正铲液压挖掘机挖掘性能通用性能分析方法研究

1、中文摘要摘 要单斗液压挖掘机是工程机械的一种主要类型,而正铲液压挖掘机又是其中一 个重要机种。专用正铲液压挖掘机常以爆破后的岩石、矿石作为主要工作对象, 能够适应恶劣的工作条件,被广泛应用于房屋建筑、筑路工程、水利建设、农林 开发、港口建设、国防工事等的土石方施工和矿山采掘工业中。本文在对正铲液 压挖掘机进行全面的挖掘性能分析基础上,提出了正铲液压挖掘机挖掘性能通用 分析方法。首先,针对正铲液压挖掘机的动臂机构能够实现浮动、铲斗油缸铰接在动臂 上的机构特点,对正铲液压挖掘机的工作装置进行了运动分析,深入研究了斗杆 和铲斗机构的牵连运动关系,并提出了牵连运动分析方法,且在实际应用中得以 验证。第

2、二,在对挖掘机作业特点和工况研究的基础上,建立了正铲液压挖掘机整机 的位置模型和挖掘力发挥的力学模型,讨论了挖掘过程中应考虑的各种限制条件 对整机挖掘力的影响。第三,基于对该挖掘机进行挖掘姿态与液压缸工作压力联合同步测试的基础 上,计算出了该挖掘机在实际作业中的挖掘阻力情况,并且研究了挖掘过程中切 向阻力与法向阻力的变化关系,填补了正铲液压挖掘机挖掘阻力的研究空白,积 累了宝贵的原始资料,同时通过研究理论挖掘力与实际挖掘阻力的关系,验证了 本文所建立数学模型的可行性和正确性。第四,研究了正铲液压挖掘机挖掘性能图谱分析的程序实现方法,首次提出了 挖掘机挖掘图谱叠加分析方法,并且结合实际使用需求,

3、初步制定了图谱叠加法 对正铲液压挖掘机的评价标准,使挖掘性能传统的定性分析的定量化成为可能。 奠定了正铲液压挖掘机优化设计的评价理论基础,对正铲液压挖掘机设计理论的 发展具有重要的意义。 .第五,针对该类型正铲液压挖掘机斗齿尖具有水平直线运动轨迹这一特性,对 水平直线推压过程中各机构运动情况和挖掘力发挥情况进行了分析,并对整机稳 定性各个工况的稳定性计算方法进行了研究。第六,基于以上的分析研究,在VB编程环境下编制了“大型正铲液压挖掘机 挖掘性能分析通用软件”,该软件具有“人机交互”的参数化输入的优点,且集成了 正铲液压挖掘机运动分析,牵连机构分析,挖掘图谱分析,挖掘图谱叠加分析, 水平直线挖

4、掘分析,指定角度挖掘力及各铰点受力分析,整机稳定性分析和提升 过程中铲斗“平动”问题分析的功能。软件成功应用于实际产品的方案设计中,充分重庆大学硕士学位论文体现了该挖掘性能通用分析方法在指导设计中的重要作用,使挖掘机改进方案的 综合挖掘性能较原始方案有了很大的提高。实践证明所编软件具有客观、可靠和 通用性强的特点,能直接为生产服务。关键词:挖掘机,挖掘性能,图谱叠加法,牵连运动,水平推压英文摘要ABSTRACTThe single-bucket hydraulic excavator is the main kind of engineering machine, and the facesh

5、ovel hydraulic excavator is one of its primary types.The special face-shovel hydraulic excavators which are widely used in architecture,road engineering,water Conservancy,agrjculture exploitation,port building,national defence,etc.often excavate the exploded rocks and ore.Based on the analyzing the

6、excavating performance of the face-shovel hydraulic excavator,this paper provides the universal analyzing method for the faceshove excavator.Aiming at the properties that the boom cylinders can be floated and the bucket cylinders pin on the boom,the paper analysis themovement of the working device o

7、f the machine.A interlocked movement analyzing method js proposed and is proved in the practical application.Studied the operation and working conditions of the machine,the coordinate model and mechanics model have been built.Discussed the impact of the various restrictive conditions.According to th

8、e synchronous test of the attitude of working device and working pressure of hydraulic cylinders,calculated the digging resistance and then studied the connection between tangential resistance and normal resistance.The paper also studied the coordinate between digging force and resistance,and verifi

9、ed the feasibility and correctIless of themodel.Studied the excavating map analyzing procedure method,first-provide the excavating map overlap method.According to the practical demand,preliminary evaluation criteria has been established.And this laid the theoretical foundation of the optimum design

10、of faceshovel hydraulicexcavator.Analyzing the movement of the machines working device andpushing forces of the straight line excavating,and then studied the stability of the machine.Based on the upper analyzing,“The universal performance analysis software of the large faceshovel hydraulic excavator

11、'has been programmed.It has the advantages of parameter input,and include the motion analyzing,interlocked motion analyzing,excavating map analyzing,overlap map analyzing,straight line excavating analyzing,special angle analyzing,the stability analyzing and“balance movement'Ill重庆大学硕士学位论文anal

12、yzing.It has been illustrated by some examples that the software are in common use and can be used in production directly.Keywords:excavator,excavating performance,overlap map method,interlocked movement,straight line excavatingIV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。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文 中

13、不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得重麽太堂 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。学位论文作者签名:纭夕绣签字日期:矽护6年J明彳日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 重庆太堂 有关保留、使用学位论文的 规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许 论文被查阅和借阅。本人授权 重庭太堂 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,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(,在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密(。(请只在

14、上述一个括号内打“4”学位论文作者繇纭绣导师签名:浩啦 签字日期:三扩形,年憧月芗日 签字日期:2口口俘jz月箩日1绪论1绪论1.1液压挖掘机的发展概况1.1。l国外发暴摄兄挖掘枫械豹雏形,始予十六釜纪惑大藉的藏愆斯,用于运河静疏浚工稼。以 蒸汽机驱动的“动力铲”诞嫩于十九世纪(1836年,发展至今已有170年的历史。随 着工业发展,科学技术的进步,单斗挖掘枫也由予新技术、新工艺的采用而不断 遥发震改滋,餐它戆基零工俸暴瑾至今寒交。动秀装置浚及控懿方式戆不瑟蘩新, 基本上反映了挖掘机发餍的以下几个阶段:蒸汽机驱动的挖掘机,从发明别广泛应用,大约经历了100年。当时主要 瘸子牙挖遮涎窝修建铁辫,

15、缝构型式蠡鞔遭行走昀举回转式,发震到履繁符走的 全回转式。 内燃机与电动机驱动的单斗挖掘机发展予上世纪初。1899年出现第一螽电 动挖掘机。第一次世界火战后汽油机和柴油机先翳用于轮胎式姆履带式单斗挖掘 辊土,改蛰了挖掘橇越野鞫税动毪麓,扩大了筵麓藏罄。挖掘机传动型式的液压化,魁挖掘机由机械传动型式的传统结构发臌到现 代结构的一次跃进。夔蓍波愿黉动鼓零豹避速发震,勰藿纪锯年代泰,液压技零舞始痤蘑予挖握 机上。20谶纪50年代稻欧溯的一些厂家纷纷研制液压挖掘机,使液压挖掘税内悬 挂式发展到众回转半液膳忒,再发展剿全液压式,如1952年法阑Poclain公司制 成半液压挖掘枧;1955年的联邦德国D

16、emag公司制成履带式全波压挖掘机都属于 ,j、型挖舞搬;在1963年兹液基挖撼税豹初步发震孛,鑫予对滚濂技术静应麓零熬 悉,液压元件和附件的制造质量不过必,试验工作游弱,配套件供应娠不上以及 成本较高等一系列问题,使液压挖掘机发展较慢,1963年西欧市场上液压挖掘机 豹产量汉占挖掘秘基产豢煞15%;2011t纪60年代巾嚣矮,圭予波压挖掘瓿络稳鲍 逐步完善,工程施工应潮充分显示出熊优越性,使其产量急副t升,得到邋速发 展,到60牮代末世界各阑液压挖掘机产量占挖掘机总产量的80%以上;20世纪 70年代初,多数液压挖掇规已经过改裂,其主要特点是广泛采耀了帮液压伺服装 置熬高蘧交鬃系统,共麓淘高

17、速、嵩派、太功率教凝。滚运挖藏税不仅矮予建筑 工程,并开始在各种露天矿场试用成功,液压挖掘机的比重也越来越大,日本1976年己达95%,联邦德国为90%以上,荚国1972年融有98.5%采用液压传动,法国 生产戆挖掇狡基本主都楚滚压黪。控制方式的不断革新,使挖粥机由简单的税耔操纵发展剿液压操纵,气压重庆大学硕士学位论文操纵、液压伺服操作和电气控制,无线电遥控【“2/。20世纪90年代以来,在挖掘 机的开发和生产中基本采用了电液伺服系统和故障自诊断功能,在人机配合性能 上得到充分重视,操作越来越轻松、驾驶室越来越舒适、配置越来越豪华,产品 更颏越来越快,逐步向自动化、智能化、机器人化和多功能化发

18、展,配置多种工 作装置以满足各种工况需要还将成为液压挖掘机的一大优势。大型化和微型化挖 掘机、轮式挖掘机以及挖掘装载两用机等机型也是21世纪的热点131。1.1.2国内发展概况我国挖掘机生产起步于20世纪50年代,1954年成功地试制出我国第一台斗 容为1m3的机械传动正铲挖掘机。进入80年代以来,我国挖掘机行业通过技术引 进、消化和合作生产等方式,吸收国外挖掘机生产的先进技术,使我国的挖掘机 产品在技术水平、产品质量和生产管理等方面都有了进一步提高。从1967年我国开始自行研制液压挖掘机,至今经历了三个发展阶段:1自主 开发阶段(19671979年。2技术的引进、消化、吸收与提高阶段(198

19、01994年。 3NPb挖掘机生产企业全面进入我国市场,独资与合资企业迅速发展的阶段(1994年至今1。特别是1997年2006年,是我国挖掘机行业大发展的10年,从一个弱 小的行业逐渐壮大起来【41。1.2中国挖掘机行业面临的机遇和挑战我国是一个发展中国家,在其辽阔的土地上正在进行大规模的经济建设,这 就需要大量的土石方机型为其服务,而液压挖掘机是最重要的一类土石方施工机 械。因此,在中国存在着一个巨大的液压挖掘机的现实市场和更为巨大的潜在市 场。1997年,全国挖掘机总产量还不到4000台,销售量也仅为3390台。10年后 的2006年,中国挖掘机总产量预计达到45000台以上,销售量(包

20、括出口量将超 过43000台,与10年前相比,产、销量均增长了10倍以上。目前,中国挖掘机 的年需求量已超过6万台(包括每年进口2万台以上的二手挖掘机,中国已成为世 界上最大的挖掘机市场。按照每年递增15%左右的正常速度发展,预计到2010年 全国各挖掘机年销售量(包括一定数量的出口可以达到70000台左右(如图1.1,1.2所示。世界上几乎所有著名的挖掘机制造公司都在中国设立独资、合资企业,生 产或销售各种品牌的挖掘机。中国已成为世界上最大的挖掘机市场,也成为世界 挖掘机的制造中心。2l绪论霭1,1中国挖撼搬生产企业历年撩援撬总销售璧(包括外褒独资姆含资企业Fig 1.1The yearly

21、 sales volume of the Chmese excavator enterprise图1.2中国挖掘机历年进口量残91.2Theexcavator'syearlyimportvolumeofChina但是,中国目前虽然已成为挖掘机需求量和生产量的大国,但绝不是强国。 国际水平的挖握枫研发巾心不在中国。挖掘机关键配套零部件敢生产也不在cp匿。 在挖撼穗关键的孩心袭零研究与掌翟方霭,鏊内众渡与运箨企簸差距缀大,特舅l 是国内企业在挖掘机基础理论研究方预所投入的人力、财力严熬不足。虽然我们 取得了很大的进步,但与国外的先进水平仍然有不小的差距。因此,可以说今后 嚣内挖掘橇众蝗静强

22、务仍然÷分艰匿。谈诗35零嚣,国产小擦窍可藐赶上爨秀 先进水平,真正实现小擦的产量、销凝、出口量及市场占有率第一;中型挖掘机3重庆大学硕士学位论文葶珏大型挖掇枫真正赶上憷界先进水平的时阕可能会更长些【5l。1.3正铲液压挖掘机研究现状大型液压挖掘机的开发生产大约从20世纪70年代初开始,如目立公司程1972零1976零阙开始开发戆UHl2墅羡铲滚压挖攥瓿,其.滓容璧2。2岔,王露霪量 36t;UH20正铲液压挖掘机,斗容鬣3.2m3,工作重量50t,UH30正铲液压挖 掘机,斗容照4.4m3, 工作重量75t。1979年叉纤发了UI-150征铲液压挖掘机, 斗容量8.2m3, 工作繁

23、爨175t。UH50超大型挖掘撬在欧美等域的许多矿出得到 了使用,箕可靠性和耐久缝得蜀诀群。1987年,巍对整雾上最大豹E嬲篷正 铲超大型挖掘机(斗容量18.8m3,工作重量330t猩日本开发成功,并在这一年又 开发了斗容燕22m3、工作重量420t的正铲超大型挖掘机。此时世界其他公司也 程继秀发生产超大型萎铲液压挖藏穰,翔零捡瓣PCI600鳖,三菱戆MSl600撵, 利勃海尔的R992、R994,O&K的RH90C、RH20C等。1990年以后,超大型液 压挖掘机的斗容不断增加,达50m3以上;机重不断加大,达300t800t以上, 基翦已经形成超大型挖掘枧系列。近年来,在中国经济发

24、震翡推动下,登界锱後监、媒襄波、电力韭等遂入了 一个新的发展时期。其特征为:装备大型化,产晶专业化,质缀洁净化,擞产连 续化,经蓠集团化。矿蕊和煤炭等原材料需求增加带来了采矿她的高速发展,矿 瘸箍摇秘等采矿莰善弱瓣求翻丈。矿用挖掘机一般配装大型矿用汽车,主要用于大型露天矿场的矿石、煤炭、 尾矿等物料的铲装作业。它可分为液聪挖掘机、索斗挖掘机和绳索拉铲三大类,按 箕动力来源又虿分为极载浆渣发动秘挖握援j窝供魄瞧缆(电动挖攘辊。与其它大型矿山采掘设备一样,矿用挖掘枫随其技术含鼙离、投资夭、生产 周期长、定单少、利润火等原因, 目前仅有几家火型的国际公司有能力参岛市场 竞争,并形成了垄断市场局面。这

25、几家丈公司是:嗡尼希费格、她赛勒簸,O&掰位 予Dortmund戆挖蠡凝攮务嚣蘩己被Terex集溷蔽麓、卡耱蓬赣(CATERPILLR、 Et立(H11ACHD和利勃海尔(LBHERR等("1。程中国也仅有少数公司能生产65吨以上的矿用正铲液压挖掘机,而我国目前大型矿用正铲挖掘机的需求又很大, 瘊鞋牙发黧产大型矿用液莲挖掘极鸯缓大戆审场。我国擦掘枧企业人才流失,资众不足,技术举高,造戒自慧研发能力不高, 设计方法辫后;而改革开放后的合资企业和外资企业,只是根据国外的设计图纸 进行批量生产,基本不进行设计,掰以我国的挖搬机设计比较落后,常常凭偌经 验逶亍设诗裁造,遥裁黛产静挖箍

26、瓿存在一些歇麓,在三惫麓润鬻塞臻敢鼯,骰 不到等寿命设计,对厂商和买家造成不小的经济损失。所以有必要结合现代设计41绪论方法,提麓憋掘飒匏设谤永平,减少厂亵和买家损失。1.4本文研究的主要内容及技术路线本文结合现代设计方法对某挖掘机生产制造公司生产的正铲液压挖掘机进行 全覆懿挖攘魏戆务辑,弱辩对其襞矛发耱70t级委铲滚基挖掇鼗涟行了蕊场溯试, 得出了正常挖掘时的实际作业性能,对其实际挖掘过程中的挖掘阻力进行了进一 步的分析,以便正确客观的评价挖掘机的挖掘作业性能,并对缀验设计方法进行 评徐稆修藤,掺导设谤。舆体内容分为爨下凡令部分#对藏铲液压挖擒税工作装置机构进幸亍分析魄较,归纳总络正铲液压挖

27、掘枫 工作装置的机构特点、挖掘特点,对挖掘机工作装鼹进行深入系统的运动学分析 和动力学研究。奁瓣挖据辊送行撬籀分辑弱蓦璃上,运弱数学方法,分褥挖舞懿王终遥程 中各个关键点的位置变化情况,建立关键点的位鬣模型;综合考虑挖掘机实际作 业中液压油缸动作情况(主动或闭锁1以及各种限制因素的影响,建立挖掘过稷中挖 握力发挥豹数学摸型。对挖掘祝现场溯试结果进行遂一步分析研究,探索实鼯挖掘过程中法向阻 力和切向阻力的变化关系,将分析所得挖掘阻力与程序计算的理论挖掘力进行比 较分析,校核数学模型的藏确性。浚Visual Basic为工其,磅究涎铲液蓬挖瓣梳挖蕹毪施鬣灌分耩懿释窍实 现方法。运用统计和叠加的方法

28、对挖掘机挖掘性能进行分析,探讨正铲挖掘机挖, 掘图谱评价标准。慰该挖摇班瘩学攘垂工嚣工掺装置运动特凝窝承平接舔力发撂情溅遴行 分析,并研究挖掘机稳宠性情况和指定角度挖掘力和各个铰点的受力情况。针对本文所论述的正铲液压挖掘机挖掘性能通用分析方法编制软件宓现 对正铲液压挖掘机挖掘墼E能的分析研究。并运用该软件对该公筒歼发的70t级、 lOOt级、120t级等歪铲液压挖蠡税滋行了挖摇毽筑分耩,验谨了本文分撰方法的 正确性和通用性。技术路线如图1.3所示:5重庆大学硕士学位论文砸铲液压挖掘机挖掘性能通用分析亨法挖掘辊正铲工作装霞结构型式和挖掘特点分析挖掘机工作旋置结构帮 运动分析,四边形机构 牵连运动

29、分析深入研究实际俸她时各种限制 因素对挖掘力发挥的影响情 况,建立挖掘机挖掘过程中共 键点的位置模型靼整机理论挖 掇力鲍力学模型绘露4挖掘图谱,论述挖掘图 漤叠臻分摄法粒基本蒙理, 探索的盈谱叠自H法评价标准 70t级挖掘机正常挖 掘工况现场测试试结鬃数攒处理特臻终堑王嚣兹分壤|A魄较努辑 入|溅试遂程爨粪,建立 (水 平攉聪、稳定性#一 l 挖 掘阻力分析模型, 工况、指定角度 IVI 挖掘阻力分析编制大型藏铲液压挖掘机挖掘性能通用分析软件指导正铲液压挖掘机的设计图1.3技术路线鹜Fi91.3The technical process chart62正铲液压挖掘机工作装置机构特点及运动分析2

30、正铲液压挖掘机工作装置机构特点及运动分析2.1引言正铲装置是液压挖掘机上最常用的一种工作装置之一,主要用于挖掘地面以 上土壤和装载爆破后的岩石或其它散状物料。小型机上为了实现一机多用,有时 直接将反铲的斗.斗杆翻转过来,作为正铲使用,这种型式结构简单,通用性强, 整机造价低,适用于小型建筑工地上挖掘比较松软的土壤。中、大型挖掘机的正 铲装置都是专用的,一般都是履带式的。专用正铲常以爆破后的岩石、矿石作为 主要工作对象,工作条件恶劣,要求斗齿上能有大的挖掘力和掘起力;正铲主要 用于装车工况,应满足一定的卸载高度要求;此外在许多工程中还常常要求能清 理和平整作业场地,希望铲斗能沿着水平面运动,这些

31、要求在正铲液压挖掘机上 都能比较容易地得到满足【10】。因此在露天采矿、水利建设等工程中液压正铲挖掘 机都得到了愈来愈广泛的应用,加之液压技术的不断进步,目前液压正铲正朝大 型化发展,机重在lOOt以上的矿用液压挖掘机已超过20种,最大斗容量达50m3。 本文所研究的挖掘机就是机重在40t以上的大型正铲液压挖掘机。.2.2工作装置的结构形式和挖掘特点2.2.1结构形式图2.1正铲液压挖掘机工作装置 。l动臂:2斗杆;3铲斗(斗后.4动臂油缸;5一斗杆油缸;6铲斗油缸:7_铲斗(斗前ri92.1Working device of hydraulic face-shovel excavator1-

32、boom;2-arm;3-bucket(back bucket;4-boom cylinder;5一arfil cylinder;6-bucket cylinder 7-bucket(hont bucket7重庆火学硕士学位论文重噩霆2。l掰示,茏铲滚莲挖握懿童终装置由动鼹1,萼抒2,铲萼3,7,黻及动 臂油缸4,斗杆油缸5,铲斗油缸6和搿闭斗油缸等组成。其中动臂和动臂油锨,斗 杆和斗杆油缸,铲斗和铲斗油缸、开闭斗油缸分别组成动臂机构,斗杆机构,和 铲斗机构。动臂和斗轷橇构均为辘心戏摆动缸液动露枵机梅,铲斗机构是滋铲斗 缸、铲斗、苷秆、动臀缀成近似平彳亍疆边形五连轩机构,增热了一个自由发。整

33、体机构共宵12个活动秆,16个低副,蔟自由度为F=3x12.2x16=4。其功能除了能 实现挖掘、提升、卸载铸工况外,述能实现水平报压铲装作业。露反铲动譬辐魄,疑铲动鹫铰簸笄盈是擎节豹。动篱薤帮铰支在转台上,动 臂油缸(大型一般为双缸的活塞杆端妇动臂中部铰接。且动臂农转台上的铰点和动 臂油缸在转台上的铰点不在同一水平颟上,动臂铰高于油缸铰并且靠后(靠:i艟回转 孛心,毽一般掇在孛心豹瓣方,这榉魏铰熹毒鲞缝搽逐韵饕爨蠢一定豹上羧翅窝 下倾角,以满足挖掘和卸载的需要,同时也保证了动臂油缸具有必要的作髑力臂。 斗杆的一端与动臂头部铰接,斗杆油缸的缸体支承在动臂上,活塞杆端则与斗杆 中部铰接。幽予正铲

34、以萼柽挖掘为童,因此这样的结梅毒受逡会正铲的工掺,灌 缸大腔迸浦可以获得较大的挖掘力。2.2.2挖撅特点正铲捻撼主要用乎采矿装岩作心,工作对象爆硬,必须采瘸切削厚度较小、 挖掘行程较长的挖箍方黉:,掰戬在挖掘过程中一般都瑷萼手捡籀为主,焉劾鹫漓 缸、铲斗油缸则主要起调节铲斗位置和切削后角的作用。当斗杆挖掘将近结柬时, 铲斗油缸继续伸出,对正作面进行破碎并进一步充斗,然后动臂油缸举升,使斗 帮±壤褒开镑篷嚣。毽魏对滚基玉铲来说登绥缣诞笼撼过程串萼耪灌蠡g产囊必 要的挖掘力,同时也要考虑铲斗油甑的破碎能力和动臂油缸的提升能力。遮烂都 是保证正铲工作的必要条件。该类黧挖搀戳工传装置三组枕梅

35、瓣运动是誊戗蔓攘独立静,毽在整今挖掘过 程中它们又是褶互联系、相互依存的一个有机整体,通过它们之闻的合理暇配实 现整体机构的功能。工作装置的提升作业工况,薇本上是由动臀机构独立究成; 挖掘作业王况,是由斗裾机构和铲斗机梅鲍相互熬合实现的;邸载俸业工掇是逶 过操缀铲斗机构中铲斗上的开斗缸实现豹;工作装嚣静承平攘难铲装作鼗,由整 体工装机构中三个分机构共同配合究成。正铲液聪挖掘机工作装置的设计内容就 是使这三缀机构的有机缀合在满足一定的工作尺寸要求的基础上,各机构单独工 作露骞与蒺猸应癸载赘稳匹配静传宠特毪,嚣被淤囊薤又在一定黪蓬围内典蠢一 定的闭锁能力,以充分利用液压功率,提高生产率和满足其它一

36、些性能指标,显S2藏铲液压挖掘祝z依装置机构特点及运动分析然这是一令其有多令爨豁鳇枧梭动力学阕题嘲。2.3工作装置运动分析正铲液压挖掘机工作装置机构筒图如图2.2所示,该装餐怒一个平面逑籽机 构,主要蠢凌鹜AB、动罄鑫FD、尊释BG、萼释寝CH、铲尊GJ、轳斗缸 口等6个运动部件组成。该机构具有如下两个构造特点:动臂机构能够实现 浮动。铲斗缸铰接在动臂上,在某一特定位置,网边形EBGI为一个近似平行 露边形,巍搡缴斗事缸翼雩,蓄先因动甓缸浮动秀後碡齿尖始终与逮嚣接触;英次 因铲斗缸铰接在动鹫上共有牵连终爝,使铲_主在绕斗秆与动臀铰点转动静鲻对又 绕铲斗与斗杆铰点作反方向转动,所以在机构设计合理

37、的前提下,反操纵斗杆缸 能实现水乎铲装作业(且在水平推压过程中保持斗的切肖I角不变,无须操纵动臀缸 魏铲萼越l埔。S T图2.2正铲液压挖掘机机构简图Fi92.2The structure sketch of face shovel hydraulic excavatorJ2.3.1动鹜机构运动分析如图2.2所示,国,如,岛分别袭示动臂、斗杆及铲斗相对于上一级构件(即 转台、动臀、斗杼的转角【13l。囊鹫AB豹整萋羹凌髯潼赶FD熬长度豇滚定。勋移动鸳零孚矮建国关 系可用下式表示:嗽+一一一,-瓮警登重庆丈擎硕士学位论文国一瓮髻】_一+一 , 式中:。M点到N点的躐离。(下同,么饿,射线OM和射

38、线ON的夹角,即OM顺时钟旋转lLMON4与ON重会,本文矮定瑷j嫒辩镑旋转为歪,逆辩铮旋转梵囊, 即.WMON=.-/NOM。(下同设动臂油缸全缩时动臀倾角为乱。如,动臂油缸全伸时动臂倾角为以;当 LI=Lj。m积l=拥;辩,朗可求褥01翁极限范围l绣椭,绣。嗣:a叫笔等一删F+一¨一s(酱卜一+一2,3.2斗杼机构运动分析曩上,尊释援稳BG翡整置叁萼释灌基CH瓣长度岛决定,三2鞠萼耱与 动臂夹角如的关系如下:谳一例一GBH-瓮警伽一(%警+z洲+GBH 设萼爨演薤全练辩萼耱与蘩譬夹受为.毽t萼释涵缸全拳辩斗舞与动罄炎角 为02m。;当k=bmin和kk。时,即可求得02的极限范围

39、【02Ini,e2。】_鼢一s(紫】“一GBH 圳cco皆+一“GBH2.3.3斗秆.铲斗酉边彩橇稳牵连运动分橱耩削塌基于带浮动机构挖掘机铰点的特殊布置方式,+即把铲斗缸的铰点E由斗秆移 到动臂端部(如图2.2所示,使铲斗机构增加了一个自由度。此时铲斗相对于斗杆 豹囊度e3不只是虫铲斗积懿长度b决定,露虽遥受裂动臂与斗姆鲍夹角黪02的影响,03是斗杆、铲斗两组液压缸长度的函数,鞠02和如存在相互牵迄遮动 的关系。2正铲液压挖掘机工作装置机构特点及运动分析图2.3斗杆铲斗四边形机构简图Fi92.3Quadrangular device sketch ofarmand bucket通过对挖掘机计算

40、机三维模型的建立、运动仿真以及实际测试中得到的各个 角度的变化情况可知,当02=如一定时,嘲和岛妇。的角度值受到如的大小、 斗杆缸的瞬时长度1.3伍3,三栅】以及斗杆上、下限位块的影响(限制 03【矽m。,如。】。对于这种情况,把如作为自变量,岛姗,和如*未作为因变量, 同时把上口以及斗杆上、下限位块作为限制条件,对四边形机构进行分析(如图2.3。 令ZEBG。0,从简图中分析可得,当02取一定值如【如嘲,如一】时,相应 的有见一如,通过几何作图法或数值计算法可求得一系列的03,【岛加妇,以衍。】 【以一,如。】。则只需确定当02=如时对应的岛椭和矽i自。,即可求得易一岛 之间的牵连运动关系。

41、本文采用Visual Basic.进行编程,运用数值计算方法对四边 形机构进行了分析,详细计算过程如图2.4计算流程图所示。11重庆大学硕士学位论文_, N. ,Ni厂。L厂。L1广土_了峥-。岛i(竺竺:±蔓鬯=:竺:旦 。+.j.。,._j。,.,.。.j国2.4谤葬流程鬻Fi92.4Flow chart ofcalculation同理即霹求褥岛一嵌之阕鲍牵逡运动关系。2.4小结本章遮用数值方法对芷铲液压挖掘机工作装嚣进行了运动分析,特别针对斗 抒.铲斗圈逸形撬麴懿牵连运魂薅菇浚纾了分摄,撵滋了蓬铲滚溉挖握规霞迭澎辊 构牵连运动分析法,并蒸于VB编程环境下,运用VB强大的界面开发

42、功能和可视 化特性【14J,编制程序(程序在后文中介绍实现了运用图形对牵连关系的直观表达。 该方法对艇骞豢珏边形桃褥毂正铲波艨挖掘枫鳃零连运魂分辨荚毒通曩性,纛在 实际应用中得到了验谣,对挖掘辊工作装置的设计其有指导襻用。弱时,发现在 牵连运动关系中,液压油缸影响区域所占的比例对整机的综合挖掘性能有着蘑要 的影响,这对该类型正铲液压挖掘机优化设计提供了宝贵的参考, 对我国藏铲液 蘧挖藏瓤浚计理论熬发袋蒸有重要熬意义。3挖掘力数学模型的建立3挖掘力数学模型的建立3.1引言一般来说,数学模型可以描述为,对于现实世界的一个特定对象,为了一个 特定目的,根据特有的内在规律,做出一些必要的简化假设,运用

43、适当的数学工 具,得到的一个数学结构【17。挖掘力是衡量液压挖掘机挖掘性能的最重要指标之 一,我们需要的是挖掘时在斗齿尖能够发挥的最大的挖掘力值,可根据工作装置 机构几何尺寸、力学规律,运用数学工具,推导挖掘力数学模型【埔】。3.2挖掘机位置模型的建立以动臂与主机铰点A作为坐标原点,建立直角坐标系XAY(如图2.2。主机 重心为GO点,动臂油缸与主机铰点,; 纵向挖掘时,r点和S点为履带驱动轮 和从动轮轴心分别在地面上的投影;横向挖掘时,丁点和S点为两履带中心线在 地面的投影。在实际作业过程中,司机通过操纵4组液压油缸的伸缩来实现挖掘, 提升、卸载的全过程,而在挖掘过程中,只要知道了01、02

44、、03即可以确定挖掘 机上各个点的位置。动臂上各点的坐标为:L.-xsinotL。xsin(0lI.BACIL.,xsin(#1一/-BADL。xsin(01一I.BAE二口。xsin(9l-LBAGl斗杆上的点,以B点作为参考点,各点坐标为:X。1X。+k xcosp。+日:一一 1IXH I=lX口+k xCOS(Oj+口2一g一/GBHl_【Xa:J【X。“虹zxoosp-枷zj-LGBG2J 陬1陬+xsin(01+0:一 1 I%1.IK+k×sinp。+口:一口一/_GBHI 【y02J k“岵2xsin(ol枷:“一Z-GBG2I铲斗上的点,以G点作为参考点,各点坐标为

45、:(3.1 (3.2 (3.3 (3.4鲻盘 吣砩吨姚砷 小¨小小铋“肼如如重庆大学硕士学位论文X;X。+xeos(2x-0,一毪一懿 k HX。+L口×cos鼢电幔一如一LIGJI (35 【xJ lX6+L印xcos(2口一0l一口2一岛一LIGG3lYl 1pro-LIi xsin(2n"-01一岛一织 1|YJ llKL×sin(2嚣一壤一&一岛一LIGJ |. (3国 【Y03j l YGb×sin(2石一吼一02一岛一LIGG31ll式中:舶,b广_一膨点的X坐标使,肘点的Y坐标值(M-a,B,C.。 逶遂浚点数篷方法,经意

46、绘定兜、免弱国,粼霹求褥各铰赢、重心及萼巍尖 的坐标位鬻。3。3力学模型的建或 在对童佟装置迸彳亍辍标位置分耩瀚基础上,本文以级商斗杼挖掘工况为铡建 立挖掘图谱的力学模型。S豳3.1力学摸壁标示Fi93.1Mechanics model labeling3.3.1力瞽的计算裰据图3.1中菩煮的坐标位置,研以计算得出:动臂油赦DF对点豹作 用力臂西,斗杆油缸CH对B点的作用力臂胁,铲斗油缸EI对口点的作 用力臂En,铲斗油缸麟对G点的作用力臂鼢。壬意袋嚣动鹫、萼释、铲斗漓鬣长度蔻:143挖掘匆数学模型的建藏五L2厶 t每,一Y蠢专嚎,一X0阢一砭2+阢一鼠2厄j了硒丽 (3.7蜜3。2琴串趣累毯

47、镑赢瓣毽重竺豁,瑕嚣熹鞠纛线嚣羟麓哭叁,霹累蹬爸9凝 压缸的力臂值。E.匮!坠:垦!:匕兰堡里:篓!二垄!兰坠:墨!圣兰然旦二圣! (3.8 E._-一 ,.n I E。瞻兰坠二蔓!:垦兰坠:墨i二丝二圣!羔墨!垫:墨!兰型 移 . z _o一 1.,.y, E一陵兰堡:垦2:圣照二篓2:篮二垦2苎§!亟:墨2兰到 (3.1m C1,_粕¨一 Io1u, E,。|圣兰鲨二圣i:篷二兰造旋二堡二圣!苎圣±堕:丝!兰舅0.11 33_“:一楚援力方囊取垂耋予JB连线方露t蘩塑3.1飘零:则:E瓶j了硒丽 (3.12。照些幽生坠型毪坐丝超k坠型型鲫3 E。l圣二圣!兰墨

48、!咝二圣!羔基二逛!:羔!兰墨二煎:墨!兰塑 为。 l 锦 l 巳。照苎超型盟墨鹚尝生型些堂趔似5 互。照垫丝坚坠型氅警型坐墅鱼墨趔(3.16o曲 式中;岛挖掘力对B点的力臀:琶。毒窆握力瓣A熹兹力罄; Ejg宅掘力对G点的力臀; 马t宅掘力对T点的力臂; E。麓握力蹲s点的力臂。重庆大学硕士学位论文3.3.2工作油缸理论挖掘力模型九JFod(a (b图3.2铲斗,斗杆油缸理论挖掘力计算简图Fi93.2The calculation sketch of theoretical excavating forces of aim and bucket cylinder正铲工作装置主要采用斗杆油缸进

49、行挖掘,铲斗油缸在挖掘过程中主要起调 整切削角度和破碎岩土的作用。假定不考虑下列因素:工作装置自重和土重;液压系统和连杆机构的效率;工作油缸的背压。如图3.2a所示,铲斗挖掘时铲斗油缸的理论挖掘力为:。F3s-E33(3.17 Li暑式中:F39铲斗油缸最大工作压力,F39=A3xP3xn,A3为铲斗油缸大 腔作用面积,P3为铲斗油缸液压系统工作压力(Pa,n为液压缸 数目(单缸为1。双缸为2。由图3.2b所示,以铲斗和斗杆机构为隔离体,可得方程组:限×E33-XE庸I,2i xE2+F3xE32-矗j×%解方程可得斗杆油缸的理论挖掘力为:(3.18 式中:F29斗杆油缸最

50、大工作压力0"0,F29=A2xP2xn,A2为铲斗油缸大腔3挖掘力数学模型的建立作用面积,P2为铲斗油缸液压系统工作压力(Pa,n为液压缸数 目(单缸为1,双缸为2。对于正铲液压挖掘机,动臂油缸的理论挖掘力一般不予考虑,动臂油缸在挖 掘过程中主要应考虑其闭锁情况以及在最大半径处附近的满斗提升性能,计算方 法在后文中有详细介绍。3.3.3整机理论挖掘力模型液压挖掘机处于某一工况下工作油缸的主动挖掘力能否实现主要取决于下列 条件:工作油缸的闭锁能力;整机的工作稳定性;整机与地面的附着性能;土壤(或其它作业对象的阻力;工作装置的结构强度。当全面考虑这些条件后求得的工作油缸能实现的挖掘力值

51、就是整机在该挖掘。 工况下的挖掘力。 求整机理论挖掘力按下列假定进行:考虑整机自重,有相对运动的构件重量分别计算,液压油缸重量简化到连一 接的两铰点上(如图3.3;图3.3液压油缸重量计算简图Fi93.3The gravity calculating sketch of hydraufic oil cylinder在挖掘过程中斗中土重视为主动油缸长度的分级线性函数,其重心与铲斗 重心一致; 不考虑液压系统和连杆机构的效率;不考虑油缸小腔背压;不考虑土壤阻力和工作装置结构强度的限制;不考虑其它因素如停机面坡度、风力、惯性力、动载等的影响。17重庆大学硕士学位论文患妻盏锟若似 吣(X03_xB一挚

52、×(X。也一譬×(弘x,l以。%、p”。 卜×量一Gl×邑。一G2×石。:一G3×如,一譬×如一瓯×墨生一x1妊+-蜀-1 jkl一上=-=一 ×如一G3x(X。一以一了G30×,一瓦13挖掘力数学模型的建立取整机为隔离体,对丁点取矩,前倾条件限制的挖掘阻力为:; 卜 ×陆 蚺 × 喝 卜 坻 一 (学一x1么zJ , =I 、 ,l,口Lj【一G:ox(学一赫卜×(半一坼 .J厂 取整机为隔离体,对S点取矩,后倾条件限制的挖掘阻力为:f:卜xk一+c"(

53、xo,一K+G2x(a2一K+G3×(屯一K+Gl。×(量笋一K1么(3.24 卜(半一K蛳(学一Kl/ 综上所述,挖掘力的充分发挥只有在主动油缸产生的挖掘力F砬同时满足下列 条件时才可能实现:动臂油缸闭锁条件F如=F。,m=Fwol铲斗油缸闭锁条件F02=Fw02=Fw03整机与地面附着条件-I沁=F吡=F。04整机前倾条件f如=F,02=Fw05整机后倾条件R2-F。02=R06否则,整机能实现的理论挖掘力被F唧0l,民m,R瞄,Fw05或Fw嘶中的最小值 所规定。即整机理论挖掘力为其中的最小值:、 F02-rain疆woI,Fw昭,F。03,F。蚪,F们5(或Fw曲需

54、要指出图3.2所示工况为斗杆油缸主动挖掘,若用铲斗油缸主动挖掘时,R,03应取铲斗油缸主动产生的挖掘阻力值,而F如2应取斗杆油缸闭锁能力所允许的挖 掘阻力值.挖掘力和挖掘阻力的方向都应垂直于GJ的连线方向。如果考虑到整机理论挖掘力计算时简化假定中忽略的某些因素,则可求得整 机的实际挖掘力。当用于某些特殊作业条件时求整机实际挖掘力必须考虑坡度、 风力等影响。3.4小结本章运用数学方法,分析挖掘机工作过程中各个关键点的位置变化情况,建 立关键点的位置模型;综合考虑挖掘机实际作业中液压油缸动作情况(主动或闭 锁,建立了挖掘力发挥的力学模型,得到了各关键点的坐标和影响挖掘力实现的 限制条件,从而为下一

55、步的分析提供了依据,并为挖掘图谱的程序实现奠定了理 论基础。194基于测试的挖掘阻力分析4基于测试的挖掘阻力分析4.1引言正铲液压挖掘机主要用于采矿装岩作业,工作对象坚硬,必须采用切削厚度 较小、挖掘行程较长的挖掘方式,所以在挖掘过程中一般都以斗杆挖掘为主,而 动臂缸、铲斗缸则主要起调节铲斗位置和切削后角的作用。当斗杆挖掘将近结束 时,铲斗油缸伸出,对工作面进行破碎并进一步充斗,然后动臂油缸举升,使斗 和土壤离开掌子。液压正铲的发展比液压反铲晚,特别是用于采矿和装载方面的正铲国外也是 近二十年才开始,因而对于正铲工作装置挖掘阻力理论的研究较少,缺乏成熟、 完整的资料。因为挖掘力与挖掘阻力的匹配

56、情况对挖掘机的挖掘性能有着很大的影响,挖 掘力太小挖掘能力自然降低,但挖掘力太大或者其变化规律与挖掘阻力的变化不 适应,则功率利用率要降低。本文研究的大型正铲液压挖掘机铲掘对象主要是爆 破后的矿石和岩石,在实际挖掘中存在很大的随机性,导致挖掘过程中载荷情况 复杂且无规律可循。现阶段对正铲液压挖掘机挖掘阻力的研究还未有任何经验公 式可循,国内外也没有正铲液压挖掘机的载荷谱,所以本文采用对实际挖掘工况 进行测试的方法对挖掘阻力进行分析。4.2测试原理建立挖掘机工作装置姿态和各液压缸工作压力同步测试系统,对某70t级正 铲液压挖掘机的实际正常挖掘工况进行实测,即在挖掘机正常挖掘时,同步测试 并记录工

57、作装置的瞬时姿态及各液压缸两腔的瞬时压力值。挖掘机挖掘性能现场测试是在某施工工地上完成的,挖掘对象是较松散的岩 土。工作装置姿态测试所用的仪器有HY65.D型角位移传感器,RS232/RS485接 口转换器及微型计算机。同时,同步测试并记录各液压缸两腔的瞬时压力值。测 试系统框图如图4.1。4.3测试仪器HY65.D型角位移传感器为了确定工作装置的姿态,用3个HY65.D型角位移传感器来分别测量动臂 相对于机座、斗杆相对于动臂和铲斗相对于斗杆的转角。HY65.D型角位移传感器 形状如图4.2所示。将它们分别安装在动臂与机座、斗杆与动臂和铲斗与斗杆连接 的销轴的中心处。重庆大学硕士学位论文I 各液压缸大小腔压二测试系统图4.1测试系统框图Fi94.1The bl