小型液压挖掘机工作装置的参数化设计及仿真分析

1、西南交通大学硕士学位论文小型液压挖掘机工作装置的参数化设计及仿真分析姓名：陈钰尘申请学位级别：硕士专业：驱动技术与智能系统指导教师：王国志20100301西南交通大学硕士研究生学位论文第页摘要液压挖掘机是一种应用广泛的多功能的建设施工机械，作为工程机械的主力机种。由于液压挖掘机具有多品种，多功能，高质量及高效率等特点，因此受到了广大施工作业单位的青睐，其生产制造业也日益蓬勃发展。通过查阅国内外挖掘机发展状况的资料，了解到国外著名厂家的液压挖掘机在设计方法上重视试验研究工作，重视电子计算机技术的应用，而国内的厂家则更多的停留在测绘仿制阶段，系统的计算机辅助设计应用还不够广泛，不够成熟。本文在此方

2、面展开研究，完成了一套用于挖掘机工作装置设计的计算机辅助设计方法。首先，以三维建模软件为平台，使用和等工具开发出工作装置参数化设计模块，在用户自定义界面中输入基本参数后，便可快速建立工作装置各部件的模型。其次，对参数化建模得到的各部件模型进行装配，将装配后的模型导入到软件中进行运动学、动力学仿真。通过控制挖掘机工作装置动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的运动可完成各种挖掘轨迹。进行挖掘机包络曲线的挖掘过程仿真，可以得到最大挖掘高度，最大挖掘深度等工作尺寸参数。最后，通过经验公式计算得到载荷，将其施加在铲斗齿尖上，便可在中进行动力学仿真，并将仿真得到的载荷文件导入到软件中，作为有限元分析的边界条件，进

3、而提高了有限元仿真分析的精度及自动化程度，实现了和软件之间的联合仿真。为验证仿真分析的正确性，本文将矩阵法应用在工作装置的机构分析中，计算所得结果与仿真结果基本一致，说明仿真分析的正确性。为提高仿真精度，本文将工作装置中的关键部件柔性化，考虑构件在受力情况下的弹性变形，在中进行柔性体动力学仿真分析。本文使用了、和这个工程类软件，实现了挖掘机工作装置的计算机辅助设计，它可以提高产品的开发效率，缩短产品设计周期，提高产品质量和可靠性，从而能产生较为明显的经济效益。关键词：液压挖掘机；工作装置；参数化：二次开发；联合仿真西南交通大学硕士研究生学位论文第页，（），（），西南交通大学硕士研究生学位论文第

4、页，：；西南交通大学四陶父迥大罕学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于保密口，在年解密后适用本授权书；不保密函使用本授权书。（请在以上方框内打“，）学位论文作者签名：辱鹚哆日期：；指导老师虢叫日期：砌。够。“西南交通大学硕士学位论文主要工作（贡献）声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下：以软件为基础，使用脚、等工具开发出挖掘机工

5、作装置参数化建模平台，实现挖掘机工作装置三维模型的自动绘制。使用和软件对挖掘机工作装置进行联合仿真，实现了在软件中的柔性体动力学分析，并将仿真结果以载荷文件形式施加到有限元模型上，提高了仿真精度及自动化程度。本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。学位论文作者签名：渤移坐日期：少口；多课题的提出背景第章绪论在国家宏观调控政策的影响下，我国工程机械产业进入了加速增

6、长阶段，呈现出前所未有的繁荣态势，工程机械装备已经成为我国国民经济发展的支柱产业之一。液压挖掘机是工程机械的一个重要品种，是一种广泛用于建筑、铁路、公路、水利、采矿等建设工程的土方机械。随着国家基础设施建设的增加，挖掘机的需求越来越大，产品更新换代速度不断加快，随之而来的是挖掘机行业的空前发展。企业要提高竞争力，必须缩短新产品研制和开发周期，同时提高产品的设计质量和降低开发成本，这样才能满足市场不断变化的需求。世纪八九十年代以来，小型工程机械在市政工程、交通等施工中发挥了较大优势并得以迅速发展。小型液压挖掘机在这些工程中为节省人力、物力做出了较大贡献，满足了城市各种作业要求，在城市狭窄的工作空

7、间内能够最大限度地发挥其生产能力，逐步成为城市施工中具有代表性的施工机械。推动小型挖掘机市场快速发展的因素【】：（）小型挖掘机具有广泛的适用性；（）小型挖掘机具有多功能性；（）小型挖掘机便于运输和转移作业场地：（）尾部旋转半径为零的设计应用；（）小型挖掘机投资回报率高。鉴于小型液压挖掘机市场潜力大，国内外相关研究人员对挖掘机整机及其主要部件进行了理论和试验研究，提高了挖掘机的设计水平。由于国内液压挖掘机制造业起步晚、基础薄弱，目前国内挖掘机制造企业多采用类比法进行工作装置的设计，工程应用常出现各类问题，直接影响了国内挖掘机行业的发展，和其他工程机械产品相比，国产液压挖掘机竞争力较弱，在国内的市

8、场占有率是最低的。国产挖掘机存在的劣势表现在研发投入不足、核心技术少、制造工艺手段和方法落后、不注重细节、关键零部件受制于人、资金紧缺、专业队伍不稳定、市场定位不准确、缺少规模优势等方面。本文就结合与企业的合作对小型液压挖掘机工作装置进行设计及研究，初步开发出整个工作装置的计算机设计平台，缩短产品从设计到生产的周期。小型液压挖掘机概述小型液压挖掘机的定义小型挖掘机的定义：国标土方机械基本类型术语中规定，整机质量吨的挖掘机为小型挖掘机。而国际标准中也规定整机质量吨的为小型挖掘机（），有的标准将吨以下的称为微型挖掘机（）。而国内的小型液压挖掘机统计是基于吨以下的。小型液压挖掘机的主要生产企业国外的

9、主要生产企业有：（久保田）、（、松）、（洋马）、熙（山猫）、（卡特）、（竹内）、（沃尔沃）、（杰西博）、（日立）、（石川岛）、（斗山）、（现代）。国内的生产企业达到了百余家，其中包括玉柴、山河智能、徐工、厦工、柳工、龙工、三一重工、中联重科、合肥振宇、福田重工等国内工程机械的传统企业，还有一些卧薪尝胆多年、近一两年才发展起来并崭露头角、还不为大家所广泛认识的犀牛重工、愚公机械、山东恒特、普什重机等新品牌。小型液压挖掘机的发展方向经历了三十多年的历史演变过程，小型挖掘机的技术发展顺应全球多样化施工现场的需求，经过不断的改进完善，在技术性能、作业功能、作业效率、安全、环保、节能和维护保养等方面有了

10、大幅度的提高，形成了比较一致的技术标准和作业规范。主要体现在以下几方面：（）无尾回转和动臂偏转技术。在机体前部的动臂偏转机构能够实现位于墙根附近的直接挖掘作业，而无须频繁移动机身。无尾回转结构的应用，使其在狭窄地带作业时无须担心尾部的碰撞：（）新型液压控制技术。新型液压控制技术应具有作业效率高、操作性能好、具有良好的经济性和环境适应性，可进行高效率、强有力的作业；（）安全性。给操作人员提供安心作业的环境，提高操作人员的安全性；（）环保技术。应用高功率、低油耗、清洁排放的发动机，使排放控制在最低限；（）人机工程技术。司机室符合人机工程学原理，内部宽敞，视野开阔，造型美观，操作方便，省力，仪表显示

11、直观，准确；西南交通大学硕士研究生学位论文第页（）维修保养技术。简化日常保养维护及正规的检查维护操作。挖掘机的研究发展情况挖掘机械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年英国人发明的蒸气“挖掘铲。而能够模拟人的掘土工作，在陆地上使用的蒸气机驱动“动力铲”于年在美国诞生，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，距今已有多年的历史。年，德国研制出世界上第一台全液压挖掘机。由于科学技术的飞速发展，各种新技术、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【。

12、国外的研究发展情况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、德国和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。国外液压挖掘机在设计方法上重视试验研究工作，重视电子计算机技术的应用，在技术方面，当前液压挖掘机的研制和改进主要着眼于发动机功率的充分有效利用和铲斗挖掘力的充分发挥，采用新结构和新材料。国外的众多学者对挖掘机的轨迹控制，工作装

13、置的运动学和动力学分析，自动控制系统，工作装置的建模和优化，液压系统的参数优化，挖掘过程的参数化仿真以及采用一些先进算法和手段对挖掘机进行优化设计方面都展开过了深入的研刭。国内的研究发展情况早在年我国就已开始生产机械式挖掘机，当时的抚顺重型机器厂（抚顺挖掘机厂的前身）引进了苏联的机械式挖掘机。从年开始开发液压挖掘机，年代为国内液压挖掘机的开发阶段，以测绘仿制为主的开发，通过多年坚持不懈的努力，克服一个又一个的困难，有少量几种规格的液压挖掘机终于获得初步成功，上海建筑机械厂的、贵阳矿山机器厂的、合肥矿山机器厂的为那个时代产品，这为我国挖掘机行业的形成和发展迈出了重要的一步。年代为液压挖掘机发展、

14、提高并全面替代机械挖掘机阶段，这个阶段通过各主机生产厂引进技术（主要是西南交通大学硕士研究生学位论文第页德国挖掘机制造技术）的消化、吸收和移植，使我国液压挖掘机产品的性能指标全面提高到国际年代末年代初期的水平。该阶段以长江挖掘机厂的和杭州重型机械厂的为主要代表。到了年代，液压挖掘机生产企业数量增加，新加入挖掘机行业的国有大、中型企业以技贸结合、合作生产方式联合引进日本挖掘机制造技术。由于国内对挖掘机需求量的不断提高，打破了多年来主要由六大家挖掘机生产企业垄断国内挖掘机市场的局面，引起了有益于提高产品质量、性能和产量的良性竞争。当时的山东推土机总厂，黄河工程机械厂，江西长林机械厂等开始加入了挖掘

15、机的行业。上世纪年代至今，国外各著名挖掘机制造厂商纷纷前来中国创办合资、独资挖掘机生产企业，它们的产品规格全，以高质量、高性能、高效率迅速占据了国内的主要市场。我国液压挖掘机行业的大发展是近二十年特别是年后十年的事，我国挖掘机行业从一个弱小行业逐渐成长壮大起来，使中国成为当今世界上最大的挖掘机市场，也成为世界挖掘机的制造中心。所谓世界挖掘机的制造中心，是因为世界上各工业发达国家著名的挖掘机制造商几乎全部进入中国。在液压挖掘机的研究方面，国内的很多学者也做了大量的工作，可归纳为如下【】：（）工作装置的有限元分析；（）工作装置铰点间隙的研究；（）工作装置的运动分析；（）工作装置的优化。目前研究液压

16、挖掘机工作装置设计的重点在于：（）提高工作装置结构件的可靠性和耐久性；（）对现有工作装置机构的计算机辅助计算和优化设计，提高挖掘机的挖掘性能，同时使挖掘机设计人员从繁忙的计算中解脱出来。本课题的研究内容及意义本文主要研究的内容如下：（）通过分析确定建立小型液压挖掘机动臂和斗杆模型所需的主次要参数，在平台上，利用开发环境，对小型液压挖掘机工作装置的动臂和斗杆进行参数化建模。使用的开发工具为：编写参数化模型，控制用户界面，制作用户界面，却定制菜单。（）对建立的模型进行运动学和动力学仿真分析，计算出其主要性能参数，验证是否满足设计要求，同时通过模拟典型挖掘工况，计算工作装置在最恶劣情况的受力西南交通

17、大学硕士研究生学位论文第页大小，为动臂斗杆的结构强度分析做准备。（）利用大型软件和进行联合仿真，分析挖掘机工作装置各部件在挖掘过程中的应力分布和大小，验证是否满足强度要求。通过以上的工作，能够加快工程师开发新机型的速度，所开发的参数化建模平台在参数设置合理的情况下能很快建立基本的三维模型，减轻了建模劳动强度。在有限元分析方面，前人已经做了相当多的工作，但他们的载荷大都通过人为计算后再手动施加，本文则通过从软件中导入载荷，使仿真过程更接近实际，也提高了自动化程度。西南交通大学硕士研究生学位论文第页第章挖掘机的介绍及仿真平台开发概述挖掘机根据周期作业方式和连续作业方式可以将其分为：单斗挖掘机和多斗

18、挖掘机，按照用途又可以将单斗挖掘机分为：建筑型、采矿型和剥离型等。建筑型挖掘机一般可装置各种不同的工作装置，进行多种作业，故又称通用型（或称万能型）。按照传动方式，挖掘机分为机械传动式、液压传动式和混合传动式。本文研究的对象是液压传动式通用型挖掘机，即单斗液压挖掘机，后续的研究分析都是围绕该机型展开的，所指的挖掘机均为单斗液压挖掘机。液压挖掘机的基本组成及工作原理单斗液压挖掘机是一种采用液压传动并以一个铲斗进行挖掘作业的机械。它是在机械传动单斗挖掘机的基础上发展而来的，是目前挖掘机械中的重要品种。它的作业过程是以铲斗的斗齿切削土壤并将土装入斗内，斗装满后提升回转至卸土位置进行卸土，卸完后铲斗再

19、转回并下降到挖掘面进行下一次挖掘，因此，是一种周期作业的自行式土方机械。液压挖掘机的组成单斗液压挖掘机主要由工作装置、回转装置、行走装置、动力装置、操纵机构、电器控制装置、液压系统及辅助设备等组成。如图所示。工作装置是液压挖掘机的主要组成部分之一，是直接用来进行挖掘作业的施工工具，它利用液压缸伸缩来完成动臂升降、斗杆推拉和转斗，其动作接近于人的手腕运动，具有较大的挖掘力和较好的作业性能。液压挖掘机最常用的工作装置是反铲和正铲，同时也能换装起重、抓斗、装载、松土、钻孔、破碎等多种工作装置。反铲工作装置是液压挖掘机的一种主要工作装置形式，特别是中型，小型液压挖掘机基本都采用反铲工作装置。正铲工作装

20、置在大型，超大型液压挖掘机上的应用较为广泛。反铲工作装置的主体部分由动臂、斗杆和铲斗组成，同时有三组液压缸驱动它们，分别称之为动臂油缸，斗杆油缸和铲斗油缸。它们组成了工作装置的三大机构：动臂机构、斗杆机构和铲斗机构。其中动臂斗杆机构都是杆机构，铲斗机构则较为复杂，铲斗油缸的运动通过摇杆和连杆传递到铲斗上组成了连杆机构。（）动臂机构。动臂机构中的动臂结构可分为整体式和组合式两类，整体式动臂要奎兰翌奎兰翌三竺窒兰兰竺兰兰翌：墨藏压泵撵烈手柄脚踏两控制汕漂台圉液压挖掘机基本组成及传动示意图结构简单、价廉，刚度相同时结构重量较组台式臂轻，缺点是替换工作装置较少，通用性较差。整体式动臂有直动臂和弯动臂两

21、种，直动臂结构简单、轻巧、布置紧凑，主要用于悬挂式挖掘机如图（）所示，采用整体式弯动臂有利于得到较大的挖掘深度，一般说，长期作用于作业条件相似的反铲采用整体动臂结构比较合适，其结构如图）所示。考虑到动臂强度，动臂的弯角一般不宜太小，推荐取。为了结构宣于实现，动臂的仰角一般不大于。俯角一般不小于。由此保证儿何参数在运动过程中均成立【。在设计动臂油缸时，应满足行程要求，油缸作用力要求，以及能够提供足够的闭锁力。（）斗杆机构。斗杆也有整体式和组合式两种，大多数的挖掘机都采用整体式斗杆，所以在此不对其展开讨论。在反铲工作装置作业时，斗杆起者将铲斗拉近的作用，因此对挖掘机的挖掘性能影响很大。斗杆越长，其

22、作业范围越广但挖掘力相对愈小，并且考虑到车体的稳定性，长斗杆一般装小窑量的铲斗；斗杆越短，作业范围变小，但切削力增大，故可在硬地面或用大容量铲斗进行高教快速的挖掘作业。西南交通大学硕士研究生学位论文第页）直动臂）弯动臂图整体式动臂在设计斗杆油缸时，也应满足行程要求，油缸作用力要求以及能够提供足够的闭锁力。保证斗杆的摆角范围大致为，在满足工作范围和运输要求的前提下，此值应尽可能小些【】。（）铲斗机构。铲斗在挖掘时的转角大致为，为了满足开挖和最后卸载及运输状态的要求，铲斗总的转角往往要求达到。当铲斗缸全缩时，齿尖可能在斗杆的延长线上，或者，在其上车处，在个别情况下，为了适应挖掘深沟及垂直侧壁的作业

23、要求，为不使斗底先于斗齿接触土壤，常采用大仰角机构，此时，仰角可达一。”铲斗机构挖掘力的要求：要求铲斗最大理论挖掘力应与铲斗最大挖掘阻力相适应，当铲斗以的仰角开挖时，最大挖掘力一般出现在斗杆的延长线下侧处，也即铲斗挖掘时转角行程的一半处，此时挖掘土壤的厚度最大，挖掘阻力也最大。液压挖掘机的工作原理液压挖掘机的回转、行走和工作装置的动作都由液压传动系统实现，原动机驱动液压泵，把压力油送到多路换向阀，通过司机的操作，将压力油单独或同时送往液压执行元件（液压马达和液压油缸）驱动执行机构工作。首先液压挖掘机驱动行走马达进入作业面，挖掘机司机扳动操纵手柄，使回转马达控制阀接通，于是回转马达转动并带动上部

24、平台回转，使工作装置转向挖掘地点，在执行上述过程的同时操纵动臂油缸换向阀，使动臂油缸上腔进油，将动臂下降，直至铲斗接触地面，然后司机操纵斗杆油缸和铲斗油缸的换向阀，使两者的大腔进油，根据实际情况选择铲斗挖掘，斗杆挖掘或者复合挖掘，进行复合挖掘动作能提高挖掘西南交通大学硕士研究生学位论文第页效率。铲斗装满后将斗杆油缸和铲斗油缸的操纵手柄扳回中位，使铲斗和斗杆油缸闭锁，再操纵动臂油缸换向阀，使动臂油缸的下腔进油，将动臂提升，举起装满土的铲斗离开工作面，随即扳动平台回转换向阀手柄，使上部平台回转，带动铲斗转至运输车辆上方，再操纵斗杆油缸使斗杆高度稍降一些，并在适当的高度操纵铲斗油缸使铲斗卸土。土方卸

25、完后，使平台反转并降低动臂，直至铲斗回到作业点上方，以便进行下一工作循环。挖掘工况分析单斗反铲液压挖掘机是中小型液压挖掘机的主要工作装置，根据作业环境的不同，其工况也会变的纷繁复杂，但总结起来可以归纳为典型挖掘工况、满斗举升回转工况、卸载工况、空斗返回工况、整机移动工况和姿态调整与保持工况。（）典型挖掘工况，该工况可分为铲斗挖掘工况，斗杆挖掘工况和复合挖掘工况。铲斗挖掘工况工作效率较高，主要用在挖掘松软的土壤。斗杆挖掘工况的特点是效率较低，主要用于挖掘较硬的土质情况。实际情况中，往往是采用铲斗和斗杆同时作用的复合挖掘工况，同时配合动臂的运动，以此满足实际环境中的复杂要求。（）满斗举升回转工况，

26、该工况占据了整个挖据周期的一半时间，很多情况下需要进行回转马达、动臂、斗杆和铲斗的复合动作。挖掘结束后，动臂油缸将动臂顶起，满斗举升，同时回转液压马达使转台转向卸载处，同时斗杆要外放，有时还需要对铲斗进行调整。（）卸载工况，工作装置回转至卸载位置时，转台制动，用斗杆调节卸载半径和卸载高度，用铲斗油缸卸载。为了调整卸载位置，还需要动臂配合动作。卸载时，主要是斗杆和铲斗复合动作，间以动臂动作。（）空斗返回工况，当卸载结束后，转台反向回转，同时动臂油缸和斗杆油缸相互配合动作，把空斗放在新的挖掘点。此工况是回转马达、动臂和斗杆复合动作。（）整机移动工况，小型挖掘机的行走速度通常分为低速和高速两档，所指

27、的高速也只是相对的高速，般在，所以挖掘机不会依靠自身动力进行长距离移动，移动范围通常只限定在工地内，长距离移动需要借助其它运输工作。挖掘机具有一定的爬坡能力，最大爬坡角可以达到。行走的动力是依靠液压泵输出高压油到左右行走马达来得到的。（）姿态调整与保持工况，液压挖掘机工作装置和其它功能运动的制动与锁定，要满足接地比压要求，并保证合适的停放、运输尺寸、姿态及其特殊的检查姿态。液压挖掘机的主要性能参数及设计要求液压挖掘机经常启动、制动、换向，外负载变化很大，工作条件恶劣，冲击和振动多，这些都对液压挖掘机的设计提出了较高要求。同时由于作业环境的多变，在不同环境下对挖掘机的某些性能要求也会有所不同，本

28、文只对最为常见的情况展开讨论。液压挖掘机的主要参数液压挖掘机的基本参数可以分为以下几判】：（）发动机参数，如发动机额定功率、转速等；（）液压系统参数，如主泵的流量、压力等；（）主要性能参数，如整机工作质量、部件质量、标准斗容、挖掘力及牵引力；（）尺寸参数，如工作尺寸、机体外形尺寸和工作装置尺寸等。挖掘机工作装置作为本文的研究对象，其结构决定了挖掘机的最大挖掘高度、最大卸载高度、最大挖掘半径、最大停机面挖掘半径和最大挖掘深度这类工作尺寸，同时也在一定程度上影响挖掘力的大小，因为机构尺寸决定传动比。液压挖掘机设计要求（）几何尺寸要求。几何尺寸要求满足一定的作业范围和合适的运输尺寸。工作装置的几何尺

29、寸要求满足各工作范围参数和挖掘力参数达到最优分配，同时工作装置的几何尺寸还必须满足停放和行走时的整机稳定性要求。（）运动和动力特性要求。发动机和泵所提供的功率要求能满足各类工况在全载荷工作下各执行机构所需功率的总和，同时考虑到极端恶劣情况的发生，要求整个系统能够承受短时过载的发生。（）结构强度要求。液压挖掘机结构强度是工作装置设计的关键之一，工作装置的结构和所承受的载荷是十分复杂的。要求满足工作装置各部分的受力的情况下，保证工作装置的强度和刚度特性。工作装置在应力较高的部位以铸代焊，减少应力集中带来的强度破坏。（）经济性要求。液压挖掘机经济性评价指标有能量指标、作业循环时间减小、机重轻、延长维

30、修周期和挖掘机寿命周期、加快维修进度和降低维修费用、司机操作的舒适性等。能量指标（即消耗于单位土方的能量）虽不宜作为评价土方机械技术经济效率的通用准则，但由于工作装置单位重量和价格相对整机而言都较小，常用能量指标来表征工作装置结构现代化的程度，这种符合能量指标的工作装置应能完全满足技术与使用要求，且足够可靠。从能量指标角度来看，要求液压挖掘机的挖掘力大，工作装置的重量轻，挖掘速度高。（）其它性能要求。液压挖掘机的工作装置除了满足上述基本设计要求之外，还需要满足其它的一般性能要求。例如，通过实现零部件的标准化、组件化和通用化，降低挖掘机的制造成本；提高液压挖掘机各功能部件的工作可靠性和耐久性，以

31、满足液压挖掘机作业条件恶劣的要求；降低振动和噪声，重视其作业中的环保性等【】。液压挖掘机的参数设计方法影响液压挖掘机参数的因素很多，各参数化之间又彼此影响制约，关系复杂。然而具有先进性能和技术经济指标的现代化液压挖掘机其参数间存在着一定的内在联系和规律性。最优化而简便的参数确定方法一直是设计师们所追求的。通用的典型挖掘机参数确定方法有以下种：（）类比法，通过同类型机械的类比得出参数值；（）经验公式计算法，按概率统计归纳得到的经验公式进行概略的计算得出参数；（）按标准选定法，按照国家颁布的液压挖掘机型与基本参数系列标准规定的数值范围，结合拟采用的结构特点选定参数值；（）理论分析计算法，按拟定的机

32、构特点，在理论分析与试验数据的基础上进行分析计算，得出参数值。按以上方法得出的参数值不可能完全确切合适，必须在设计过程中按结构方案、强度以及挖掘机的特殊要求进行方案比较加以修正确定。实际工作中还往往综合使用以上方法，如采用类比法或经验计算法后与标准进行比较，有的参数再通过理论分析进行核算来选定。市场上小型液压挖掘机参数分析随着经济的发展，小型液压挖掘机的需求不断在增长，逐步表露出占据挖掘机主要市场的迹象。在中国市场上出现了七十余家国内外挖掘机厂商所生产的几百种小型液压挖掘机。各种机型都有各自的特点，来满足市场的多样化需要，同时也为体现差异性，从而分得市场的一杯羹。尽管挖掘机参数千姿百态，但它依

33、据自身吨位的大小变化，参数的变化存在一定的规律性。参考文献】中指出，将斗容和功率作为挖掘机的分级标准不够准确，一般都将挖掘机的整机质量作为挖掘机的分级标准。为得到市场上各种型号的参数与整机质量的关系，本文对市场上较为常见小型液压挖掘机参数进行了统计分析，统计吨位范围为和吨，共收集了一百多个型号的挖西南交通大学硕士研究生学位论文第页掘机。（）斗容与整机质量的关系姗蜘锄锄鼬姗锄整机质量，图斗容与整机质量的关系根据统计数据拟合的斗容与整机质量关系式为：矿。一式中卜斗容（）：舸一整机质量（）。（）铲斗挖掘力与整机质量关系，锄锄鲫劬整机质量，（）图铲斗挖掘力与整机质量的关系根据统计数据拟合的铲斗挖掘力与

34、整机质量关系式为：辱斗。，（）式中，斗铲斗挖掘力（）；广整机质量（蚝）。西南交通大学硕士研究生学位论文第页（）斗杆挖掘力与整机质量关系娜娜娜娜器思娜硼舢哪图斗杆挖掘力与整机质量的关系根据统计数据拟合的斗杆挖掘力与整机质量关系式为：轩聊（）式中，斗斗杆挖掘力（）；玎广整机质量（埏）。（）最大挖掘高度与整机质量关系柏卯舢锄锄啪整机质量岫图最大挖掘高度与整机质量的关系根据统计数据拟合的最大挖掘高度与整机质量关系式为：挖高一（）式中日挖毫最大挖掘高度（）；玎广整机质量（）。西南交通大学硕士研究生学位论文第页（）最大挖掘深度与整机质量关系图最大挖掘深度与整机质量的关系根据统计数据拟合的最大挖掘深度与整机

35、质量关系式为：曰深。（）式中日，最大挖掘深度（）；刀广整机质量（蚝）。（）最大挖掘半径与整机质量关系踟啪锄锄锄咖卸蜘整机质量伽图最大挖掘半径与整机质量的关系根据统计数据拟合的最大挖掘半径与整机质量关系式为：日挖径一聊（）式中日挖经最大挖掘半径（）；胪一整机质量（）。西南交通大学硕士研究生学位论文第页挖掘机仿真平台开发概述仿真平台产生的背景随着世界经济和科学技术的飞速发展，市场全球化和竞争的日益激烈。企业要提高竞争力，必须缩短新产品研制和开发周期，同时提高产品的设计质量和降低开发成本，这样才能满足市场不断变化的需求。新产品研发往往涉及许多相关学科，而一个综合最优解必须兼顾各个学科。因此，开发过程

36、中制造的，用来获取产品综合性能评价和直观感受的产品样机是产品创新中的重要支撑要素。传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计。设计完成后，为验证设计，通常要制造样机进行实验，有时实验甚至是破坏性的。当通过实验发现缺陷时，又要修改设计并再用样机验证。只有通过周而复始的设计一实验一设计过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的，尤其对于结构复杂的系统。样机的单机手工制造增加了成本。在大多数情况下，工程师为了保证产品按时投放市场而中断这一过程，使产品在上市时便有先天不足的毛病。在竞争的市场背景下，基于实际样机的设计验证过程严重地制约了产品质量的提高、成本的降低和对市场的占

37、有。为了克服传统机械设计制造过程的弊端，缩短设计制造周期，降低成本，一种新的技术应运而生，这就是计算机辅助设计技术。计算机软硬件和网络技术的发展，为新技术的实现提供了良好的支持和技术环境。计算机辅助设计（）技术的广泛应用和传统的优化与仿真技术的进步也使得新技术的产生成为可能。仿真平台的开发思路计算机辅助设计技术核心是基于机械系统运动学和动力学的动态仿真技术，同时还包括三维建模技术，有限元分析技术，机电液控制技术，最优化技术等相关技术。目前，最先进的虚拟样机技术及其应用软件己经可以完成以下的工作【】：（）完成在不同工况下，样机的计算机三维几何形体、载荷和运动约束建模；（）对各种复杂的机械系统进行

38、静力学、运动学和动力学仿真分析，获得虚拟样机的整体性能以及所有构件的位移轨迹、速度、加速度，各种受力状况等等；（）可以任意地模拟再现机械系统及其所有零部件，在不同操作工况下的运动和动力学性能，从不同角度观察样机，实现虚拟现实的效果，直观地发现潜在故障和不足；（）可以对整个机械系统的性能进行调试、分析和安全评价，进行各种设计研究、西南交通大学硕士研究生学位论文第页试验研究和优化分析；（）可以在虚拟样机分析结果的基础上，进一步利用有限元技术对机械系统各个零部件的强度、刚度、各种缺陷的危害性作出分析和安全评价；（）可以同其他领域的仿真分析软件，例如：自动控制仿真软件、液压气动仿真软件，进行联合调试和

39、分析，获得机电液一体化系统的整体性能；（）可以对复杂的机械系统进行线性化处理，以便能够快速分析机械系统的各种动态响应；（）以虚拟样机技术及其分析软件为二次开发平台，开发适用于各种特殊领域的专用软件，提高建模和分析效率。本课题仿真平台的开发思路共分为四个阶段：第一阶段，根据设计要求得到挖掘机的吨位参数，据设计吨位可得到挖掘机先前已有的设计参数，然后通过计算机软件或相关算法对挖掘机工作装置的挖掘力和挖掘范围等性能参数进行多目标优化，得到优化后的设计参数。第二阶段，以三维建模软件为平台，利用、等工具开发挖掘机机构建模专用模块，建立用户参数输入窗口，将第一阶段优化后得到的参数输入，可快速自动的建立挖掘

40、机工作装置的三维模型。把参数化设计得到的各个部件进行装配，得到挖掘机工作装置的整机模型。第三阶段，在软件中对挖掘机工作装置进行运动学和动力学分析，首先将在第二阶段得到的工作装置模型文件转换成中性体模型文件，然后将中性体模型文件导入中，设置相关的运动副，定义驱动，并且施加相应的载荷谱，便可进行挖掘机工作装置的运动学和动力学分析。第四阶段，通过和软件的联合仿真，实现挖掘机工作装置的结构强度分析。首先在中定义单元类型，设置单元及材料属性，对工作装置进行网格划分生成有限元模型，同时建立刚性区域用于连接外部节点，调用宏命令输出模态中性文件（文件），将该文件导入到中创建柔性体，进而实现了柔性体动力学仿真，

41、得到的各铰点的载荷文件，将载荷导入到软件的有限元模型中，进行求解，可得到工作装置各部件的应力应变图及最大应力应变值，从而可验证所设计的机构是否满足强度要求。本章小结本章介绍了单斗液压挖掘机的基本组成部分包括工作装置、回转装置、行走装置、动力装置、操纵装置、电器控制装置及液压系统等部分，并分析了各部分之间是如何相互配合最终实现整个挖掘过程。根据作业环境的不同，可以将挖掘机的工况分为典型挖掘工况、满斗举升回转工况、卸载工况、空斗返回工况、整机移动工况和姿态调整与保持工况。通过了解挖掘机的主要性能参数及设计要求总结了挖掘机参数的设计方法，并通过统计的方法，分析了挖掘机整机质量与其它性能参数的关系，拟

42、合得到了相应关系式。最后介绍了本课题仿真平台开发的总体思路。第章基于的工作装置参数化建模产品的设计与参数化设计产品设计概述设计作为一种广义上的造物活动，涉及人们生活中的许多领域。工业设计是在工业革命以后出现的，是以产品设计为主的设计门类，产品设计的发达程度关系到人们物质和精神生活的质量，关系到以商品制造和流通为主要内容的市场经济的兴衰。产品设计的关注领域较为广泛，涉及衣、食、住、行的各个方面，主要解决人与人造物之间的关系，是将科学技术所创造的成果转化为生活、生产中所需的过程，它的目的是通过物的创造来达到人与物、人与人、人与社会的协调。总的来说，产品设计是一个计划、规划设想和解决问题的过程，目的

43、是通过物的载体借助于一种美好的形态来满足人的物质和精神需要。企业在激烈竞争、不断变化的市场中能否取得良好的经济效益、持续稳定地发展，关键在于其能否在最短的时间内响应市场的动态需求，开发出低成本、高质量的产品，因此，必须利用某种完善的产品开发过程来实现上述目标。产品开发过程由给定的设计任务开始，通常要经历方案设计、技术（结构）设计、施工设计等阶段，各阶段之间是层次细化、互相影响、互相重叠的关系，其中的结构设计阶段是连接方案设计与施工设计的桥梁。结构设计的过程与结果，一方面要考虑与满足在方案设计中提出的对产品功能与性能的设计需求，另一方面要考虑与满足在施工设计中的低成本与高质量的生产制造要求。结构

44、设计能否高效率地、全面地实现这些目标是产品开发成功与否的关键。每一产品都是为了满足一定的用途而设计的，用途要由一系列的功能来保证，每一功能又要由一定的结构来承担。如：挖掘机的主要用途是进行采掘作业，其功能主要有行走、挖掘、提升、回转、卸料等。这些功能分别由行走机构、回转机构、工作装置来实现。为了能够正常作业，产品还要满足一系列的技术、性能要求。这些技术、性能指标表现为对产品结构的约束。产品设计不是一种孤立的设计活动，它和整个企业的策划、开发、生产、销售、服务过程有着紧密的联系，如图所示。西南交通大学硕士研究生学位论文第页图产品生命周期产品设计流程是设计师为了实现某一设计目的而对整个设计活动的策

45、划安排。它是依靠一定的科学规律合理安排工作步骤，以达到实现整体的目的。由于成品设计所涉及的内容与范围很广，其设计的复杂程度相差也很大，因而其设计流程也有所不同，但无论何种产品，其设计的最终目标是服务于人，在产品的整个发展过程中都要受人们的生活观念、社会文化科学技术、市场经济等共同因素的影响，因而表现在设计过程中必然包含着同一性。参数化设计概述自从有了计算机以来，机械设计师就梦想着实现机械设计的自动化。到了世纪年代，计算机开始协助机械设计师完成复杂的计算，或者绘制规则的工程图纸。但是通过计算机将产品的设计要求和工程师的设计思想直接变成可用的工程图纸或者数控加工指令在当时是不可能办到的。尽管如此，

46、有关的学者和工程技术人员仍然为实现设计自动化进行了不懈的努力。机械设计过程的复杂性、多样性和灵活性要求设计自动化必须走参数化的路子。所谓参数化就是将设计要求、设计原则、设计方法和设计结果用灵活可变的参数来表示，以便在人机交互过程中根据实际情况随时加以更改。参数化设计使产品的模型以尺寸参数与其他设计参数统一起来，以实现产品的自动化设计，从而提高产品设计的智能化水平。本文主要做的是基于特征造型的参数化设计。参数化与计算机辅助设计相结合的产品设计技术，称为参数化技术。参数化技术在计算机辅助设计领域已经得到了广泛的应用。在早期的技术中，二维绘图与三维绘图都是采用精确造型的方法。精确造型用固定的尺寸值定义几何元素，几何元素之间没有互相关联的关系。如果修改几何元素和其属性，则必须进行重新绘制整个图形。参数化技术则可以自动修改整个图形，它是年代兴起的第三代系统的重要功能。第三代技术使参数化设计得到了广泛的应用，产生了一些著名的参数