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挖掘装载机回转机构性能研究及优化设计

作　者: 王聪慧
导　师: 张子达
学　校: 吉林大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 挖掘装载机回转机构动态性能仿真分析优化设计运动学动力学制动冲击
分类号: TH243
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

挖掘装载机是在同一个专用或通用底盘上，同时装有挖掘装置和装载装置的一种多用途工程机械，它由机体、反铲装置、装载装置三部分有机组成，集铲装、挖掘、推土等多种功能于一机，是一种应用广泛、适应性较强的现场施工机械。挖掘装载机反铲挖掘装置的回转机构是挖掘装载机的重要机构，回转作业的回转时间、能量消耗以及液压油路发热量等都在整个挖掘系统的工作循环中占有较大的比重。回转作业时，尤其是满载作业情况下，如果其动态性能不好，会引起臂杆严重摆动，带动重物晃动，稳定性差，给施工安全带来影响。对回转机构进行深入研究，对了解挖掘工作装置回转作业的动态性能，解决现有机器回转作业时存在的问题，改进机构设计，提高生产率和功能利用率，改善工作条件等具有十分重要的意义。目前，国内开发生产的挖掘装载机一般还是按类比法和作图试凑法进行设计，或测绘现成的机具与拖拉机进行挂接。这种设计由于缺乏现代设计理论与方法的指导，设计时存在较大的盲目性，为了寻求一组满意的方案常常需要完成大量的手工作图工作。这样，不仅设计效率很低，而且很难得到经济性和可靠性均较好的最佳方案。目前,国内对挖掘装载机反铲装置回转机构的研究还<WP=65>基本上是空白的。对挖掘装载机反铲挖掘装置回转作业过程的运动学分析是整个研究工作的基础。把WZ25-20挖掘装载机作为研究样机，其反铲挖掘装置主要由动臂、斗杆、铲斗、导轨机构、回转机构和连接架组成。其中回转机构的回转采用左右两个摆动液压缸为动力，驱动动臂绕转轴做左右旋转，从而带动挖掘工作装置在范围内转动、挖掘和卸载。回转机构液压缸铰接点与回转中心的距离，回转半径，液压缸安装位置角和是机构的主要独立参数。根据机构的几何关系和运动学知识，忽略回转起动阶段，建立回转作业的运动学数学模型，应用大型数值计算和仿真工具软件MATLAB编程、计算、仿真。液压缸的活塞杆或其延长线过回转中心的位置是回转过程的关键点，我们称这一位置为回转过程的“死点”。在这点之后，两个活塞杆之一的伸缩方向将改变，比如之前伸长的活塞杆，之后将开始收缩。这一变化导致工作装置回转速度的突然变化，而且速度值变化很大，说明此处有很大的回转角加速度。如果在这时或之后进行回转制动，将会因为有很大的回转惯性力矩，而发生制动冲击。回转角度、角速度和角加速度随活塞杆或回转时间的变化关系都可以通过仿真分析出来。在对工作装置回转作业运动学分析的基础上，加上对工作装置转动惯量的考虑，就可对回转过程进行动力学建模。不规则几何形状部件转动惯量的求取一直是很难解决的问题，不过利用三维造型分析软件CATIA就能较轻松的解决这个问题。回转作业的动态性能指标包括最大回转角度，回转能量消耗，制动冲击，及回转所用时间。其中由于制动时刻的角加速度产生的惯性力矩的存在，造成制动冲击的问题，是回转作业不稳定的主要因素，是研究的重点。挖掘装载机在制动过程中，回制动角加速度越大，惯性力矩越大，制动时受到的冲击越大，作业过程越不稳定，影响回转作业的动态性能。而机构的四个独立<WP=66>参数都会对几个动态性能指标有不同的影响，因此接下来把这几个指标作为目标函数，四个参数作为设计变量，进行优化设计。优化设计是根据最优化原理和方法，综合各方面的因素，以人机配合方式或“自动探索”方式，在计算机上进行的半自动或自动设计，以选出在现有工程条件下的最佳设计方案的一种现代设计方法，是解决复杂设计问题的有效手段。其设计原则是最优设计；设计手段是电子计算机及计算程序；设计方法是采用最优化数学方法。建立针对回转过程动态性能指标的目标函数，在一定的约束条件下，对回转机构进行参数优化。对于多目标优化问题，由于各个目标之间往往是彼此相互矛盾的，一般不存在绝对最优解。在这些相互矛盾的指标中找出一个合适的解，实际上是如何权衡和决策的问题，求得的是权衡基础上的满意解。利用MATLAB优化工具箱，选取合适的优化方法对设计变量进行优化。所得的优化结果，既可对老产品进行改进设计，又可为新产品的开发设计提供优化的方案选择，为工程设计人员提供理论上和数据上的分析依据，具有较强的实用性。

全文目录

第一章绪论  6-11
  1.1 引言  6-8
    1.1.1 挖掘装载机概况  6-7
    1.1.2 挖掘装载机国内外发展状况  7-8
  1.2 反铲挖掘装置回转机构研究概况  8-10
  1.3 本文研究内容  10-11
第二章回转机构运动学分析  11-22
  2.1 运动学数学模型建立  11-16
  2.2 样机回转过程运动仿真  16-19
  2.3 仿真结果分析  19-21
  2.4 小结  21-22
第三章回转机构动力学分析  22-32
  3.1 动力学数学模型建立  22-28
  3.2 回转过程动力学仿真  28-30
  3.3 仿真结果分析  30-31
  3.4 小结  31-32
第四章不同参数对回转机构回转性能影响  32-38
  4.1 对冲击大小的影响  32-34
  4.2 对最大回转角度的影响  34-35
  4.3 对回转过程所用时间的影响  35-36
  4.4 对系统消耗功率的影响  36-37
  4.5 小结  37-38
第五章机构参数优化  38-59
  5.1 优化设计概述  38-39
  5.2 优化理论基础及Matlab优化工具箱函数选用  39-44
    5.2.1 优化问题的工程应用  39-40
    5.2.2 最优化问题的基本概念  40-41
    5.2.3 无约束非线性规划、约束最优化和多目标规划  41-44
  5.3 优化模型建立  44-53
    5.3.1 目标函数建立  44-46
    5.3.2 设计变量选取  46
    5.3.3 约束条件确定  46-51
    5.3.4 优化数学模型  51-53
  5.4 优化结果分析  53-58
    5.4.1 优化结果分析  53-57
    5.4.2 优化结果的应用  57-58
  5.5 小结  58-59
第六章结论  59-60
致谢  60-61
参考文献  61-64
中文摘要  64-67
Abstract  67-71

挖掘装载机回转机构性能研究及优化设计

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