液压挖掘机工作装置结构分析与优化改进研究

是整机先进性的重要标志。工作装置的作业由三个油缸的复合动作及铲斗和土石方的相互作用来实1.1研究背景挖掘机械是一种重要的工程机械，在全世界社会建设中发挥了重要作用[1]。目前，中大型挖掘机客户作业范围向铁路、公路、矿产集中，小型挖掘机客户作业范围向新农村建设、市政工程集中。同时，工作装置的多样化，使得挖掘机可以完成击碎、分解、种树等多种功能，因而被广泛应用于大型水利、铁路、房地产、矿产、新农村、市政等领域，其2015年行业分布概况如图1-1所示。由此可见，挖掘机在社会建设中的作用越来越明图1-1我国挖掘机用户行业分布概览自改革开放到2013年的35年中，中国经济连续取得了年均9.8%的高速增长率，为人类经济史上前无古人的奇迹[2]。中国工程机械在助推经济发展、社会建设的同时亦取得了长足的发展，扩展了国内外市场[3]。但是，自2010年初中国经济增长率开始减缓，且正处于结构调整阵痛期、增长速度换挡期和前期政策消化期三期叠加的关键时期。中国工程机械市场受”三期叠加”效应等多重因素的影响，正由增量市场逐渐转化为存量市场，去库存化成为每个工程机械公司迫切希望解决的问题。挖掘机行业受大环境的影响正面临着巨大的压力与考验，市场饱和、需求减少、产能46.05%43.24%年份性能，发现其缺陷，那么降低研发成本，缩短周期，提高创新能力和技术实力便水到渠成。信息时，相应的失效原因可以通过虚拟仿真技术很快的被找出，省时、省力、省成本。CAE业的技术创新有重大影响。1.2研究对象及课题的来源2)挖掘机的作业是通过末端工具与施工对象的相互作用来完成施工的[4],整个作业3)挖掘过程几乎都是由各部件协同完成，很少有部件单独完成的运动，且不同的操1.3国内外研究现状我国的液压挖掘机行业从诞生到现在已经有50多年了，基本上可分成4个阶段。1)1967-1977年为开发阶段，此阶段的开发主要是仿制外国产品。经过科研工作者攻坚2)1978—1986年在这个阶段我国从结构、液压、电器、控制等方面开始对挖掘机进行综3)1987-1993年在这个阶段挖掘机的生产能力和质量水平已经不能满足我国大规模生4)1994年至今外国企业单独建立的或者跟中国企业合作建立的厂家不断涌现。这个阶段美国的卡特彼勒公司独资兴建了卡特彼勒(徐州)有限公司。经过50多年的发展与经验积累，我国的挖掘机制造行业取得了长足的进步，但是从CAE技术起源于20世纪50年代中期；60~70年代处于探索阶段；70年代初期实用的CAE从70年到85年的15年里，CAE软件获得蓬勃发展，在完善其技术的同时，走向了商品化[5]。80年代后期，各国开发了多款CAE软件[6],国内亦研制了几款CAE软件。16世纪的意大利人最早发明出挖掘机的雏形，用于疏导运河。1836年第一台以蒸汽机驱动的挖掘机诞生。因其体积、重量、噪音大，使用面不广，且受限于科学技术发展缓慢，重大技术难点未能攻克，制造技术低下等原因，导致挖掘机技术在后来长时间里未取我国于1954年在抚顺挖掘机厂生产了第一台单斗机械式挖掘机，自力更生地研发挖掘机始于1958[10],随后开发出一系列比较成熟的产品，如WY100、WY60、WY250等。到了80年代初，德国LIEBHERR、DEMAG、O&K等公司的先进技术纷纷被引进入我国[11]。此后，恰逢国家腾飞的历史时期，挖掘机市场需求量大，90年代初，大大小小的国内外挖掘机企业如雨后春笋成长迅速。至2001年年底，包括国有企业在内，我国境外液压挖掘机的企业已达到20家左右[12]。2001至2010年中国经济走过了辉煌的十年，挖掘机企业亦得到了丰厚的利润。但是，从2010年1季度开始中国经济开始回落，进入2014年后，国内挖掘机市场已经饱和，企业面临着去库存化的巨大压力。在此环境下，各企业沉淀自己，加大研发投入，做了很多的工作，但使用CAE技术进行仿真分析的不多，而在保证仿真分析结果准确与可靠的前提下，愈来愈多的产品样机制造与实验可以用仿真分析取代。同样，有效成功的测试验证了仿真分析的正确性。因而，CAE技术与测试的协CAE技术的主要思想是解析具体的工程问题，建立合理的分析模型，借助分析软件进行数值模拟，获得准确的解答。以使用ANSYS分析软件为例，第一步往往是建立分析对象的有限元模型，为减少计算量、提高网格划分质量，常常涉及到模型的简化，同时也会涉及如何施加正确边界条件的问题，这些都将影响分析结果的正确性。因而，通过测试数据验证分析结果就显得十分关键。同时，为得到有效正确的测试数据，必须合理的规划测试过程，包括：测试环境、测试仪器、测试工况、测试点、数据采集及处理等。的测试，包括测点的布置、工况的选择等。正确的测试结果可以验证分析模型的正确性。伴随CAE仿真技术的广泛运用，其与测试的协同也将密不可分。1.5本课题研究意义和目标2014年以来，中国工程机械进入行业转型提升阶段，在面临市场饱和，去库存化等第2章液压挖掘机概述及其反铲装置的结构特点介绍2.1液压挖掘机概述图2-1液压挖掘机工作装置结构图主要运动功能包括以下几个动作：整机行走、平台回转、动臂升降、斗杆收放、铲斗装卸以及其它辅助动作[2],如下图所示。其中整机行走主要作用在于整机移动及调整作业位置，平台回转作用在于装卸土方时不同工作位置的切换调整；动臂升降、斗杆收放、铲不需全功率驱动以外，其它都是液压挖掘机的主要动作，一般要进行全功率驱动研究。由于液压挖掘机的作业对象和工作条件变化较大，对主机的工作有两项要求：实现各种主要25图2-2液压挖掘机的主要作业形式开(1)挖掘：通常以铲斗液压缸或斗杆液压缸进行挖掘，两者配合进行挖掘。因此，(2)满斗举升回转：挖掘结束，动臂液压缸将动臂顶起，满斗提升，同时回转液压(3)卸载：转到卸载位置时，平台制动，用斗杆液压缸调节卸载半径，然后铲斗液(4)空斗返回：卸载结束，平台反向回转，动臂液压缸和斗杆液压缸配合，把空斗(5)整机移动工况：将整机移动至合适的工作位置。(6)姿态调整与保持工况：满足停放、运输、检修等需要。(7)其他辅助作业工况：辅助工作装置作业工况。如使铲斗在挖掘行程结束时装满土壤，需要有较大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的土◎o2.3反铲工作装置的设计优化原则率的基本因素是工作循环时间包括挖掘时间、向卸载点运行时间、卸载时间、向工作面第3章反铲工作装置中斗杆的设计分析令功能。基于Motif的菜单系统使用户能够通过对话框、下拉菜单和子菜单进行数据输入现代设计方法表明，产品设计费用虽然只占产品整个成本的5%,但它却影响产品整返回对应此模型的CAD软件中(双向互动参数传递功能),生成候选的设计方案。CAE专家负责对所有将要植入此程序的零部件在CAE软件中仔细研究，总结分析相关的过程完全封装在后台运行。使用这些程序的人(通常是设计人员)所面对的界面非1)几何实体建模工具DesignModeler2)快捷分析工具DesignSimulation3)快捷优化工具DesignXplorer以组成几万种工况，所以如何确定工作装置(动臂、斗杆)在外载荷作用下的一个或几个w图3-1ANSYS工作界面其中，选取斗杆与动臂连接的点A为FixedSupport,斗杆与铲斗连接点B、C,斗杆与摇杆连接点D、E,铲斗油缸与斗杆连接点F,斗杆与斗杆油缸连接点G、H为施力点··图3-2斗杆在挖掘机构中的受力图将斗杆在挖掘机构中的受力图中各点受力按X、Y轴方向进行投影可得：项目栏中，这样完成载荷的分布。工况1(正常)工况1(正常)图3-3载荷施加图值解。它是近30年来工程计算方法领域中的一项重大成就，是结构或多自由度体系分析在Pro/ENGINEER2001处理方法：删除或抑制拔模特征；修改拔模面角度为0度。图3-4斗杆单元格划分(1)对斗杆进行应力分析：运行计算机程序，得出斗杆应力云图如下：图3-5斗杆应力云图(2)结果分析：斗杆焊接材料为Q345A,故从以上斗杆应力云图中可以看出，安全系数为进一步进行验证液压挖掘机斗杆优化前后的实际试验效果，我们对出厂编号为2153502的液压挖掘机进行装配新旧两如下表为YC255LC液压挖掘机进行斗杆更改前后进行挖掘作业的油耗、效率对比表。其中，表4为YC255LC液压挖掘机在斗杆更换前的试验数据，表5为斗杆更换后表3-1YC255LC液压挖掘机斗杆更改前的试验数据样机型号：YC255出厂编号：89200502铲斗容量：12r式验地点；玉柴工程公司试验人员：黄衍林、农湉，王建勃表25测定值总时间总油耗量(L)循环次数(次)量(m³)平均循环时间《s)耗率单位燃油挖土重均生产率2.表3-2YC255LC液压挖掘机斗更改后的试验数据表9序号凝定值设计值总时间)量(L)总挖土量(m)平构循环时间燃油消耗率单位燃油挖土量其际平沟生产率理说平均生产牢1优化后的油耗优化前油耗图3-7燃油消耗率(L/H)对比98图3-8单位燃油挖土量(m3/L)对比试验结果分析：根据以上图表可得，燃油消耗率26.4<27.19L/h;单位燃油挖土量问题的不断提出和解决，基于仿真与优化技术平台的各类优化设计应用将逐步成熟和完1)对提高挖掘力性能的特性和规律的研究。在今后工作中要加强这方面的的研究，不断2)充分利用ADAMS软件的各个模块的知识，并与三维建模软件(UG、ProE)和有3)随着施工机械化迅速发展，越来越迫切要求实现挖掘作业操作的自动化、智能化、人2.姬鹏.液压挖掘机反铲装置的运动学仿真及动力学分析.吉林大学，2005.3.钱仲焱，童昕，冯培恩.铰点布置对液压挖掘机工作装置特性的影响.工程机械.1997.4代制造工程，2006(3),114～116.5.刘本学.液压挖掘机反铲工作装置的有限元分析.长安大学，20036.孙志广.液压挖掘机工作装置优化设计及性能仿真.吉林大学，20057.陈玉峰.液压挖掘机工作装置运动与动力综合优化研究重庆大学20058.金海薇.液压挖掘机反铲工作装置CAD/CAM研究辽宁工程技术大学200410.祝凌云，李斌.Pro/E运动学仿真和有限元分析北京人民邮电出版社，200411.张玉川，蔡禺.进口液压挖掘机国产化改造.西南交通大学出版12.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，2007,38:50-57.13.李弘宝.2010年中国挖