液壓挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化改進(jìn)研究

是整機(jī)先進(jìn)性的重要標(biāo)志。工作裝置的作業(yè)由三個(gè)油缸的復(fù)合動(dòng)作及鏟斗和土石方的相互作用來實(shí)1.1研究背景挖掘機(jī)械是一種重要的工程機(jī)械，在全世界社會(huì)建設(shè)中發(fā)揮了重要作用[1]。目前，中大型挖掘機(jī)客戶作業(yè)范圍向鐵路、公路、礦產(chǎn)集中，小型挖掘機(jī)客戶作業(yè)范圍向新農(nóng)村建設(shè)、市政工程集中。同時(shí)，工作裝置的多樣化，使得挖掘機(jī)可以完成擊碎、分解、種樹等多種功能，因而被廣泛應(yīng)用于大型水利、鐵路、房地產(chǎn)、礦產(chǎn)、新農(nóng)村、市政等領(lǐng)域，其2015年行業(yè)分布概況如圖1-1所示。由此可見，挖掘機(jī)在社會(huì)建設(shè)中的作用越來越明圖1-1我國挖掘機(jī)用戶行業(yè)分布概覽自改革開放到2013年的35年中，中國經(jīng)濟(jì)連續(xù)取得了年均9.8%的高速增長(zhǎng)率，為人類經(jīng)濟(jì)史上前無古人的奇跡[2]。中國工程機(jī)械在助推經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)建設(shè)的同時(shí)亦取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，擴(kuò)展了國內(nèi)外市場(chǎng)[3]。但是，自2010年初中國經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率開始減緩，且正處于結(jié)構(gòu)調(diào)整陣痛期、增長(zhǎng)速度換擋期和前期政策消化期三期疊加的關(guān)鍵時(shí)期。中國工程機(jī)械市場(chǎng)受”三期疊加”效應(yīng)等多重因素的影響，正由增量市場(chǎng)逐漸轉(zhuǎn)化為存量市場(chǎng)，去庫存化成為每個(gè)工程機(jī)械公司迫切希望解決的問題。挖掘機(jī)行業(yè)受大環(huán)境的影響正面臨著巨大的壓力與考驗(yàn)，市場(chǎng)飽和、需求減少、產(chǎn)能46.05%43.24%年份性能，發(fā)現(xiàn)其缺陷，那么降低研發(fā)成本，縮短周期，提高創(chuàng)新能力和技術(shù)實(shí)力便水到渠成。信息時(shí)，相應(yīng)的失效原因可以通過虛擬仿真技術(shù)很快的被找出，省時(shí)、省力、省成本。CAE業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新有重大影響。1.2研究對(duì)象及課題的來源2)挖掘機(jī)的作業(yè)是通過末端工具與施工對(duì)象的相互作用來完成施工的[4],整個(gè)作業(yè)3)挖掘過程幾乎都是由各部件協(xié)同完成，很少有部件單獨(dú)完成的運(yùn)動(dòng)，且不同的操1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀我國的液壓挖掘機(jī)行業(yè)從誕生到現(xiàn)在已經(jīng)有50多年了，基本上可分成4個(gè)階段。1)1967-1977年為開發(fā)階段，此階段的開發(fā)主要是仿制外國產(chǎn)品。經(jīng)過科研工作者攻堅(jiān)2)1978—1986年在這個(gè)階段我國從結(jié)構(gòu)、液壓、電器、控制等方面開始對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行綜3)1987-1993年在這個(gè)階段挖掘機(jī)的生產(chǎn)能力和質(zhì)量水平已經(jīng)不能滿足我國大規(guī)模生4)1994年至今外國企業(yè)單獨(dú)建立的或者跟中國企業(yè)合作建立的廠家不斷涌現(xiàn)。這個(gè)階段美國的卡特彼勒公司獨(dú)資興建了卡特彼勒(徐州)有限公司。經(jīng)過50多年的發(fā)展與經(jīng)驗(yàn)積累，我國的挖掘機(jī)制造行業(yè)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是從CAE技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代中期；60~70年代處于探索階段；70年代初期實(shí)用的CAE從70年到85年的15年里，CAE軟件獲得蓬勃發(fā)展，在完善其技術(shù)的同時(shí)，走向了商品化[5]。80年代后期，各國開發(fā)了多款CAE軟件[6],國內(nèi)亦研制了幾款CAE軟件。16世紀(jì)的意大利人最早發(fā)明出挖掘機(jī)的雛形，用于疏導(dǎo)運(yùn)河。1836年第一臺(tái)以蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)的挖掘機(jī)誕生。因其體積、重量、噪音大，使用面不廣，且受限于科學(xué)技術(shù)發(fā)展緩慢，重大技術(shù)難點(diǎn)未能攻克，制造技術(shù)低下等原因，導(dǎo)致挖掘機(jī)技術(shù)在后來長(zhǎng)時(shí)間里未取我國于1954年在撫順挖掘機(jī)廠生產(chǎn)了第一臺(tái)單斗機(jī)械式挖掘機(jī)，自力更生地研發(fā)挖掘機(jī)始于1958[10],隨后開發(fā)出一系列比較成熟的產(chǎn)品，如WY100、WY60、WY250等。到了80年代初，德國LIEBHERR、DEMAG、O&K等公司的先進(jìn)技術(shù)紛紛被引進(jìn)入我國[11]。此后，恰逢國家騰飛的歷史時(shí)期，挖掘機(jī)市場(chǎng)需求量大，90年代初，大大小小的國內(nèi)外挖掘機(jī)企業(yè)如雨后春筍成長(zhǎng)迅速。至2001年年底，包括國有企業(yè)在內(nèi)，我國境外液壓挖掘機(jī)的企業(yè)已達(dá)到20家左右[12]。2001至2010年中國經(jīng)濟(jì)走過了輝煌的十年，挖掘機(jī)企業(yè)亦得到了豐厚的利潤(rùn)。但是，從2010年1季度開始中國經(jīng)濟(jì)開始回落，進(jìn)入2014年后，國內(nèi)挖掘機(jī)市場(chǎng)已經(jīng)飽和，企業(yè)面臨著去庫存化的巨大壓力。在此環(huán)境下，各企業(yè)沉淀自己，加大研發(fā)投入，做了很多的工作，但使用CAE技術(shù)進(jìn)行仿真分析的不多，而在保證仿真分析結(jié)果準(zhǔn)確與可靠的前提下，愈來愈多的產(chǎn)品樣機(jī)制造與實(shí)驗(yàn)可以用仿真分析取代。同樣，有效成功的測(cè)試驗(yàn)證了仿真分析的正確性。因而，CAE技術(shù)與測(cè)試的協(xié)CAE技術(shù)的主要思想是解析具體的工程問題，建立合理的分析模型，借助分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得準(zhǔn)確的解答。以使用ANSYS分析軟件為例，第一步往往是建立分析對(duì)象的有限元模型，為減少計(jì)算量、提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量，常常涉及到模型的簡(jiǎn)化，同時(shí)也會(huì)涉及如何施加正確邊界條件的問題，這些都將影響分析結(jié)果的正確性。因而，通過測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析結(jié)果就顯得十分關(guān)鍵。同時(shí)，為得到有效正確的測(cè)試數(shù)據(jù)，必須合理的規(guī)劃測(cè)試過程，包括：測(cè)試環(huán)境、測(cè)試儀器、測(cè)試工況、測(cè)試點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集及處理等。的測(cè)試，包括測(cè)點(diǎn)的布置、工況的選擇等。正確的測(cè)試結(jié)果可以驗(yàn)證分析模型的正確性。伴隨CAE仿真技術(shù)的廣泛運(yùn)用，其與測(cè)試的協(xié)同也將密不可分。1.5本課題研究意義和目標(biāo)2014年以來，中國工程機(jī)械進(jìn)入行業(yè)轉(zhuǎn)型提升階段，在面臨市場(chǎng)飽和，去庫存化等第2章液壓挖掘機(jī)概述及其反鏟裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)介紹2.1液壓挖掘機(jī)概述圖2-1液壓挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)圖主要運(yùn)動(dòng)功能包括以下幾個(gè)動(dòng)作：整機(jī)行走、平臺(tái)回轉(zhuǎn)、動(dòng)臂升降、斗桿收放、鏟斗裝卸以及其它輔助動(dòng)作[2],如下圖所示。其中整機(jī)行走主要作用在于整機(jī)移動(dòng)及調(diào)整作業(yè)位置，平臺(tái)回轉(zhuǎn)作用在于裝卸土方時(shí)不同工作位置的切換調(diào)整；動(dòng)臂升降、斗桿收放、鏟不需全功率驅(qū)動(dòng)以外，其它都是液壓挖掘機(jī)的主要?jiǎng)幼?，一般要進(jìn)行全功率驅(qū)動(dòng)研究。由于液壓挖掘機(jī)的作業(yè)對(duì)象和工作條件變化較大，對(duì)主機(jī)的工作有兩項(xiàng)要求：實(shí)現(xiàn)各種主要25圖2-2液壓挖掘機(jī)的主要作業(yè)形式開(1)挖掘：通常以鏟斗液壓缸或斗桿液壓缸進(jìn)行挖掘，兩者配合進(jìn)行挖掘。因此，(2)滿斗舉升回轉(zhuǎn)：挖掘結(jié)束，動(dòng)臂液壓缸將動(dòng)臂頂起，滿斗提升，同時(shí)回轉(zhuǎn)液壓(3)卸載：轉(zhuǎn)到卸載位置時(shí)，平臺(tái)制動(dòng)，用斗桿液壓缸調(diào)節(jié)卸載半徑，然后鏟斗液(4)空斗返回：卸載結(jié)束，平臺(tái)反向回轉(zhuǎn)，動(dòng)臂液壓缸和斗桿液壓缸配合，把空斗(5)整機(jī)移動(dòng)工況：將整機(jī)移動(dòng)至合適的工作位置。(6)姿態(tài)調(diào)整與保持工況：滿足停放、運(yùn)輸、檢修等需要。(7)其他輔助作業(yè)工況：輔助工作裝置作業(yè)工況。如使鏟斗在挖掘行程結(jié)束時(shí)裝滿土壤，需要有較大的挖掘力以保證能挖掘較大厚度的土◎o2.3反鏟工作裝置的設(shè)計(jì)優(yōu)化原則率的基本因素是工作循環(huán)時(shí)間包括挖掘時(shí)間、向卸載點(diǎn)運(yùn)行時(shí)間、卸載時(shí)間、向工作面第3章反鏟工作裝置中斗桿的設(shè)計(jì)分析令功能?；贛otif的菜單系統(tǒng)使用戶能夠通過對(duì)話框、下拉菜單和子菜單進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法表明，產(chǎn)品設(shè)計(jì)費(fèi)用雖然只占產(chǎn)品整個(gè)成本的5%,但它卻影響產(chǎn)品整返回對(duì)應(yīng)此模型的CAD軟件中(雙向互動(dòng)參數(shù)傳遞功能),生成候選的設(shè)計(jì)方案。CAE專家負(fù)責(zé)對(duì)所有將要植入此程序的零部件在CAE軟件中仔細(xì)研究，總結(jié)分析相關(guān)的過程完全封裝在后臺(tái)運(yùn)行。使用這些程序的人(通常是設(shè)計(jì)人員)所面對(duì)的界面非1)幾何實(shí)體建模工具DesignModeler2)快捷分析工具DesignSimulation3)快捷優(yōu)化工具DesignXplorer以組成幾萬種工況，所以如何確定工作裝置(動(dòng)臂、斗桿)在外載荷作用下的一個(gè)或幾個(gè)w圖3-1ANSYS工作界面其中，選取斗桿與動(dòng)臂連接的點(diǎn)A為FixedSupport,斗桿與鏟斗連接點(diǎn)B、C,斗桿與搖桿連接點(diǎn)D、E,鏟斗油缸與斗桿連接點(diǎn)F,斗桿與斗桿油缸連接點(diǎn)G、H為施力點(diǎn)··圖3-2斗桿在挖掘機(jī)構(gòu)中的受力圖將斗桿在挖掘機(jī)構(gòu)中的受力圖中各點(diǎn)受力按X、Y軸方向進(jìn)行投影可得：項(xiàng)目欄中，這樣完成載荷的分布。工況1(正常)工況1(正常)圖3-3載荷施加圖值解。它是近30年來工程計(jì)算方法領(lǐng)域中的一項(xiàng)重大成就，是結(jié)構(gòu)或多自由度體系分析在Pro/ENGINEER2001處理方法：刪除或抑制拔模特征；修改拔模面角度為0度。圖3-4斗桿單元格劃分(1)對(duì)斗桿進(jìn)行應(yīng)力分析：運(yùn)行計(jì)算機(jī)程序，得出斗桿應(yīng)力云圖如下：圖3-5斗桿應(yīng)力云圖(2)結(jié)果分析：斗桿焊接材料為Q345A,故從以上斗桿應(yīng)力云圖中可以看出，安全系數(shù)為進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證液壓挖掘機(jī)斗桿優(yōu)化前后的實(shí)際試驗(yàn)效果，我們對(duì)出廠編號(hào)為2153502的液壓挖掘機(jī)進(jìn)行裝配新舊兩如下表為YC255LC液壓挖掘機(jī)進(jìn)行斗桿更改前后進(jìn)行挖掘作業(yè)的油耗、效率對(duì)比表。其中，表4為YC255LC液壓挖掘機(jī)在斗桿更換前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，表5為斗桿更換后表3-1YC255LC液壓挖掘機(jī)斗桿更改前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣機(jī)型號(hào)：YC255出廠編號(hào)：89200502鏟斗容量：12r式驗(yàn)地點(diǎn)；玉柴工程公司試驗(yàn)人員：黃衍林、農(nóng)湉，王建勃表25測(cè)定值總時(shí)間總油耗量(L)循環(huán)次數(shù)(次)量(m3)平均循環(huán)時(shí)間《s)耗率單位燃油挖土重均生產(chǎn)率2.表3-2YC255LC液壓挖掘機(jī)斗更改后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表9序號(hào)凝定值設(shè)計(jì)值總時(shí)間)量(L)總挖土量(m)平構(gòu)循環(huán)時(shí)間燃油消耗率單位燃油挖土量其際平溝生產(chǎn)率理說平均生產(chǎn)牢1優(yōu)化后的油耗優(yōu)化前油耗圖3-7燃油消耗率(L/H)對(duì)比98圖3-8單位燃油挖土量(m3/L)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果分析：根據(jù)以上圖表可得，燃油消耗率26.4<27.19L/h;單位燃油挖土量問題的不斷提出和解決，基于仿真與優(yōu)化技術(shù)平臺(tái)的各類優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用將逐步成熟和完1)對(duì)提高挖掘力性能的特性和規(guī)律的研究。在今后工作中要加強(qiáng)這方面的的研究，不斷2)充分利用ADAMS軟件的各個(gè)模塊的知識(shí)，并與三維建模軟件(UG、ProE)和有3)隨著施工機(jī)械化迅速發(fā)展，越來越迫切要求實(shí)現(xiàn)挖掘作業(yè)操作的自動(dòng)化、智能化、人2.姬鵬.液壓挖掘機(jī)反鏟裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真及動(dòng)力學(xué)分析.吉林大學(xué)，2005.3.錢仲焱，童昕，馮培恩.鉸點(diǎn)布置對(duì)液壓挖掘機(jī)工作裝置特性的影響.工程機(jī)械.1997.4代制造工程，2006(3),114～116.5.劉本學(xué).液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置的有限元分析.長(zhǎng)安大學(xué)，20036.孫志廣.液壓挖掘機(jī)工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)及性能仿真.吉林大學(xué)，20057.陳玉峰.液壓挖掘機(jī)工作裝置運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力綜合優(yōu)化研究重慶大學(xué)20058.金海薇.液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置CAD/CAM研究遼寧工程技術(shù)大學(xué)200410.祝凌云，李斌.Pro/E運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和有限元分析北京人民郵電出版社，200411.張玉川，蔡禺.進(jìn)口液壓挖掘機(jī)國產(chǎn)化改造.西南交通大學(xué)出版12.謝習(xí)華，周亮，張大慶液壓挖掘機(jī)技術(shù)研究的發(fā)展現(xiàn)狀[J].工程機(jī)械，2007,38:50-57.13.李弘寶.2010年中國挖