正铲液压挖掘机机构运动分析及生产率研究

论文摘要

近年来,随着建筑业及采矿业的迅猛发展,作为工程机械中最重要品种之一的单斗正铲液压挖掘机的需求成倍增长,同时对液压挖掘机的技术及经济性能也提出了更高的要求。生产率是挖掘机主要技术经济指标之一,它代表在单位时间内从掌子中挖出并卸到运土车辆或土堆的体积[1]。特别是大型矿用正铲液压挖掘机,由于其斗容量及功率巨大,其生产率往往直接决定着施工工期及经济成本。本文以对正铲液压挖掘机机构运动分析为基础,对单斗大型矿用正铲液压挖掘机的生产率进行了深入、系统地研究。首先,论文针对正铲液压挖掘机的机构特点,详细地分析了其作业流程及典型挖掘工况,引入了理论生产率、计算生产率及实际生产率的概念,为生产率的研究奠定了基础。第二,分析并引入了“坐标变换的矩阵法”,以此为基础,对正铲液压挖掘机的工作装置(多自由度的多杆系统)进行了详细地机构运动分析,并建立了关键绞点的坐标变换矩阵,为力臂模型的建立提供了条件。第三,运用作图法原理,研究了基于生产率的正铲液压挖掘机的动臂、斗杆、铲斗的作业过程,建立了工作装置各运动部件及工作介质关于其关键绞点(A、B、C绞点)的力臂函数关系式,并以此为基础得出了全功率变量系统在各作业工况下主动油缸压力关于转角α、β、γ的数学模型,进而找到在各作业工况下挖掘机油缸速度关于转角α、β、γ的函数关系式,为挖掘机生产率的研究提供理论基础。第四,根据大型正铲液压挖掘机典型液压系统的构造及其工作原理。运用数学、物理的方法,深入地分析了双泵双回路全功率变量系统回转机构的运动特性。详细地研究了回转装置在等加速、变加速、匀速以及制动阶段所需时间的计算过程,并建立了其系列函数关系式。第五,提出以各转角α、β、γ作为被积变量函数积分的方法来求挖掘机工作循环时间的思想,建立起了带浮动工作装置结构的正铲液压挖掘机的各工作循环时间关于α、β、γ的数学模型。最后,基于以上分析研究中所建立的各函数关系式,在VC的编程环境下编制了“正铲液压挖掘机生产率分析计算”软件。软件集成了正铲液压挖掘机工作装置各部件关于A、B、C绞点的力臂分析计算、液压缸压力分析计算、转台回转特性及时间分析计算、正铲液压挖掘机生产率分析计算等模块。该软件具有客观、通用性等特点,能直接为生产服务。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 单斗液压挖掘机的应用及其发展
• 1.1.1 单斗液压挖掘机的类型及特点
• 1.1.2 正铲液压挖掘机的研究现状及发展趋势
• 1.2 正铲液压挖掘机生产率研究现状
• 1.3 课题的研究内容、方法、意义及技术路线
• 1.3.1 研究内容与方法
• 1.3.2 该课题的研究意义
• 1.3.3 技术路线
• 2 单斗正铲液压挖掘机生产率计算及工况分析
• 2.1 引言
• 2.2 生产率计算
• 2.3 正铲液压挖掘机工况分析
• 2.3.1 正铲液压挖掘机的结构型式
• 2.3.2 正铲液压挖掘机的作业流程
• 2.3.3 典型挖掘工况
• 2.3.4 满斗举升回转工况
• 2.3.5 空斗返回工况
• 2.3.6 整机移动工况
• 2.4 小结
• 3 正铲液压挖掘机关键绞点坐标变换及机构运动分析
• 3.1 引言
• 3.2 坐标变换的矩阵法
• 3.3 正铲液压挖掘机工作装置各关键绞点的坐标变换及运动分析
• 3.3.1 动臂机构关键绞点的坐标变换及运动分析
• 3.3.2 斗杆机构关键绞点的坐标变换及运动分析
• 3.3.3 斗杆—铲斗四边形机构的牵连运动分析
• 3.4 小结
• 4 工作液压缸压力数学模型的建立
• 4.1 引言
• 4.2 满斗举升回转工况
• 1）'>4.2.1 动臂缸对A 点的作用力臂（e₁）
• 11、l₁₂)'>4.2.2 动臂缸缸体与活塞杆对A 点的作用力臂(l₁₁、l₁₂)
• 21、l₂₂)'>4.2.3 斗杆缸缸体与活塞杆对A 点的作用力臂(l₂₁、l₂₂)
• 31、l₃₂)'>4.2.4 铲斗缸体与活塞杆对A 点的作用力臂(l₃₁、l₃₂)
• 4、l₅、l₆、l₇）'>4.2.5 动臂、斗杆、铲斗及工作介质对A 点的作用力臂（l₄、l₅、l₆、l₇）
• 1'>4.2.6 动臂缸压力P₁
• 4.3 斗杆作业工况
• 2）'>4.3.1 斗杆缸对A 点的作用力臂（e₂）
• 21、I₂₂、I₃₁、I₃₂、I₅、I₆、I₇)'>4.3.2 斗杆缸缸体、活塞，铲斗缸缸体、活塞，斗杆，铲斗，工作介质对B 点的力臂(I₂₁、I₂₂、I₃₁、I₃₂、I₅、I₆、I₇)
• w1'>4.3.3 切向挖掘力对B 点的力臂I_w1
• w1'>4.3.4 斗齿尖的切向挖掘力F_w1
• 7'>4.3.5 工作介质G₇
• 2'>4.3.6 斗杆缸压力P₂
• 4.4 铲斗作业工况
• 3）'>4.4.1 铲斗缸对C 点的作用力臂（e₃）
• 31、T₃₂、T₆、T₇)'>4.4.2 铲斗缸缸体与活塞杆、铲斗，作业介质对C 点的力臂为(T₃₁、T₃₂、T₆、T₇)
• W2 对C 点的力臂T_w2'>4.4.3 切向挖掘力F_W2 对C 点的力臂T_w2
• w2'>4.4.4 斗齿尖的切向挖掘力F_w2
• 7'>4.4.5 工作介质G₇
• 3'>4.4.6 铲斗缸压力P₃
• 4.5 小结
• 5 转台回转特性研究及作业时间计算分析
• 5.1 引言
• 5.2 全功率变量泵系统
• 5.2.1 主机对液压系统的要求
• 5.2.2 双泵双回路全功率变量系统原理及系统特性
• 5.3 转台回转特性研究
• 5.3.1 回转阻力矩计算
• 5.3.2 正铲液压挖掘机转台回转运动分析
• 5.4 转台回转时间计算分析
• 5.4.1 计算条件
• 5.4.2 转台的最大转速与最大起动力矩
• 5.4.3 变量泵P —Q 及转台的M—ω特性曲线
• 5.4.4 转动惯量（J）分析
• 5.4.5 转台回转时间计算
• 5.5 小结
• 6 正铲液压挖掘机生产率研究及软件研制
• 6.1 引言
• 6.2 总作业时间分析计算
• 6.2.1 计算条件
• 6.2.2 各液压缸工作速度分析
• 6.2.3 作业循环时间
• 6.2.4 正铲液压挖掘机总的作业循环时间及理论生产率
• 6.3 正铲液压挖掘机生产率分析计算软件的编制及实例分析
• 6.3.1 软件功能介绍
• 6.3.2 界面及模块介绍
• 6.3.4 实例分析
• 6.4 结论
• 7 全文总结
• 7.1 研究总结
• 7.2 后续研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录