四川交通職業(yè)技術學院畢業(yè)論文液壓挖掘機畢業(yè)論文學生姓名 院系名稱 專業(yè)名稱 班 級 學 號 指導教師 答辯時間 2011年4月9日 新型液壓挖掘機畢業(yè)論文摘 要將液壓挖掘機引入凍結法立井施工領域，可以加快施工速度、降低工人的勞動強度，具有廣闊的應用前景本文采用現代設計理論和方法對立井施工新型液壓挖掘機進行設計研究，以期能研制出滿足市場需求、高性能的產品，提高立井井筒凍結表土段掘進的機械化程度本文首先進行方案論證，決定采用電力驅動，從根本上消除了柴油機廢氣的危害；以日本小松PC50UU-Ⅱ小型柴油驅動挖掘機作為研制的母機進行技術改造，明確了本文的研究重點為工作裝置優(yōu)化和液壓系統(tǒng)重新設計兩方面通過對立井施工新型液壓挖掘機反鏟裝置運動學和動力學分析，得到了動臂、斗桿、鏟斗及其連桿機構的運動方程和幾種典型工況下的挖掘力計算方法在此基礎上本文根據立井施工新型液壓挖掘機反鏟工作裝置的工作特點和性能要求，將確定工作裝置各鉸點的幾何參數作為優(yōu)化設計變量，用反鏟工作裝置的挖掘能力作為優(yōu)化目標函數，對反鏟工作裝置實施優(yōu)化設計。

采用博世力士樂的LUDV技術，本文重新設計了立井施工新型液壓挖掘機液壓系統(tǒng)本文進一步建立了挖掘機液壓系統(tǒng)中電動機、泵、閥、缸和馬達的數學模型，研究工作機構與其液壓回路數學模型之間的耦合，然后利用AMESim仿真軟件對新型挖掘機定點挖掘過程中工作裝置的液壓系統(tǒng)和機構動力學進行綜合仿真，運動學仿真結果表明工作裝置能很好的實現挖掘范圍要求，機構無干涉；力學仿真結果表明液壓系統(tǒng)穩(wěn)定，整個工作過程中挖掘力很好的逼近其挖掘阻力曲線要求，挖掘性能優(yōu)異 最后進行了樣機試制和工業(yè)性試驗，實踐檢驗證明了立井施工新型液壓挖掘的設計是正確和可靠的，完全能滿足現場施工要求關鍵詞：電動液壓挖掘機 立井施工 工作裝置 液壓系統(tǒng) 優(yōu)化設計目 錄1 緒 論 11.1 課題的提出 11.2 液壓挖掘機概述 21.2.1 液壓挖掘機主要組成 21.2.2 液壓挖掘機工作循環(huán)過程 31.2.3 電動液壓挖掘機 31.3 液壓挖掘機的發(fā)展和研究現狀 41.3.1 國外發(fā)展與研究現狀 41.3.2 國內發(fā)展與研究現狀 71.4 虛擬樣機技術在本課題中的應用 71.5 本章小結 92 新型液壓挖掘機工作裝置優(yōu)化設計研究 112.1 新型液壓挖掘機反鏟工作裝置的運動學分析 112.1.1 動臂運動分析 112.1.2 斗桿運動分析 122.1.3 鏟斗運動分析 132.1.4 斗齒尖運動分析 142.1.5 特殊工作尺寸 152.2新型液壓挖掘機反鏟工作裝置受力分析 162.2.1 挖掘阻力 162.2.2 挖掘力的分析 182.3 新型液壓挖掘機反鏟工作裝置優(yōu)化設計 232.3.1 設計變量的確定 242.3.2 目標函數的建立 242.3.3 約束條件的確定 252.3.4 優(yōu)化設計及結果分析 291 緒論 1.1 課題的提出工程機械是實現施工高速度、高質量、低成本、高效益的重要手段，它廣泛應用于國民經濟各部門，世界各國歷來都十分重視工程機械的發(fā)展。

液壓挖掘機是工程機械的一個主要機種，它利用鏟斗挖掘、鏟裝土壤和石塊，裝滿后提升鏟斗并回轉到卸土地點卸土，然后再使轉臺回轉、鏟斗下降到挖掘面，進行下一次挖掘液壓挖掘機廣泛應用于礦山開采、道路工程、國防施工、農田水利等基礎建設之中，對減輕繁重的體力勞動，加快施工進度，提高勞動生產率具有十分顯著的意義在立井施工領域，凍結法鑿井技術得到了越來越多的應用，我國在這一方面已跨入世界先進行列，凍結深度從最早的105米發(fā)展到目前的700余米，相應的凍結表土層也由最初的幾十米發(fā)展到今天的近600米隨著凍結深度的增加，凍土的挖掘愈加困難，目前凍結井筒普遍采用風鎬掘進施工方法，即人工操作風鎬破土、抓巖機抓土裝罐這種方法占用人員多、勞動強度大、施工效率低，造成工期、凍結送冷時間的延長，進而導致施工成本的大幅度增加因此，盡快開發(fā)出用于凍土挖掘的專業(yè)施工設備，提高立井井筒凍結表土段掘進的機械化程度、加快施工速度、降低工人的勞動強度已成為一個重要的現實課題液壓挖掘機作為一種常用機械設備，操作方便、故障率低且易于維修，據統(tǒng)計，各種土石方作業(yè)中約有60％～70％的土方量是由它完成的借鑒地面土石方工程中利用液壓挖掘機破碎和挖（裝）土的成功經驗，如能研制出（1）尺寸小，滿足井下工作面狹小空間施工要求；（2）挖掘力和斗容滿足施工產量需求；（3）回轉速度滿足中心抓巖機裝料效率需求；（4）設備性能好，維修率低；（5）排放盡可能少，滿足環(huán)保和職業(yè)健康要求的立井井筒凍結表土層掘進施工用新型液壓挖掘機，則可以大大提高凍土掘進速度，取得十分顯著的經濟和社會效益，同時也是對立井機械化施工技術的一個很好補充。

基于上述考慮，中煤第五建設公司第三工程處在參考市場上同類先進機型基礎上，進行了斗容量為0.21m3的立井施工用新型電動液壓挖掘機的開發(fā)，改傳統(tǒng)柴油機驅動為電動機驅動，保留液壓傳動和反鏟工作裝置新產品設計過程中要解決如何在符合正常的液壓挖掘機操作習慣下，與市場上同規(guī)格內燃機驅動機型相比尺寸、重量盡可能小，以適應井下工作環(huán)境；如何保證采用電機驅動后不降低挖掘力、不影響機械回轉裝料效率，而且還要安全、節(jié)能、可靠等難題鑒于這種情況，本文結合該項目，采用現代設計理論和方法對立井施工新型液壓挖掘機進行設計研究，以期能研制出滿足市場需求、高性能的產品1.2 液壓挖掘機概述本節(jié)以常見的單斗反鏟液壓挖掘機為例，介紹其基本組成結構、工作原理1.2.1液壓挖掘機主要組成液壓挖掘機由動力裝置、傳動系統(tǒng)、操縱機構、回轉機構、工作裝置、行走機構和輔助設備等幾部分組成，外形如圖1-1所示其中動力裝置、傳動系統(tǒng)的主要部分、操縱機構、回轉機構、輔助設備和駕駛室等都安裝在可回轉的平臺上，總稱上車部分，它與行走機構（又稱下車部分）用回轉支撐相連，平臺可以圍繞中央回轉軸作360°回轉常見的液壓挖掘機多采用柴油發(fā)動機作為原動力，履帶或輪胎行走，斗容量小于1.6m3的中小型液壓挖掘機通常選用整體鵝頸式動臂反鏟裝置，它的主要運動如整機行走、轉臺回轉、動臂升降、斗桿收放、鏟斗轉動等都靠液壓傳動，把發(fā)動機的機械能以油液為介質，利用油泵轉變?yōu)橐簤耗?，傳送給油缸、油馬達等轉變?yōu)闄C械能，再傳動各執(zhí)行機構，實現各種運動和工作過程。

整體鵝頸式動臂反鏟液壓挖掘機工作裝置主要由動臂1、動臂油缸2、斗桿3、斗桿油缸4、鏟斗5、鏟斗油缸6、搖臂連桿7等組成，如圖1-1所示裝置各運動部件之間全部采用銷軸鉸接，其中動臂鉸接于回轉平臺，以動臂油缸來支撐和改變動臂的傾角，通過動臂油缸的伸縮可使動臂繞下鉸點轉動實現動臂的升降；斗桿鉸接于動臂的上端，由斗桿油缸控制斗桿與動臂的相對角度；鏟斗與斗桿前端鉸接，并通過鏟斗油缸伸縮使鏟斗轉動，為增大鏟斗的轉角，通常采用搖臂連桿機構來和鏟斗聯(lián)結圖1-1 液壓挖掘機的主要組成Figure1-1 Primary Structure of the Hydraulic Excavator1-動臂；2-動臂油缸；3-斗桿；4-斗桿油缸；5-鏟斗； 6-鏟斗油缸；7-搖臂連桿；8-上部轉臺；9-行走機構1.2.2液壓挖掘機工作循環(huán)過程 液壓挖掘機的回轉、行走和工作裝置的動作都由液壓傳動系統(tǒng)實現，原動機驅動雙聯(lián)液壓泵，把壓力油分別送到兩組多路換向閥，通過司機的操作，將壓力油單獨或同時送往液壓執(zhí)行元件(液壓馬達和液壓油缸)驅動執(zhí)行機構工作 其工作循環(huán)過程如下：首先液壓挖掘機驅動行走馬達和配套土方運輸車輛一起進入作業(yè)面，運輸車輛倒車、調整，?？吭谕诰驒C的側方或后方。

挖掘機司機扳動操縱手柄，使回轉馬達控制閥接通，于是回轉馬達轉動并帶動上部平臺回轉，使工作裝置轉向挖掘地點，在執(zhí)行上述過程的同時操縱動臂油缸換向閥，使動臂油缸上腔進油，將動臂下降，直至鏟斗接觸地面，然后司機操縱斗桿油缸和鏟斗油缸的換向閥，使兩者的大腔進油，配合動作以加快作業(yè)進度，進行復合動作的挖掘和裝載；鏟斗裝滿后將斗桿油缸和鏟斗油缸的操縱手柄扳回中位，使鏟斗和斗桿油缸閉鎖，再操縱動臂油缸換向閥，使動臂油缸的下腔進油，將動臂提升，舉起裝滿土的鏟斗離開工作面，隨即扳動平臺回轉換向閥手柄，使上部平臺回轉，帶動鏟斗轉至運輸車輛上方，再操縱斗桿油缸使斗桿高度稍降一些，并在適當的高度操縱鏟斗油缸使鏟斗卸土土方卸完后，使平臺反轉并降低動臂，直至鏟斗回到作業(yè)點上方，以便進行下一工作循環(huán)1.2.3電動液壓挖掘機 柴油機驅動的液壓挖掘機雖然具有無可比擬的優(yōu)點，但柴油機廢氣、煙霧、熱輻射及噪聲卻嚴重地污染了地下作業(yè)環(huán)境而如果把柴油機驅動改為電力驅動，則可在保留液壓挖掘機大部分優(yōu)點的情況下，從根本上消除了柴油機廢氣的危害，同時電動機工作溫度比柴油機低，噪聲小，因而有利于環(huán)境的保護和井下作業(yè)人員的健康，可節(jié)省添加通風系統(tǒng)的大量資金耗費。

表1是類比瑞典波立登（Boliden）公司所屬礦山對電力驅動鏟運機與柴油驅動鏟運機進行的生產對比試驗而完成的兩種驅動形式液壓挖掘機的對比分析，可以看出，立井施工新型液壓挖掘機應采用電力驅動[3]電力驅動的挖掘機在國內外的應用多為大噸位（400以上）、機械式，普通噸位液壓傳動的電動挖掘機國內也只有四川邦立在做，但它的產品沒有針對為在諸如豎井、隧道或地下等狹窄空間的挖掘作業(yè)而進行優(yōu)化，所以要開發(fā)出完全適應立井施工用液壓挖掘機還有很多工作要做[4]表1-1 電力驅動和柴油機驅動的挖掘機對比分析對比項目對比分析結論設備總投資電動挖掘機不需要柴油機及其相關附件，也不需要燃油箱，但需要電動機，還增加了供電電纜、電纜卷筒及傳動裝置、電控箱，考慮到低污染柴油機價格貴，綜合考慮來看兩者設備總投資基本持平基本持平生產費用生產費包括能源費、修理費和司機工資，后一項對兩種挖掘機相同，不予比較電能比柴油便宜，類比瑞典波立登公司所屬礦山對電力驅動和柴油機驅動鏟運機生產對比試驗，電動挖掘機比柴油挖掘機能源費低一半且柴油機需要一筆不低的修理保養(yǎng)費，而三相鼠籠電動機在其服務期間幾乎不需任何維修，電動機的壽命通常比挖掘機本身的壽命長。

使用電動挖掘機，井下不需增加通風費用電動挖掘機生產費用遠低于柴油挖掘機設備能力和生產率使用三相鼠籠電動機的挖掘機，其過載能力是額定扭矩的2倍，且牽引功率和回轉速度與柴油挖掘機一樣，而柴油機不可能承受高于額定值的負載，由于具有這些特點，電動挖掘機理論上應比同級柴油挖掘機生產率高電動挖掘機同樣能達到柴油挖掘機的生產率作業(yè)環(huán)境電動挖掘機不排放廢氣，而柴油機會排放出大量對人體有害氣體，嚴重污染作業(yè)環(huán)境電動機的熱效率也比柴油機高的多，這樣它的熱輻射也遠低于柴油機據測定資料，在司機座附件，電動挖掘機的噪聲比柴油機驅動挖掘機低20dB電動挖掘機優(yōu)于柴油挖掘機機動性電動挖掘機受到拖曳電纜的限制，機動性不如柴油機驅動的液壓挖掘機電動挖掘機機動性差1.3 液壓挖掘機的發(fā)展和研究現狀立井施工新型液壓挖掘機的研發(fā)必須有高起點，要借鑒目前市場上同規(guī)格機型的最先進技術，并考慮其工作環(huán)境，采用現代設計理論和方法去設計，這樣才能大幅度提高產品性能、縮短開發(fā)周期、節(jié)省原材料、降低產品成本進而獲得較高的經濟效益所以研發(fā)前必須首先對液壓挖掘機國內外研究現狀、發(fā)展趨勢有比較深刻的認識1.3.。