置进行挖掘性能分析以及对比国内外同吨位先进机型，以解释说明厂家开发的挖掘机与国外同吨位的先进机型的挖掘性能差距，提供厂家反铲液压挖掘机的挖掘性能改进设计意见，以便提高反铲液压挖掘机的工作效率和经济效益。1.2液压挖掘机的研究现状1.2.1国外挖掘机的研究现状1重庆大学硕士学位论文 1 绪论以美国、德国和日本为代表的工业发达国家的液压挖掘机起步较早，技术革新快，产品型号及性能均领先工程机械领域，市场占有率比较高。从 20世纪后期开始，为了适应市场需求，国际上液压挖掘机集中体现出以下四种特点：产品规格上在保持原有主力机型
27、的优点和稳定性基础上着力研究大型挖掘机和微型挖掘机；功能上在满足原有的基本功能，如破碎、挖掘、卸载等，向功能多样化、用途专用化方向发展；产品技术上在保证挖掘性能需求后向节能环保化、信息化、自动化、智能控制化的方向发展；生产制造上提高结构件的强度和使用寿命的同时专业化程度不断提高，具有优势的生产厂商规定的具体零部件维护周期和寿命指标甚至成为行业的生产技术管理标准4。目前国际上知名的挖掘机生产公司主要有 CATERPILLAR 、HITACHI 、Komatsu、CASE、HYUNDAI等，这些公司的某些先进机型都代表了当今世界的行业领先水平，产品各有所长。韩国的 Choongho Lee，San
28、gsik Lee等人设计出了一种旋转工作装置以应用于环境恶劣的情况 5；日本的 Masakzu Haga ，WatanabeHiroshi等人设计出一种自动控制系统，通过该系统可以自动控制挖掘机工作过程中的挖掘轨迹6； Tadeusz Smolnicki，Damian Derlukiewicz等通过运用有限元分析方法找到了挖掘机各铰点力的加载方法，并对适合此方法的模型进行了描述7；近年来，伴随着液压挖掘机在国家基础建设中发挥着越来越重要的作用，国外液压挖掘机的市场需求量急剧上升，各个生产商为了抢占市场，不断地提高液压挖掘机的挖掘性能，在液压挖掘机的研发工作上投入巨大，主要体现在以下几个方面：加
29、强试验测试。保证满足基本的机械设计理论外，重视试验测试数据分析对挖掘机在实际挖掘过程中的使用经济性和工作可靠性进行验证分析，总结理论设计的缺陷；重视计算机辅助设计技术的应用。基于不同平台开发一系列计算机辅助挖掘机性能分析与优化软件，可以迅速并且准确的分析出样机的挖掘性能，指导改进设计，大大缩短产品的生产周期和缩减产品开发成本；加强液压挖掘机液压系统的研制和改进。控制挖掘力与挖掘阻力合理匹配，保证发动机功率的得到充分有效地利用的同时，节能环保以及系统的稳定性成了追逐的新目标，操作的平滑性直接影响着操作人员的工作环境；创新开发新结构和新材料。伴随着材料等科学技术的发展，各种新型材料和结构形式不断应
30、用在挖掘机生产中，提高挖掘机的整机强度的同时提高挖掘作业的效率，在挖掘机在生产制造方面取得了新的进展和进步。国外液压挖掘机的设计研究工作主要侧重在试验测试研究和计算机辅助技术，实验测试指导设计理论，在挖掘机的实际挖掘过程中充分发挥发动机的功率2重庆大学硕士学位论文 1 绪论和工作装置的整机挖掘力是挖掘机改进设计的重点，同时通过正确虚拟样机技术仿真出结构件在挖掘过程中的应力变化，通过采用新的结构形式和新型先进材料来保证预定的挖掘机挖掘性能的基础上尽量提高工作装置的使用寿命。例如，国外许多学者针对挖掘机的挖掘轨迹进行控制，利用计算机技术分析轨迹上的挖掘特性规划出合理的挖掘路径，轨迹规划指导载荷谱的
31、加载，针对工作装置的结构应力和液压系统的压力值变化进行参数化设计，这些研究工作对挖掘机的发展提供积极地影响8,9 。同时，结合挖掘机的疲劳断裂学、结构强度分析等有限元技术，国外的学者结合生产上开发自己的软件。例如，澳大利亚墨尔本理工大学的Ghabraie，K和Xie Y.M.等人运用 ESO法对地下挖掘机的 结构形状进行了优化10；国立大学的Lee, M.C 等人建立了液压缸的三维模型，对液压缸进行了有限元分析，并与实验结果进行比较分析11；英国帝国理工学院的Potts,D.M，Zdravkovic等人建立了挖掘机三维有限元模型，并进行了分析12；意大利的 SERWACH ANDRZEJ，JA
32、BIKOWSKI等人对挖掘机液压系统进行了参数优 化分析和研究。1.2.2国内挖掘机的研究现状国内挖掘机的研究和生产制造相对与国外起步较晚，1954年抚顺挖掘机厂仿制出前苏联第一台 1m3的单斗机械式挖掘机，自主挖掘机研 发工作正真是从 1976年开始的，至今伴随着液压挖掘机市场的不断壮大，国内的挖掘机发展史大体上经历了测绘模仿、自主研制开发和发展提高等三个阶段 13-15 。目前从国内市场占有率总体分布上来说，国外的挖掘机在我国的挖掘机市场还是占据主导地位，自主品牌的挖掘机销量在不断地增加，某些机型的挖掘性能和工作效率已接近世界领先水平。但是，国内挖掘机研发人员清楚地认识到挖掘机的研发中心和
33、关键零部件生产中心不在中国，在核心技术研究和掌握方面层层推进，结合中国国情和市场不断缩短国内与国外的挖掘机质量差距。近年来，我国自主品牌的挖掘机产品在市场竞争力上一步步增强，市场占有率也在追赶国外先进机型。客观上，伴随着挖掘机在国家基础建设中发挥的作用越来越大，计算机辅助设计技术在工程机械领域不断拓展，市场上挖掘机的核心竞争力集中在高品质、高效率并且低耗能。因此，面对机遇和挑战当前国内挖掘机行业急需研发拥有自主知识产权的核心技术以及提高设计和制造水平发展高性能液压挖掘机 16 。虽然我国的挖掘机行业起步较晚、发展曲折，不过我国不断加大的基础设施投入激励着工程机械领域迅速发展，作为工程机械的排头
34、兵挖掘机的发展得到国内科研机构、高等院校以及厂家企业大力支持，国内对挖掘机不断地深入研究使得挖掘机行业跨越式的发展和提高。目前国内较典型的挖掘机有柳工集团的 CLG220LC 液压挖掘机、山河智能 SWE50E小型挖掘机、太重集团的 27m 3大型矿用挖掘机、三一 SY230F正流量液压挖掘机等。通过引进吸收国外先进技术，国内挖掘机从弱小3重庆大学硕士学位论文 1 绪论行业不断发展壮大，以三一重工和徐工为代表的工程机械生产企业发展异常迅速，国内挖掘机生产厂家达到 20家，机型达到了 30种以上17 。中国已经成为世界上挖掘机市场最大的国家，也是世界挖掘机的制造中心，但是相对于国外先进的研发和生
35、产技术，国内的挖掘机挖掘性能仍然相对落后。总结国内外挖掘机行业的差距，国内挖掘机行业正在努力解决以下几个重点问题：积极培养和引 进人才，加 强产学研的紧密结合，研 发拥有自主产权的核心技术，提高企业的研发能力和产品的竞争能力。大力开发挖掘机的专用设计软件，将各种先进的设计理论和方法应用于液压挖掘机的设计和试验研究中。注重试验研究，着眼于提高产品的可靠性、使用 经济性、操作安全性和维护便利性，以保证产品的质量和性能。积极研发和采用高效 节 能、减少环境污染的新技 术，如发动机功率匹配的充分利用以及发动机与液压系统的最佳匹配问题，提高液压系统的效率问题以及能量回收问题等高效节能问题。着眼于挖掘机的
36、多功能化和专业化，以扩大挖掘机的使用范 围并满足特殊场合使用要求。跟踪外国先进技术，规 划远期目标，实现跨越式 发展。挖掘机机构复杂，涉及学科多，国内众多学者做了大量的研究工作，在挖掘机基础理论研究以及试验测试两个方面都取得了显著的成就。浙江大学的任友良针对液压缸对工作装置动态性能影响和考虑销轴接触影响下，深入研究了液压挖掘机工作装置的结构性能 18 ；同济大学的朱红妹利用计算机辅助设计方法，进行了在挖掘机整个作业区域挖掘性能分析和挖掘力变化特性分析计算，开发了相应的软件19；中南大学的周宏兵、胡雄伟利用仿真软件 ADAMS以及虚拟样机技术，对反铲液压挖掘机工作装置进行相关力学性能分析和优化设
37、计 20,21 ；太原科技大学的史青录、连晋毅等开发的挖掘机分析软件 EXCA （10.0）可对反铲液压挖掘机工作装置、反铲轮胎挖掘机工作装置及挖掘装载机的悬挂式反铲工作装置进行几何结构设计、机构运动仿真及构件受力分析，可进行挖掘作业性能分析、最大挖掘力确定、整机稳定性分析、最不稳定姿态确定、起重作业分析及破碎作业分析22重庆大学陈进教授等在分析挖掘机挖掘性能的基础上，利用自主开发的基于 VB的液压挖掘机反铲工作装置优化设计软件，对反铲液压挖掘机在主挖区内的可行；挖掘角度区域（即可行域）内的挖掘性能进行了整体优化 23 ；另外，三一重工股份有限公司的李献杰、李作浩等在推导和分析液压挖掘机工作装
38、置运动轨迹和受力规律的基础上，开发了工作装置挖掘性能可视化软件，该软件可快速准确地描绘出工作装置挖掘范围，并且该软件绘制的挖掘力云图可直观描述挖掘机在某一区域的挖掘性能24 。4重庆大学硕士学位论文 1 绪论1.3单斗液压挖掘机的特点及前景单斗挖掘机在破碎、挖掘和装载土石作业中操作方便、工作效率高以及大大的减小工程量，所以单斗挖掘机广泛应用在水电建设、建筑工程等国防基础建设中。单斗挖掘机根据传动形式的不同分为机械式和液压式两种，两种挖掘机各具特点：机械传动式挖掘机的发动机通过齿轮和链轮等机械传动件带动铲斗挖掘作业，目前机械式挖掘机主要应用在矿山等局部作业量较大的地方；液压式挖掘机发展迅速，市场
39、占有量大，发动机通过液压元件带动铲斗挖掘作业，应用广泛。本文主要是研究单斗液压反铲液压挖掘机，工作装置通过动臂、斗杆和铲斗三组工作油缸将液压能转换为机械能，铲斗的运动轨迹由三组油缸的伸缩运动决定，主要完成停机面以下的作业对象挖掘作业。液压单斗挖掘机相对于机械式单斗挖掘机，在挖掘性能、经济和技术指标上具有明显的优势，液压挖掘机发展重心在于提高整机的挖掘性能和传动系统的传动效率，已达到更高的挖掘力以及最高的能源使用率。除此之外，目前国外许多发达国家追求挖掘机的作业对象的多样性，节约成本；实现零部件的标准化和模块化生产，以保证零部件的使用寿命；充分发挥计算机技术在挖掘过程中的检测和控制作用，实现机电
40、液一体化；发动机与液压系统、液压系统与挖掘阻力的合理匹配，提高能源利用率，减少对环境的污染；在研发过程中充分考虑人体工程学，改善操作人员的工作环境 25 。液压挖掘机将不断向大型化、微型化和智能化发展，随着我国基础建设的加快，作业对象的多样化，具有高挖掘性能、高可靠性以及安全性的挖掘机将成为不可或缺的作业工具，为我国的现代化建设发挥巨大的作用。1.4课题研究的目的及主要内容1.4.1课题研究的目的反铲液压挖掘机工作装置设计的数据繁多，计算复杂，经验设计、类比法设计等传统的设计方法产品开发周期长、创新不足，计算机辅助优化设计已成为行业内设计人员的首选。在挖掘机设计过程中，国内很多优秀企业已经摆脱
41、传统的经验设计束缚，采用先进的基于虚拟样机技术的液压挖掘机性能分析方法 26 。国内针对液压挖掘机的挖掘性能分析方法主要有两类：其一，建立完挖掘机的数学模型以后，对挖掘机进行运动学和动力学建模，选取挖掘机几个特殊工况进行性能评估，包括挖掘力大小及其整机挖掘力发挥受限制因素 27 ；其二，同样建模完成以后，根据动臂油缸、斗杆油缸以及铲斗油缸的分级，针对挖掘区域内部的有限数量工作姿态进行挖掘性能评估，包括最大挖掘力的大小、平均挖掘力的大小5重庆大学硕士学位论文 1 绪论以及各整机挖掘力发挥受限制因素所占比例 28 。对应的，液压挖掘机工作装置的优化设计有三中路径：其一，基于挖掘区域内的离散挖掘点，
42、统计挖掘机的挖掘性能参数，利用图谱叠加原理对挖掘机工作装置进行整体尺寸优化 29 ；其二，寻找挖掘机最恶劣的工况，利用辅助设计软件计算工作装置的截面受力，通过结构受力分析达到工作装置局部尺寸优化 30 ；其三，现场测试三组油缸的相对转角和工作压力，通过力学模型反求出斗齿尖的挖掘阻力，基于测试压力对工作装置进行动态优化31 。根据以上归纳的优化设计方法，国内目前基于不同平台开发了一些专业的挖掘机工作装置优化设计软件，设计的产品整机挖掘性能显著提高，产品开发周期大大缩短。国内企业新产品开发主要是基于标杆产品对产品进行优化设计，但改进后的产品经常出现理论上整机挖掘性能超越了标杆产品，却在实际挖掘过程
43、中挖掘力相对不足、挖掘效率低以及燃油经济性差等现象。这说明市场上的优化设计软件在建模时，理论分析方法与实际的挖掘作业过程存在偏差，在设计、研究和使用挖掘机时必须充分考虑土壤的类别和性质，建立能够准确表达挖掘机实际作业过程中的挖掘性能的模型将为挖掘机的改进设计提供更高的平台。针对市场回馈的自主品牌挖掘机客观缺点，本文提出组合挖掘的建模方法，在挖掘性能分析和优化设计时根据作业对象的不同充分考虑每台挖掘机的实际作业特点。挖掘机的组合挖掘方式包括基于作业路径上的多段单缸挖掘轨迹的组合和基于可行区域内一点的双缸同时主动复合作用两种。根据新的建模方法，在对比分析国内外先进机型挖掘性能时可以更加准确的表达出
44、每台机型实际的挖掘性能，解释自主品牌挖掘机表现出的性能缺陷，针对缺陷可以合理的改进设计当前落后机型，从而在理论和实践两个方面为提高我国液压挖掘机的设计水平提供更高的平台，增强市场竞争能力。1.4.2课题研究的主要内容为了解释实际挖掘过程中自主品牌的挖掘机与国外先进机型的性能差距，基于虚拟样机测试分析比较了多款国内外先进挖掘机的挖掘性能参数，结合挖掘机在实际作业过程中的挖掘轨迹分析，本文提出了基于组合挖掘方式的液压挖掘机工作装置优化设计，充分考虑了作业对象的难易程度，尽可能的发挥出挖掘机的最大挖掘性能。当土壤较难挖掘时，挖掘过程以单油缸挖掘为主，提出基于作业路径的铲斗挖掘轨迹与斗杆挖掘轨迹合成的
45、挖掘性能评价标准；当土壤较松散易挖掘时，挖掘过程以复合挖掘为主，提出了基于铲斗油缸与斗杆油缸同时主动发挥的复合挖掘性能评价标准。本文将以某厂家提供的中型的反铲液压挖掘机的机构参数作为基础，以工作装置的优化设计为最终目标，将基于组合挖掘建模方式的挖掘性能分析新思想编6重庆大学硕士学位论文 1 绪论制成 VB软件，理论联系实际验证了新建模方式可以更加准确的表达出挖掘机在 实际作业过程中的挖掘性能的基础上，对工作装置进行优化设计以解决挖掘机在实际挖掘过程中挖掘力相对不足、挖掘效率低以及燃油经济性查等缺陷。具体包括以下的研究内容：绪论主要叙述了国内外液压挖掘机的研究现状、本 课题的研究意义和主要目的。
46、第二章主要结合运动特点 对挖掘机的工作装置进 行运动学分析，通过三组油缸伸缩变化建立工作装置的运动学模型，求解工作装置的主要铰点坐标、机构重心坐标以及铲斗齿尖的坐标；在运动学分析的基础上，建立整机挖掘力的数学模型，通过力矩平衡根据工作油缸的推力求解整机的理论挖掘力。第三章结合 实际挖掘轨 迹提出了基于组合挖掘的液 压挖掘机性能分析新方法。根据作业对象的难易程度，基于组合挖掘的挖掘机性能分析包括基于作业路径和基于复合挖掘两种性能分析模型，通过 VB编程系统的对比分析国内外先进机型基于新方法的挖掘性能，验证新的性能分析方法的准确性和可行性。第四章在新挖掘性能分析方法合理解释了自主品牌挖掘机的挖掘性
47、能缺陷的基础上，基于组合挖掘方式针对挖掘机的工作装置进行优化设计，并对优化前后的挖掘机挖掘性能进行分析对比，验证基于组合挖掘的优化思想的可行性。第五章对本 论文的研究工作 进行了总结，提出了 论文的不足之处，并且阐述了接下来论文的研究方向。7重庆大学硕士学位论文 2 反铲液压挖掘机工作装置运动学和力学基础2 反铲液压挖掘机工作装置运动学和力学基础2.1反铲液压挖掘机工作装置机构特点挖掘机的主要执行机构为工作装置，工作装置的机构形式决定了其工作特点和作业性能，因此挖掘机工作装置设计质量对整机的开发质量至关重要。根据工作装置的机构形式可以将挖掘机划分为正铲挖掘机、反铲挖掘机及特殊工作挖掘机三类，本
48、文主要研究对象为中型的反铲液压挖掘机。针对挖掘机的挖掘性能分析必须建立在一个准确的工作装置运动学和力学基础上，工作装置的挖掘特点决定了工作装置的运动学和力学分析方法，接下来具体了解挖掘机工作装置的机构特点和挖掘特点。图 2.1反铲液压挖掘机工作装置1动臂；2斗杆；3铲斗；4动臂油缸；5斗杆油缸；6铲斗油缸Fig2.1 Working device of backhoe hydraulic excavator1-boom; 2-arm; 3-bucket; 4-boom cylinder; 5-arm cylinder; 6-bucket cylinder普通的单斗反铲液压挖掘机工作装置如图 2
49、.1所示，该平面连杆机构主要包括了工作平台、动臂、斗杆、铲斗、四连杆传动机构及三组工作油缸，工作机构间都采用铰接的连接方式，动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的长短伸缩带动动臂机构、斗杆机构和铲斗机构的转动，完成工作装置的挖掘和提土等动作。整个工作装置与工作平台通过铰点 A相连，斗杆机构与动臂机构通 过铰点 B 相连，斗杆机构与铲斗机构通过铰点 G相连，工作油缸驱动着各自机构 围绕链接铰点转动。其中，动臂机构和斗杆机构均为四连杆机构，而铲斗机构包括传动连杆和摇杆在内形成六连杆机构，整个工作装置共有 11个活动构件和 15个低运动副，所以工作装置的自由度为 F=311-215=3 32。三个自由度刚好由三组工作油缸的伸缩来驱8重庆大学硕士学位论文 2 反铲液压挖掘机工作装置运动学和力学基础动，确定了整个工作装置的运动形式唯一，在任意工况下实现具体的作业动作。反铲液压挖掘机主要挖掘工作平面以下的作
