液压挖掘机工作装置结构性能分析

1、浙江大学机械工程学系硕士学位论文液压挖掘机工作装置结构性能分析姓名：任友良申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：邱清盈20100101浙江大学硕士学位论文液压挖掘机工作装置结构性能分析摘要液压挖掘机的工作环境恶劣，工作装置作为主要的受载部件，其结构性能对挖掘机的整机性能、工作可靠性和安全性有重要的影响我国的挖掘机制造业起步较晚、起点低、设计方法落后，挖掘机在实际工作中常出现动臂和斗杆裂纹失效、挖掘区域不合理和振动剧烈等问题，使得国内挖掘机缺乏竞争力，市场占有率低，严重制约着我国挖掘机行业的发展。为此，结合企业的科研攻关项目和实际要求，本文对液压挖掘机工作装置的结构性能进行了深入研究，

2、开展了液压油缸对工作装置动态性能影响分析与考虑销轴接触影响分析的工作装置整体结构性能分析等研究工作。全文共分六章。第章阐明了课题研究背景及其意义，系统地总结了国内外在液压挖掘机工作装置结构性能方面的研究工作，总结了结构性能分析的几种建模方法，确定了本文的主要研究内容；第章对挖掘机作业过程、工作装置的设计要求进行了论述，在挖掘机工作装置受力分析基础上，确定了进行工作装置结构性能分析的七种典型工况；第章分析了液压油缸的不同建模策略对工作装置模态性能的影响，并进行了典型工况下的模态性能分析；第章对工作装置的动臂、斗杆和铲斗等关键部件单独进行了典型工况下的结构强度和刚度分析；第章建立了考虑销轴接触影响

3、的工作装置整体结构分析模型，进行了典型工况下的结构强度分析，并与单个部件的分析结果进行了比较，分析了两种分析方式的优缺点，另外考虑到挖掘机实际工作时，可能受到偏载和侧向载荷等情况，对工作装置整体结构进行了典型工况下的偏载和侧向载荷下的结构强度分析；第章作为本文的结尾，对整篇文章进行了总结，并提出了对下一步研究工作的展望。关键词：液压挖掘机工作装置结构性能有限元分析浙江大学硕士学位论文液压挖掘机工作装置结构性能分析，；，；，；，浙江大学硕士学位论文液压挖掘机工作装置结构性能分析，；，；，：，浙江大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

4、除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙逛太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意学位论文作者鲐萎签字日期。年弓月乡日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解浙婆太堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阕。本人授权浙塑太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位黻储张王良签字日期：年月乡日旷互峰泰胗河

5、衫溺吼各，蝴参阳稚字浙江大学硕士学位论文液压挖掘机工作装置结构性能分析致谢值此论文完稿之际，首先要向我的导师邱清盈副教授致以最诚挚的谢意。在我攻读硕士学位期间，导师在思想、学业、科研和生活等诸多方面都给予了悉心的指导和热情的帮助，论文的每一个字句都凝聚着导师的心血和教诲。导师渊博的学识、严谨的治学态度、科学的研究方法和诲人不倦的品德让我受益匪浅，值得我永远钦佩和学习。在此谨以最真挚的祝福祝邱老师及其家人身体健康，幸福美满！深深感谢冯培恩教授、李玉良副教授、武建伟老师、管成老师和高宇老师等在这两年多来对我的无私帮助和热心指点，从他们身上学到了许多宝贵的知识和方法深深感谢我的父母在精神和物质上给我

6、的全力支持。在我的成长和学习道路上，你们无私的爱和朴实的言语感动教诲着我，让我健康成长、学有所成。感谢张惠、薛池、来晓靓、曾令斌、徐振、庹福幸、王向炜、张敏杰、冯继文、李志萍、张伟谦、刘靖伟、毛晓辉、王钢飚、潘丁丁等同学的关心帮助。最后感谢所有关心帮助我的亲人和朋友，向你们致以我最诚挚的谢意和祝福。任友良年月于求是园新大学学女挖“帆镕目绪论结构的性能分析，特别是其动静态强度和刚度性能的分析是关系到结构设计优劣的重要因素。随着液压挖掘机向高速，重载和轻量化方向发展，结构的动静态性能分析与优化对提高液压挖掘机的工作性能，降低其成本、提高其工作的可靠性和安全性以及缩短产品的开发周期起着越来越重要的作

7、用。如何利用技术和软件快速地开发和设计产品己成为提高企业竞争力的关键性因素。课题背景及研究意义液压挖掘机具有多种工作装置，通过更换不同的工作装置，可以实现清淤、钻孔和起重等功能，同时其还具有工作效率高、便于操作的特点，因此广泛应用于建筑施工、能菲工程、矿山采掘，城市道路以及现代化的军事工程等机械化施工领域，是工程机械中最重要的品种之一。液压挖掘机在进行土石方工程的工作时，利用其工作装置对土石方进行挖掘，因此高性能和高可靠性的工作装置是挖掘机整机先进性的重要体现。田为施工中的液压挖掘机。囤正在施工的液压挖掘机液压挖掘机的工作装置主要由动臂、斗杆、铲斗和相应的三组油缸以及连杆机构组成的一种多杆机构

8、，通过控制三组油缸的伸缩运动来实现各种位置的挖掘液压挖掘机在实际工作过程中，工作装置的运动和受力情况均较复杂，主要表现在：）工作对象的多样性，挖掘机是通过铲斗与土壤问的相互作用实现挖掘的，在各种施工场地工作时，土质条件较复杂，受力情况难以确定；）工作过程是通过驱动三组油缸的复合运动来实现，每个动作要由两个以上的部件参与实现；浙江大学硕士学位论文液压挖掘机工作装置结构性能分析）在挖掘过程中，工作装置姿态不断变化，使得挖掘力也随之变化，实际的挖掘力难以确定，工作装置承受着拉压、扭转、振动和惯性冲击等多种载荷的复合作用为提高现代化和城镇化水平，加快建设步伐，减轻劳动者的工作强度，挖掘机的市场需求巨大

9、，各国正大力发展液压挖掘机，就如何提高整机工作性能进行了相关的理论和试验研究。我国液压挖掘机制造业起步较晚，且设计和制造水平相对较低，工程实践中常出现各种失效问题，如动臂和斗杆在规定寿命范围内开裂、工作装置的铰点连接处销轴的过早断裂、挖掘区域不合理和机体干涉等，这些因素严重制约着我国挖掘机行业的发展，因而市场占有率低、竞争力弱。针对某型液压挖掘机工作装置中动臂、斗杆和铲斗等出现裂纹失效问题，本课题结合与企业的合作项目，通过对工作装置和各关键部件进行动静态性能分析，揭示其失效机理和设计中各部件上强度应加强的关键部位，为挖掘机工作装置的设计提供理论依据和改进措施，这对提高我国挖掘机的设计水平，增强

10、市场竞争力，推动我国挖掘机行业快速向前发展起着重要的作用，具有十分重要的现实意义。课题的国内外研究现状液压挖掘机的总体结构主要由工作装置、上部转台和行走机构等三部分组成，其中工作装置是直接参与工作的部分，承受的载荷巨大且变化频繁，其结构的可靠性和安全性备受关注。目前，国内外研究人员对挖掘机工作装置的性能分析主要研究工作集中在运动学、铲斗轨迹规划与控制、动力学、工作装置的结构分析、灵敏度、振动分析、结构优化与相关的试验研究方面。（）工作装置运动方程与挖掘区域对液压挖掘机的运动学方面进行研究，可以确定挖掘区域，通过研究其运动方程，从而可以对挖掘过程进行规划和控制等。相关研究工作如浙江大学机械设计研

11、究所的刘静运用机器人技术理论，推导了挖掘机的运动学和动力学方程，并在开发了挖掘机虚拟样机的运动学和动力学模型【；长安大学的刘本学利用法建立了工作装置的运动学方程，并在环境下得到了铲斗齿尖浙江大学硕士学位论文液压挖掘机工作装置结构性能分析的运动轨迹【；吉林大学的杜文靖、姬鹏、孙志广等人对挖掘机工作装置的运动学则做了比较全面的研究，并编制了专用的运动性能分析软件【，；文献【】对挖掘机在给定轨迹和土壤参数时的自动挖掘过程进行了分析，分析了挖掘力和工作装置仰角间的关系，并对铲斗进行了挖掘轨迹优化；韩国的等人对配有旋转装置的挖掘机推导了其运动方程并对静态控制进行了研型刀；而台湾学者等人为用于教育设计了一

12、款气动挖掘机，并对工作装置挖掘区域、动臂的静态分析和远程控制进行了研究【】（）铲斗轨迹规划与控制对铲斗的轨迹进行规划和控制能提高挖掘效率，并且有利于实现自动挖掘，减轻操作者的劳动强度。季炳伟对挖掘机的铲斗轨迹进行控制和优化研究，建立了数学优化模型，采用遗传算法寻优，通过对多种规划策略进行实验对比，结果表明该规划方法极大降低了液压系统的振动冲击，提高了挖掘机操纵平稳性【；中南大学智能机械研究所的相关人员对工作装置的运动学和相关的试验进行了研究，文献】、【】、【对铲斗轨迹跟踪控制进行了研究，同时建立了相关的动力学模型，结合相关的试验对铲斗的轨迹跟踪控制进行了研究。日本学者通过对经验丰富的挖掘机操作

13、人员操作挖掘机整个过程进行分析，而后进行利用控制技术来模拟这种经验操作人员驾驶技术来实现高效挖掘的研究【，；文献】对大型挖掘机铲斗的轨迹进行了跟踪研究；文献针对不同的施工环境对反铲液压挖掘机铲斗的轨迹进行了优化；文献【】使用延时控制方法对如何使挖掘机实现直线挖掘进行了研究。随着工作要求的提高，挖掘机已逐步开始由人工操作向远程控制自动操作方向发展，文献【】利用全球定位系统（）对一个具有六自由度的液压挖掘机进行了运动控制，通过现场实验获得数据后用和软件的仿真说明了其方法的可行性（）动力学对液压挖掘机工作装置的动力学进行研究可以确定其动态特性，也是进行动态设计的基础。于国飞等人运用机械手的原理，将液

14、压挖掘机工作装置机器人化，运用拉格朗日功能平衡法推导了工作装置的动力学方程，为研究自动控制和动力学仿真奠定了基础【；黎业飞等人建立了挖掘机的刚柔混合模型，对具有浙江大学硕士学位论文液压挖掘机工作装置结构性能分析时交固频特性的工作装置进行了整个作业循环的动力学分析，得到了工作装置受力最大处的动态应力分布情况【；文献【】对挖掘机工作装置进行了运动学和动力学研究，并将其结果应用于挖掘机工作过程的控制中；文献】使用迭代的建立了挖掘机的动力学模型，并对其运动学和动力学进行了研究，得出了一些有益的结论；文献中利用牛顿法对斗杆进行了动力学分析研究；文献【】对露天采矿的挖掘机的铲斗进行了动力学分析；文献】对在

15、可变形土壤上进行挖掘的单斗液压挖掘机进行了动力学研究。（）结构有限元分析结构的有限元分析是优化的基础，优化是提高产品性能、降低生产成本、缩短产品研发周期的重要手段，其最终目的是为产品服务【。钱仲焱和薛彩军等人对挖掘机工作装置中的动臂、斗杆和铲斗进行了单件的分析，运用弹簧、梁和板等单元建立了简化的工作装置的整体有限元模型，并进行了模态分析，同时对其进行了结构优化【，；文献【，利用杆和实体单元对工作装置整体进行有限元强度分析；其他一些学者则对工作装置铲斗、斗杆和动臂单件进行了有限元静力学分析究，；文献【】应用无网格有限元法对铲斗在整个挖掘过程中的受力进行了研究，并指出网格有限元法由于大变形和网格的

16、扭曲不能模拟该过程，并分别用离散元法（）和物点法（建模，并对其进行了对比，结果说明物点法能更准确地估算出铲斗的受力。（）灵敏度分析对结构进行灵敏度分析有利于明确优化设计的方向。文献【】在工作装置模态测试的基础上，进行了质量和刚度对固有频率影响的试验灵敏度研究，得出了质量和刚度对整个结构的主要影响部位；文献对动臂的静强度进行了灵敏度分析（）振动分析多数结构是在受到外部激励或自身动力的作用下运动，这种运动往往主要部分甚至全部都是振动，振动分析在结构的设计和评价中具有重要地位，并随着对动态特性要求的提高愈显得突出】文献】利用软件对挖掘机工作装置的自激振动控制进行了研究，并通过数字仿真证明了其降低机械

17、振动方法的浙江大学硕士学位论文液压挖掘机工作装置结构性能分析有效性；美国专利【】通过对铲斗结构进行改进，发明一种阻尼减振器，减轻了结构的机械振动效应；波兰的利用在软件的环境中基于框图法编写的程序对挖掘机模型通过施加动静态激励进行了振动分析【（）结构优化结构优化是实现结构轻量化和降低加工成本的必要手段薛彩军在其博士学位论文中利用结构的协同优化方法对工作装置的动臂、斗杆和铲斗进行了优化设计，降低了其质量提高了其使用性能（；文献【】应用灵敏度归一化的处理方法对动臂进行了结构优化，降低了其应力，提高了局部刚度。（）试验研究液压挖掘机的研制需要进行各方面性能和可靠性试验，包括强度、操纵、耐久性等，在经过

18、严格的科学试验和用户评价之后，才能定型生产。试验研究是判断结构设计优劣最原始也是最可靠的方法。波兰的等人通过试验研究了在挖掘过程中，挖掘机铲斗不同形状对挖掘效率的影响【；文献【】通过实验并利用色彩、饱和值和颜色值空间对液压挖掘机在挖掘过程非工作时间进行了研究，从而通过控制设备的非工作时间提高了设备的使用效率；文献【】为控制安装在驳船上液压挖掘机动臂的疲劳裂纹所带来的危险，在结构上安装测量仪表，通过检测决定结构应变特性的静动态载荷，开发了一个液压挖掘机的疲劳检测系统从以上研究情况来看，国内外对工作装置的研究主要是对其运动学进行分析，包括相关的轨迹控制，挖掘区域的图形显示等方面，这些方面的研究较为

19、成熟，相关研究人员都编制了专用计算机程序；另外对工作装置的动静态结构性能进行分析研究，现在正逐步从单件的研究向提高整机性能的方向发展，随着软硬件条件的发展，结合试验进行研究正被越来越多的研究人员所采用。结构性能分析的建模方法研究对事物的研究往往是一个从抽象到具体的过程，结构的性能分析也不例外。结构的性能分析以往常常是根据力学知识对结构实施简化，然后应用杆或者梁的浙江大学硕士学位论文液压挖掘机工作装置结构性能分析理论对其进行设计和分析计算。随着有限元等数值计算方法和计算机科学与技术的交叉应用与发展，应用有限元法对结构进行设计计算相比以往的连续体的理论简化模型有了很大的进步。由于对结构整体甚至整机

20、进行结构分析相当耗时，以往用有限元软件对结构进行分析时，主要对单个重要部件进行分析。随着对产品整体性能要求的提高，对单个部件进行分析已不能满足要求，从而演变为对整体中的主要关心的部件进行精细建模和次要部件进行理论简化建模的混合建模方法，并将逐步向真实的整体模型逼近的方向发展。结构分析有如下几种典型的建模方法：（）单个结构的分析模型对单件结构进行性能分析，可以比较详细地了解各个结构的单独力学性能和便于进行优化设计。如爱尔兰的等人在软件平台上对联合收割机的前桥进行了静力分析，得出了安全系数较低和型前桥不适合被安装在改进后的联合收割机上的结论；波兰的等人对挖掘机回转支承的载荷分布进行了力学分析【；而

21、塞尔维亚的§等人对斗轮挖掘机的拉杆失效问题进行了力学分析【；长春装甲兵技术学院的等人对挖掘机驾驶室顶盖进行了分析和优化设计等【。对单件进行结构分析仍将是结构力学分析的重要方面，因为对单个结构进行分析时有建模简单、耗时少和便于优化等特点，且在大多数情况下，我们主要关心某个结构的性能，而非所有结构的性能。（）结构整体的简化模型分析通过建立结构总体的简化模型，并进行研究有利于了解总体的动态特性，如整个结构的自然频率和振型等。如浙江大学机械设计研究所的钱仲焱在其博士学位论文中利用梁、板、质量和弹簧单元对挖掘机工作装置进行了模态分析【刀；而罗马尼亚的】等人通过直接建立起重机的有限元节点模型，对

22、起重机整机进行了模态分析。通过建立整体的简化模型能了解整机的动态性能，但这种方法精度相对较低。（）整体结构的部分简化模型分析对整机或者多个部件组成的整体进行分析时，通常会出现将关心的部件采用浙江大学硕士学位论文液压挖掘机工作装置结构性能分析详细模型而其他结构采用简化模型的方法进行建模，这种方法可以减小计算的规模，节省计算时间，容易得到所关心的结构整体相关性能，是目前比较普遍的整体性能分析建模方法。如文献【】中对轮武装载机工作装置采用了梁杆单元和实体单元混合建立了整体模型并对其进行了强度分析和优化本课题的主要研究内容本课题结合与企业的合作项目，针对企业的实际要求，从工程应用的实际出发，对液压挖掘

23、机工作装置的动静态结构性能进行分析研究，主要研究内容如下：（）分析液压挖掘机的工作特点和工作装置的设计要求，并对工作装置进行挖掘阻力和挖掘力等受力分析，通过对挖掘机作业工况进行分析，确定结构性能分析的典型工况；（）根据模态分析技术，研究整体分析中的销轴联接和液压缸的处理问题，并用几种液压缸的处理方法建立工作装置的整体模型，并对模态分析结果进行分析对比，验证考虑液压油特性的固液耦合建模方法的有效性，建立工作装置整体的分析模型，对工作装置进行整体的模态分析；（）对工作装置中的关键部件的铰点力进行转换，并对其中的动臂、斗杆和铲斗进行静态有限元强度分析，通过对结果的分析，指出其设计中关键部位和应注意的

24、问题；（）通过将工作装置关键部件进行集成，利用有限元软件中接触等非线性方法来模拟销轴联结，结合均载、偏载和侧向载荷三种受力情况，对其进行整体的结构静态性能分析。本课题的组织结构本课题的组织结构如下：第章首先阐述了课题的研究背景及其意义，然后系统地总结了国内外学者在工作装置性能分析上所进行的工作和研究情况，总结在结构性能分析中常用浙江大学硕士学位论文液压挖掘机工作装置结构性能分析的几种分析模型，最后给出本文的主要研究内容和组织结构；第章分析液压挖掘机的工作情况和工作装置的设计要求，并对工作装置进行受力分析，通过对挖掘机作业情况的分析，确定进行结构动静态性能结构分析时的典型工况；第章建立工作装置的

25、三维实体模型，结合模态分析的相关理论对整个工作装置的三维实体模型进行处理，以便于模态分析的结果更符合实际情况，并进行典型工况下的模态分析，提取各种工况下工作装置的前阶模态频率和前阶模态的振型图，分析各共振频率下的振动情况；第章对动臂、斗杆和铲斗等关键部件进行静态有限元强度分析，指出设计这些部件时应加强的部位和改善其强度的措施；第章对接触问题进行论述，通过设置各部分结合处的接触关系定义相关接触，对液压挖掘机的整个工作装置进行非线性有限元静态结构性能分析，并将其分析结果与第章的单个部件的分析结果进行比较，分析了集成和非集成对工作装置分析的特点，并对工作装置受偏载和侧向载荷两种特殊受力情况进行静态结

26、构强度分析，并对结果进行分析总结；第章对全文进行总结，并对下一步要进行的工作进行展望。浙江大学硕士学位论文液压挖掘机工作装置结构性能分析液压挖掘机工作装置的受力与工况分析首先分析液压挖掘机的作业过程和设计要求，进而对挖掘力的计算进行研究，在此基础上结合相关文献对作业工况进行分析，确定了要进行后续分析的七种典型工况。液压挖掘机的作业过程液压挖掘机的功能运动主要包括整机行走、转台回转、动臂升降、斗杆收放、铲斗装卸和其他辅助动作，如图所示。图液压挖掘机的功能运动整机行走；转台回转；。动臂升降；斗杆收放；铲斗装卸液压挖掘机的整个工作过程【】包括以下几个方面：）挖掘：液压挖掘机的挖掘主要通过三种方式实现

27、：斗杆挖掘、铲斗挖掘以及铲斗和斗杆联合挖掘，该过程主要通过斗杆和铲斗的复合动作完成，必要时配以动臂动作。）满斗举升回转：挖掘结束，动臂带动铲斗满斗提升，同时驱动回转马达使回转平台至卸载位置，该过程主要是回转平台和动臂的复合运动。）卸载：驱动斗杆油缸和铲斗油缸使铲斗完成卸载，为达到合适的卸载位置，还要配以动臂油缸动作。此过程须通过铲斗、斗杆和动臂的复合运动来完成。）空斗返回：卸载完成后，回转平台反向回转，配以动臂和斗杆的运动使铲斗放在新的挖掘位置。此过程是回转平台、动臂和斗杆的复合运动。）整机移动：整机运动到新的工作位置。）姿态调整与保持：即满足运输、停放和检修等要求的姿态，如图所浙江大学硕士学

28、位论文液压挖掘机工作装置结构性能分析）其他辅助作业工况图姿态调整与保持工况下的挖掘机姿态液压挖掘机工作装置的设计原则在进行任何事情时，都要涉及到方法论同样，在进行结构设计时，有着一定的原则和要求。结构设计的基本原则【】包括明确、简单和安全三个方面，即：满足所需的技术功能；经济地实现设计目标；对人和环境均安全。）注意到明确性的要求，有利于预先确定其作用和性能，在多数情况下能节省研究时间和费用；）简单性原则保证在正常情况下可获得一个经济的解决方案。同时由于使用简单的结构形式和较少的零件能较快和较好地完成产品的加工；）安全性要求促使人们坚持耐用、环保、可靠和消除事故等原则去处理问题。以上的三点原则是

29、进行结构设计的总原则，三者之间既相互区别又相互联系，是辩证统一体。工作装置是液压挖掘机的主要组成部分之一。常用的液压挖掘机工作装置有正铲装置（包括装载装置）、反铲装置、起重装置和抓斗装置，其中反铲装置是中小型液压挖掘机最常用的工作装置矧。由于液压挖掘机经常频繁启动、制动、换向，外载荷变化大，工作条件恶劣，经常承受着振动和冲击，因此对工作装置有较高的设计要求。工作装置的设计原则如下：（一）使用方面的要求（）作业范围和运输要求液压挖掘机的作业范围和挖掘区域的主要参数如图所示。设计工作装置时，几何尺寸除要便于运输外，满足合理的挖掘力的分布特性，应使挖掘机在釜浙江大学硕士学位论文液压挖掘机工作装置结构

30、性能分析主要挖掘区域内能实现以最大挖掘力挖掘。在主要挖掘区域内，挖掘机是以挖掘地面以下，自下而上，向机身运动的方式挖掘，这种方式下，装载效率高，循环时间短，便于卸载，司机视野好，生产率高且安全图液压挖掘机作业范围和挖掘区域主要参数囹：最大挖掘半径；：最大挖掘深度；：最大挖掘高度；：最大卸载高度；：履带板的长度；：停机面最大挖掘半径（）整机稳定性整机的稳定性与工作装置的设计有着密切的联系，应使设计的工作装置满足挖掘机在工作和停放时不应出现倾翻等情况。（）结构强度要求结构强度要求是设计工作装置时，应使工作装置在各种受力情况下，工作装置的应服从各部分结构的应力分布和变形规律，保证设计的工作装置应具有

31、足够的强度。（二）经济方面的要求设计工作装置在满足使用要求的同时应避免因单纯追求技术性能而忽视了经济成本，在努力提高挖掘机的各项性能指标的前提下应注意节约能源和降低生产成本。在工作装置的设计中应尽量采用标准化、通用化、系列化的参数和零部件，从而节省设计和制造成本，降低维修工作量，保证产品质量。工作装置的受力分析对工作装置进行受力分析包括挖掘阻力和挖掘力分析两方面。挖掘力受各浙江大学硕士学位论文液压挖掘机工作装置结构性能分析种因素的影响，比较难以确定，有学者从铲斗油缸和斗杆油缸复合挖掘对挖掘力进行了研究¨，而另一些学者则从挖掘姿态上研究了整机的最大挖掘力问题【，本文参考了文献【】中的论

32、述对挖掘的受力进行分析，为便于叙述，先介绍挖掘机的参数和坐标系设定，然后分别分析反铲工作装置的受力情况。参数设定和坐标设定图液压挖掘机总体坐标和参数液压挖掘机的总体坐标设定如图所示，图中的各参数的含义说明如下：表示动臂油缸与回转平台的铰点；表示动臂油缸与动臂的铰点；表示动臂与回转平台的铰点；表示斗杆油缸与动臂的铰点；表示斗杆油缸与斗杆的铰点；表示动臂与斗杆的铰点；表示铲斗油缸与斗杆的铰点；表示铲斗油缸与连杆机构的铰点；表示连杆机构与斗杆的铰点；表示斗杆与铲斗的铰点；表示连杆机构与铲斗的铰点；表示铲斗的齿尖。所建立的总体坐标系的轴是停机水平面，轴通过回转平台的回转中心并垂直于轴，点为总体坐标系的

33、原点也即轴与轴的交点。挖掘阻力分析反铲装置有铲斗油缸挖掘（铲斗挖掘）、斗杆油缸挖掘（斗杆挖掘）、或两缸同时复合挖掘三种方式。通常在土质松软或者斗容量小于时以铲斗挖掘为主，反之则以斗杆挖掘为主。（）铲斗挖掘阻力计算浙江大学硕士学位论文液压挖掘机工作装置结构性能分析铲斗挖掘时，土壤切削阻力随挖掘深度变化，铲斗挖掘阻力计算简图图如图所示。铲斗的切削阻力的切向分力如下式所示：州睨汁禹）。，各个参数的含义说明如下：切削角变化影响系数，；：切削刃宽度影响系数，其中为铲斗平均宽度，单位为；：土壤硬度系数，对级土取，级取，级取；：斗侧壁厚影响系数，其中为侧壁厚度，单位为，初步设计时可取；：斗齿系数，（无斗齿时

34、，取）；：铲斗与斗杆铰点至斗齿尖距离，即转斗切削半径；：铲斗的瞬时转角；戤：挖掘过程中铲斗总转角的一半；：切削刃挤压土壤的力，根据斗容大小，在范围内选取。斗容量时，应小于。铲斗挖掘装土阻力的切向分力为（）其中：丫：密实状态下土壤容重，单位为；：水平线挖掘起点和终点连线方向的夹角；：钢与土壤之间的摩擦系数。浙江大学硕：学位论文液压挖掘机工作装置结构性能分析彤一】）卜”（）乒衰南，卜唿肚而丽挖掘力分析 反铲工作装置的挖掘力包括工作油缸的理论挖掘力和整机的理论挖掘力。（）工作油缸的理论挖掘力在不考虑工作装置自重、土重、工作油缸的背压、连杆机构和液压系统的浙江大学硕上学位论文液压挖掘机工作装置结构性能

35、分析效率等情况下，工作油缸的理论挖掘力定义为：工作油缸外伸时，由油缸的理论推力所能提供的斗齿的切向挖掘力。如图所示，铲斗挖掘时铲斗油缸的理论挖掘力为：昂。：×玉兰生：×（）（），天，其中，为铲斗油缸的理论推力，×，为液压系统的工作压力，为铲斗油缸大腔的作用面积，、为力臂值，为连杆机构的传动比对给定工作装置其铲斗油缸的理论挖掘力为油缸瞬时长度的函数。可以看出传动比取最大值时，铲斗油缸的理论挖掘力最大。仇图铲斗油缸理论挖掘力计算简图如图所示，斗杆油缸的理论挖掘力为：昂（，厶）（），其中：为斗杆油缸的理论推力，×，为斗杆油缸大腔作用面积，、为力臂值。对于确定的

36、工作装置，、分别是、的函数，也即是和的二元函数。当取即，且为最大值时，取得最大值，但此时斗壁会先于斗齿同土壤接触，故此时斗杆油缸挖掘力没有实际意义。在实际计算中，是以取最大，即，而取有意义的最小值时所得的挖掘力作为最大值。当、三点共线时，为最大值，若取最小值，即得的最小值。浙江大学硕士学位论文液压挖掘机工作装置结构性能分析图斗杆油缸理论挖掘力计算简图（）整机的理论挖掘力在确定工作装置的情况下，整机的理论挖掘力随挖掘方式不同受限因素弱有差异，下面是铲斗挖掘时的受限因素（括号内为斗杆挖掘时的受限因素）；铲斗油缸（斗杆油缸）主动挖掘力；斗杆油缸（铲斗油缸）闭锁能力；动臂油缸闭锁能力；整机的稳定性；整

37、机对地面的前后滑移。铲斗挖掘时，整机的理论挖掘力计算如下：铲斗油缸主动挖掘力受限假定挖掘力的方向与斗齿运动轨迹相切，铲斗油缸主动挖掘力为，方向垂直于线，大小参考式（）并考虑斗土和连杆机构的重量来确定。在图所示工况下整机的挖掘力为：，：一昂，：一（旦璺）（）其中饧，饧。为铲斗土重和连杆机构重量对点的力矩。应与能克服的最大挖掘力等大反向。图铲斗油缸主动力受限时的整机挖掘力计算简图斗杆油缸闭锁能力受限浙江大学硕士学位论文液压挖掘机工作装置结构性能分析斗杆油缸的抗压能力有赖于其大腔，假定：为斗杆缸限压阀调定压力，为斗杆缸大腔作用面积，则或岛如计算简图所示，取斗杆和铲斗机构部分单独考虑，对点列出力矩平衡

38、方程，得到斗杆缸闭锁条件下的挖掘阻力为：（）各参数含义如下：，新为对点的作用力臂，；吃为斗杆油缸对点的作用力臂，：；为对点的作用力臂，。当时，斗杆缸可锁住，否则将被压缩。动臂油缸闭锁能力受限动臂油缸在被动状态下的抗拉能力由其小腔闭锁力咒决定，令。为动臂油缸限压阀调定压力，。为动臂油缸小（大）腔作用面积，则×。计算简图如图所示，取整个工作装置为隔离体，动臂缸不被拉长时所限定的挖掘力为，对点的力矩平衡方程为：××（）其中各参数的含义如下：为动臂油缸对点的作用力臂，即点到直线的距离；至分别为动臂、斗杆、带土铲斗、斗杆油缸、铲斗油缸、连杆和摇杆的重量；岛分别为的中心到点的

39、水平距离，即它们的作用力臂，如一（扛，）；为对点的作用力臂，七矿矿。由上式有：浙江大学硕士学位论文液压挖掘机工作装置结构性能分析（×”矧，）（）饧当时，动臂油缸被锁住，否则动臂油缸将被拉长。图斗杆缸闭锁力限制时的整机挖掘力计算简图图动臂油缸闭锁力限制时的整机力计算简图整机稳定性受限如图所示，取整机为隔离体，可求得整机在绕点向后倾翻趋势下的挖掘力，各力对倾翻支点的力矩平衡方程为：鱼址生芷盟（）哳式中为对点的力臂；为工作装置总重；为对点的力臂；为行走装置重量，为对的力臂；为机体重量；为对点的力臂。如图所示，整机绕点前倾时整机的挖掘力可由各力对支点的力矩平衡方程求得为：，：鱼芷鱼也（）浙江

40、大学硕士学位论文液压挖掘机工作装置结构性能分析式中为对点的力臂；为工作装置总重；为对点的力臂；为机体重量；为行走装置重量，咆为对的力臂；为对点的如睛整机对地面的前后滑移受限整机对地面的前后滑移条件限制的挖掘力可通过整机受力的坐标投影平衡方程求出：生（）“其中为整机重量；为行走装置与地面的附着系数；晓为挖掘阻力的水平倾角，设直线的倾角是，则。图整机后倾限制下整机的挖掘力计算简囹图整机前倾倾限制下整机的挖掘力计算简图综上所述，整机的理论挖掘力为，），也即整机的理论挖掘机取上述各种限制条件下挖掘力的最小值。斗杆挖掘时，整机的理论挖掘力在动臂油缸的闭锁力、整机稳定性和整机对地面的前后滑移等受限因素与铲

41、斗挖掘时计算相同，只是整机的挖掘力方向均变化为垂直于直线，因此下面仅对其他限制因素下整机的挖掘力进行计算。斗杆油缸主动挖掘力限制浙江大学硕士学位论文液压挖掘机工作装置结构性能分析斗杆油缸主动作用所产生的挖掘力为，其方向垂直于的连线，大小参考式（）并考虑斗杆和铲斗机构的自重，整机的挖掘力计算公式如下：矿：一（斗坠墨亟等逝）（）其中为斗杆油缸挖掘时斗杆油缸的理论挖掘力；，其余参数的含义同公式（）。铲斗油缸闭锁力限制铲斗油缸的抗压能力取决于其大腔的闭锁力，设为铲斗油缸限压阀的调定压力，为铲斗油缸大腔的作用面积，则。取铲斗和连杆机构为隔离体，列出对点的力矩平衡方程，求得铲斗油缸闭锁条件所限制的挖掘阻力

42、为：，一（）式中为两个机构的传动比，其余参数的含义同公式（）。综上所述，斗杆油缸挖掘时，整机的理论挖掘力为，），即整机的理论挖掘机取上述各种限制条件下挖掘力的最小值。工作装置的典型工况分析典型工况的选择是对结构进行性能分析的基础。典型工况是确定关键参数，计算载荷的基础，是对结构进行设计分析的重要依据。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：工况动臂油缸、斗杆油缸作用力臂最大，、和三点共线位置该位置是动臂油缸和斗杆油缸作用力臂最大，铲斗齿尖、斗杆与铲斗铰接点和斗杆与动臂铰接点共线时的姿态，如图所示。浙江人学硕士学位论文液压挖掘机一：作装置结构性能分析一固动臂缸和斗

43、杆缸力臂最大，、三点共线姿态动臂缸和斗杆缸力臂最大，铲斗当量力臂最大姿态勺动臂和斗杆受力最大时的姿态最高卸载姿态停机面最大挖掘半径姿态最深挖掘位置处的姿态图前六种典型工况姿态工况动臂油缸和斗杆油缸作用力臂最大，铲斗油缸以最大当量力臂工作该位置是动臂油缸和斗杆油缸的作用力臂最大，铲斗油缸的当量力臂最大时的工作姿态，如图所示。工况动臂和斗杆受力最大时的姿态该位置出现在动臂油缸全缩，铲斗齿尖、斗杆与铲斗铰接点和斗杆与斗杆油缸铰接点共线，斗杆油缸作用力臂最大处，如图所示。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

44、分析是检验动臂和斗杆最大变形和受力的最佳位置，从而可以得出其失效原因。工况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。该姿态是检验工装受到冲击时响应，计算和检验工装动强度和应力的较好姿态，也是检验挖掘机是否发生共振的一个重要姿态。工况停机面最大挖掘半径姿态浙江大学硕士学位论文液压挖掘作装置结构性能分析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

45、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。工况最深挖掘位置处的姿态最深挖掘位置处姿态出现在动臂油缸全缩，斗杆与铲斗铰接点、斗杆与斗杆油缸铰点和铲斗齿尖共线并垂直于挖掘平面时，如图所示。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。工况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。图油缸全缩时的姿态浙江大学硕士学位论文液压挖掘机工作装置结构性能分析液压挖掘机工作装置的模态分析随着对结构各项性能要求的不断提高