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1、 在工程设计中优化设计 是将设计问题转化为最优化问题。通常是借助计算机高速运算与逻辑判断功能， 从满足设计方案中，按照预定的目标， 利用计算机对其进行优化设计， 对挖掘机 的动臂、斗杆、铲斗进行优化，关键是符合实际且有效的数学模型。因此，本文 着重研究并建立动臂、斗杆、 铲斗的数学模型， 对于提高挖掘机工作装置设计质 量和确保优化设计有效性具有十分重要的意义。二、课题关键问题及难点 本文将在传统设计的基础上，初步计算出工作装置：动臂、斗杆、铲斗的设 计尺寸应用三维造型软件生成液压挖掘机工作装置造型实体，应用 ANSYS软件对 其进行受力分析， 通过软件规范初设尺寸并反复进行修改， 直到达到工况

2、条件下 正常工作的要求，使设计周期更短， 优化尺寸更准确。 本文研究的难点在于应用 三维造型软件和 ANSYS软件共同给出恰当的设计尺寸三、调研报告（或文献综述）液压挖掘机的发展概况 挖掘机的最早雏形， 主要用于河道、港口的疏浚工作，第一台有确切记载的 挖掘机械是 1796 年英国人发明的蒸汽 “挖泥铲”。而能够模拟人的掘土工作，在 陆地上使用的蒸汽机驱动的“动力铲” 。（图 11）于 1835 年在美国诞生，主要 用于修筑铁路的繁重工作， 被认为是现代挖掘机的先驱， 距今已有 170 多年的历 史。1950 年，德国研制出世界上第一台全液压挖掘机（图 12）。由于科学技术 的飞速发展，各种新

3、技术、 新材料不断在挖掘机上得到应用， 尤其是电子技术和 信息技术的应用使得液压挖掘机在作业效率、 可靠性、安全性和操作舒适性以及 节能、环保等方面有了长足的进步。 目前液压挖掘机已经在全世界范围内得到广 泛应用，成为土石方施工不可缺少的重要机械装备。图 11 蒸汽机驱动的“动力铲” 图 1 2 早起全液压挖掘机国内液压挖掘机的发展概况我国从 1967 年开始自行研制液压挖掘机。 早期开发成功的产品主要有上海建 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等。到 20 世纪 701年代末 80 年代初，长江挖掘机厂和杭州重型机械厂分别研制成功了 WY160和

4、 WY250等液压挖掘机产品。从 1994 年开始，美国的卡特彼勒公司、日 本的神户制钢所、 日本的小松制作所、 日本的日立建机株式会社、 韩国大宇重工、 韩国现代重工业以及德国利勃海尔、德国雪孚、 德国阿特拉斯、 瑞典沃尔沃等公 司先后在中国建立了中外合资、 外商独资挖掘机生产企业， 生产具有世界先进水 平的多种型号和规格的液压挖掘机产品。近年来我国经济增长迅速，液压挖掘机市场需求不断扩大，形成了巨大的挖掘机市场空 间，但该行业主要由合资企业和外资企业所垄断。 国内一些工程机械行业的上市股份公司通 过合资的方式介入了挖掘机产业， 同时国内还有众多的企业也在生产液压挖掘机， 但在生产 规模、品

5、种、质量等方面与国外大公司相比还有一定差距。为了发展民族挖掘机产业，必须 瞄准国际先进水平， 围绕国内外两个市场， 在充分利用国际化配套和国外先进技术的基础上， 增强自主创新意识，掌握核心设计制造技术，发挥性价比优势，提高产品竞争力，把我国液 压挖掘机产品做大做强。国外液压挖掘机目前水平及发展趋势 工业发达国家的液压挖掘机生产较早，产品线齐全，技术成熟。美国、德国、 日本是液压挖掘机的主要生产国， 具有较高的市场占有率。 从 20 世纪后期开始， 国际上液压挖掘机的生产从产品规格上看， 在稳定和完善主力机型的基础上向大 型化、微型化方向发展；从功能上看，在满足基本功能的基础上，向多功能化、 专

6、用化方向发展；从产品性能上看，向高效节能化、自动化、信息化、智能化的 方向发展。（1）液压挖掘机的大型化和微型化 大型液压挖掘机主要用于大型露天矿山的开采及大型基础建设，多数为正3 铲。如日本的日立建机开发的 UH50型正铲液压挖掘机斗容量为 m3质量为 175t ，3EX3500型正铲斗容量为 m 3 ，整机质量为 330t 。日立建机于 2004年开发成功了超大型液压挖掘机 EX8000,铲斗容量为 40 m3 ，整机质量为 780t 。目前全球最大 型液压挖掘机为 TEREX-O&K公司制造的 RH400型，整机质量为 980t ，斗容量为 350m3 。大型液压挖掘机的其他代表产品主要

7、有小松的 PC8000、三菱的 MS1600、 卡特彼勒的 5130和 5230、曼内斯曼德马克的 H485以及利勃海尔的 R992和 R994 等。如图 13 所示为超大型液压挖掘机。为满足市政建设和农田建设的需要， 国外发展了斗容量在 3 以下微型液压挖掘机，最小的斗容量仅有 3 。例如，美国卡特彼勒公司新近发布的微型液压挖掘机，其整机质量仅有 2850kg，配备三菱 S3L2 型柴油发动机，其排放符合美国 EPA2级和欧标准，所配备斗容量范围为 3 铲斗挖掘力可达 25KN。卡特彼勒公司最 小的微型挖掘机为，其整机质量只有 1673kg，发动机功率为 13KW，斗容量范围 3为 3。如图

8、 14 为微型挖掘机。图 1 3 超大型液压挖掘机 图 14 微型挖掘机（2）液压挖掘机的多功能化 中、小型液压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、绞盘及拉铲等，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，如低接地比压、低噪声、水 下专用和水路两用液压挖掘机等。（3）液压挖掘机的电子化和信息化 世界上各大液压挖掘机生产厂商在应用新技术、新工艺、新结构，加快标准 化、系列化、通用化发展速度的过程中，重视电子技术、信息技术在挖掘机上的 应用，使挖

9、掘机向高效、节能、安全、环保以及操作方便舒适的方向发展。从 20世纪 80年代开始，以微电子技术为核心的高新技术， 特别是微机、微处理器、 传感器和检测仪表在挖掘机上的应用， 推动了电子控制技术在挖掘机上的应用和 推广，并已成为液压挖掘机现代化的重要标志。 目前先进的液压挖掘机均装有电 子控制单元 （ECU），用于发动机和泵阀的电子控制以及工作模式控制和工作状态 监控。应用在液压挖掘机柴油机上的控制装置主要有电子调速器、 自动怠速系统、 电子功率优化系统和电子油门控制系统等。 泵阀电子控制系统主要有功率控制系 统、流量控制系统和负荷传感控制系统等。 卡特彼勒和阿特拉斯等公司开发了挖 掘机车载卫

10、星全球定位系统 （GPS），用户可通过电信数据中心和国际互联网随时 了解挖掘机的工作位置和工作环境， 并通过对各种参数的分析了解挖掘机的工作 状况，以确保安全使用和工作效率。（4）液压挖掘机设计制造手段的现代化 美国、英国、日本等国家的液压挖掘机制造厂商在更新设计理论、提高可靠 性、延长使用寿命等方面做了大量工作， 推广采用有限寿命设计理论， 以替代传 统的无限寿命设计理论和方法，并将疲劳损伤累积理论、断裂力学、有限元法、 优化设计、 电子计算机控制的电液伺服疲劳实验技术、 疲劳强度分析方法等先进 技术应用于液压挖掘机的强度研究，提高了产品质量和竞争力。随着大型 CAE软件的日渐成熟， 虚拟设

11、计技术和计算机仿真技术也被液压挖 掘机的设计过程中。以往一种新机型需要经过多次反复试制、试验和修改，一般 需要几年时间才能定型。 而采用虚拟设计和计算机仿真技术， 新产品设计可利用 专业 CAD软件、有限元分析软件和动力学仿真软件进行三维数字化建模、 三维虚 拟装配和基础零部件分析、优化， 并进行整机的虚拟样机仿真和虚拟试验， 直接 在虚拟样机上修改设计， 最终生成用于生产的产品工程图和工艺文件， 缩短了新 产品的研制周期，加速了液压挖掘机更新换代的进程。（5）增强液压挖掘机的安全性和舒适性 随着世界贸易一体化进程的加快，各国对液压挖掘机的乘员安全保护及工作 环境条件提出了更高要求。国外先进的

12、液压挖掘机普遍采用带有落物保护结构 （FOPS）和滚翻保护结构（ ROP）S 的驾驶室，安装可调节的弹性座椅，用隔音措 施降低噪声干扰， 操纵机构采用液压先导控制或电液比例控制， 操作轻快、省力， 操作环境的设计更加符合人机工程学。（6）液压挖掘机的液压系统得到进一步改进 国外液压挖掘机液压系统总的发展趋势是高压、高速、大流量、低成本、高 质量和高可靠性。 国外知名公司的主流机型广泛采用双泵变量系统、 液压先导控 制、负荷传感控制等新技术。例如卡特彼勒公司新推出的 325D 型挖掘机系统压 力最大为 35MPa，主泵流量为 2*235L/min 。卡特彼勒的 D 系列挖掘机提供两种性 能设定模

13、式， 标准操作模式和经济操作模式， 以增强操作人员对机器性能与施工 需要相匹配的控制能力。在标准操作模式中， 可获得高生产率和燃油效率， 在市 政建设等较轻的作业中，可切换到经济模式，耗油量可降低 15。（7） 节能降耗成为挖掘机技术研究的热门 液压挖掘机是一种大功率设备，其能量总利用率仅为 20左右。在液压挖掘 机上应用机电一体化技术， 监测挖掘机的状态参数并进行分析运算， 通过控制挖 掘机的状态， 使其在提高工作效率的同时达到节能的效果。 当今世界，能源短缺， 油价不断上涨。节省燃油，提高操作效率，就意味着提高了设备的性价比，增强 了设备的竞争力。对于液压挖掘机，节能的目的不光是提高燃油的

14、利用率，提高设备的操作效 率，还在于提高了设备的可靠性，从而达到降低使用成本的效果。资料显示，工 程机械将近 40的故障来自发动机。采用节能技术后，可以使动力系统与负载 所需功率更好地匹配，减少液压系统功率损失， 提高发动机功率利用率， 降低了 发动机和液压元件的工作强度，从而提高设备在使用中的可靠性。世界范围内液压挖掘机功率控制节能技术的研究，从部件和整机两个层次上 展开。1）针对挖掘机的各种重要部件如发动机、变量泵、马达、各种控制阀， 采取节能、提高效率的措施。 目前各种节能方案中得到成功应用的功率匹配方案， 多在挖掘机 “发动机液压 系统铲斗负载” 整个能量传递链上的某个环节实现功率匹配

15、， 主要是发动机 泵的功率匹配和泵负载的功率匹配控制方案。在液压挖掘机上实现发动机泵的功率匹配， 主要是提高泵对发动机输出功 率的吸收能力，在采用转矩控制或者转速感应控制实现泵发动机精确匹配下， 泵把吸收的发动机功率尽可能多地转化为液压能，实现节能效果。2）针对泵负载功率匹配的方案中应用较广泛的液压控制有负载传感控制、 负荷流量控制，均为通过调节变量泵的摆角变化使输出流量与执行机构的输入流 量相匹配，从而减少溢流损失和节流损失。3）围绕挖掘机整机性能展开研究。综合考虑发动机泵、 阀负载的功率匹配， 在发动机泵这个环节调节泵 的流量， 保证泵把发动机的功率基本吸收而转化为液压能； 在阀负载这个环

16、节 调节阀的开口，目的是在压力随负载变化的情况下以改变执行机构速度的方式随 时把液压能发挥到最大， 在这两个阶段分别调节从而实现由发动机液压系统 负载的全局功率匹配。 目前湖南山河智能公司开始了 “发动机液压系统执行 系统负载” 的全局功率匹配挖掘机的研发工作， 山河智能公司在其 SWE85挖掘 机上已经分模块作出实验并逐步走向应用。参考文献【 1】同济大学主编 . 单斗液压挖掘机 M 中国建筑工业出版社 1986. 11 【2】孔德文 ,赵克利, 徐宁生等 . 液压挖掘机 M 化学工业出版社 【3】张启君 . 关于我国挖掘机行业发展方向的探讨 J 徐工研究院【 4】工程机械文摘 . 挖掘机械

17、单斗液压挖掘机 J【5】胡乾桂 ,邹十践 . 初探我国工程机械行业发展的新趋势 J 机械广场 【6】朱红妹,卫少克 ,刘钊. 液压挖掘机挖掘工况与挖掘力分布特性分析 同济大学 2000 【 7】矿山机械 . 谈谈反铲液压挖掘机的挖掘力 J【 8 】史清录 , 林慕义 , 康健 . 挖掘机的最不稳定姿态研究 J 农业机械学报。 第 35 卷 第5期【9】谢习华 ,周亮,张大庆. 液压挖掘机技术研究的发展现状 J 工程机械 第 38卷 【10】中国机械工业标准汇编起重机械卷 （上、中、下） M 北京：中国标准出版社四、方案论证反铲工作装置是液压挖掘机的一种主要工作装置形式，图 15 所示。液压反铲

18、工作装置 一般由动臂 1、动臂液压缸 2、斗杆液压缸 3、斗杆 4、铲斗液压 缸 5 、铲斗 6 、连杆 7 和摇杆 8 等组成。其构造特点是各构件之间全部采用铰接 连接，并通过改变各液压缸行程来实现挖掘过程中的各种动作。 动臂 1 的下铰点 与回转平台铰接， 并以动臂液压缸 2来支撑动臂， 通过改变动臂液压缸的行程即 可改变动臂倾角，实现动臂的升降。斗杆 4 铰接于动臂的上端，可绕铰点转动， 斗杆与动臂的相对转动由铲斗液压缸 5 控制，当斗杆液压缸伸缩时， 斗杆即可绕 动臂上铰点转动。 铲斗 6则铰接于斗杆 4的末端，通过铲斗液压缸 5 的伸缩来使 铲斗绕铰点转动。为了增大铲斗的转角， 铲斗

19、液压缸一般通过连杆机构 （即连杆 7 和摇杆 8）与铲斗连接。液压挖掘机反铲工作装置主要由于挖掘停机面以下的 土壤，如挖掘壕沟、基坑等，其挖掘轨迹取决于各液压缸的运动及其组合。反铲 液压挖掘机的工作过程为：先下放动臂至挖掘位置，然后转动斗杆及铲斗， 当挖 掘至装满铲斗时，提升动臂使铲斗离开土壤， 边提升边回转至卸载位置， 转斗卸 出土壤，然后再回转至工作位置开始下一次作业循环。 动臂液压缸主要用于调整 工作装置的挖掘位置，一般不单独挖掘土壤；斗杆挖掘可获得较大的挖掘行程， 但挖掘力小一些。转斗挖掘的行程较短，为使铲斗在转斗挖掘结束时装满铲斗， 需要较大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的土壤， 因此

20、挖掘机的最大挖掘力一般 是由转斗液压缸实现的。 由于挖掘力大且挖掘行程短， 因此转斗挖掘可用于清楚 障碍或提高生产率。 在实际工作中，熟练的液压挖掘机操作人员可根据实际情况， 合理操纵各个液压缸， 往往是各液压缸联合工作， 实现最有效的挖掘作业。 例如， 挖掘机基坑时由于挖掘深度较大， 并要求有较陡而平整的基坑壁， 而采用动臂和 斗杆同时工作；当挖掘基坑底时，挖掘行程将结束，为加速装满铲斗，或挖掘过程中调整切削角时，则需要铲斗液压缸和斗杆液压缸同时工作。 反铲工作装置布置如下图示图 1 5 液压挖掘机反铲工作装置（ 1动臂； 2动臂液压缸； 3 斗杆液压缸； 4 斗杆； 5铲斗液压缸； 6铲斗

21、； 7连杆； 8摇杆）反铲工作装置铰点布置与油缸行程 反铲工作装置实际上是多个连杆机构的组合。 在发动机功率、 整机质量和铲斗容 量等主要参数及工作装置基本形成初步确定的情况下， 工作装置各铰点的布置及 各工作油缸参数的选择是否合理，会直接影响液压挖掘机的实际挖掘能力。动臂及斗杆的结构形式 动臂是工作装置中的主要构件，斗杆的结构形式往往取决于动臂的结构形 式。反铲动臂可分为整体式和组合式两类。 组合式动臂一般都为弯臂形式。 其组 合方式有两类，一类用辅助连杆连接， 另一类用螺栓连接。 采用整体式弯动臂有 利于得到较大的挖掘深度，另外，整体式动臂结构简单、价廉，刚度相同时结构 重量较组合式动臂轻

22、。 一般说，长期用于作业条件相似的反铲采用整体式动臂结 构比较合适，因此此方案设计采用整体式弯动臂形式。斗杆也有整体式和组合式两种， 大多数挖掘机都采用整体式斗杆， 当需要调 节斗杆长度或杠杆比时采用更换斗杆的办法，或者在斗杆上设置 24 个可供调节时选择的与动臂端部铰接的孔。动臂油缸的布置 动臂油缸一般布置在动臂前下方，下端与回转平台铰接，常见的有两种具体 布置方式。（1）、油缸前倾布置方案，当动臂油缸全伸出，将动臂举升至上极限位置时， 动臂油缸轴线向转台前方倾斜。（2）、油缸后倾布置方案，当动臂油缸全伸出，将动臂举升至上极限位置时， 动臂油缸轴线向转台后方倾斜。当两方案的动臂油缸安装尺寸

23、DE 、铲斗最大挖掘高度 H和地面最大挖掘半 径 R相等时，后倾方案的最大挖掘深度比前倾方案小，即 h2 h1 。此外，在后倾 方案中，动臂 EF 部分往往比前倾方案的长，因此动臂所受弯矩也比较大。所以 根据设计要求参数，在保证最大挖掘高度和最大挖掘半径 6000mm 时，最大挖 掘深度 3000mm，采用油缸前倾布置方案。斗杆油缸的布置确定斗杆油缸铰点、行程及斗杆力臂时应考虑下列因素 （1）、保证斗杆油缸产生足够的斗齿挖掘力。即油缸从最短长度开始推伸时和 油缸最大伸出时产生的斗齿挖掘力应该大于正常挖掘阻力。 油缸全伸时的作用力 矩应该足以支撑满载铲斗和斗杆静止不动。 油缸作用力臂最大时产生的

24、最大斗齿 挖掘力应大于要求克服的最大挖掘阻力。（2）、保证斗杆的摆角范围。斗杆摆角范围一般取 100300 度。在斗杆油缸和 转斗油缸同时伸出最长时，铲斗前臂和动臂之间的距离应大于 10cm。一般说来， 斗杆越长，则其摆角范围可以取得越小一些。铲斗油缸的布置确定铲斗油缸铰点、行程及连杆机构力臂时应考虑以下因素。（1）、保证转斗挖掘时产生足够大的斗齿挖掘力， 即在铲斗油缸全行程中产生 的斗齿挖掘力应大于正常工作情况下的挖掘阻力。当铲斗油缸作用力臂最大时， 所产生的最大斗齿挖掘力应基本上等于最大挖掘阻力。 当油缸全伸时， 应能使满 载铲斗静止不动。（2）、保证铲斗的摆角范围。铲斗的摆角范围一般取

25、140160 度，在特殊作 业时可以大于 180 度，摆角位置可以按图 16布置。当铲斗油缸全缩时，铲斗 与斗杆轴线夹角（在轴线上方）应大于 10度，常取 1525 度，铲斗油缸全伸、 铲斗满载回转时，应使土壤不从斗中撒落。图 1 6 铲斗摆角范围（3）、铲斗从位置到位置时，铲斗油缸作用力臂最大，这时能得到斗齿最 大挖掘力。 从单独进行转斗挖掘动作的角度看， 铲斗从位置到位置的转角应 该为铲斗整个切削角度的 1/2 左右，即当铲斗挖掘深度最大时， 正好斗齿挖掘力 也最大。 实际上铲斗的切削转角是可变的。在许多情况下， 特别是进行复合动作 挖掘时，铲斗的切削转角一般都小于 100 度，而且铲斗也

26、不一定都在初始位置 开始挖掘，因此， 目前一般取位置至位置的转角为 3050度，在这个范围内 既可以照顾到铲斗在挖掘过程中能较好的适应挖掘阻力的变化， 又可以使铲斗在 开始挖掘时就有一定的挖掘力。五、进度安排第 56 周 毕业实习，撰写实习报告第 78 周 写出不少于 3000 字的文献综述；根据参考文献和课题要求，提出自 己拟定的可行方案；学习软件第 910 周 写出开题报告，开题；进行总体设计第 1112 周 外文文献翻译，完成详细方案设计第 1314 周 完成结构优化设计第 1516 周 绘制图纸，列出论文编写大纲，设计计算说明书的编写第 17 周，整理设计资料，进行毕业答辩六、指导教师意见签字： 年 月 日七、教研室（或开题审查小组）意见