AThesisinMechanicalandElectricalThedynamicsimulationstudyontheworkingdeviceperformanceandthetopstructureprotectionofHydraulicexcavator Zhou June2008究了挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足的要求，簡(jiǎn)要了挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)原則，對(duì)挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)有實(shí)際的指導(dǎo)意義。挖掘機(jī)保護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)于保證操作的安全是十分重要的，加裝保護(hù)結(jié)段掌握產(chǎn)品性能，避免設(shè)計(jì)，采用動(dòng)態(tài)模擬方法對(duì)挖掘機(jī)室頂部保護(hù)結(jié)構(gòu)受落 挖掘機(jī)工作裝 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析動(dòng)力學(xué)分析頂保護(hù)結(jié)構(gòu)有限元分ThedynamicsimulationstudyontheworkingdeviceperformanceandthetopstructureprotectionofHydraulicexcavatorWiththeconstructionmachineryusedwidelyininfrastructureconstructioninourountry,itisnecessarytodeveloptheconstructionmachineryindustryvigorously.Astheworkingdeviceisconsideredanimportantpartoftheconstructionmachinery，theresearchandcontrolaboutthatisthebasisofcompleteappliancedevelopment，itsperformanceandreliabilityisregardedasimportantsymboloftheadvancedcompleteappliance.Thekinematicsanddynamicsoftheexcavatordeviceisyzedandtransformedintosoftwarewithvisualizationimportationinterfaceinthispaperundercooperationwithenterprise,whichprovidesthetheoreticalbasisandpracticalmeansforthedesignofexcavatordevice.itisgreatsignificanttoraisedomestichydraulicexcavatordesignlevelandpromotethedevelopmentofdomesticexcavatorindustries.Accordingtotheworkcharacteristicsofhydraulicexcavators,therequirementsthatshoudbeneededforthedesignofexcavatordeviceis yzedfromgeometrydimension,dynamicfeatures,structuralstrength,economyetc,thedesignprinciplesofthedesignofexcavatorworkingdevicearebrieflydiscussed,whichprovidesatheoreticalbasisforthedesignofexcavatorworkingTheprotectionstructuresforhydraulicexcavatordriverisveryimportanttoguaranteethesafetyofoperatingstaff,theinstallationofthedriverprotectionisrequiredfordomesticexcavatorexportedtotheEUandU.S.Tomasterproductperformanceandavoidmistakesindesignphaseforenterpriseswhichmanufacturetheprotectionstructureforexcavatordriver.theprocessoftheimpactoftheprotectionstructureofthetopexcavatorcabbycausedbycastis yzedbythedynamicsimulation,theformerprotectionstructureisyzedbystaticsimulation.Atthesametime,thetopprotectionstructureandtheformerprotectionstructureofexcavatorsarealsoyzedbydynamicsimulation,thecurvedsurfacetopprotectionstructureisdesignedaftercomparisonofthedifferencebetweencurvedsurfacestructureandtheplanestructure,thenon-linearfiniteelementmodelisestablishedandyzedbythedynamicimpactcomputersimulation,thenonlineartransientresponseoftheimpactonthetopprotectionstructurecausedbydrophammerisworkedout,theconclusionswhichhaveguidingsignificancefordesignareobtainedonthebasisoftheysisofimpactresponse:hydraulicexcavator workingdevice theprotectionofthetopstructure finiteelementysis挖掘機(jī)工作裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)分 反鏟裝置動(dòng)力學(xué)分 挖掘阻力的計(jì) 挖掘力的計(jì) 整機(jī)實(shí)際最大挖掘力的概念及其測(cè)量方 整機(jī)實(shí)際最大挖掘 實(shí)際最大挖掘力的測(cè) 整機(jī)性能要求對(duì)反鏟機(jī)構(gòu)優(yōu)化的影 本章小 第4章挖掘機(jī)工作裝置可視化分 4.1的開(kāi)發(fā)工 工作裝置性能可視化設(shè) 工作裝置性能可視化功 工作裝置性能可視化應(yīng) 實(shí)例計(jì) 本章小 第5章挖掘機(jī)頂保護(hù)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿 頂保護(hù)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算的基本理 頂保護(hù)結(jié)構(gòu)受沖擊的求解方 頂保護(hù)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的基本方 頂保護(hù)結(jié)構(gòu)受落錘沖擊時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)增量方 頂保護(hù)結(jié)構(gòu)受落錘沖擊時(shí)激勵(lì)力的確定方 主要單元特 平面形狀的頂保護(hù)結(jié)構(gòu)性能分 設(shè)計(jì)方 仿真模型的建 結(jié)果分 曲面形狀頂保護(hù)結(jié)構(gòu)性能分 設(shè)計(jì)方 模型簡(jiǎn) 結(jié)果分 平面形狀與曲面形狀的結(jié)構(gòu)對(duì) 頂保護(hù)結(jié)構(gòu)的仿 仿真模型的建 頂保護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)仿 本章小 第6章結(jié)論與展 結(jié) 展 參考文 致 1研究背景與意1.1兩個(gè)以上的部件參與工作；(3)在挖掘的過(guò)程載荷的作用，且隨著挖掘姿態(tài)的不同，挖掘力的圖1.1挖掘機(jī)大小與方向都在不斷地變化，因而實(shí)際的挖掘力Fig1.1Figurehydraulic鑒于挖掘機(jī)市場(chǎng)潛力大，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究對(duì)挖掘機(jī)整機(jī)及其主要部件進(jìn)行學(xué)研究以及頂保護(hù)結(jié)構(gòu)的研究,為挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和實(shí)用，對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)輕便等特點(diǎn)，在工程建設(shè)施工中起著重要的作用[1]。隨著挖掘機(jī)產(chǎn)量的提高和爭(zhēng)力,從20世紀(jì)后期開(kāi)始，國(guó)際上挖掘機(jī)的生產(chǎn)向大型化、微型化、多功能化、化斗挖掘機(jī)的主要生產(chǎn)國(guó)。例如，馬利昂公司生產(chǎn)的斗容量50-150m3剝離用挖168.2m3的步行式拉鏟挖掘機(jī)，斗容量107m3的剝離用挖掘機(jī)等，是世界上目前最大的件構(gòu)成的產(chǎn)品增多。這些多用途作業(yè)裝置大大擴(kuò)展了挖掘機(jī)的功用，提高了產(chǎn)品的國(guó)外對(duì)挖掘機(jī)的研究主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)重視試驗(yàn)研究工作。功率的回收，高效系統(tǒng)的研究等。(4)采用新結(jié)構(gòu)和新材料。韓國(guó)的PyungHunChang、Lee,S.J[3]對(duì)挖掘機(jī)鏟斗軌跡進(jìn)行了研究。的YokotaShinichi、SasaoMasanori和IchiryuKen[4]對(duì)挖掘機(jī)動(dòng)臂和斗桿的軌跡制做了深入研究。澳大利亞的HallA.S.和McAreeP.R.[5]對(duì)大型挖掘機(jī)鏟斗精確運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了研究。的ZuiHiroshi和ImanishiEtsujiro[6]等人對(duì)挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。英國(guó)的FrimpongSLiY[7]對(duì)露天采礦的挖掘機(jī)的鏟斗進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。的Torres-Rodriguez、H.IParra-VegaV.和Ruiz-SanchezF.J[8]對(duì)挖掘機(jī)觸覺(jué)訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析。英國(guó)的Zweiri,YahyaH、SeneviratneLakmalD和AlthoeferKaspar[9]使用牛頓方法對(duì)挖掘機(jī)斗桿進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。的KimuraNobuo和ArayaHirokazu[10]等人對(duì)挖掘機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。的HiroshiW.和FujishimaK[11]對(duì)挖掘機(jī)挖掘系統(tǒng)的控制進(jìn)行了深入的研究。南斯拉夫的DurkovitRadan和BulatovicRanislav[12]對(duì)挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行了建模和優(yōu)化。日本的KosugiA.、KohmotoT.和Taji[13]研究了挖掘機(jī)動(dòng)臂強(qiáng)度分析方法。的KeskinenErnoK、Keskiniva,Markku[14]等人對(duì)挖掘機(jī)多用途錘進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析。日本的ImanishiEtsujiro;NanjoTakao[15]等人對(duì)挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。意大利的SerwachAndrzej、FrydlinskiStefan、Jabikowski[16]等人對(duì)挖掘機(jī)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化分析進(jìn)行研究德國(guó)BRACHI[17]對(duì)ReussHans-Juergen[18]介紹了挖掘的新技術(shù)。的FrimpongS.和Hu,Y[19]對(duì)挖掘機(jī)鏟斗挖掘沙石的過(guò)程進(jìn)行參數(shù)化仿真。的WardPeterWakelingAndrew[20]等人設(shè)計(jì)了一款對(duì)液壓挖掘機(jī)斗桿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。Mottl[21]使用一種法對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)一些參數(shù)非線性問(wèn)題提供了解決方法。其他研究利用一些先進(jìn)算法和對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行[34]國(guó)內(nèi)研究狀我國(guó)開(kāi)發(fā)挖掘機(jī)的時(shí)間是從1967年開(kāi)始的，與開(kāi)發(fā)挖掘機(jī)的時(shí)間差不多是相同的。早期開(kāi)發(fā)成功的產(chǎn)品主要有建筑機(jī)械廠的WY100，貴陽(yáng)礦山機(jī)器W4-60WY607080年代初出現(xiàn)了長(zhǎng)江挖掘機(jī)廠的WY160和杭州重型機(jī)械廠的WY250等挖掘機(jī)產(chǎn)品。我國(guó)挖掘機(jī)制造業(yè)已有容量從0.15～5.4m3的各種規(guī)格型號(hào)的挖掘機(jī)，目前中外合資、外商獨(dú)資企業(yè)產(chǎn)品及進(jìn)口機(jī)已占市場(chǎng)大部份額?？v觀我國(guó)挖掘機(jī)近40年的發(fā)展歷史，大致可以分以開(kāi)發(fā)階段(1967－1977有少量幾種規(guī)格的挖掘機(jī)獲得初步成功為我國(guó)挖掘機(jī)行業(yè)的形成和發(fā)展邁出了重發(fā)展、提高，并全面替代機(jī)械挖掘機(jī)階段(1978－1986年)。這個(gè)階段通過(guò)各主產(chǎn)品的性能指標(biāo)全面提高到國(guó)際70年代末80年代初的水平。挖掘機(jī)生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量增加(197－1993年)，新加入挖掘機(jī)行業(yè)的國(guó)有大、進(jìn)機(jī)，國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)供需日益擴(kuò)大(1994年－至今)，國(guó)外各著名挖掘機(jī)制造廠商看好紛紛前來(lái)創(chuàng)辦合資獨(dú)資挖掘機(jī)生產(chǎn)企業(yè)。從1994年開(kāi)始特別到1995年在我國(guó)挖掘機(jī)行業(yè)掀起了一股不小的合資浪潮其國(guó)卡特彼勒公司率先在徐州金山橋開(kāi)發(fā)區(qū)合作建立了生產(chǎn)挖掘機(jī)的中外合資企業(yè)神戶制鋼所與工程集韓國(guó)現(xiàn)代重工業(yè)以及德國(guó)利勃海爾、德國(guó)、德國(guó)Atlas、瑞典Volvo公司等都先后和規(guī)格的挖掘機(jī)產(chǎn)品。近幾年這些企業(yè)運(yùn)營(yíng)情況良好，發(fā)展速度很快。，宅建設(shè)等方面的大量的經(jīng)濟(jì)建設(shè)任務(wù)和國(guó)防建設(shè)均需大量的挖掘機(jī)，并且在眾多施合，多種工作裝置的挖掘機(jī)正在逐步替代裝載機(jī)、推土機(jī)作業(yè)，因此挖掘機(jī)的舒適的新機(jī)型，以新的觀念、服務(wù)觀念，與合資、獨(dú)資企業(yè)產(chǎn)品爭(zhēng)奪市場(chǎng)份額，開(kāi)ANSYS，ADAMS，MEDYNA，MOCAL，ALGOR等，應(yīng)用于挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)分析、理論基礎(chǔ)也比較成熟如文獻(xiàn)[47]利用個(gè)人編制的對(duì)各種靜態(tài)姿態(tài)角度下的理論挖掘力進(jìn)行了分析與仿真文獻(xiàn)[48]利用矩陣變換原理對(duì)單斗反鏟挖掘機(jī)進(jìn)行了詳盡的闡 反鏟裝置各關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)挖掘力的限制條件；文獻(xiàn)[50]利用日等方程對(duì)的關(guān)系，并用對(duì)末端沿直線軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了仿真。用的I工具箱來(lái)繪制裝析化文[52]變建型制計(jì)[53]針對(duì)挖掘[54]提出定工況下的最不穩(wěn)定姿態(tài)，為挖掘機(jī)的穩(wěn)定性分析提供了理論計(jì)算公式和具體分析手[56]對(duì)掘工作置動(dòng)與力析，出的工裝運(yùn)動(dòng)與力學(xué)完成對(duì)挖作裝構(gòu)和數(shù)的化，動(dòng)態(tài)和。置設(shè)計(jì)的工具顯得非常必要。工作裝置設(shè)計(jì)中存在的問(wèn) 桿體產(chǎn)生裂紋多發(fā)部位基本上在中部。斗桿斷裂位置如圖1.2所示。 Doo-fault臂1.3動(dòng)臂局部 Boompartial限制，焊縫深度、高度不夠，焊接質(zhì)量不高。動(dòng)臂支耳開(kāi)裂如圖1.4所示。1.4 Boom-earcracking本文主要研究?jī)?nèi)對(duì)挖掘機(jī)反鏟工作裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析第2章挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)要2.1挖掘機(jī)工況分首先挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)行走馬達(dá)和配套土方運(yùn)后進(jìn)行挖掘。此時(shí)一般以斗桿缸動(dòng)作為主，用鏟 圖2.1挖掘機(jī)的工作運(yùn)缸調(diào)整切削角度，配合挖掘。有特殊要求的挖掘機(jī)Fig2.1Movementofhydraulicexcavators 典型挖掘工掘常用于清除挖掘較松軟的土壤以提高生產(chǎn)率因此在一般土方工程挖掘中(III動(dòng)臂缸的動(dòng)作。主要用于需要軌跡控制的情況。挖掘機(jī)的斗尖最大挖掘力都在采用鏟斗缸挖掘時(shí)實(shí)現(xiàn)。0.5m3在土質(zhì)松軟時(shí)以轉(zhuǎn)斗挖掘?yàn)橹?，否則以斗桿挖掘?yàn)橹鳌Ｔ趯?shí)際挖掘工作中，往往需要采用各缸的復(fù)合工作。如在平整土地或切削斜坡動(dòng)臂三者同時(shí)作用完成復(fù)合動(dòng)作，這些動(dòng)作決定于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖2.3所示。當(dāng) 圖2.2斗尖沿直線挖 圖2.3地面的切削和壓Fig2.2Dootipdugalongastraightlinecut Fig2.3Cuttingthegroundandsizing 合流。單獨(dú)采用鏟斗挖掘時(shí)，也有采泵合流的情況。增大挖掘力，希望系統(tǒng)能暫時(shí)增壓，能提高主壓力閥的壓力。滿斗舉升回轉(zhuǎn)工回轉(zhuǎn)回路的發(fā)熱量占系統(tǒng)總發(fā)熱量的30%～50%，因此要求盡可能地縮短轉(zhuǎn)臺(tái)挖掘結(jié)束后，動(dòng)臂油缸將動(dòng)臂頂起，滿斗舉升，同時(shí)回轉(zhuǎn)馬達(dá)使轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)向卸載由于卸載所需的回轉(zhuǎn)角度不同，隨挖掘機(jī)相對(duì)卸載的位置而變，因此動(dòng)臂提升速度卸載工空斗返回工整機(jī)移動(dòng)工坡能力(坡度大35o左右)，具有制動(dòng)能力。 向左、右行走馬達(dá)和作業(yè)裝置作用元件同時(shí)供油。姿態(tài)調(diào)整與保持工合適的停放、尺寸、姿態(tài)及其特殊的檢查姿態(tài)，如圖2.4所示。2.4Fig2.4Excavatorsattitudeadjustmenttomaintainthestatusof2.2挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)要幾何尺寸要掘區(qū)對(duì)身運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性要2.1Table2.1functionalrequirementsofthedynamiccharacteristicsofmovement挖掘、調(diào)大卸載、調(diào)挖掘、調(diào)大高高高高高高2.2Table2.2ofmovementcommonlistof要求性能結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要經(jīng)濟(jì)性要期和挖掘機(jī)周期、加快維修進(jìn)度和降低、操作的舒適性等。70o～180o90o。回轉(zhuǎn)角度過(guò)小時(shí)，由于達(dá)不到最大回轉(zhuǎn)速度，不能充分利用發(fā)的功率，從而增加運(yùn)行和返其它性能要提高挖掘機(jī)各功能部件的工作可靠性和耐久性，以滿足挖掘機(jī)作業(yè)條件惡劣的2.3挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)原比時(shí)的先進(jìn)性，性能與主參數(shù)應(yīng)符合之規(guī)定?；蛲７艜r(shí)應(yīng)有合理的姿態(tài)，使尺寸小，行駛時(shí)穩(wěn)定性要好。運(yùn)動(dòng)特性：理論工作循環(huán)時(shí)間短,動(dòng)力特性：滿足整機(jī)挖掘力大小及分布情況的要求，應(yīng)考慮到整機(jī)穩(wěn)定性。(5)2.4本章小設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足的要求，簡(jiǎn)要了挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)原則，為挖掘機(jī)工作挖掘機(jī)工作裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)分反鏟裝置的幾何位置取決于動(dòng)臂油缸的長(zhǎng)度L1L2和鏟斗油缸的長(zhǎng)反之，對(duì)于XVYVL1L2L3值與其對(duì)應(yīng)。等組成，其基本型式見(jiàn)圖3.1所示。3.1Fig3.1Backhoeworking則斗齒尖V點(diǎn)所在的X坐標(biāo)值XV就表示挖掘半徑，Y坐標(biāo)值YV為正值時(shí)表示挖掘缸長(zhǎng)度L1的函數(shù)。3.1 Table3.1oftheparametersoftheorganizationsrepresented ACBarccosl12l2L2/2l1l2 2/2ll

(3-

2/2l 1ACB (3-

1maxACBmax (3-FBCUACBUCFBCUFCU(∠UCF)F

(3-(3-XFXCl18cosUCFYFYCl18sinUCF

(3-(3-XCYCC動(dòng)臂油缸的作用力臂e1L1S1l

e12S2S1S1l2S1l1S1L1L

(3- 2 l2l 動(dòng)臂油缸最大作用力臂 ll2l DFEarccosl2l2L2/2l 2maxDFEmaxDFEminarccosl2l2 2/2llarccosl2l2 2/2ll (3- 2 4 2 422S2S2l3S2l4S2L22el3l4sinDFE 2L L其中S1llL 2 斗桿油缸的最大作用力臂

lL 2S32S3S3l6S3l5S3L3

S1llL

(3-3MKN

2 S1lll 2

r2

2S4S4l8S4l5S4l7

(3-2S5S52S5S5l8S5l10S4l9lr3l8S1lll 2 鏟斗連桿機(jī)構(gòu)的總傳動(dòng)比為i

(3-(3-FQVFQNNQMMQK (3-反鏟裝置動(dòng)力學(xué)分 WCR

BAZX (3-

)

—轉(zhuǎn)斗切削半徑，單位：厘米； 削刃寬度影響系數(shù)，B＝1+2.6b，b為鏟斗平均寬度；Z——斗齒系數(shù)，有齒時(shí)，Z=0.75；無(wú)齒時(shí) —斗側(cè)壁厚度影響系數(shù)，X＝l+0.03ss當(dāng)斗容量q0.253D應(yīng)小于10000N。當(dāng)max CR1 135BAZX 挖掘阻力W2的指向是可變的，數(shù)值也較小，一般W2＝0～0.2W1土質(zhì)越均勻W2越小，W2W1max就可以看作為鏟斗挖掘的最。W1gk0q/0.01745r 其 k0——挖掘阻力比g——挖掘過(guò)程中的總轉(zhuǎn)角，一般為g工作缸的理論挖掘掘力是對(duì)鏟斗缸和斗桿缸而言的。壓等影響因素時(shí)，單獨(dú)使用鏟斗缸或斗桿缸挖掘，由工作裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)及缸理論推力所能產(chǎn)生的沿鏟斗切削刃圓弧的切線方向上的作用力稱為該缸的理論FFiF s 3s2式中F3——鏟斗缸理論推力，F(xiàn)3A3PA3——鏟斗缸大腔作用面積；p s1s4——作用力臂，其中：s1、s2、s3均是缸瞬時(shí)長(zhǎng)度L3的函數(shù) i1——鏟 圖 鏟斗缸理論挖掘力計(jì)算簡(jiǎn) BucketofhydrauliccylindersMiningcalculationFFiF 2 26式中F2——斗桿缸理論推力，F(xiàn)2A2pA2——斗桿缸大腔作用面積s5、s6——作用力臂，s6為鏟斗切削刃至斗桿鉸軸的直線距離i——斗 缸的傳力比，is5s s6當(dāng)工作裝置已定，s5是L2的函數(shù)，當(dāng)s5確定時(shí)，s6是L3的函數(shù)，故FS是L2、L3的二元函數(shù)。當(dāng)s5LEF，L3L3max時(shí)，即s6s6min，則FSFSmax。但這僅 3.3b實(shí)際計(jì)算和測(cè)量時(shí)，是以i1i1max時(shí)的鏟斗位置及s5LEF時(shí)的斗桿位置作為斗 圖 斗桿缸理論挖掘力計(jì)算簡(jiǎn) Doo-cylindertheoryMiningcalculation在給定工況(L1L2L3)的情況下，計(jì)算斗桿的實(shí)際挖掘力時(shí)，應(yīng)當(dāng)考素的影響動(dòng)臂缸閉鎖力對(duì)斗桿挖掘力的限制鏟斗缸閉鎖力對(duì)斗桿挖掘力的限制(f)現(xiàn)分別計(jì)算如下(a)動(dòng)臂缸閉鎖力限制的最大斗桿挖掘力缸閉鎖力則指挖掘工況下某些缸狀態(tài)所能承受的作用力，它是挖掘力發(fā)揮的重要影響因一。參見(jiàn)圖3.4，根據(jù)前面提到的幾何尺寸計(jì)算，可以求出F和V點(diǎn)的坐標(biāo)(XF，YF)和(XV，YV)。圖3.4斗桿缸理論挖掘力簡(jiǎn) Doo-cylindersketchofthetheory(XF(XFXV)2(YFYV(XC(XCXV)2(YCYV 23CVFarccosl2l2l2 23

(3- 當(dāng)CVF90時(shí)，動(dòng)臂缸小腔受壓，此時(shí)小腔閉鎖力對(duì)C點(diǎn)產(chǎn)生的力矩為M d/22 /22lsin (3- b 式中Pbdg——?jiǎng)颖鄹字睆絛g1M2GiXGiXC (3- 當(dāng)CVF90時(shí)動(dòng)臂缸大腔受壓，此時(shí)大腔閉鎖力對(duì)C點(diǎn)產(chǎn)生的力矩為3 gMπPd/22lsin3 gPG1M2M3/l23cosCVF (b)斗桿缸主動(dòng)挖掘力PG2 MπPd/22lsin(DEF 式 dd——斗桿缸直

M2GiXGiXFPG2M1M2/

(3-(3-鏟斗缸閉鎖力限制的最大斗桿挖掘力PG 11FVQarccosl2l2l2/2ll 11當(dāng)FVQ90時(shí)，鏟斗缸大腔受壓，此時(shí)大腔閉鎖力對(duì)Q點(diǎn)產(chǎn)生的力矩為 3M1πPbd/22i 3i3(3-a22GNM，a30NGM，a29MKQ，a28d3——鏟斗缸直M2G1XGXQG2XGXQ (3-PG3M1M2/l3(3-M3πPbd/22 /22i 3PG3M2M3/l3 整機(jī)向前傾翻限制的最大斗桿挖掘力PG3.1(XF(XFXT (YF22(XV(XVXT (Y22VFVTarccosl242VT2FT2/2VTl24 才有可能出現(xiàn)前傾現(xiàn)象。各部件重量對(duì)O1點(diǎn)產(chǎn)生的力矩為:MGiXGiXC PG4M/l23cosFVT (XF(XFXI (YF22(XV(XVXI (Y22VFVIarccosl242VI2FI2/2VIl24 MGiXGiXI 所 PG設(shè)FV連線對(duì)水平線的夾角為a35，則a35=arctgPGFPGV/XFXVPG6GG1G2G3/sin

(3-(3-通過(guò)上述運(yùn)算，我們知道PG1PG6中的最小值，就是在該工況下斗桿挖掘時(shí)，所能發(fā)Vr4QNG 鏟斗缸實(shí)際挖掘力計(jì)Fig3.5buckethydrauliccylindercalculationoftheactual在給定工況(L1L2，L3)的情況下，計(jì)算鏟斗的實(shí)際挖掘力與計(jì)算斗桿的實(shí)際挖掘動(dòng)臂缸閉鎖能力對(duì)鏟斗挖掘力的限制斗桿缸閉鎖能力對(duì)鏟斗挖掘力的限制鏟斗缸主動(dòng)挖掘力的限制(a)動(dòng)臂缸閉鎖力限制的最大鏟斗挖掘力對(duì)于(XQ(XQXC (YQYC22(XV(XVXC Y22 23CVQarccosl2l2l2/2ll 23當(dāng)CQV90時(shí)，動(dòng)臂缸小腔受壓，此時(shí)腔閉鎖力對(duì)C點(diǎn)產(chǎn)生的力矩M d/22 /22lsin b M2GiXGiXC PD1M1M2/l23 當(dāng)CVQ90時(shí)，動(dòng)臂缸大腔受壓，此時(shí)大腔閉鎖力對(duì)C點(diǎn)產(chǎn)生的力矩 MπPd/22lsin PD1M3M2/l23cosCVQ (b)斗桿缸閉鎖力限制的最大鏟斗挖掘力PD2對(duì)于

24FVQarccosl2l2l2/2ll 24當(dāng)FVQ90時(shí)，斗桿缸大腔受壓，此時(shí)大腔閉鎖力對(duì)F點(diǎn)產(chǎn)生的力矩為4M1πPbdd/22lsin (3-4M2GiXGiXC PD2M1M2/l24 當(dāng)FVQ90時(shí)，斗桿缸小腔受壓，此時(shí)小腔閉鎖力對(duì)F點(diǎn)產(chǎn)生的力矩為2M2G1XG1XQG2XGXQ 2PD2M1M2/ MπPd/22i 32M2G1XG1XQG2XGXQ 2PD3M1M2/ (3-整機(jī)向前傾翻限制的最大鏟斗挖掘力PD對(duì)于(XQ(XQXT 22(XV(XVXT 22VQVTarccosl32VT2QT2/2l3VT 顯然，當(dāng)QVT90，鏟斗挖掘時(shí)，整機(jī)不可能產(chǎn)生前傾翻，只有QVT90時(shí)，MGiXGiXTG2Xe3XT PD4M/VTcosQVT (e)整機(jī)向后傾翻限制的最大鏟斗挖掘力PD5對(duì)于(XQ(XQXI (Y22Q(XV(XVXI (Y22V QVIarccosl2VI2QI2/2lVI 顯然，當(dāng)QVI90，鏟斗挖掘時(shí)，整機(jī)不可能產(chǎn)生后傾翻，只有QVI90時(shí)，MGiXGiXI PD5M/VIcosQVI (f)整機(jī)滑移限制的最大鏟斗挖掘力PD6參見(jiàn)圖3.1，設(shè)QV對(duì)水平線的夾角為38PD6GG1G2G3/sina38

(3-(3-通過(guò)上述運(yùn)算，我們知道PD1PD6中的最小值，就是在該工況下，鏟斗挖掘時(shí)，所整機(jī)實(shí)際最大挖掘力的概念及其測(cè)量整機(jī)實(shí)際最大挖掘條件、系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性等實(shí)際作業(yè)影響因素有關(guān)。3.6所示，可以得到最大挖掘力，斗桿油缸同斗90°90°時(shí)，鏟斗置后則需要向下降低一些，如圖3.7所示。 Fig3.6excavationofthe Fig3.7flatMining30°45°左右時(shí)，其挖掘力大、效率高，如圖示。效率差的挖掘見(jiàn)圖3.9所示。圖3.8效率好的挖掘圖3.9效率差的挖掘Fig3.8miningefficiencygood Fig3.9poorefficiencyofthemining實(shí)際最大挖掘力的測(cè)流，則根據(jù)發(fā)生溢流的系統(tǒng)或回路可判斷最大挖掘力的合理性。若鏟斗缸回路發(fā)生整機(jī)性能要求對(duì)反鏟機(jī)構(gòu)優(yōu)化的挖掘力是衡量挖掘機(jī)工作裝置性能的重要指標(biāo)之一，進(jìn)行挖掘機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，工作力和使用斗桿缸挖掘力進(jìn)行計(jì)算與測(cè)量，最大理論挖掘力可通過(guò)優(yōu)化方法求得。本章小 第4章挖掘機(jī)工作裝置可視化分4.1的開(kāi)發(fā)工本是基于Windows系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的，開(kāi)發(fā)工具主要就是 中的GUI模塊，由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用的函數(shù)和文件，其中工具采用的是圖形用戶界面。包括桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號(hào)運(yùn)算和其他初等數(shù)算、數(shù)組操 工作裝置性能可視化設(shè)工作裝置性能可視化功本文所設(shè)計(jì)的，可根據(jù)給定原始參數(shù)完成大量計(jì)算，之后以動(dòng)態(tài)圖形模擬工作構(gòu)參數(shù)是否滿足幾何相容條件，能否保證最小傳動(dòng)角等；(4)給定缸長(zhǎng)度L1、L2、工作裝置性能可視化應(yīng)(1)環(huán)境下，設(shè)置工作路徑為安裝路徑j(luò)iemian4.14.1Fig4.1startedY軸為挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)軸線，垂直向上，X軸與地平面重合。則斗齒尖V點(diǎn)所在的X坐標(biāo)值就表示挖掘半徑，Y坐標(biāo)值為正值時(shí)表示挖Fig4.2ParameterinputBCB，C之間的距離，XC，YCC點(diǎn)的坐標(biāo)。XI，YI為在圖示坐標(biāo)系中I點(diǎn)的坐標(biāo)，窗口中整機(jī)重量不含工作裝置重量。G1，G2，G3分別為動(dòng)臂(含斗桿缸重量)，斗桿(含轉(zhuǎn)斗缸重量和連桿裝置重量)，鏟斗的重量，單位N。4.24.3等各工作裝置的性能參數(shù)，并形成包絡(luò)云圖的形式以便觀察如圖4.4所示。 Miningcalculation4.4 Miningmapofthe4.5Fig4.5Miningenvelope圓弧V0V1：動(dòng)臂油缸最長(zhǎng)，斗桿油缸最短，以Q0為圓心，l3為半徑，鏟斗由極限仰角轉(zhuǎn)至VQC共線；圓弧V2V3：斗桿油缸最短，動(dòng)臂油缸最短，以Q1為圓心，鏟斗轉(zhuǎn)至VQF共線；圓弧V4V5：斗桿油缸最長(zhǎng)，動(dòng)臂油缸最短，以Q2為圓心，鏟斗轉(zhuǎn)至VQC共線；圓弧V6V7：斗桿油缸最長(zhǎng)，動(dòng)臂油缸最長(zhǎng)，以Q3為圓心，鏟斗油缸伸至最長(zhǎng)；圓弧V7V8：鏟斗油缸最長(zhǎng)，動(dòng)臂油缸最長(zhǎng)，以F0為圓心，斗桿油缸縮至最圓弧V8V0：斗桿油缸最短，動(dòng)臂油缸最長(zhǎng)，以Q0為圓心，鏟斗油缸伸至最長(zhǎng)其約束條件如圖4.6~圖4.13所示。動(dòng)臂缸全縮，斗桿缸作用力臂最大 Bucketof Doo-mining動(dòng)臂缸全縮，斗桿缸作用力臂最小動(dòng)臂缸最長(zhǎng)，斗桿缸作用力臂最大動(dòng)臂缸最長(zhǎng)，斗桿缸作用力臂最小相關(guān)角度、鏟斗相關(guān)角度的圖形如圖4.14、4.15和4.16所示。動(dòng)臂缸全縮，斗桿缸作用力臂最大4.8 Bucketof Doo-mining4.10 Bucketof 4.12 Bucketof 4.15Fig4.14Boom Doo-Fig4.16BucketFig4.17MiningthebucketwhenPin Doo-miningatthePin動(dòng)臂缸全縮，斗桿缸作用力臂最小Fig4.19Doo-miningwhenthepinofthebucketwhentheexcavationPinFig4.20Doo-miningatthePinFig4.21Doo-miningwhenthepinofthebucketwhentheexcavationPinFig4.22Doo-miningatthePin動(dòng)臂缸最長(zhǎng)，斗桿缸作用力臂最小 Doo-miningwhenthepinofthebucketwhentheexcavationPinFig4.24Doo-miningatthePin實(shí)例計(jì)以某企業(yè)制造的200kN型挖掘機(jī)工作裝置為例，基于上述工作裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)、4.1Table4.1-longexcavationF 尺寸 尺寸 4.2Table4.2度C尺寸-4.3Table4.3diameterofthefuel名 鏟斗缸直 斗桿缸直 動(dòng)臂缸直 工作壓 備尺寸

Fig4.25excavators最大挖掘高度9202.33mm、停機(jī)面最大挖掘半徑9233.68mm、最大挖掘深度斗桿轉(zhuǎn)角134.787、鏟斗轉(zhuǎn)角172.047。表 工作裝置動(dòng)力學(xué)分析結(jié)Table4.4deviceswork ysisL1最L2最L1最L2最L1最L2最L1最L2最鏟斗挖掘力3斗桿挖掘力8動(dòng)臂挖掘阻力斗桿挖掘阻力動(dòng)臂挖掘阻力本章小性能提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。該具有可視化的輸入、輸出界面，設(shè)計(jì)可迅速掌的設(shè)計(jì)實(shí)例中，加以驗(yàn)證該的有效性和實(shí)用性。第5章挖掘機(jī)頂保護(hù)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿挖掘機(jī)保護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)于保證操作的安全是十分重要的，加裝保護(hù)結(jié)構(gòu)是國(guó)產(chǎn)挖掘機(jī)進(jìn)入歐美市場(chǎng)的必要條件。為使挖掘機(jī)保護(hù)結(jié)構(gòu)制造企業(yè)在設(shè)計(jì)階段掌握產(chǎn)品性能，避免設(shè)計(jì)，本文采用動(dòng)態(tài)模擬方法對(duì)挖掘機(jī)室頂部保護(hù)結(jié)構(gòu)受落物沖擊過(guò)程進(jìn)行了仿真，對(duì)前保護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜態(tài)模擬。根據(jù)版本的挖掘機(jī)保護(hù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，利用有限元對(duì)挖掘機(jī)的頂保護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)性能分析，對(duì)比頂保護(hù)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算的基本理2ppst

fv (5- 式 ps是重力及其他靜體力，f是位移，t2f是慣性力，vtf是阻尼力，vfNδ 式中NδeKeMe及阻尼矩陣CeKeBT MeNT CeNT 式 B為應(yīng)變矩陣，D為彈性矩陣MCK 式中K為結(jié)構(gòu)的整體剛度矩陣和對(duì)應(yīng)的項(xiàng)分別是頂保護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)加速度F是結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)載荷列陣；CM為結(jié)構(gòu)的整體阻尼矩陣和整體CK 上式是阻尼矩陣為剛度矩陣和質(zhì)量矩陣的線性組合，、頂保護(hù)結(jié)構(gòu)受沖擊過(guò)程中的阻尼系數(shù)（、。結(jié)構(gòu)的振動(dòng)方程可寫(xiě)為，uu0cost

(5-(5-式中{u0}為該振型對(duì)應(yīng)的頻率；

K2Mu0 K2M 所以式(5-9)是關(guān)于ω2n次代數(shù)方程，由此可解出結(jié)構(gòu)的n個(gè)自振頻率ω1ω2ω3…ωn。進(jìn)一步可以求出各節(jié)點(diǎn)在振動(dòng)中的位移的一般解，uu01cos1t1u02cos2t2u0ncosntn 式中u0i是和每一個(gè)自振頻率ωi相對(duì)應(yīng)的振IK1Mu0 （其中12 (5-頂保護(hù)結(jié)構(gòu)受落錘沖擊時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)增量方Δt內(nèi)認(rèn)為是線性的，而后用Houbolt差分法求解即可獲得頂保護(hù)結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)。MtuCtuKtu MT(uFSKT(CT

(5-v BEAM188是線性（兩個(gè)節(jié)點(diǎn)）梁?jiǎn)卧?。該單元在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有六或七個(gè)度，自Uy，Uz，ROTx，ROTy，ROTz。當(dāng)選項(xiàng)（1）為1時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有七個(gè)度，增加了翹曲度。該單元適合于線性、大轉(zhuǎn)角、和/或大應(yīng)變非線性分析。該單元是三維線性 181單元功能簡(jiǎn)度。即，Ux，Uy，Uz。在劃分網(wǎng)格時(shí)，的三角形選項(xiàng)應(yīng)該只用于作為填補(bǔ)單平面形狀的頂保護(hù)結(jié)構(gòu)性能分設(shè)計(jì)方減小沖擊變形，更有利于保護(hù)的生命安全。圖 平面形狀頂保護(hù)結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格與邊界條Fig5.1Topshapetoprotectthestructureoffiniteelementmeshwiththeboundary結(jié)果分 5.2變形模式（頂保護(hù)結(jié)構(gòu)的后橫梁中間沒(méi)有設(shè)置支座Fig5.2Deformationmode(aftertheroofbeamstoprotectthestructuredoesnotsetintermediate 圖5.3沖擊變形規(guī)律00.00E+002.00E-024.00E-026.00E-028.00E-021.00E-011.20E-011.40E-法向變形沖擊力圖 增加支座后的變形量對(duì)Fig5.4Supportsincreasingthedeformationof曲面形狀頂保護(hù)結(jié)構(gòu)性能分設(shè)計(jì)方模型簡(jiǎn)圖 曲面形狀頂保護(hù)結(jié)構(gòu)的有限元模Fig5.5Shapethetopsurfaceoftheprotectionofthefiniteelement在錘頭的小端與頂保護(hù)結(jié)構(gòu)Fig5.6Topprotectionoftheimpactofsimulationboundary結(jié)果分橫梁的彎曲變形和縱梁的變形。變形模式與平面形狀的頂保護(hù)結(jié)構(gòu)基本相同。DLV與駕駛室頂部?jī)?nèi)表面的間距較小時(shí)，為了與駕駛室很好的配合，使頂保護(hù)結(jié)構(gòu)滿際標(biāo)準(zhǔn)的要求，可以使用增加支座的方法。頂保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變形量的限制要求時(shí)，可以考慮使用增加支座的方法。俯視圖俯視圖 圖 變形規(guī)5.8圖 變形量對(duì)平面形狀與曲面形狀的結(jié)構(gòu)對(duì)平無(wú)中間支座0圖 變形量對(duì)頂保護(hù)結(jié)構(gòu)的仿使用有限應(yīng)變梁?jiǎn)卧陀邢拊獞?yīng)變殼單元建立挖掘機(jī)頂保護(hù)結(jié)構(gòu)和前保護(hù)結(jié)構(gòu)的1圖 頂保護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)仿真模Fig5.11protectionofcomputersimulation5.12110mm，殘余變形為96mm，沖擊過(guò)程的任一時(shí)刻頂保護(hù)結(jié)構(gòu)的任何構(gòu)件沒(méi)有侵入DLV。沖擊響應(yīng)達(dá)到000 -圖 錘頭相對(duì)頂保護(hù)結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)曲Fig5.12hammerheadrelativeprotectionofthetopstructureofthedisplacementresponse5.13所示。由該圖可見(jiàn)錘頭的速度圖 錘頭的沖擊速度變Fig5.13Hammerheadtheimpactofchangesin5.14所示。由該圖可見(jiàn)錘頭的圖 錘頭的加速度變化曲Fig Hammeraccelerationss圖 標(biāo)準(zhǔn)錘頭與頂保護(hù)結(jié)構(gòu)間沖擊效Fig5.15standardroofHammerandtheprotectionofthestructurebetweentheeffectsofimpact前視側(cè)視俯視圖 頂保護(hù)結(jié)構(gòu)的沖擊變形模Fig5.16protectionoftheimpactofstructuraldeformation本章小

圖 沖擊結(jié)束的應(yīng)力分Fig5.17impactofofthestress6論與展共性問(wèn)題，結(jié)合企業(yè)科研攻關(guān)課題，對(duì)挖掘機(jī)工作裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析和研究，并形成可視化的界面，結(jié)合企業(yè)項(xiàng)目對(duì)挖掘機(jī)頂保護(hù)裝置進(jìn)結(jié)對(duì)挖掘機(jī)的工況進(jìn)行了全面分析，根據(jù)挖掘機(jī)的工作特點(diǎn)，從針對(duì)挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)要求，在對(duì)挖掘機(jī)工作裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)和力運(yùn)用中的GUI工具箱開(kāi)發(fā)了一套可視化的專業(yè)性挖掘機(jī)工作裝置性能，該是面象的，可快速準(zhǔn)確的分析工作裝置機(jī)構(gòu)及展在此基礎(chǔ)上，結(jié)合材料疲勞特性的研究，開(kāi)展相應(yīng)疲勞的分析工作。參考文[1]張啟君，．國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)行業(yè)發(fā)展的探討[J]．筑路機(jī)械與施工現(xiàn)代化，2005（2：2～6，[2]挖掘機(jī)保護(hù)裝置性能要求和試驗(yàn)方法。建筑機(jī)械，PyungHunChang;Lee,S.-J.Astraight-linemotiontrackingcontrolofhydraulicexcavatorYokota,Shinichi;Sasao,Masanori;Ichiryu,Ken.Trajectorycontroloftheboomandarmsystemofhydraulicexcavators[J].NipponKikaiGakkaiRonbunshu,CHen/TransactionsoftheJapanSocietyofMechanicalEngineers,PartC,1996,62(593):161～167Hall,A.S.;McAree,P.R.Robustbucketpositiontrackingforalargehydraulicexcavator[J].MechanismandMachineTheory,2005,40(1):1～16 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