挖掘機(jī)畢業(yè)設(shè)計

1、大型礦用機(jī)械式挖掘機(jī)大型礦用機(jī)械式挖掘機(jī)工作裝置參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計工作裝置參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計 學(xué)號：0500650 姓名：康晶晶 專業(yè)：機(jī)械設(shè)計及理論導(dǎo)師：林貴瑜摘要v挖掘機(jī)的工作裝置包括動臂、斗桿、鏟斗及推壓機(jī)構(gòu)等部件。v論文的基本思想是根據(jù)采掘工藝，基于挖掘軌跡的思想，從多種不同的料堆形狀出發(fā)推導(dǎo)挖掘軌跡，建立數(shù)學(xué)模型，確定目標(biāo)函數(shù)，運用一種可靠的優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化計算設(shè)計。 數(shù)學(xué)模型 v設(shè)計變量 X(0)初始角X(1)有效轉(zhuǎn)角X(2)連桿AB的長度X(3)開始挖掘時斗尖距料堆的水平距離X(4)下節(jié)臂長X(5)動臂長X(6)推壓軸中心到動臂中心線的距離X(7)天輪半徑X(8)斗桿有效長度X(9)天輪

2、向下的偏心距優(yōu)化變量示意圖優(yōu)化中間變量的確定 v初始挖掘矢徑rho0的確定 v挖掘體積v的確定v后角的確定v提升力、推壓力的確定v連桿力的確定v運動學(xué)分析 后角的確定提升力、推壓力的確定連桿力的確定運動學(xué)分析優(yōu)化設(shè)計的模型 v目標(biāo)函數(shù) (1)每個料堆對應(yīng)的挖掘曲線上后角最小(2)每個料堆對應(yīng)的挖掘曲線上的后角差最小(3)每相鄰兩個料堆對應(yīng)挖掘曲線的后角差最小(4)提升鋼絲繩與斗桿中心線之間夾角A11最大(5)平均提升功最小 (6)平均推壓功最小 v多目標(biāo)優(yōu)化總目標(biāo)函數(shù) 式中， 加權(quán)系數(shù) 分目標(biāo)函數(shù) v單目標(biāo)優(yōu)化即對上述各個分目標(biāo)函數(shù)分別做了單目標(biāo)優(yōu)化 5500( )( )( )iiiF Xw

3、f Xwyy iiw()if X()( )iF Xf xv約束條件 1.設(shè)計變量約束 GX (k) = X (i) - BL(i)0GX (k) = BU(i) - X(i)02.挖掘性能約束 挖掘物料體積的約束 GX (23) =V斗V(i)0 GX (24) =V(i)0.8V斗0最大挖掘厚度的約束 GX (25) =0.3BCmax0 最大挖掘后角的約束 GX (26) = 300最大提升力、推壓力的約束 GX (27) =Ftl - Ftmax0 GX (28) =Ftuil Ftuimax0挖掘結(jié)束時矢徑的約束GX (29) =16.3m 0推壓軸中心距地面的距離約束GX (30)

4、= ht0 - 10.20GX (31) = 11.3 - ht00 v優(yōu)化方法及編程語言 因本課題是同時具有不等式約束和等式約束的優(yōu)化設(shè)計問題，又是工程實際問題，故選用罰函數(shù)法調(diào)用鮑威爾法這種成熟可靠的優(yōu)化方法. ，不等式約束 ，在優(yōu)化過程中若沒有等式約束，此項也要設(shè)置為0，以保證程序的語法完整。 21111(, )()()()pmjijiP X rf Xrh Xg Xr()0ig X ()0jhXv本文選用Visual Basic.NET語言編寫優(yōu)化程序并分析優(yōu)化結(jié)果，設(shè)計了一個與用戶交互的界面友好的平臺，便于用戶操作.優(yōu)化結(jié)果 v多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果以坡角a=55的料堆為例 ，優(yōu)化前后設(shè)計變量

5、的值： v單目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果 不同料堆下提升力Ft與轉(zhuǎn)角的對應(yīng)曲線在料堆坡角為65時，提升力Ft最大值為309.996104N 不同料堆下推壓力Ftui與轉(zhuǎn)角的對應(yīng)曲線 在料堆坡角為75時，推壓力Ftui最大值為108.989104N410 N 不同料堆下后角與轉(zhuǎn)角的對應(yīng)曲線 挖掘后角的上限： 30.4，發(fā)生在料堆坡角為70，75時；挖掘后角的下限： 22.0，發(fā)生在料堆坡角為65時；不同料堆下斗桿中心線和提升繩夾角A11與轉(zhuǎn)角的對應(yīng)曲線 提升繩與斗桿中心線的夾角A11的最大值的上限：84.5，發(fā)生在料堆坡角為55時；提升繩與斗桿中心線的夾角A11的最大值的下限：74.9，發(fā)生在料堆坡角為50時；

6、料堆坡角=40，45，50的連桿力Flg與轉(zhuǎn)角的對應(yīng)曲線 料堆坡角為50時，連桿力Flg最大值為188.537104N410 N 連桿長度 v1）料堆坡角=40，45，50時，連桿長度X(2)=1.18m；v2）料堆坡角=55，60，65時，連桿長度X(2)=1.325m；v3）料堆坡角=70，75時，連桿長度X(2)=1.4m.v建議連桿長度取以上三個值的平均值=1.3m.挖掘厚度的確定 v挖掘厚度的大小對挖掘阻力、提升力、推壓力的影響最大，而影響挖掘厚度的因素有：料堆坡角；挖掘軌跡方程 中的k值；斗桿的初始角0；斗桿的有效轉(zhuǎn)角.這4個因素合理匹配，既能滿足挖掘體積，又使挖掘厚度最小，消耗的

7、功最小。 00000000sin()cos()2cos()sin()2kkclee 0kek、的合理匹配v當(dāng)料堆坡角=40 ，在挖掘面積S=11.5，=l兩條曲線中，不同初始角0與k、的對應(yīng)關(guān)系圖 最大挖掘厚度cmax的確定 v令 ，求出最大挖掘厚度時的轉(zhuǎn)角c，代入挖掘厚度表達(dá)式得cmaxv數(shù)值計算cmax范圍為1.41.55mv經(jīng)驗公式計算cmax=0.3B=0.34.86=1.458m v優(yōu)化結(jié)果顯示cmax范圍也在1.41.5m之間 v微分?jǐn)?shù)值計算結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果都與經(jīng)驗公式相吻合 0d cd動臂及斗桿合理斷面的確定 v根據(jù)實腹式組合梁合理斷面確定的原則與方法中的公式v式中，N 作用在橫截

8、面的軸向力 Mx 橫截面x軸的彎矩 ； 腹板的厚度 22422223932383xkNk NkkMhk動臂截面高度的確定 v基本數(shù)據(jù)1：挖掘比阻力w=25104N時的優(yōu)化結(jié)果；v基本數(shù)據(jù)2：鏟斗提升力、提升卷筒的提升力、繃?yán)K力都是按給定的最大值計算的 ；v計算距天輪中心L=5m ，6.818m，9.010m處的截面高及距動臂鉸點1.5m處的截面高 ；v 動臂上部距頂端6.818m處的截面高h(yuǎn)=1.667m，實際高1.598m；v動臂上部距頂端9.010m處的截面高h(yuǎn)=1.69m，實際高1.8873m； 兩斗桿中心寬的確定 v斗桿內(nèi)寬取決于斗桿與鏟斗鉸接點的間距，把斗簡化成簡支兩端外伸梁結(jié)構(gòu)，并

9、認(rèn)為是均布載荷，剪力與彎矩圖如下： v 令該梁為等截面梁，則 v即得兩斗桿中心寬為2.847m ，實際兩斗桿中心寬為2.7m 1MaxMM斗桿的截面設(shè)計 假設(shè)條件 v鑒于斗體剛度遠(yuǎn)大于斗桿剛度，故將斗桿視為懸臂梁力學(xué)模型；v并認(rèn)為二斗桿受力不均，某側(cè)斗桿受力 ，另側(cè)斗桿受力 ；v將受力最嚴(yán)重的某側(cè)斗桿做為計算對象；v該斗桿的材料應(yīng)力等級為700Mpa；v沖擊系數(shù)為2.5，安全系數(shù)1.21.5 123T113T計算結(jié)果 v垂直斗桿中心線向下合力為P vM=PL，L為計算截面距推壓軸的距離v沿斗桿中心線方向的合力為N, 21023kw rNTb扭轉(zhuǎn)筒的計算 v扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象是由T1和 作用在斗桿與推壓齒

10、輪的嚙合點處，而簡化到斗柄中心平面引起的，扭轉(zhuǎn)筒的作用是抗扭矩。v計算其上的剪應(yīng)力及扭角。 20kw rb結(jié)論 v(1) 基于爆破后的礦堆工作環(huán)境建立描述斗尖挖掘過程的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)鏟斗容積等于一次挖掘的物料體積的原則，推導(dǎo)出軌跡方程，其中參數(shù)k；因為邊界條件具有不確定性，因此初步確定挖掘軌跡中的k值，k=0.090.21；作為基本計算的依據(jù)。v(2) 工作裝置的運動學(xué)分析。根據(jù)軌跡方程確定斗尖處速度之比，推導(dǎo)出機(jī)構(gòu)的推壓提升速度比；以料堆坡角=40為例，用優(yōu)化程序計算出瞬時推壓提升速度比為0.150.25；平均推壓提升速度比為0.240.35。v(3) 以料堆坡角=40為例，諸設(shè)計變量中，連

11、桿長度X(2)的初始值為1.2m，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果初步確定連桿長度為1.3m；動臂下節(jié)臂長X(4)的初始值為5.28m，優(yōu)化結(jié)果為5.26m；推壓齒輪中心到動臂中心線的距離X(6)的初始值為0.58m，優(yōu)化結(jié)果為0.42m；天輪半徑X(7)的初始值為1.05 m，優(yōu)化結(jié)果為1.06 m；天輪中心到動臂中心線的偏心距初始值為0.1 m，優(yōu)化結(jié)果為0.09 m.v(4) 進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化和單目標(biāo)優(yōu)化。以坡角為65的料堆為例，最大提升力的初始值為309.65104N，多目標(biāo)優(yōu)化后的值為310104N，單目標(biāo)優(yōu)化后的值為307.8104N；最大推壓力的初始值為84104N，多目標(biāo)優(yōu)化后的值為86104N，

12、單目標(biāo)優(yōu)化后的值為87104N；在此挖掘過程中，提升功的初始值為2201104J，多目標(biāo)優(yōu)化后的值為2264.7104J，單目標(biāo)優(yōu)化后的值為2125.6104J；推壓功的初始值為107.9104J，多目標(biāo)優(yōu)化后的值為105104J，單目標(biāo)優(yōu)化后的值為107.7104J.v(5) 在不同料堆的挖掘過程中，挖掘后角的范圍為22 30；最大挖掘厚度的范圍為1.4 1.5m，與經(jīng)驗公式相吻合；為設(shè)計提供了基本依據(jù)。v(6) 動臂和斗桿合理斷面的確定，根據(jù)實腹式組合梁合理斷面確定的原理確定出主要斷面的尺寸。兩斗桿中心寬為2.85m，實際寬為2.7m，比實際大0.15m；當(dāng)許用應(yīng)力=185Mpa，斗桿腹板厚度=75mm時，