立井液壓挖掘機畢業論文摘要將液壓挖掘機引入凍結法立井施工領域，可以加快施工速度、降低工人的勞動強度，具有廣闊的應用前景。本文采用現代設計理論和方法對立井施工新型液壓挖掘機進行設計研究，以期能研制出滿足市場需求、高性能的產品，提高立井井筒凍結表土段掘進的機械化程度。本文首先進行方案論證，決定采用電力驅動，從根本上消除了柴油機廢氣的危害；以日本小松PC50UU-小型柴油驅動挖掘機作為研制的母機進行技術改造，明確了本文的研究重點為工作裝置優化和液壓系統重新設計兩方面。通過對立井施工新型液壓挖掘機反鏟裝置運動學和動力學分析，得到了動臂、斗桿、鏟斗及其連桿機構的運動方程和幾種典型工況下的挖掘力計算方法。在此基礎上本文根據立井施工新型液壓挖掘機反鏟工作裝置的工作特點和性能要求，將確定工作裝置各鉸點的幾何參數作為優化設計變量，用反鏟工作裝置的挖掘能力作為優化目標函數，對反鏟工作裝置實施優化設計。采用博世力士樂的LUDV技術，本文重新設計了立井施工新型液壓挖掘機液壓系統。本文進一步建立了挖掘機液壓系統中電動機、泵、閥、缸和馬達的數學模型，研究工作機構與其液壓回路數學模型之間的耦合，然后利用AMESim仿真軟件對新型挖掘機定點挖掘過程中工作裝置的液壓系統和機構動力學進行綜合仿真，運動學仿真結果表明工作裝置能很好的實現挖掘范圍要求，機構無干涉；力學仿真結果表明液壓系統穩定，整個工作過程中挖掘力很好的逼近其挖掘阻力曲線要求，挖掘性能優異。最后進行了樣機試制和工業性試驗，實踐檢驗證明了立井施工新型液壓挖掘的設計是正確和可靠的，完全能滿足現場施工要求。關鍵詞：電動液壓挖掘機立井施工工作裝置液壓系統優化設計與仿真目錄1緒論.11.1課題的提出.11.2液壓挖掘機概述.21.2.1液壓挖掘機主要組成.21.2.2液壓挖掘機工作循環過程.31.2.3電動液壓挖掘機.31.3液壓挖掘機的發展和研究現狀.41.3.1國外發展與研究現狀.41.3.2國內發展與研究現狀.71.4虛擬樣機技術在本課題中的應用.71.5課題主要研究內容.91.6本章小結.92新型液壓挖掘機工作裝置優化設計研究.112.1新型液壓挖掘機反鏟工作裝置的運動學分析.112.1.1動臂運動分析.112.1.2斗桿運動分析.122.1.3鏟斗運動分析.132.1.4斗齒尖運動分析.142.1.5特殊工作尺寸.152.2新型液壓挖掘機反鏟工作裝置受力分析.162.2.1挖掘阻力.162.2.2挖掘力的分析.182.3新型液壓挖掘機反鏟工作裝置優化設計.232.3.1設計變量的確定.242.3.2目標函數的建立.242.3.3約束條件的確定.252.3.4優化設計及結果分析.292.4本章小結.313新型液壓挖掘機液壓系統的設計研究.333.1新型液壓挖掘機液壓系統概述.333.1.1基本組成及其設計要求.333.1.2液壓系統形式分析選擇.343.1.3負荷敏感液壓系統技術.373.2立井施工新型液壓挖掘機液壓系統設計.393.2.1多路閥液壓系統.393.2.2液壓泵控制系統.413.2.3各液壓作業元件子系統.423.2.4多路閥先導操縱系統.453.2.5系統其它功能閥.453.3元件選型.463.4本章小結.464新型液壓挖掘機工作裝置仿真研究.494.1挖掘機液壓系統建模仿真理論.494.1.1建模步驟和仿真基本方程.494.1.2液壓系統建模.514.1.3負荷傳感控制系統建模.564.1.4液壓系統模型與機械系統的關聯集成.564.2工作裝置AMEsim仿真.584.2.1AMEsim仿真軟件簡介.584.2.2工作裝置仿真模型的建立.604.2.3系統仿真參數的確定.614.2.4仿真結果分析.634.3本章小結.686結論.791緒論1Introduction1.1課題的提出（ProposingtheProject）工程機械是實現施工高速度、高質量、低成本、高效益的重要手段，它廣泛應用于國民經濟各部門，世界各國歷來都十分重視工程機械的發展。液壓挖掘機是工程機械的一個主要機種，它利用鏟斗挖掘、鏟裝土壤和石塊，裝滿后提升鏟斗并回轉到卸土地點卸土，然后再使轉臺回轉、鏟斗下降到挖掘面，進行下一次挖掘。液壓挖掘機廣泛應用于礦山開采、道路工程、國防施工、農田水利等基礎建設之中，對減輕繁重的體力勞動，加快施工進度，提高勞動生產率具有十分顯著的意義。在立井施工領域，凍結法鑿井技術得到了越來越多的應用，我國在這一方面已跨入世界先進行列，凍結深度從最早的105米發展到目前的700余米，相應的凍結表土層也由最初的幾十米發展到今天的近600米。隨著凍結深度的增加，凍土的挖掘愈加困難，目前凍結井筒普遍采用風鎬掘進施工方法，即人工操作風鎬破土、抓巖機抓土裝罐。這種方法占用人員多、勞動強度大、施工效率低，造成工期、凍結送冷時間的延長，進而導致施工成本的大幅度增加。因此，盡快開發出用于凍土挖掘的專業施工設備，提高立井井筒凍結表土段掘進的機械化程度、加快施工速度、降低工人的勞動強度已成為一個重要的現實課題。液壓挖掘機作為一種常用機械設備，操作方便、故障率低且易于維修，據統計，各種土石方作業中約有6070的土方量是由它完成的。借鑒地面土石方工程中利用液壓挖掘機破碎和挖（裝）土的成功經驗，如能研制出（1）尺寸小，滿足井下工作面狹小空間施工要求；（2）挖掘力和斗容滿足施工產量需求；（3）回轉速度滿足中心抓巖機裝料效率需求；（4）設備性能好，維修率低；（5）排放盡可能少，滿足環保和職業健康要求的立井井筒凍結表土層掘進施工用新型液壓挖掘機，則可以大大提高凍土掘進速度，取得十分顯著的經濟和社會效益，同時也是對立井機械化施工技術的一個很好補充。基于上述考慮，中煤第五建設公司第三工程處在參考市場上同類先進機型基礎上，進行了斗容量為0.21m3的立井施工用新型電動液壓挖掘機的開發，改傳統柴油機驅動為電動機驅動，保留液壓傳動和反鏟工作裝置。新產品設計過程中要解決如何在符合正常的液壓挖掘機操作習慣下，與市場上同規格內燃機驅動機型相比尺寸、重量盡可能小，以適應井下工作環境；如何保證采用電機驅動后不降低挖掘力、不影響機械回轉裝料效率，而且還要安全、節能、可靠等難題。鑒于這種情況，本文結合該項目，采用現代設計理論和方法對立井施工新型液壓挖掘機進行設計研究，以期能研制出滿足市場需求、高性能的產品。1.2液壓挖掘機概述（IntroductionoftheHydraulicExcavator）本節以常見的單斗反鏟液壓挖掘機為例，介紹其基本組成結構、工作原理。1.2.1液壓挖掘機主要組成(PrimaryStructureofHydraulicExcavator)液壓挖掘機由動力裝置、傳動系統、操縱機構、回轉機構、工作裝置、行走機構和輔助設備等幾部分組成，外形如圖1-1所示。其中動力裝置、傳動系統的主要部分、操縱機構、回轉機構、輔助設備和駕駛室等都安裝在可回轉的平臺上，總稱上車部分，它與行走機構（又稱下車部分）用回轉支撐相連，平臺可以圍繞中央回轉軸作360回轉。常見的液壓挖掘機多采用柴油發動機作為原動力，履帶或輪胎行走，斗容量小于1.6m3的中小型液壓挖掘機通常選用整體鵝頸式動臂反鏟裝置，它的主要運動如整機行走、轉臺回轉、動臂升降、斗桿收放、鏟斗轉動等都靠液壓傳動，把發動機的機械能以油液為介質，利用油泵轉變為液壓能，傳送給油缸、油馬達等轉變為機械能，再傳動各執行機構，實現各種運動和工作過程。整體鵝頸式動臂反鏟液壓挖掘機工作裝置主要由動臂1、動臂油缸2、斗桿3、斗桿油缸4、鏟斗5、鏟斗油缸6、搖臂連桿7等組成，如圖1-1所示。裝置各運動部件之間全部采用銷軸鉸接，其中動臂鉸接于回轉平臺，以動臂油缸來支撐和改變動臂的傾角，通過動臂油缸的伸縮可使動臂繞下鉸點轉動實現動臂的升降；斗桿鉸接于動臂的上端，由斗桿油缸控制斗桿與動臂的相對角度；鏟斗與斗桿前端鉸接，并通過鏟斗油缸伸縮使鏟斗轉動，為增大鏟斗的轉角，通常采用搖臂連桿機構來和鏟斗聯結。圖1-1液壓挖掘機的主要組成Figure1-1PrimaryStructureoftheHydraulicExcavator1-動臂；2-動臂油缸；3-斗桿；4-斗桿油缸；5-鏟斗；6-鏟斗油缸；7-搖臂連桿；8-上部轉臺；9-行走機構1.2.2液壓挖掘機工作循環過程(WorkingCycleoftheHydraulicExcavator)液壓挖掘機的回轉、行走和工作裝置的動作都由液壓傳動系統實現，原動機驅動雙聯液壓泵，把壓力油分別送到兩組多路換向閥，通過司機的操作，將壓力油單獨或同時送往液壓執行元件(液壓馬達和液壓油缸)驅動執行機構工作。其工作循環過程如下：首先液壓挖掘機驅動行走馬達和配套土方運輸車輛一起進入作業面，運輸車輛倒車、調整，停靠在挖掘機的側方或后方。挖掘機司機扳動操縱手柄，使回轉馬達控制閥接通，于是回轉馬達轉動并帶動上部平臺回轉，使工作裝置轉向挖掘地點，在執行上述過程的同時操縱動臂油缸換向閥，使動臂油缸上腔進油，將動臂下降，直至鏟斗接觸地面，然后司機操縱斗桿油缸和鏟斗油缸的換向閥，使兩者的大腔進油，配合動作以加快作業進度，進行復合動作的挖掘和裝載；鏟斗裝滿后將斗桿油缸和鏟斗油缸的操縱手柄扳回中位，使鏟斗和斗桿油缸閉鎖，再操縱動臂油缸換向閥，使動臂油缸的下腔進油，將動臂提升，舉起裝滿土的鏟斗離開工作面，隨即扳動平臺回轉換向閥手柄，使上部平臺回轉，帶動鏟斗轉至運輸車輛上方，再操縱斗桿油缸使斗桿高度稍降一些，并在適當的高度操縱鏟斗油缸使鏟斗卸土。土方卸完后，使平臺反轉并降低動臂，直至鏟斗回到作業點上方，以便進行下一工作循環。1.2.3電動液壓挖掘機(IntroductionoftheElectric-drivenHydraulicExcavator)柴油機驅動的液壓挖掘機雖然具有無可比擬的優點，但柴油機廢氣、煙霧、熱輻射及噪聲卻嚴重地污染了地下作業環境。而如果把柴油機驅動改為電力驅動，則可在保留液壓挖掘機大部分優點的情況下，從根本上消除了柴油機廢氣的危害，同時電動機工作溫度比柴油機低，噪聲小，因而有利于環境的保護和井下作業人員的健康，可節省添加通