基于solidworks的液压挖掘机手臂的建模与仿真本科毕业论文.docx
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基于solidworks的液压挖掘机手臂的建模与仿真本科毕业论文
本科毕业论文（设计）
基于SolidWorks的液压挖掘机手臂的三维建模及运动仿真
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液压挖掘机手臂的
三维建模及运动分析
摘要
液压挖掘机是工程机械的重要品种之一，深受广大施工单位的喜爱和青睐，本论文通过对液压挖掘机工作状况和工作装置进行分析，首先对液压挖掘机研究意义和发展状况进行综合论述，从而论述其对挖掘机研究的重要性和了解其未来发展趋势，为我国挖掘机的更新换代提供几点建议，其次对液压挖掘机的工作特点进行分析，对挖掘机作业工况进行分析，从而全面了解液压挖掘机的状况和影响其工作性能的因素，运用Solidworks软件对液压挖掘机主要机构进行三维建模和虚拟仿真，建立液压挖掘机主要结构：
铲斗、斗杆和动臂的三维模型图并进行了论述分析。
本论文为提高液压挖掘机的稳定平衡和生产效率提供理论依据。
关键词：
液压挖掘机，三维建模，运动仿真
Hydraulicpressureexcavatorthreedimensionalmodellingandmovementanalysis
Abstract
Thehydraulicpressureexcavatorisoneofprojectmachineryimportantvarieties，deeplythegeneralconstruction'saffectionandthefavor，thepresentpaperthroughcarriesontothehydraulicpressureexcavatorworkingconditionandtheworkinstallmenttheanalysis，firstcarriesonthesynthesiselaborationtothehydraulicpressureexcavatorresearchsignificanceandthedevelopmentcondition，thuselaboratesittheimportancewhichstudiestotheexcavatorandunderstooditsfuturetrendofdevelopment，willprovideseveralsuggestionsforourcountryexcavatorrenewal，nextwillcarryontheanalysistothehydraulicpressureexcavatorworkcharacteristic，willcarryontheanalysistotheexcavatorworkoperatingmode，thusunderstoodcomprehensivelythehydraulicpressureexcavatortheconditionandwillaffectitsoperatingperformancethefactor，willcarryonthethreedimensionalmodellingandthehypothesizedsimulationusingtheSolidworkssoftwaretothehydraulicpressureexcavatormainorganizationEstablishesthehydraulicpressureexcavatormainstructure:
Thescoop，thebucketarmandmovedthearmthethreedimensionalmoldedreliefmapandhavecarriedontheelaborationanalysis。
Thepresentpaperforenhancesthehydraulicpressureexcavatortheequilibriumandtheproductionefficiencyprovidesthetheorybasis
Keywords:
Hydraulicpressureexcavator;Threedimensionalmodelling;Movementsimulation
目录
绪论………………………………………………………………………………….5
1液压挖掘机论述5
1.1挖掘机发展背景5
1.2课题的研究意义6
1.3国内外发展状况6
1.4软件介绍7
1.5课题的主要内容8
2.液压挖掘机工作装置与工况分析8
2.1液压挖掘机的作业过程8
2.2液压挖掘机工作装置的设计原则9
2.3工作装置的典型工况分析11
3液压挖掘机的三维建模13
3.1铲斗14
3.2斗杆15
3.3动臂15
3.4其他零部件16
3.4三维建模18
4液压挖掘机的模型的建立19
5运动仿真19
6结论20
参考文献20
致谢21
绪论
1液压挖掘机论述
液压挖掘机在现实中有着广泛的用途，它广泛应用于民用与工业建筑、水利施工、交通运输、军事工程等机械施工中，它为减轻工人沉重的体力劳动，确保工程质量，加快建设进度以及提高工作效率和加快国民经济的发展方面起到了巨大的作用。
液压挖掘机采用容积式液压静压传动，它传动平稳，加速性能好，结构简单，操作方便省力，易于实现自动化管理等特点，因此被广泛应用于各个方面，受到建筑施工部门的青睐。
我们要提高液压挖掘机的工作效率和工作性能，大力加快液压挖掘机的更新换代，使我国的液压挖掘机处于世界领先地位。
1.1挖掘机发展背景
液压挖掘机是用途最广泛的工程机械之一，目前被广泛应用于建筑工程、水利工程、现代化军事工程等机械施工中。
第一台挖掘机械是1796年英国人发明的，1950年，世界第一台全液压挖掘机在德国诞生，期间经历了蒸汽驱动，电力驱动和内燃机驱动等多种驱动方式。
从20世纪60年代起，液压挖掘机进入了推广和蓬勃发展时期。
我国从1967年开始自主研制液压挖掘机，成功开发的产品有WY100、W4-60等。
近年来，我国经济大力发展，经济增长迅速，液压挖掘机市场需求不断增大，我们要不断改进和提高挖掘机产品性能，使之达到世界先进水平。
则图1-1所示即为最常见的液压挖掘机。
图1-1液压挖掘机
液压挖掘机最通用和常见的结构形式是铰链式工作装置，它的工作装置主要由动臂、斗杆和铲斗等主要结构用铰链连接在一起，它是一种多杆机构，各杆
件系统围绕铰点转动，在油缸的作用下来实现各种位置的运动。
动力元件使整个挖掘机液压系统的重要部分，它将原动机的机械能转化为液体的压力能，为整个工作过程提供动动力。
控制元件即各种液压阀在液压系统中控制和调节液体的压力、方向和流速。
辅助元件有油箱、油管、压力表、滤油器等等。
液压油有各种矿物油，乳化油和各种合成液压油等几类。
1.2课题的研究意义
随着社会的不断发展，我国的基础建设项目不断增多，大力提高人们生活水平，加快建设步伐，人们对工程机械的需求量不断增大，挖掘机的市场需求也随着提高。
工业发达国家研究开发液压挖掘机起步早，生产技术比较成熟，占有大部分市场，我国机械制造业起步较晚，且设计和制造水平远远低于发达国家，液压挖掘机市场被合资企业和外资企业所垄断。
目前我国液压挖掘机正处于仿制阶段，缺乏自主开发和研制能力，但在品种、性能、质量方面与国外相比仍有较大差距。
而液压挖掘机工作装置中的动臂、斗杆等属于结构件，在挖掘过程中载重过重，使用频繁，容易出现变形，损坏；挖掘机的斗齿、销轴、侧齿等部位容易出现磨损；国外正在向自动化、智能化、多功能化、专用化方向发展，为了使加快我国的液压挖掘机的更新换代进程，把我国液压挖掘机做大做强，对液压挖掘机的研究就变得越来越重要了。
本研究为液压挖掘机的工作装置的设计和改进提供了理论基础，这对使我国液压挖掘机得到进一步发展和改进，推动我国挖掘机行业快速发展起到了十分重要的意义。
1.3国内外发展状况
工业发达国家对液压挖掘机的研究和生产起步早，技术成熟。
美国、日本、和德国是液压挖掘机得主要生产国，在国际市场上占有较大的市场。
目前，国际上液压挖掘机的生产正向专业化、智能化、多能化和专用化的方向发展。
我国机械制造化工业水平起步晚，自主创新能力低下，我国要加快液压挖掘机行业的发展。
国外挖掘机行业向大型化、微型化方向发展，重视采用虚拟设计技术和计算机仿真技术，加快了向现代化、标准化、系列化、通用化发展的步伐。
美国、日本、德国是斗容量3.5~4.0立方米的单斗液压挖掘机的主要生产国。
我国大部分控制系统在数字化、智能化、自主化方面与国外仍有较大的差距，机电一体化是液压挖掘机得必然发展趋势，为了改变我国国内液压挖掘机行业的现状，各大公司近年来开发了许多新产品，引进了国外的一些具有国际先进水平的挖掘机型号。
从国内外发展状况来看，液压挖掘机有以下发展趋势:
（1）液压挖掘机的大型化和微型化。
大型液压挖掘机的代表作品有小松的PC8000、三菱的MS1600、卡特彼勒的5130等铲斗容量为40立方米。
为了满足建筑需要，国外还发展研究了斗容量在0.25立方米以下的微型液压挖掘机。
例如有美国卡特彼勒开发出来的302.5微型挖掘机。
（2）开发液压挖掘机的多功能性、多品种、高质量、高效率。
（3）不断提高液压挖掘机的安全性、舒适性和可靠性。
加强对驾驶员的保护性，使之安全得以保障，改善驾驶员的劳动条件。
（4）液压挖掘机的节能性。
进一步提高液压系统的能量转换效率，节约液压挖掘机的能量消耗，使其消耗降到最低而不影响液压挖掘机的工作效率。
（5）迅速发展智能化液压挖掘机，使之能够完成些自动、半自动操作。
对驾驶员的要求降低，但工作质量和效率将大幅度提高。
（6）配备先进的检测系统，重视电子技术、信息技术。
重视机电一体化技术在液压挖掘机上的应用，使其得到更好的控制，为液压挖掘机的发展提供了新的方法，使我国液压挖掘机更适应时代的发展，使其得到进一步的发展。
1.4软件介绍
SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，SolidWorks软件简单易用，深受广大设计师的喜爱和青睐。
它大大缩短了设计师的设计时间和其准确性，它使专业从事三维机械设计和工程分析的人们更方便和准确，大大提高了其工作效率。
SolidWorks软件的应用越来越广泛，它涉及到各个方面和领域，如教学、机械设计和建筑工程分析等各个领域。
目前使用SolidWorks的人们注册用户已达30余万人，未来也将越来越多。
它越来越多的使用率将在全球的软件市场上占用无比重要的位置。
SolidWorks拥有十分强大的实体建模功能。
通过拉伸、旋转、薄壁特征、高级抽壳、特征阵列以及打孔等操作来实现产品的设计。
通过对特征和草图的动态修改，用拖拽的方式实现实时的设计修改。
三维草图功能为扫描、放样生成三维草图路径，或为管道、电缆、线和管线生成路径。
软件功能强大，组件繁多。
Solidworks提供了一套完整的动态界面和鼠标拖动，大大减少了界面的零乱，而且操作简单、界面直观，使之得到广大设计师的喜欢和亲睐。
。
本设计液压挖掘机的三维建模过程及结构分析的云图都是用Solidworks完成的。
1.5课题的主要内容
文中通过对液压挖掘机工作作业状况进行分析，对其典型工作状况研究和分析，应用SolidWorks软件对液压挖掘机主要工作装置机构：
动臂、斗杆和铲斗进行三维建模和挖掘机机械手臂进行运动仿真。
（1）完成液压挖掘机的结构和工况分析；
（2）液压挖掘机主要组成部件的三维建模；
（3）液压挖掘机的虚拟装配；
（4）液压挖掘机的运动仿真。
2.液压挖掘机工作装置与工况分析
首先分析液压挖掘机的作业过程和设计要求，在图书馆查找相关资料对挖掘机的工作装置和典型工况进行分析。
2.1液压挖掘机的作业过程
液压挖掘机（如图2-1所示）的作业是通过操纵系统来完成挖掘作业中的各个动作的操作，操作系统是整个作业过程的运动中枢。
液压挖掘机的作业过程过包括以下几个动作:
动臂升降、斗杆收放、铲斗装卸、转台回转、整机行走以及其它辅助动作。
除了辅助动作（例如整机转向等）不需全功率驱动以外，其它都是液压挖掘机的主要动作，要考虑全功率驱动。
图2-1液压挖掘机二维图
液压挖掘机的作业是一个往复循环过程，它的工作装置采用连杆机构原理，各部分的运动通过液压缸的伸缩来完成，使挖掘机的挖掘空间达到最大来满足液压挖掘机的挖掘作业需要。
液压挖掘机的挖掘对象复杂多变，实现主要动作要求时，遇到的阻力也随之变化，为了提高工作效率，工作过程中往往要求有两个主要动作进行复合。
液压挖掘机一个作业循环的组成和动作的复合主要包括:
（1）挖掘:
液压挖掘机工作装置的铲斗液压缸或斗杆液压缸进行单独工作，或者两者相互配合进行挖掘。
（2）回转举升:
在回转举升时动臂缸把动臂举升，回转液压马达使转台转到合适位置，动杆要同时外放，有时还要对铲斗进行调整，此时回转、斗杆、动臂和铲斗进行复合动作。
（3）卸载:
铲斗回转到卸土位置时，转台制动，用斗杆调节卸载半径和高度，然后铲斗液压缸卸载。
为了调整卸载位置，还要有动臂配合，主要是斗杆和铲斗的复合动作，间以动臂动作。
（4）空斗返回:
卸载结束，转台反向回转，动臂液压缸和斗杆液压缸进行配合动作，把空铲斗放到新的挖掘位置，此时是回转、动臂和斗杆的复合动作。
2.2液压挖掘机工作装置的设计原则
（1）使用要求
随着技术进步和全球经济一体化发展，液压挖掘机的性能、质量和安全性有了很大的剃刀和改进，从而使现代液压挖掘机有了完善的自动控制功能。
但液压挖掘机的动作复杂，机构负载变化大，受到的冲击和振动频繁，而且对于挖掘对象的多样性，温度、土壤硬度差别大，受到的阻力不一，使用的挖掘力也不相同，因此，应根据液压挖掘机德工作环境和工作特点，考虑人、环境、挖掘机的协调，要提出几点使用要求，特别要注意以下几点：
1）安全性即挖掘机启动或操作开始前，应发出信号，严禁任何人在工作区停留，工作装置必须平坦固定，防倾翻稳定性好，禁止用铲斗击碎坚固物体，禁止在电线等高架设物下作业，。
2）液压挖掘机发动机启动前要检查各个装置是否正常。
3）与周围环境相协调，造成的污染少，禁止任何人在工作区域停留，以免造成误伤，形象要美观。
4）挖掘机应停放在坚硬平坦的地面上，禁止停在可能塌方或威胁安全的地方，以免造成伤亡和损伤。
5）严禁油缸过度的伸缩，造成工作装置损坏，不能用铲斗敲击坚硬的固体，以免造成损坏。
6）停机时应将各操作放置在中间位置，进行一次保养工作，对挖掘机各润滑部位要加润滑油进行润滑。
（2）性能要求
挖掘机具有多种结构:
行走、回转、斗杆、铲斗和动臂等，具有多个自由度，机构复杂，液压作用元件数量多，要求实现的动作复杂多变，对液压挖掘机的操作提供了很大的操作难度。
液压挖掘机的工作装置:
动臂、铲斗和斗杆之间几乎都是复合运动。
而且作用对象的复杂性，受到的阻力也不尽相同，各种不同作业工况所需功率变化范围大，因此，对液压挖掘机的性能要求比较高。
液压挖掘机具有多项功能性，便于运输，能无级调速而且调速范围大，运动惯性小，加速性能好，结构简单，传动平稳，操作省力，易于自动化控制等优势，但必须考虑到工作空间环境特点、地形复杂、遇到的不确定因素多，因此对挖掘机性能要求如下：
1）改进挖掘机控制性，精密性，使液压挖掘机的控制性加强。
2）液压挖掘机作为生产设备，工作时间长，能量消耗大，应该改进液压系统，节能降低能量消耗，提高挖掘速率，节约成本。
3）增强挖掘机的安全性和舒适性，保护工作人员的安全，提高工作人员的舒适性，使操作环境更符合工作人员的需要，降低劳动强度，提高生产效率。
4）提高挖掘机的智能化，现代化，使液压挖掘机实现机电一体化，实现一些自动和半自动操作。
（3）经济方面的要求
在设计工作满足设计需求的同时，应考虑经济成本，不能因追求设计的技术性和高效性，而忽略经济成本，经济成本过高而得不偿失。
应注重经济成本的节约，在达到设计的使用要求而节约了成本降低了能量消耗。
在设计的时候要使用系列化，通用化和标准化的参数，以达到设计的需求，降低了经济成本。
2.3工作装置的典型工况分析
本课题典型工况是依据文献和进行确定的。
典型工况的具体分析说明如下：
铲斗挖掘工况是铲斗液压缸单独动作时进行挖掘的工况。
斗杆挖掘工况是斗杆液压缸单独动作进行挖掘的工况。
联合挖掘工况是铲斗和斗杆液压缸联合进行复合运动进行挖掘的工况，必要时需用动臂液压缸进行辅助，主要是需要轨迹控制的情况。
图2-2三点共线姿态
（1）工况一
工况一是指斗齿尖和铲斗、斗杆的绞点在一条直线上，此时，动臂油缸、斗杆油缸作用力臂最大，该位置是动臂油缸和斗杆油缸作用力臂最大，如图2-2所示。
（2）工况二
工况二是指动臂油缸的作用力是最大的提升力，油缸压力过载过大使应改变工作装置的结构尺寸和铰点位置。
液压挖掘机斗齿最大的挖掘力是由铲斗油缸是实现的。
该位置出现在动臂油缸全缩，如图2-3所示。
该位置动臂和斗杆将受到最大的力矩作用，是动臂和斗杆出现失效的危险工况。
挖掘力相同时，动臂和斗杆承受的作用力最大。
对该位置进行动静态强度分析是检验动臂和斗杆最大变形和（3）工况三
工况三是指最高卸载姿态。
液压挖掘机处于该位置时，斗杆油缸和动臂油缸全缩，铲斗处于垂直工作地平面向下位置，如图2-4所示．该姿态工作装置先满斗上升，到卸载位置时卸载，目的是使装载车能装载尽可能多的物料。
。
（4）工况四
工况四是指停机面最大挖掘半径姿态。
最大挖掘半径是挖掘机设计规范中对挖掘能力评价主要指标之一，它决定挖掘机的挖掘范围。
挖掘机处于该姿态时，斗杆油缸全缩，斗杆与斗杆油缸铰接点、斗杆与铲斗铰接点以及铲斗齿尖处于共线位置，且通过调整动臂油缸使铲斗齿尖为于地面上，如图2-5所示。
液压挖掘机处于该姿态，工作装置下落将使挖掘机产生较大的冲击力，挖
掘时将受到较大的土壤阻力。
受力的最佳位置，从而可以得出其失效原因。
图2-3动臂和斗杆受力最大图2-4最高卸载姿态
图2-5停机面最大挖掘半径姿态图2-6最深挖掘位置处的姿态
（5）工况五
工况五是指以转斗挖掘为主，处于最大挖掘深度，有最大的挖掘力，此时，动臂下方到最低位置，铲斗油刚作用力对铲斗和斗杆铰点有最大力臂，如图2-6所示，挖掘机处于最深挖掘状态。
挖掘机处于该姿态时，铲斗中物料较多，挖掘阻力较大，铲斗、斗杆和动臂都承受着较大的力作用。
（6）工况六
工况六是指油缸全缩时的姿态。
油缸全缩时的姿态即铲斗油缸、斗杆油缸和动臂油缸全缩时液压挖掘机所处的姿态，如图2-7所示。
该姿态是挖掘机设计规范中用于检验在不同挖掘角下，挖掘阻力对工作装置的作用效果的典型位置。
图2-7油缸全缩时的姿态
3液压挖掘机的三维建模
通过对液压挖掘机的结构和工况进行分析，应用Solidworks软件完成了液压挖掘机主要组成部件的三维建模。
其中包括铲斗、前臂、后壁、活塞油缸、连杆和销。
3.1铲斗
液压挖掘机的工作装置繁多，铲斗是挖掘机构件中较为复杂的部分，铲斗一般使用多为反铲铲斗，铲斗属于结构件类产品，由齿座、侧齿、侧刃、包板、侧板和斗齿等部件组成，铲斗在整个挖掘作业过程中，受力复杂较多，易受到磨损和损坏，在整个挖掘过程中承担着挖掘作用，挖掘机铲斗的刚度和焊接好坏，直接影响着铲斗的使用寿命，是整个挖掘过程能否顺利进行的关键。
挖掘机铲斗部分的主要制作过程是，先绘制出作与前臂和铲斗油缸连杆的衔接部分的草图，画出草图后拉伸，然后再切除；然后是铲斗壳身的制作，画出一条弧线后直接拉伸，两侧的部件也是画出草图后拉伸即可完成。
主要是铲齿的制作过程，先拉伸出第一个铲齿，然后进行复制、粘贴或采用阵列操作，做出其余铲齿，另外对铲齿边缘部分进行采取切除圆角等操作，最后对铲斗的背后切除即可完成，。
图3-1铲斗壳身的三维建模
图3-2挖掘机铲斗的三维建模过程
3.2斗杆
图3-3挖掘机斗杆的三维建模过程
斗杆是通过斗杆上的齿条与推压齿轮的齿和来实现伸缩并传递动力
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