立井液壓挖掘機(jī)畢業(yè)論文.doc

立井液壓挖掘機(jī)畢業(yè)論文摘要將液壓挖掘機(jī)引入凍結(jié)法立井施工領(lǐng)域，可以加快施工速度、降低工人的勞動強(qiáng)度，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法對立井施工新型液壓挖掘機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，以期能研制出滿足市場需求、高性能的產(chǎn)品，提高立井井筒凍結(jié)表土段掘進(jìn)的機(jī)械化程度。本文首先進(jìn)行方案論證，決定采用電力驅(qū)動，從根本上消除了柴油機(jī)廢氣的危害；以日本小松PC50UU-小型柴油驅(qū)動挖掘機(jī)作為研制的母機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，明確了本文的研究重點(diǎn)為工作裝置優(yōu)化和液壓系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)兩方面。通過對立井施工新型液壓挖掘機(jī)反鏟裝置運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，得到了動臂、斗桿、鏟斗及其連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動方程和幾種典型工況下的挖掘力計(jì)算方法。在此基礎(chǔ)上本文根據(jù)立井施工新型液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置的工作特點(diǎn)和性能要求，將確定工作裝置各鉸點(diǎn)的幾何參數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，用反鏟工作裝置的挖掘能力作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，對反鏟工作裝置實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用博世力士樂的LUDV技術(shù)，本文重新設(shè)計(jì)了立井施工新型液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)。本文進(jìn)一步建立了挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中電動機(jī)、泵、閥、缸和馬達(dá)的數(shù)學(xué)模型，研究工作機(jī)構(gòu)與其液壓回路數(shù)學(xué)模型之間的耦合，然后利用AMESim仿真軟件對新型挖掘機(jī)定點(diǎn)挖掘過程中工作裝置的液壓系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)動力學(xué)進(jìn)行綜合仿真，運(yùn)動學(xué)仿真結(jié)果表明工作裝置能很好的實(shí)現(xiàn)挖掘范圍要求，機(jī)構(gòu)無干涉；力學(xué)仿真結(jié)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(jìn)行了樣機(jī)試制和工業(yè)性試驗(yàn)，實(shí)踐檢驗(yàn)證明了立井施工新型液壓挖掘的設(shè)計(jì)是正確和可靠的，完全能滿足現(xiàn)場施工要求。關(guān)鍵詞：電動液壓挖掘機(jī)立井施工工作裝置液壓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真目錄1緒論.11.1課題的提出.11.2液壓挖掘機(jī)概述.21.2.1液壓挖掘機(jī)主要組成.21.2.2液壓挖掘機(jī)工作循環(huán)過程.31.2.3電動液壓挖掘機(jī).31.3液壓挖掘機(jī)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀.41.3.1國外發(fā)展與研究現(xiàn)狀.41.3.2國內(nèi)發(fā)展與研究現(xiàn)狀.71.4虛擬樣機(jī)技術(shù)在本課題中的應(yīng)用.71.5課題主要研究內(nèi)容.91.6本章小結(jié).92新型液壓挖掘機(jī)工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.112.1新型液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置的運(yùn)動學(xué)分析.112.1.1動臂運(yùn)動分析.112.1.2斗桿運(yùn)動分析.122.1.3鏟斗運(yùn)動分析.132.1.4斗齒尖運(yùn)動分析.142.1.5特殊工作尺寸.152.2新型液壓挖掘機(jī)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(jī)反鏟工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì).232.3.1設(shè)計(jì)變量的確定.242.3.2目標(biāo)函數(shù)的建立.242.3.3約束條件的確定.252.3.4優(yōu)化設(shè)計(jì)及結(jié)果分析.292.4本章小結(jié).313新型液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究.333.1新型液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)概述.333.1.1基本組成及其設(shè)計(jì)要求.333.1.2液壓系統(tǒng)形式分析選擇.343.1.3負(fù)荷敏感液壓系統(tǒng)技術(shù).373.2立井施工新型液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì).393.2.1多路閥液壓系統(tǒng).393.2.2液壓泵控制系統(tǒng).413.2.3各液壓作業(yè)元件子系統(tǒng).423.2.4多路閥先導(dǎo)操縱系統(tǒng).453.2.5系統(tǒng)其它功能閥.453.3元件選型.463.4本章小結(jié).464新型液壓挖掘機(jī)工作裝置仿真研究.494.1挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)建模仿真理論.494.1.1建模步驟和仿真基本方程.494.1.2液壓系統(tǒng)建模.514.1.3負(fù)荷傳感控制系統(tǒng)建模.564.1.4液壓系統(tǒng)模型與機(jī)械系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)集成.564.2工作裝置AMEsim仿真.584.2.1AMEsim仿真軟件簡介.584.2.2工作裝置仿真模型的建立.604.2.3系統(tǒng)仿真參數(shù)的確定.614.2.4仿真結(jié)果分析.634.3本章小結(jié).686結(jié)論.791緒論1Introduction1.1課題的提出（ProposingtheProject）工程機(jī)械是實(shí)現(xiàn)施工高速度、高質(zhì)量、低成本、高效益的重要手段，它廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各部門，世界各國歷來都十分重視工程機(jī)械的發(fā)展。液壓挖掘機(jī)是工程機(jī)械的一個主要機(jī)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(zhuǎn)到卸土地點(diǎn)卸土，然后再使轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)、鏟斗下降到挖掘面，進(jìn)行下一次挖掘。液壓挖掘機(jī)廣泛應(yīng)用于礦山開采、道路工程、國防施工、農(nóng)田水利等基礎(chǔ)建設(shè)之中，對減輕繁重的體力勞動，加快施工進(jìn)度，提高勞動生產(chǎn)率具有十分顯著的意義。在立井施工領(lǐng)域，凍結(jié)法鑿井技術(shù)得到了越來越多的應(yīng)用，我國在這一方面已跨入世界先進(jìn)行列，凍結(jié)深度從最早的105米發(fā)展到目前的700余米，相應(yīng)的凍結(jié)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(jié)深度的增加，凍土的挖掘愈加困難，目前凍結(jié)井筒普遍采用風(fēng)鎬掘進(jìn)施工方法，即人工操作風(fēng)鎬破土、抓巖機(jī)抓土裝罐。這種方法占用人員多、勞動強(qiáng)度大、施工效率低，造成工期、凍結(jié)送冷時間的延長，進(jìn)而導(dǎo)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(shè)備，提高立井井筒凍結(jié)表土段掘進(jìn)的機(jī)械化程度、加快施工速度、降低工人的勞動強(qiáng)度已成為一個重要的現(xiàn)實(shí)課題。液壓挖掘機(jī)作為一種常用機(jī)械設(shè)備，操作方便、故障率低且易于維修，據(jù)統(tǒng)計(jì)，各種土石方作業(yè)中約有6070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(jī)破碎和挖（裝）土的成功經(jīng)驗(yàn)，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(chǎn)量需求；（3）回轉(zhuǎn)速度滿足中心抓巖機(jī)裝料效率需求；（4）設(shè)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(jié)表土層掘進(jìn)施工用新型液壓挖掘機(jī)，則可以大大提高凍土掘進(jìn)速度，取得十分顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益，同時也是對立井機(jī)械化施工技術(shù)的一個很好補(bǔ)充?；谏鲜隹紤]，中煤第五建設(shè)公司第三工程處在參考市場上同類先進(jìn)機(jī)型基礎(chǔ)上，進(jìn)行了斗容量為0.21m3的立井施工用新型電動液壓挖掘機(jī)的開發(fā)，改傳統(tǒng)柴油機(jī)驅(qū)動為電動機(jī)驅(qū)動，保留液壓傳動和反鏟工作裝置。新產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中要解決如何在符合正常的液壓挖掘機(jī)操作習(xí)慣下，與市場上同規(guī)格內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動機(jī)型相比尺寸、重量盡可能小，以適應(yīng)井下工作環(huán)境；如何保證采用電機(jī)驅(qū)動后不降低挖掘力、不影響機(jī)械回轉(zhuǎn)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(jié)合該項(xiàng)目，采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法對立井施工新型液壓挖掘機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，以期能研制出滿足市場需求、高性能的產(chǎn)品。1.2液壓挖掘機(jī)概述（IntroductionoftheHydraulicExcavator）本節(jié)以常見的單斗反鏟液壓挖掘機(jī)為例，介紹其基本組成結(jié)構(gòu)、工作原理。1.2.1液壓挖掘機(jī)主要組成(PrimaryStructureofHydraulicExcavator)液壓挖掘機(jī)由動力裝置、傳動系統(tǒng)、操縱機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、工作裝置、行走機(jī)構(gòu)和輔助設(shè)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(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、輔助設(shè)備和駕駛室等都安裝在可回轉(zhuǎn)的平臺上，總稱上車部分，它與行走機(jī)構(gòu)（又稱下車部分）用回轉(zhuǎn)支撐相連，平臺可以圍繞中央回轉(zhuǎn)軸作360回轉(zhuǎn)。常見的液壓挖掘機(jī)多采用柴油發(fā)動機(jī)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(jī)通常選用整體鵝頸式動臂反鏟裝置，它的主要運(yùn)動如整機(jī)行走、轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)、動臂升降、斗桿收放、鏟斗轉(zhuǎn)動等都靠液壓傳動，把發(fā)動機(jī)的機(jī)械能以油液為介質(zhì)，利用油泵轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗?，傳送給油缸、油馬達(dá)等轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，再傳動各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動和工作過程。整體鵝頸式動臂反鏟液壓挖掘機(jī)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(yùn)動部件之間全部采用銷軸鉸接，其中動臂鉸接于回轉(zhuǎn)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(diǎn)轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)動，為增大鏟斗的轉(zhuǎn)角，通常采用搖臂連桿機(jī)構(gòu)來和鏟斗聯(lián)結(jié)。圖1-1液壓挖掘機(jī)的主要組成Figure1-1PrimaryStructureoftheHydraulicExcavator1-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(zhuǎn)臺；9-行走機(jī)構(gòu)1.2.2液壓挖掘機(jī)工作循環(huán)過程(WorkingCycleoftheHydraulicExcavator)液壓挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)、行走和工作裝置的動作都由液壓傳動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，原動機(jī)驅(qū)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(jī)的操作，將壓力油單獨(dú)或同時送往液壓執(zhí)行元件(液壓馬達(dá)和液壓油缸)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。其工作循環(huán)過程如下：首先液壓挖掘機(jī)驅(qū)動行走馬達(dá)和配套土方運(yùn)輸車輛一起進(jìn)入作業(yè)面，運(yùn)輸車輛倒車、調(diào)整，?？吭谕诰驒C(jī)的側(cè)方或后方。挖掘機(jī)司機(jī)扳動操縱手柄，使回轉(zhuǎn)馬達(dá)控制閥接通，于是回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)動并帶動上部平臺回轉(zhuǎn)，使工作裝置轉(zhuǎn)向挖掘地點(diǎn)，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(jìn)油，將動臂下降，直至鏟斗接觸地面，然后司機(jī)操縱斗桿油缸和鏟斗油缸的換向閥，使兩者的大腔進(jìn)油，配合動作以加快作業(yè)進(jìn)度，進(jìn)行復(fù)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(jìn)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(zhuǎn)換向閥手柄，使上部平臺回轉(zhuǎn)，帶動鏟斗轉(zhuǎn)至運(yùn)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(dāng)?shù)母叨炔倏v鏟斗油缸使鏟斗卸土。土方卸完后，使平臺反轉(zhuǎn)并降低動臂，直至鏟斗回到作業(yè)點(diǎn)上方，以便進(jìn)行下一工作循環(huán)。1.2.3電動液壓挖掘機(jī)(IntroductionoftheElectric-drivenHydraulicExcavator)柴油機(jī)驅(qū)動的液壓挖掘機(jī)雖然具有無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，但柴油機(jī)廢氣、煙霧、熱輻射及噪聲卻嚴(yán)重地污染了地下作業(yè)環(huán)境。而如果把柴油機(jī)驅(qū)動改為電力驅(qū)動，則可在保留液壓挖掘機(jī)大部分優(yōu)點(diǎn)的情況下，從根本上消除了柴油機(jī)廢氣的危害，同時電動機(jī)工作溫度比柴油機(jī)低，噪聲小，因而有利于環(huán)境的保護(hù)和井下作業(yè)人員的健康，可節(jié)省添加通