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基于虚拟样机的液压挖掘机加长型工作装置的设计与优化

作　者: 涂宇
导　师: 刘金刚
学　校: 湘潭大学
专　业: 机械工程
关键词: 液压挖掘机加长型工作装置运动学仿真动力学仿真优化设计
分类号: TU621
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

液压挖掘机是工程机械的典型代表，它在我国经济建设发展过程中，起到了举足轻重的作用。而作为液压挖掘机基本动作的主要执行者的液压挖掘机工作装置，在市场和技术的双重推动下，其结构设计正朝着多样性趋势发展，以便满足不同特定作业环境的需要。因此为满足清理沟渠、水利建设、挖斜坡、建地下工程、拆除高层建筑物等特定施工需要，尤其为满足国家水利部提出的水利建设中长期规划的需要，我们研究设计具有更宽广作业范围，能够很好地进行远距离作业的液压挖掘机加长型工作装置具有重要的现实意义。本文所设计研究的配备加长型工作装置的液压挖掘机是在已有15吨标准型液压挖掘机的工作装置基础上设计改进的。在对加长型工作装置进行研究设计之前，先以15吨标准型液压挖掘机的工作装置为对象进行分析与研究，为加长型工作装置的设计提供参考。主要研究工作如下：（1）对15吨标准型工作装置进行运动学建模仿真，并设计验证试验验证运动学仿真仿真模型、仿真结果的准确性以及分析误差出现的原因。（2）用运动学理论知识，对标准型工作装置进行改进设计，并基于标准型工作装置运动学建模仿真的方法对加长型工作装置进行运动学仿真验证与全工况下的的干涉检查，得到满足设计要求的加长型工作装置的最佳设计方法。（3）对标准型工作装置进行动力学仿真，得到最危险工况下的姿态。与理论上的最危险姿态对比，分析此最危险姿态的正确性。设计自由挖掘试验验证动力学仿真模型及仿真结果的准确性。并用最危险姿态下铰接点的受力作为载荷条件，对标准型动臂及斗杆进行ANSYS分析计算，分析得到动臂及斗杆应力集中区域及最大受力点。（4）基于上述15吨标准型动力学建模仿真的方法对加长型工作装置进行动力学仿真，得到其最危险工作姿态以及此姿态下各铰接点的受力。用此姿态下铰接点的受力作为载荷条件，进行ANSYS分析，得到动臂斗杆的应力应变云图，分析其受力变形能否满足材料刚度强度要求。并与标准型工作装置进行比较，分析其受力变化情况。（5）在ADAMS中，通过建立设计点和设计变量的方式对加长型工作装置进行了参数化建模，在分析了铲斗连杆机构传力比的基础上，对其结构进优化设计。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-16
  1.1 课题研究的背景与意义  10-12
  1.2 液压挖掘机工作装置的研究现状及发展动态  12-14
    1.2.1 国外的研究现状及发展动态  12-13
    1.2.2 国内的研究现状及发展动态  13-14
  1.3 课题的来源  14
  1.4 论文研究的主要内容及创新点  14-16
第2章挖掘机工作装置的设计原则与要求  16-24
  2.1 液压挖掘机工作装置的组成  16
  2.2 液压挖掘机的典型作业流程及作业循环  16-18
    2.2.1 挖掘机的典型作业流程  16-17
    2.2.2 液压挖掘机作业循环  17-18
  2.3 液压挖掘机工作装置的主要参数及其定义  18-19
  2.4 典型挖掘工况  19-20
  2.5 液压挖掘机工作装置典型工况姿态  20-21
  2.6 液压挖掘机工作装置的设计要求  21-23
  2.7 液压挖掘机工作装置的设计原则  23
  2.8 本章小结  23-24
第3章液压挖掘机工作装置运动学和动力学理论分析  24-38
  3.1 液压挖掘机工作装置运动学分析  24-33
    3.1.1 D-H 法运动学分析  24-28
    3.1.2 几何法运动学分析  28-33
  3.2 挖掘机挖掘力计算  33-35
    3.2.1 铲斗液压缸理论挖掘力计算  33-34
    3.2.2 斗杆液压缸理论挖掘力计算  34-35
    3.2.3 复合挖掘时理论挖掘力计算  35
  3.3 挖掘机挖掘阻力计算  35-37
    3.3.1 铲斗液压缸挖掘阻力计算  36-37
    3.3.2 斗杆液压缸挖掘阻力计算  37
  3.4 本章小结  37-38
第4章标准型工作装置的运动学和动力学仿真及测试实验  38-56
  4.1 运动学仿真分析  38-47
    4.1.1 15 吨标准型液压挖掘机主要工作参数介绍  38-39
    4.1.2 标准型液压挖掘机工作装置三维模型的建立  39-41
    4.1.3 运动学仿真  41-44
    4.1.4 验证型现场测试试验  44-47
  4.2 动力学仿真分析  47-55
    4.2.1 ADAMS 中载荷及驱动的添加  47-49
    4.2.2 动力学仿真及分析  49-52
    4.2.3 标准型液压挖掘机自由挖掘试验  52-55
  4.3 本章小结  55-56
第5章标准型工作装置静力学分析  56-63
  5.1 标准型工作装置的有限元建模及分析  56-62
    5.1.1 标准型工作装置有限元模型  56-60
    5.1.2 有限元计算结果分析  60-62
  5.2 本章小结  62-63
第6章加长型工作装置的设计与结构优化  63-91
  6.1 加长型工作装置的设计原则及参数要求  63-64
    6.1.1 加长型工作装置的设计原则  63
    6.1.2 加长型工作装置的设计要求  63-64
  6.2 基于 ADAMS 的运动学仿真的加长型工作装置的设计  64-70
    6.2.1 加长型工作装置的设计方案  64-69
    6.2.2 加长型动臂、斗杆、铲斗的三维模型  69-70
    6.2.3 加长型工作装置最终模型的实际重量  70
  6.3 加长型工作装置 ADAMS 的动力学仿真分析  70-72
  6.4 加长型工作装置的 ADAMS 二次开发  72-74
  6.5 加长型工作装置静力学有限元分析  74-78
  6.6 加长型铲斗机构的参数化建模及优化设计  78-90
    6.6.1 基于 ADAMS 的参数化设计方法的介绍  78-79
    6.6.2 铲斗机构传力比的理论分析  79-82
    6.6.3 挖掘机工作装置参数化建模  82-83
    6.6.4 铲斗机构的优化设计  83-90
  6.7 本章小结  90-91
第7章结论与展望  91-93
参考文献  93-97
致谢  97-98
附录 A ADAMS 中自动获取不同姿态的二次开发程序  98-101
附录 B 优化设计中设计变量的设计分析报告  101-105
攻读硕士期间发表的学术论文与研究成果  105

基于虚拟样机的液压挖掘机加长型工作装置的设计与优化

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