四川交通职业技术学院毕业论文液压挖掘机毕业论文学生姓名 院系名称 专业名称 班 级 学 号 指导教师 答辩时间 2011年4月9日 新型液压挖掘机毕业论文摘 要将液压挖掘机引入冻结法立井施工领域，可以加快施工速度、降低工人的劳动强度，具有广阔的应用前景。本文采用现代设计理论和方法对立井施工新型液压挖掘机进行设计研究，以期能研制出满足市场需求、高性能的产品，提高立井井筒冻结表土段掘进的机械化程度。本文首先进行方案论证，决定采用电力驱动，从根本上消除了柴油机废气的危害；以日本小松PC50UU-小型柴油驱动挖掘机作为研制的母机进行技术改造，明确了本文的研究重点为工作装置优化和液压系统重新设计两方面。通过对立井施工新型液压挖掘机反铲装置运动学和动力学分析，得到了动臂、斗杆、铲斗及其连杆机构的运动方程和几种典型工况下的挖掘力计算方法。在此基础上本文根据立井施工新型液压挖掘机反铲工作装置的工作特点和性能要求，将确定工作装置各铰点的几何参数作为优化设计变量，用反铲工作装置的挖掘能力作为优化目标函数，对反铲工作装置实施优化设计。采用博世力士乐的LUDV技术，本文重新设计了立井施工新型液压挖掘机液压系统。本文进一步建立了挖掘机液压系统中电动机、泵、阀、缸和马达的数学模型，研究工作机构与其液压回路数学模型之间的耦合，然后利用AMESim仿真软件对新型挖掘机定点挖掘过程中工作装置的液压系统和机构动力学进行综合仿真，运动学仿真结果表明工作装置能很好的实现挖掘范围要求，机构无干涉；力学仿真结果表明液压系统稳定，整个工作过程中挖掘力很好的逼近其挖掘阻力曲线要求，挖掘性能优异。 最后进行了样机试制和工业性试验，实践检验证明了立井施工新型液压挖掘的设计是正确和可靠的，完全能满足现场施工要求。关键词：电动液压挖掘机 立井施工 工作装置 液压系统 优化设计目 录1 绪 论11.1 课题的提出11.2 液压挖掘机概述21.2.1 液压挖掘机主要组成21.2.2 液压挖掘机工作循环过程31.2.3 电动液压挖掘机31.3 液压挖掘机的发展和研究现状41.3.1 国外发展与研究现状41.3.2 国内发展与研究现状71.4 虚拟样机技术在本课题中的应用71.5 本章小结92 新型液压挖掘机工作装置优化设计研究112.1 新型液压挖掘机反铲工作装置的运动学分析112.1.1 动臂运动分析112.1.2 斗杆运动分析122.1.3 铲斗运动分析132.1.4 斗齿尖运动分析142.1.5 特殊工作尺寸152.2新型液压挖掘机反铲工作装置受力分析162.2.1 挖掘阻力162.2.2 挖掘力的分析182.3 新型液压挖掘机反铲工作装置优化设计232.3.1 设计变量的确定242.3.2 目标函数的建立242.3.3 约束条件的确定252.3.4 优化设计及结果分析291 绪论 1.1 课题的提出工程机械是实现施工高速度、高质量、低成本、高效益的重要手段，它广泛应用于国民经济各部门，世界各国历来都十分重视工程机械的发展。液压挖掘机是工程机械的一个主要机种，它利用铲斗挖掘、铲装土壤和石块，装满后提升铲斗并回转到卸土地点卸土，然后再使转台回转、铲斗下降到挖掘面，进行下一次挖掘。液压挖掘机广泛应用于矿山开采、道路工程、国防施工、农田水利等基础建设之中，对减轻繁重的体力劳动，加快施工进度，提高劳动生产率具有十分显著的意义。在立井施工领域，冻结法凿井技术得到了越来越多的应用，我国在这一方面已跨入世界先进行列，冻结深度从最早的105米发展到目前的700余米，相应的冻结表土层也由最初的几十米发展到今天的近600米。随着冻结深度的增加，冻土的挖掘愈加困难，目前冻结井筒普遍采用风镐掘进施工方法，即人工操作风镐破土、抓岩机抓土装罐。这种方法占用人员多、劳动强度大、施工效率低，造成工期、冻结送冷时间的延长，进而导致施工成本的大幅度增加。因此，尽快开发出用于冻土挖掘的专业施工设备，提高立井井筒冻结表土段掘进的机械化程度、加快施工速度、降低工人的劳动强度已成为一个重要的现实课题。液压挖掘机作为一种常用机械设备，操作方便、故障率低且易于维修，据统计，各种土石方作业中约有6070的土方量是由它完成的。借鉴地面土石方工程中利用液压挖掘机破碎和挖（装）土的成功经验，如能研制出（1）尺寸小，满足井下工作面狭小空间施工要求；（2）挖掘力和斗容满足施工产量需求；（3）回转速度满足中心抓岩机装料效率需求；（4）设备性能好，维修率低；（5）排放尽可能少，满足环保和职业健康要求的立井井筒冻结表土层掘进施工用新型液压挖掘机，则可以大大提高冻土掘进速度，取得十分显著的经济和社会效益，同时也是对立井机械化施工技术的一个很好补充。基于上述考虑，中煤第五建设公司第三工程处在参考市场上同类先进机型基础上，进行了斗容量为0.21m3的立井施工用新型电动液压挖掘机的开发，改传统柴油机驱动为电动机驱动，保留液压传动和反铲工作装置。新产品设计过程中要解决如何在符合正常的液压挖掘机操作习惯下，与市场上同规格内燃机驱动机型相比尺寸、重量尽可能小，以适应井下工作环境；如何保证采用电机驱动后不降低挖掘力、不影响机械回转装料效率，而且还要安全、节能、可靠等难题。鉴于这种情况，本文结合该项目，采用现代设计理论和方法对立井施工新型液压挖掘机进行设计研究，以期能研制出满足市场需求、高性能的产品。1.2 液压挖掘机概述本节以常见的单斗反铲液压挖掘机为例，介绍其基本组成结构、工作原理。1.2.1液压挖掘机主要组成液压挖掘机由动力装置、传动系统、操纵机构、回转机构、工作装置、行走机构和辅助设备等几部分组成，外形如图1-1所示。其中动力装置、传动系统的主要部分、操纵机构、回转机构、辅助设备和驾驶室等都安装在可回转的平台上，总称上车部分，它与行走机构（又称下车部分）用回转支撑相连，平台可以围绕中央回转轴作360回转。常见的液压挖掘机多采用柴油发动机作为原动力，履带或轮胎行走，斗容量小于1.6m3的中小型液压挖掘机通常选用整体鹅颈式动臂反铲装置，它的主要运动如整机行走、转台回转、动臂升降、斗杆收放、铲斗转动等都靠液压传动，把发动机的机械能以油液为介质，利用油泵转变为液压能，传送给油缸、油马达等转变为机械能，再传动各执行机构，实现各种运动和工作过程。整体鹅颈式动臂反铲液压挖掘机工作装置主要由动臂1、动臂油缸2、斗杆3、斗杆油缸4、铲斗5、铲斗油缸6、摇臂连杆7等组成，如图1-1所示。装置各运动部件之间全部采用销轴铰接，其中动臂铰接于回转平台，以动臂油缸来支撑和改变动臂的倾角，通过动臂油缸的伸缩可使动臂绕下铰点转动实现动臂的升降；斗杆铰接于动臂的上端，由斗杆油缸控制斗杆与动臂的相对角度；铲斗与斗杆前端铰接，并通过铲斗油缸伸缩使铲斗转动，为增大铲斗的转角，通常采用摇臂连杆机构来和铲斗联结。图1-1 液压挖掘机的主要组成Figure1-1 Primary Structure of the Hydraulic Excavator1-动臂；2-动臂油缸；3-斗杆；4-斗杆油缸；5-铲斗； 6-铲斗油缸；7-摇臂连杆；8-上部转台；9-行走机构1.2.2液压挖掘机工作循环过程 液压挖掘机的回转、行走和工作装置的动作都由液压传动系统实现，原动机驱动双联液压泵，把压力油分别送到两组多路换向阀，通过司机的操作，将压力油单独或同时送往液压执行元件(液压马达和液压油缸)驱动执行机构工作。 其工作循环过程如下：首先液压挖掘机驱动行走马达和配套土方运输车辆一起进入作业面，运输车辆倒车、调整，停靠在挖掘机的侧方或后方。挖掘机司机扳动操纵手柄，使回转马达控制阀接通，于是回转马达转动并带动上部平台回转，使工作装置转向挖掘地点，在执行上述过程的同时操纵动臂油缸换向阀，使动臂油缸上腔进油，将动臂下降，直至铲斗接触地面，然后司机操纵斗杆油缸和铲斗油缸的换向阀，使两者的大腔进油，配合动作以加快作业进度，进行复合动作的挖掘和装载；铲斗装满后将斗杆油缸和铲斗油缸的操纵手柄扳回中位，使铲斗和斗杆油缸闭锁，再操纵动臂油缸换向阀，使动臂油缸的下腔进油，将动臂提升，举起装满土的铲斗离开工作面，随即扳动平台回转换向阀手柄，使上部平台回转，带动铲斗转至运输车辆上方，再操纵斗杆油缸使斗杆高度稍降一些，并在适当的高度操纵铲斗油缸使铲斗卸土。土方卸完后，使平台反转并降低动臂，直至铲斗回到作业点上方，以便进行下一工作循环。1.2.3电动液压挖掘机 柴油机驱动的液压挖掘机虽然具有无可比拟的优点，但柴油机废气、烟雾、热辐射及噪声却严重地污染了地下作业环境。而如果把柴油机驱动改为电力驱动，则可在保留液压挖掘机大部分优点的情况下，从根本上消除了柴油机废气的危害，同时电动机工作温度比柴油机低，噪声小，因而有利于环境的保护和井下作业人员的健康，可节省添加通风系统的大量资金耗费。表1是类比瑞典波立登（Boliden）公司所属矿山对电力驱动铲运机与柴油驱动铲运机进行的生产对比试验而完成的两种驱动形式液压挖掘机的对比分析，可以看出，立井施工新型液压挖掘机应采用电力驱动3。电力驱动的挖掘机在国内外的应用多为大吨位（400以上）、机械式，普通吨位液压传动的电动挖掘机国内也只有四川邦立在做，但它的产品没有针对为在诸如竖井、隧道或地下等狭窄空间的挖掘作业而进行优化，所以要开发出完全适应立井施工用液压挖掘机还有很多工作要做4。表1-1 电力驱动和柴油机驱动的挖掘机对比分析对比项目对比分析结论设备总投资电动挖掘机不需要柴油机及其相关附件，也不需要燃油箱，但需要电动机，还增加了供电电缆、电缆卷筒及传动装置、电控箱，考虑到低污染柴油机价格贵，综合考虑来看两者设备总投资基本持平。基本持平生产费用生产费包括能源费、修理费和司机工资，后一项对两种挖掘机相同，不予比较。电能比柴油便宜，类比瑞典波立登公司所属矿山对电力驱动和柴油机驱动铲运机生产对比试验，电动挖掘机比柴油挖掘机能源费低一半。且柴油机需要一笔不低的修理保养费，而三相鼠笼电动机在其服务期间几乎不需任何维修，电动机的寿命通常比挖掘机本身的寿命长。使用电动挖掘机，井下不需增加通风费用。电动挖掘机生产费用远低于柴油挖掘机设备能力和生产率使用三相鼠笼电动机的挖掘机，其过载能力是额定扭矩的2倍，且牵引功率和回转速度与柴油挖掘机一样，而柴油机不可能承受高于额定值的负载，由于具有这些特点，电动挖掘机理论上应比同级柴油挖掘机生产率高。电动挖掘机同样能达到柴油挖掘机的生产率作业环境电动挖掘机不排放废气，而柴油机会排放出大量对人体有害气体，严重污染作业环境。电动机的热效率也比柴油机高的多，这样它的热辐射也远低于柴油机。据测定资料，在司机座附件，电动挖掘机的噪声比柴油机驱动挖掘机低20dB。电动挖掘机优于柴油挖掘机机动性电动挖掘机受到拖曳电缆的限制，机动性不如柴油机驱动的液压挖掘机电动挖掘机机动性差1.3 液压挖掘机的发展和研究现状立井施工新型液压挖掘机的研发必须有高起点，要借鉴目前市场上同规格机型的最先进技术，并考虑其工作环境，采用现代设计理论和方法去设计，这样才能大幅度提高产品性能、缩短开发周期、节省原材料、降低产品成本进而获得较高的经济效益。所以研发前必须首先对液压挖掘机国内外研究现状、发展趋势有比较深刻的认识。1.3.