篇液壓挖掘機工作裝置性能分析和頂保護

AThesisinMechanicalandElectricalThedynamicsimulationstudyontheworkingdeviceperformanceandthetopstructureprotectionofHydraulicexcavator Zhou June2008究了挖掘機工作裝置的設計應該滿足的要求，簡要了挖掘機工作裝置的設計原則，對挖掘機工作裝置的設計有實際的指導意義。挖掘機保護結(jié)構(gòu)對于保證操作的安全是十分重要的，加裝保護結(jié)段掌握產(chǎn)品性能，避免設計，采用動態(tài)模擬方法對挖掘機室頂部保護結(jié)構(gòu)受落 挖掘機工作裝 運動學分析動力學分析頂保護結(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挖掘機工作裝置運動學分 反鏟裝置動力學分 挖掘阻力的計 挖掘力的計 整機實際最大挖掘力的概念及其測量方 整機實際最大挖掘 實際最大挖掘力的測 整機性能要求對反鏟機構(gòu)優(yōu)化的影 本章小 第4章挖掘機工作裝置可視化分 4.1的開發(fā)工 工作裝置性能可視化設 工作裝置性能可視化功 工作裝置性能可視化應 實例計 本章小 第5章挖掘機頂保護結(jié)構(gòu)動態(tài)仿 頂保護結(jié)構(gòu)有限元計算的基本理 頂保護結(jié)構(gòu)受沖擊的求解方 頂保護結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的基本方 頂保護結(jié)構(gòu)受落錘沖擊時的瞬態(tài)響應增量方 頂保護結(jié)構(gòu)受落錘沖擊時激勵力的確定方 主要單元特 平面形狀的頂保護結(jié)構(gòu)性能分 設計方 仿真模型的建 結(jié)果分 曲面形狀頂保護結(jié)構(gòu)性能分 設計方 模型簡 結(jié)果分 平面形狀與曲面形狀的結(jié)構(gòu)對 頂保護結(jié)構(gòu)的仿 仿真模型的建 頂保護結(jié)構(gòu)的計算機仿 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1.1兩個以上的部件參與工作；(3)在挖掘的過程載荷的作用，且隨著挖掘姿態(tài)的不同，挖掘力的圖1.1挖掘機大小與方向都在不斷地變化，因而實際的挖掘力Fig1.1Figurehydraulic鑒于挖掘機市場潛力大，國內(nèi)外相關研究對挖掘機整機及其主要部件進行學研究以及頂保護結(jié)構(gòu)的研究,為挖掘機工作裝置的設計提供理論依據(jù)和實用，對國內(nèi)外研究現(xiàn)輕便等特點，在工程建設施工中起著重要的作用[1]。隨著挖掘機產(chǎn)量的提高和爭力,從20世紀后期開始，國際上挖掘機的生產(chǎn)向大型化、微型化、多功能化、化斗挖掘機的主要生產(chǎn)國。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，斗容量107m3的剝離用挖掘機等，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)裝置大大擴展了挖掘機的功用，提高了產(chǎn)品的國外對挖掘機的研究主要體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)重視試驗研究工作。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。韓國的PyungHunChang、Lee,S.J[3]對挖掘機鏟斗軌跡進行了研究。的YokotaShinichi、SasaoMasanori和IchiryuKen[4]對挖掘機動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]對大型挖掘機鏟斗精確運動軌跡進行了研究。的ZuiHiroshi和ImanishiEtsujiro[6]等人對挖掘機工作裝置進行動力學仿真分析。英國的FrimpongSLiY[7]對露天采礦的挖掘機的鏟斗進行動力學分析。的Torres-Rodriguez、H.IParra-VegaV.和Ruiz-SanchezF.J[8]對挖掘機觸覺訓練系統(tǒng)進行了動態(tài)分析。英國的Zweiri,YahyaH、SeneviratneLakmalD和AlthoeferKaspar[9]使用牛頓方法對挖掘機斗桿進行動力學分析。的KimuraNobuo和ArayaHirokazu[10]等人對挖掘機自動控制系統(tǒng)進行了研究。的HiroshiW.和FujishimaK[11]對挖掘機挖掘系統(tǒng)的控制進行了深入的研究。南斯拉夫的DurkovitRadan和BulatovicRanislav[12]對挖掘機工作裝置進行了建模和優(yōu)化。日本的KosugiA.、KohmotoT.和Taji[13]研究了挖掘機動臂強度分析方法。的KeskinenErnoK、Keskiniva,Markku[14]等人對挖掘機多用途錘進行了設計分析。日本的ImanishiEtsujiro;NanjoTakao[15]等人對挖掘機驅(qū)動系統(tǒng)進行動力學仿真。意大利的SerwachAndrzej、FrydlinskiStefan、Jabikowski[16]等人對挖掘機系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化分析進行研究德國BRACHI[17]對ReussHans-Juergen[18]介紹了挖掘的新技術。的FrimpongS.和Hu,Y[19]對挖掘機鏟斗挖掘沙石的過程進行參數(shù)化仿真。的WardPeterWakelingAndrew[20]等人設計了一款對液壓挖掘機斗桿進行優(yōu)化設計。Mottl[21]使用一種法對挖掘機進行優(yōu)化，對一些參數(shù)非線性問題提供了解決方法。其他研究利用一些先進算法和對挖掘機進行[34]國內(nèi)研究狀我國開發(fā)挖掘機的時間是從1967年開始的，與開發(fā)挖掘機的時間差不多是相同的。早期開發(fā)成功的產(chǎn)品主要有建筑機械廠的WY100，貴陽礦山機器W4-60WY607080年代初出現(xiàn)了長江挖掘機廠的WY160和杭州重型機械廠的WY250等挖掘機產(chǎn)品。我國挖掘機制造業(yè)已有容量從0.15～5.4m3的各種規(guī)格型號的挖掘機，目前中外合資、外商獨資企業(yè)產(chǎn)品及進口機已占市場大部份額?？v觀我國挖掘機近40年的發(fā)展歷史，大致可以分以開發(fā)階段(1967－1977有少量幾種規(guī)格的挖掘機獲得初步成功為我國挖掘機行業(yè)的形成和發(fā)展邁出了重發(fā)展、提高，并全面替代機械挖掘機階段(1978－1986年)。這個階段通過各主產(chǎn)品的性能指標全面提高到國際70年代末80年代初的水平。挖掘機生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量增加(197－1993年)，新加入挖掘機行業(yè)的國有大、進機，國內(nèi)挖掘機供需日益擴大(1994年－至今)，國外各著名挖掘機制造廠商看好紛紛前來創(chuàng)辦合資獨資挖掘機生產(chǎn)企業(yè)。從1994年開始特別到1995年在我國挖掘機行業(yè)掀起了一股不小的合資浪潮其國卡特彼勒公司率先在徐州金山橋開發(fā)區(qū)合作建立了生產(chǎn)挖掘機的中外合資企業(yè)神戶制鋼所與工程集韓國現(xiàn)代重工業(yè)以及德國利勃海爾、德國、德國Atlas、瑞典Volvo公司等都先后和規(guī)格的挖掘機產(chǎn)品。近幾年這些企業(yè)運營情況良好，發(fā)展速度很快。，宅建設等方面的大量的經(jīng)濟建設任務和國防建設均需大量的挖掘機，并且在眾多施合，多種工作裝置的挖掘機正在逐步替代裝載機、推土機作業(yè)，因此挖掘機的舒適的新機型，以新的觀念、服務觀念，與合資、獨資企業(yè)產(chǎn)品爭奪市場份額，開ANSYS，ADAMS，MEDYNA，MOCAL，ALGOR等，應用于挖掘機的結(jié)構(gòu)分析、理論基礎也比較成熟如文獻[47]利用個人編制的對各種靜態(tài)姿態(tài)角度下的理論挖掘力進行了分析與仿真文獻[48]利用矩陣變換原理對單斗反鏟挖掘機進行了詳盡的闡 反鏟裝置各關鍵點的坐標挖掘力的限制條件；文獻[50]利用日等方程對的關系，并用對末端沿直線軌跡運動時的動力學進行了仿真。用的I工具箱來繪制裝析化文[52]變建型制計[53]針對挖掘[54]提出定工況下的最不穩(wěn)定姿態(tài)，為挖掘機的穩(wěn)定性分析提供了理論計算公式和具體分析手[56]對掘工作置動與力析，出的工裝運動與力學完成對挖作裝構(gòu)和數(shù)的化，動態(tài)和。置設計的工具顯得非常必要。工作裝置設計中存在的問 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動臂局部 Boompartial限制，焊縫深度、高度不夠，焊接質(zhì)量不高。動臂支耳開裂如圖1.4所示。1.4 Boom-earcracking本文主要研究內(nèi)對挖掘機反鏟工作裝置進行運動學和動力學分析第2章挖掘機工作裝置的設計要2.1挖掘機工況分首先挖掘機驅(qū)動行走馬達和配套土方運后進行挖掘。此時一般以斗桿缸動作為主，用鏟 圖2.1挖掘機的工作運缸調(diào)整切削角度，配合挖掘。有特殊要求的挖掘機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動臂缸的動作。主要用于需要軌跡控制的情況。挖掘機的斗尖最大挖掘力都在采用鏟斗缸挖掘時實現(xiàn)。0.5m3在土質(zhì)松軟時以轉(zhuǎn)斗挖掘為主，否則以斗桿挖掘為主。在實際挖掘工作中，往往需要采用各缸的復合工作。如在平整土地或切削斜坡動臂三者同時作用完成復合動作，這些動作決定于系統(tǒng)的設計，見圖2.3所示。當 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。單獨采用鏟斗挖掘時，也有采泵合流的情況。增大挖掘力，希望系統(tǒng)能暫時增壓，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)臺挖掘結(jié)束后，動臂油缸將動臂頂起，滿斗舉升，同時回轉(zhuǎn)馬達使轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)向卸載由于卸載所需的回轉(zhuǎn)角度不同，隨挖掘機相對卸載的位置而變，因此動臂提升速度卸載工空斗返回工整機移動工坡能力(坡度大35o左右)，具有制動能力。 向左、右行走馬達和作業(yè)裝置作用元件同時供油。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挖掘機工作裝置設計要幾何尺寸要掘區(qū)對身運動和動力特性要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)強度要經(jīng)濟性要期和挖掘機周期、加快維修進度和降低、操作的舒適性等。70o～180o90o?；剞D(zhuǎn)角度過小時，由于達不到最大回轉(zhuǎn)速度，不能充分利用發(fā)的功率，從而增加運行和返其它性能要提高挖掘機各功能部件的工作可靠性和耐久性，以滿足挖掘機作業(yè)條件惡劣的2.3挖掘機工作裝置的設計原比時的先進性，性能與主參數(shù)應符合之規(guī)定。或停放時應有合理的姿態(tài)，使尺寸小，行駛時穩(wěn)定性要好。運動特性：理論工作循環(huán)時間短,動力特性：滿足整機挖掘力大小及分布情況的要求，應考慮到整機穩(wěn)定性。(5)2.4本章小設計應該滿足的要求，簡要了挖掘機工作裝置的設計原則，為挖掘機工作挖掘機工作裝置運動學分反鏟裝置的幾何位置取決于動臂油缸的長度L1L2和鏟斗油缸的長反之，對于XVYVL1L2L3值與其對應。等組成，其基本型式見圖3.1所示。3.1Fig3.1Backhoeworking則斗齒尖V點所在的X坐標值XV就表示挖掘半徑，Y坐標值YV為正值時表示挖掘缸長度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動臂油缸的作用力臂e1L1S1l

e12S2S1S1l2S1l1S1L1L

(3- 2 l2l 動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 鏟斗連桿機構(gòu)的總傳動比為i

(3-(3-FQVFQNNQMMQK (3-反鏟裝置動力學分 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，Z=0.75；無齒時 —斗側(cè)壁厚度影響系數(shù)，X＝l+0.03ss當斗容量q0.253D應小于10000N。當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——挖掘過程中的總轉(zhuǎn)角，一般為g工作缸的理論挖掘掘力是對鏟斗缸和斗桿缸而言的。壓等影響因素時，單獨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均是缸瞬時長度L3的函數(shù) i1——鏟 圖 鏟斗缸理論挖掘力計算簡 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當工作裝置已定，s5是L2的函數(shù)，當s5確定時，s6是L3的函數(shù)，故FS是L2、L3的二元函數(shù)。當s5LEF，L3L3max時，即s6s6min，則FSFSmax。但這僅 3.3b實際計算和測量時，是以i1i1max時的鏟斗位置及s5LEF時的斗桿位置作為斗 圖 斗桿缸理論挖掘力計算簡 Doo-cylindertheoryMiningcalculation在給定工況(L1L2L3)的情況下，計算斗桿的實際挖掘力時，應當考素的影響動臂缸閉鎖力對斗桿挖掘力的限制鏟斗缸閉鎖力對斗桿挖掘力的限制(f)現(xiàn)分別計算如下(a)動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。參見圖3.4，根據(jù)前面提到的幾何尺寸計算，可以求出F和V點的坐標(XF，YF)和(XV，YV)。圖3.4斗桿缸理論挖掘力簡 Doo-cylindersketchofthetheory(XF(XFXV)2(YFYV(XC(XCXV)2(YCYV 23CVFarccosl2l2l2 23

(3- 當CVF90時，動臂缸小腔受壓，此時小腔閉鎖力對C點產(chǎn)生的力矩為M d/22 /22lsin (3- b 式中Pbdg——動臂缸直徑dg1M2GiXGiXC (3- 當CVF90時動臂缸大腔受壓，此時大腔閉鎖力對C點產(chǎn)生的力矩為3 gMπPd/22lsin3 gPG1M2M3/l23cosCVF (b)斗桿缸主動挖掘力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FVQ90時，鏟斗缸大腔受壓，此時大腔閉鎖力對Q點產(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O1點產(chǎn)生的力矩為:MGiXGiXC PG4M/l23cosFVT (XF(XFXI (YF22(XV(XVXI (Y22VFVIarccosl242VI2FI2/2VIl24 MGiXGiXI 所 PG設FV連線對水平線的夾角為a35，則a35=arctgPGFPGV/XFXVPG6GG1G2G3/sin

(3-(3-通過上述運算，我們知道PG1PG6中的最小值，就是在該工況下斗桿挖掘時，所能發(fā)Vr4QNG 鏟斗缸實際挖掘力計Fig3.5buckethydrauliccylindercalculationoftheactual在給定工況(L1L2，L3)的情況下，計算鏟斗的實際挖掘力與計算斗桿的實際挖掘動臂缸閉鎖能力對鏟斗挖掘力的限制斗桿缸閉鎖能力對鏟斗挖掘力的限制鏟斗缸主動挖掘力的限制(a)動臂缸閉鎖力限制的最大鏟斗挖掘力對于(XQ(XQXC (YQYC22(XV(XVXC Y22 23CVQarccosl2l2l2/2ll 23當CQV90時，動臂缸小腔受壓，此時腔閉鎖力對C點產(chǎn)生的力矩M d/22 /22lsin b M2GiXGiXC PD1M1M2/l23 當CVQ90時，動臂缸大腔受壓，此時大腔閉鎖力對C點產(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對于

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

(3-(3-通過上述運算，我們知道PD1PD6中的最小值，就是在該工況下，鏟斗挖掘時，所整機實際最大挖掘力的概念及其測量整機實際最大挖掘條件、系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性等實際作業(yè)影響因素有關。3.6所示，可以得到最大挖掘力，斗桿油缸同斗90°90°時，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，其挖掘力大、效率高，如圖示。效率差的挖掘見圖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實際最大挖掘力的測流，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)生整機性能要求對反鏟機構(gòu)優(yōu)化的挖掘力是衡量挖掘機工作裝置性能的重要指標之一，進行挖掘機設計時，工作力和使用斗桿缸挖掘力進行計算與測量，最大理論挖掘力可通過優(yōu)化方法求得。本章小 第4章挖掘機工作裝置可視化分4.1的開發(fā)工本是基于Windows系統(tǒng)開發(fā)的，開發(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、符號運算和其他初等數(shù)算、數(shù)組操 工作裝置性能可視化設工作裝置性能可視化功本文所設計的，可根據(jù)給定原始參數(shù)完成大量計算，之后以動態(tài)圖形模擬工作構(gòu)參數(shù)是否滿足幾何相容條件，能否保證最小傳動角等；(4)給定缸長度L1、L2、工作裝置性能可視化應(1)環(huán)境下，設置工作路徑為安裝路徑jiemian4.14.1Fig4.1startedY軸為挖掘機回轉(zhuǎn)軸線，垂直向上，X軸與地平面重合。則斗齒尖V點所在的X坐標值就表示挖掘半徑，Y坐標值為正值時表示挖Fig4.2ParameterinputBCB，C之間的距離，XC，YCC點的坐標。XI，YI為在圖示坐標系中I點的坐標，窗口中整機重量不含工作裝置重量。G1，G2，G3分別為動臂(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)，并形成包絡云圖的形式以便觀察如圖4.4所示。 Miningcalculation4.4 Miningmapofthe4.5Fig4.5Miningenvelope圓弧V0V1：動臂油缸最長，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，動臂油缸最短，以Q2為圓心，鏟斗轉(zhuǎn)至VQC共線；圓弧V6V7：斗桿油缸最長，動臂油缸最長，以Q3為圓心，鏟斗油缸伸至最長；圓弧V7V8：鏟斗油缸最長，動臂油缸最長，以F0為圓心，斗桿油缸縮至最圓弧V8V0：斗桿油缸最短，動臂油缸最長，以Q0為圓心，鏟斗油缸伸至最長其約束條件如圖4.6~圖4.13所示。動臂缸全縮，斗桿缸作用力臂最大 Bucketof Doo-mining動臂缸全縮，斗桿缸作用力臂最小動臂缸最長，斗桿缸作用力臂最大動臂缸最長，斗桿缸作用力臂最小相關角度、鏟斗相關角度的圖形如圖4.14、4.15和4.16所示。動臂缸全縮，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動臂缸全縮，斗桿缸作用力臂最小Fig4.19Doo-miningwhenthepinofthebucketwhentheexcavationPinFig4.20Doo-miningatthePinFig4.21Doo-miningwhenthepinofthebucketwhentheexcavationPinFig4.22Doo-miningatthePin動臂缸最長，斗桿缸作用力臂最小 Doo-miningwhenthepinofthebucketwhentheexcavationPinFig4.24Doo-miningatthePin實例計以某企業(yè)制造的200kN型挖掘機工作裝置為例，基于上述工作裝置運動學、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 動臂缸直 工作壓 備尺寸

Fig4.25excavators最大挖掘高度9202.33mm、停機面最大挖掘半徑9233.68mm、最大挖掘深度斗桿轉(zhuǎn)角134.787、鏟斗轉(zhuǎn)角172.047。表 工作裝置動力學分析結(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動臂挖掘阻力斗桿挖掘阻力動臂挖掘阻力本章小性能提供了可靠的科學依據(jù)。該具有可視化的輸入、輸出界面，設計可迅速掌的設計實例中，加以驗證該的有效性和實用性。第5章挖掘機頂保護結(jié)構(gòu)動態(tài)仿挖掘機保護結(jié)構(gòu)對于保證操作的安全是十分重要的，加裝保護結(jié)構(gòu)是國產(chǎn)挖掘機進入歐美市場的必要條件。為使挖掘機保護結(jié)構(gòu)制造企業(yè)在設計階段掌握產(chǎn)品性能，避免設計，本文采用動態(tài)模擬方法對挖掘機室頂部保護結(jié)構(gòu)受落物沖擊過程進行了仿真，對前保護結(jié)構(gòu)進行了靜態(tài)模擬。根據(jù)版本的挖掘機保護結(jié)構(gòu)標準，利用有限元對挖掘機的頂保護結(jié)構(gòu)進行了動態(tài)性能分析，對比頂保護結(jié)構(gòu)有限元計算的基本理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應的項分別是頂保護結(jié)構(gòu)的節(jié)點加速度F是結(jié)構(gòu)的節(jié)點載荷列陣；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，、頂保護結(jié)構(gòu)受沖擊過程中的阻尼系數(shù)（、。結(jié)構(gòu)的振動方程可寫為，uu0cost

(5-(5-式中{u0}為該振型對應的頻率；

K2Mu0 K2M 所以式(5-9)是關于ω2n次代數(shù)方程，由此可解出結(jié)構(gòu)的n個自振頻率ω1ω2ω3…ωn。進一步可以求出各節(jié)點在振動中的位移的一般解，uu01cos1t1u02cos2t2u0ncosntn 式中u0i是和每一個自振頻率ωi相對應的振IK1Mu0 （其中12 (5-頂保護結(jié)構(gòu)受落錘沖擊時的瞬態(tài)響應增量方Δt內(nèi)認為是線性的，而后用Houbolt差分法求解即可獲得頂保護結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應。MtuCtuKtu MT(uFSKT(CT

(5-v BEAM188是線性（兩個節(jié)點）梁單元。該單元在每個節(jié)點上有六或七個度，自Uy，Uz，ROTx，ROTy，ROTz。當選項（1）為1時，每個節(jié)點有七個度，增加了翹曲度。該單元適合于線性、大轉(zhuǎn)角、和/或大應變非線性分析。該單元是三維線性 181單元功能簡度。即，Ux，Uy，Uz。在劃分網(wǎng)格時，的三角形選項應該只用于作為填補單平面形狀的頂保護結(jié)構(gòu)性能分設計方減小沖擊變形，更有利于保護的生命安全。圖 平面形狀頂保護結(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（頂保護結(jié)構(gòu)的后橫梁中間沒有設置支座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Fig5.4Supportsincreasingthedeformationof曲面形狀頂保護結(jié)構(gòu)性能分設計方模型簡圖 曲面形狀頂保護結(jié)構(gòu)的有限元模Fig5.5Shapethetopsurfaceoftheprotectionofthefiniteelement在錘頭的小端與頂保護結(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結(jié)構(gòu)基本相同。DLV與駕駛室頂部內(nèi)表面的間距較小時，為了與駕駛室很好的配合，使頂保護結(jié)構(gòu)滿際標準的要求，可以使用增加支座的方法。頂保護結(jié)構(gòu)設計變形量的限制要求時，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 變形量對平面形狀與曲面形狀的結(jié)構(gòu)對平無中間支座0圖 變形量對頂保護結(jié)構(gòu)的仿使用有限應變梁單元和有限元應變殼單元建立挖掘機頂保護結(jié)構(gòu)和前保護結(jié)構(gòu)的1圖 頂保護結(jié)構(gòu)計算機仿真模Fig5.11protectionofcomputersimulation5.12110mm，殘余變形為96mm，沖擊過程的任一時刻頂保護結(jié)構(gòu)的任何構(gòu)件沒有侵入DLV。沖擊響應達到000 -圖 錘頭相對頂保護結(jié)構(gòu)的位移響應曲Fig5.12hammerheadrelativeprotectionofthetopstructureofthedisplacementresponse5.13所示。由該圖可見錘頭的速度圖 錘頭的沖擊速度變Fig5.13Hammerheadtheimpactofchangesin5.14所示。由該圖可見錘頭的圖 錘頭的加速度變化曲Fig Hammeraccelerationss圖 標準錘頭與頂保護結(jié)構(gòu)間沖擊效Fig5.15standardroofHammerandtheprotectionofthestructurebetweentheeffectsofimpact前視側(cè)視俯視圖 頂保護結(jié)構(gòu)的沖擊變形模Fig5.16protectionoftheimpactofstructuraldeformation本章小

圖 沖擊結(jié)束的應力分Fig5.17impactofofthestress6論與展共性問題，結(jié)合企業(yè)科研攻關課題，對挖掘機工作裝置運動學和動力學進行了分析和研究，并形成可視化的界面，結(jié)合企業(yè)項目對挖掘機頂保護裝置進結(jié)對挖掘機的工況進行了全面分析，根據(jù)挖掘機的工作特點，從針對挖掘機工作裝置的設計要求，在對挖掘機工作裝置運動學和力運用中的GUI工具箱開發(fā)了一套可視化的專業(yè)性挖掘機工作裝置性能，該是面象的，可快速準確的分析工作裝置機構(gòu)及展在此基礎上，結(jié)合材料疲勞特性的研究，開展相應疲勞的分析工作。參考文[1]張啟君，．國內(nèi)挖掘機行業(yè)發(fā)展的探討[J]．筑路機械與施工現(xiàn)代化，2005（2：2～6，[2]挖掘機保護裝置性能要求和試驗方法。建筑機械，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 Zui,Hiroshi;Imanishi,Etsujiro;Yoshimatsu,Hideaki;Niwata,etc.SWINGANDLIFTING YSISOFHYDRAULICEXCAVATOR.R&D[J],ResearchandDevelopment(KobeSteel,),1987,37(3):87～90 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