正铲液压挖掘机挖掘性能通用性能分析方法研究.pdf
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1、中文摘要摘 要单斗液压挖掘机是工程机械的一种主要类型,而正铲液压挖掘机又是其中一 个重要机种。专用正铲液压挖掘机常以爆破后的岩石、矿石作为主要工作对象,能够适应恶劣的工作条件,被广泛应用于房屋建筑、筑路工程、水利建设、农林 开发、港口建设、国防工事等的土石方施工和矿山采掘工业中。本文在对正铲液 压挖掘机进行全面的挖掘性能分析基础上,提出了正铲液压挖掘机挖掘性能通用 分析方法。首先,针对正铲液压挖掘机的动臂机构能够实现浮动、铲斗油缸较接在动臂 上的机构特点,对正铲液压挖掘机的工作装置进行了运动分析,深入研究了斗杆 和铲斗机构的牵连运动关系,并提出了牵连运动分析方法,且在实际应用中得以 验证。第二
2、,在对挖掘机作业特点和工况研究的基础上,建立了正铲液压挖掘机整机 的位置模型和挖掘力发挥的力学模型,讨论了挖掘过程中应考虑的各种限制条件 对整机挖掘力的影响。第三,基于对该挖掘机进行挖掘姿态与液压缸工作压力联合同步测试的基础 上,计算出了该挖掘机在实际作业中的挖掘阻力情况,并且研究了挖掘过程中切 向阻力与法向阻力的变化关系,填补了正铲液压挖掘机挖掘阻力的研究空白,积 累了宝贵的原始资料,同时通过研究理论挖掘力与实际挖掘阻力的关系,验证了 本文所建立数学模型的可行性和正确性。第四,研究了正铲液压挖掘机挖掘性能图谱分析的程序实现方法,首次提出了 挖掘机挖掘图谱叠加分析方法,并且结合实际使用需求,初
3、步制定了图谱叠加法 对正铲液压挖掘机的评价标准,使挖掘性能传统的定性分析的定量化成为可能。奠定了正铲液压挖掘机优化设计的评价理论基础,对正铲液压挖掘机设计理论的 发展具有重要的意义。第五,针对该类型正铲液压挖掘机斗齿尖具有水平直线运动轨迹这一特性,对 水平直线推压过程中各机构运动情况和挖掘力发挥情况进行了分析,并对整机稳 定性各个工况的稳定性计算方法进行了研究。第六,基于以上的分析研究,在VB编程环境下编制了“大型正铲液压挖掘机 挖掘性能分析通用软件”,该软件具有“人机交互”的参数化输入的优点,且集成了 正铲液压挖掘机运动分析,牵连机构分析,挖掘图谱分析,挖掘图谱叠加分析,水平直线挖掘分析,指
4、定角度挖掘力及各钦点受力分析,整机稳定性分析和提升 过程中铲斗“平动”问题分析的功能。软件成功应用于实际产品的方案设计中,充分 重庆大学硕士学位论文体现了该挖掘性能通用分析方法在指导设计中的重要作用,使挖掘机改进方案的 综合挖掘性能较原始方案有了很大的提高。实践证明所编软件具有客观、可靠和 通用性强的特点,能直接为生产服务。关键词:挖掘机,挖掘性能,图谱叠加法,牵连运动,水平推压英文摘要ABSTRACTThe sing le-buc ket hydraulic ex c avato r is the main kind o f eng ineering mac hine,and the fac
5、 e-sho vel hydraulic ex c avato r is o ne o f its primary types.The spec ial fac e-sho vel hydraulic ex c avato rs w hic h arc w idely used in arc hitec ture,ro ad eng ineering,w ater c o nservanc y,ag ric ulture ex plo itatio n,po rt building,natio nal defenc e,etc.o ften ex c avate the ex plo ded
6、ro c ks and o re.Based o n the analyzing the ex c avating perfo rmanc e o f the fac e-sho vel hydraulic ex c avato r,this paper pro vides the universal analyzing metho d fo r the fac e-sho ve ex c avato r Aiming at the pro perties that the bo o m c ylinders c an be flo ated and the buc ket c ylinder
7、s pin o n the bo o m,the paper analysis the mo vement o f the w o rking devic e o f the mac hine.A interlo c ked mo vement analyzing metho d is pro po sed and is pro ved in the prac tic al applic atio n.Studied the o peratio n and w o rking c o nditio ns o f the mac hine,the c o o rdinate mo del and
8、 mec hanic s mo del have been built.Disc ussed the impac t o f the vario us restric tive c o nditio ns.Ac c o rding to the sync hro no us test o f the attitude o f w o rking devic e and w o rking pressure o f hydraulic c ylinders,c alc ulated the dig g ing resistanc e and then studied the c o nnec t
9、io n betw een tang ential resistanc e and no rmal resistanc e.The paper also studied the c o o rdinate betw een dig g ing fo rc e and resistanc e,and verified the feasibility and c o nec tness o f the mo del.Studied the ex c avating map analyzing pro c edure metho d,first-pro vide the ex c avating m
10、ap o verlap metho d.Ac c o rding to the prac tic al demand,preliminary evaluatio n c riteria has been established.And this laid the theo retic al fo undatio n o f the o ptimum desig n o f fac e-sho vel hydraulic ex c avato r.Analyzing the mo vement o f the mac hines w o rking devic e and pushing fo
11、rc es o f the straig ht line ex c avating,and then studied the stability o f the mac hine.Based o n the upper analyzing,“The universal perfo rmanc e analysis so ftw are o f the larg e fac e-sho vel hydraulic ex c avato r*has been pro g rammed.It has the advantag es o f parameter input,and inc lude t
12、he mo tio n analyzing,interlo c ked mo tio n analyzing,ex c avating map analyzing,o verlap inap analyzing,straig ht line ex c avating analyzing,spec ial ang le analyzing,the stability analyzing and“balanc e mo vement”ni重庆大学硕士学位论文analyzing.It has been illustrated by so me ex amples that the so ftw ar
13、e are in c o mmo n use and c an be used in pro duc tio n direc tly.Keyw o rds:ex c avato r,ex c avating perfo rmanc e,o verlap map metho d,interlo c ked mo vement,straig ht line ex c avatingIV1绪论1绪论1.1 液压挖掘机的发展概况1.1.1 国外发展概况挖掘机械的雏形,始于十六世纪意大利的威尼斯,用于运河的疏浚工作。以 蒸汽机驱动的“动力铲”诞生于十九世纪(1836年),发展至今已有170年的历史。随
14、着工业发展,科学技术的进步,单斗挖掘机也由于新技术、新工艺的采用而不断 地发展改进,但它的基本工作原理至今未变。动力装置以及控制方式的不断革新,基本上反映了挖掘机发展的以下几个阶段;蒸汽机驱动的挖掘机,从发明到广泛应用,大约经历了 100年。当时主要 用于开挖运河和修建铁路。结构型式由轨道行走的半回转式,发展到履带行走的 全回转式.内燃机与电动机驱动的单斗挖掘机发展于上世纪初。1899年出现第一台电 动挖掘机。第一次世界大战后汽油机和柴油机先后用于轮胎式与履带式单斗挖掘 机上,改善了挖掘机越野和机动性能,扩大了使用范围。挖掘机传动型式的液压化,是挖掘机由机械传动型式的传统结构发展到现 代结构的
15、一次跃进。随着液压传动技术的迅速发展,20世纪40年代末,液压技术开始应用于挖掘 机上。20世纪50年代后欧洲的一些厂家纷纷研制液压挖掘机,使液压挖掘机由悬 挂式发展到全回转半液压式,再发展到全液压式,如1952年法国Po c lain公司制 成半液压挖掘机;1955年的联邦德国Demag公司制成履带式全液压挖掘机都属于 小型挖掘机;在1963年前液压挖掘机的初步发展中,由于对液压技术的应用不熟 悉,液压元件和附件的制造质量不过关,试验工作薄弱,配套件供应跟不上以及 成本较高等一系列问题,使液压挖掘机发展较慢,1963年西欧市场上液压挖掘机 的产量仅占挖掘机总产量的15%;20世纪60年代中后
16、期,由于液压挖掘机结构的 逐步完善,工程施工应用充分显示出其优越性,使其产量急剧上升,得到迅速发 展,到60年代末世界各国液压挖掘机产量占挖掘机总产量的80%以上;20世纪 70年代初,多数液压挖掘机已经过改型,其主要特点是广泛采用了带液压伺服装 置的高压变量系统,并且向高速、高压、大功率发展。液压挖掘机不仅用于建筑 工程,并开始在各种露天矿场试用成功,液压挖掘机的比重也越来越大,日本1976 年已达95%,联邦德国为90%以上,美国1972年已有98.5%采用液压传动,法国 生产的挖掘机基本上都是液压的。控制方式的不断革新,使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压 1重庆大学硕士学位论文
17、操纵、液压伺服操作和电气控制,无线电遥控出20世纪90年代以来,在挖掘 机的开发和生产中基本采用了电液伺服系统和故障自诊断功能,在人机配合性能 上得到充分重视,操作越来越轻松、驾驶室越来越舒适、配置越来越豪华,产品 更新越来越快,逐步向自动化、智能化、机器人化和多功能化发展,配置多种工 作装置以满足各种工况需要还将成为液压挖掘机的一大优势。大型化和微型化挖 掘机、轮式挖掘机以及挖掘装载两用机等机型也是21世纪的热点【凳1.1.2 国内发展概况我国挖掘机生产起步于20世纪50年代,1954年成功地试制出我国第一台斗 容为In?的机械传动正铲挖掘机。进入80年代以来,我国挖掘机行业通过技术引 进、
18、消化和合作生产等方式,吸收国外挖掘机生产的先进技术,使我国的挖掘机 产品在技术水平、产品质量和生产管理等方面都有了进一步提高。从1967年我国开始自行研制液压挖掘机,至今经历了三个发展阶段:1)自主 开发阶段(19671979年)。2)技术的引进、消化、吸收与提高阶段Q9801994年)。3)国外挖掘机生产企业全面进入我国市场,独资与合资企业迅速发展的阶段(1994 年至今)。特别是1997年2006年,是我国挖掘机行业大发展的10年,从一个弱 小的行业逐渐壮大起来图。1.2 中国挖掘机行业面临的机遇和挑战我国是一个发展中国家,在其辽阔的土地上正在进行大规模的经济建设,这 就需要大量的土石方机
19、型为其服务,而液压挖掘机是最重要的一类土石方施工机 械。因此,在中国存在着一个巨大的液压挖掘机的现实市场和更为巨大的潜在市 场。1997年,全国挖掘机总产量还不到4000台,销售量也仅为3390台。10年后 的2006年,中国挖掘机总产量预计达到45000台以上,销售量(包括出口量)将超 过43000台,与10年前相比,产、销量均增长了 10倍以上。目前,中国挖掘机 的年需求量已超过6万台(包括每年进口 2万台以上的二手挖掘机),中国已成为世 界上最大的挖掘机市场。按照每年递增15%左右的正常速度发展,预计到2010年 全国各挖掘机年销售量(包括一定数量的出口)可以达到70000台左右(如图1
20、.1,L2 所示)。世界上几乎所有著名的挖掘机制造公司都在中国设立独资、合资企业,生 产或销售各种品牌的挖掘机。中国已成为世界上最大的挖掘机市场,也成为世界 挖掘机的制造中心。1绪论图1.1中国挖掘机生产企业历年挖掘机总销售量(包括外商独资与合资企业)Fig 1.1 The yearly sales vo lume o f the Chinese ex c avato r enterpriseFig 1.2 The ex c avato rs yearly impo rt vo lume o f China但是,中国目前虽然已成为挖掘机需求量和生产量的大国,但绝不是强国。国际水平的挖掘机研发中
21、心不在中国,挖掘机关键配套零部件的生产也不在中国。在挖掘机关键的核心技术研究与掌握方面,国内企业与国外企业差距很大,特别 是国内企业在挖掘机基础理论研究方面所投入的人力、财力严重不足。虽然我们 取得了很大的进步,但与国外的先进水平仍然有不小的差距。因此,可以说今后 国内挖掘机企业的任务仍然十分艰巨。预计35年后,国产小挖有可能赶上世界 先进水平,真正实现小挖的产量、销量、出口量及市场占有率第一;中型挖掘机重庆大学硕士学位论文和大型挖掘机真正赶上世界先进水平的时间可能会更长些【叫1.3 正铲液压挖掘机研究现状大型液压挖掘机的开发生产大约从20世纪70年代初开始,如日立公司在1972 年1976年
22、间开始开发的UH12型正铲液压挖掘机,其斗容量2.2 n?,工作重量 36 t;UH20正铲液压挖掘机,斗容量3.2 n?,工作重量50t,UH30正铲液压挖 掘机,斗容量4.4 n?,工作重量75%1979年又开发了 UH50正铲液压挖掘机,斗容量8.2 n?,工作重量175 t。UH50超大型挖掘机在欧美等地的许多矿山得到 了使用,其可靠性和耐久性得到认可 1987年,当时世界上最大的EX3500型正 铲超大型挖掘机(斗容量18.8 n?,工作重量3301)在日本开发成功,并在这一年又 开发了斗容量22 m3、工作重量420 t的正铲超大型挖掘机。此时世界其他公司也 相继开发生产超大型正铲
23、液压挖掘机,如小松的PC1600型,三菱的MS1600型,利勃海尔的R992、R994,O&K的RH90C、RH20c等。1990年以后,超大型液 压挖掘机的斗容不断增加,达50 m3以上;机重不断加大,达300 t800 t以上,目前已经形成超大型挖掘机系列。近年来,在中国经济发展的推动下,世界钢铁业、煤炭业、电力业等进入了 一个新的发展时期。其特征为:装备大型化,产品专业化,质量洁净化,生产连 续化,经营集团化。矿石和煤炭等原材料需求增加带来了采矿业的高速发展,矿 用挖掘机等采矿设备的需求加大。矿用挖掘机一般配装大型矿用汽车,主要用于大型露天矿场的矿石、煤炭、尾矿等物料的铲装作业,它可分为
24、液压挖掘机、索斗挖掘机和绳索拉铲三大类,按 其动力来源又可分为机载柴油发动机挖掘机和供电电缆(电动)挖掘机。与其它大型矿山采掘设备一样,矿用挖掘机因其技术含量高、投资大、生产 周期长、定单少、利润大等原因,目前仅有几家大型的国际公司有能力参与市场 竞争,并形成了垄断市场局面。这几家大公司是:哈尼希费格、比赛勒斯,O&K(位 于Do rtmund的挖掘机业务日前已被Terex集团收购卜卡特匹勒(CATERPILLR)、日立(H1TACHD和利勃海尔(LIEBHERR)等件也 在中国也仅有少数公司能生产65 吨以上的矿用正铲液压挖掘机,而我国目前大型矿用正铲挖掘机的需求又很大,所以开发生产大型矿用
25、液压挖掘机有很大的市场我国挖掘机企业人才流失,资金不足,技术不高,造成自主研发能力不高,设计方法落后;而改革开放后的合资企业和外资企业,只是根据国外的设计图纸 进行批量生产,基本不进行设计,所以我国的挖掘机设计比较落后,常常凭借经 验进行设计制造,造成生产的挖掘机存在一些缺陷,在三包期间常出现故障,做 不到等寿命设计,对厂商和买家造成不小的经济损失.所以有必要结合现代设计41绪论方法,提高挖掘机的设计水平,减少厂商和买家损失01.4 本文研究的主要内容及技术路线本文结合现代设计方法对某挖掘机生产制造公司生产的正铲液压挖掘机进行 全面的挖掘性能分析,同时对其所开发的70t级正铲液压挖掘机进行了现
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