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本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開(kāi)題報(bào)告 學(xué)生姓名：劉軍偉 學(xué) 號(hào)：14081003 班 級(jí)：140810 專(zhuān) 業(yè)：機(jī)械工程及自動(dòng)化 指導(dǎo)教師：陳偉 目 錄 第一章 課題介紹 1 1.1課題名稱(chēng) 1 1.2課題背景 1 1.2.1挖掘機(jī)的發(fā)展史 1 1.2.2課題的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 3 1.2.3輪式越野挖掘機(jī)的工作特點(diǎn) 4 1.3工作內(nèi)容和要求 5 1.3.1設(shè)計(jì)要求 5 1.3.2工作內(nèi)容 5 1.4課題的重點(diǎn)和難點(diǎn) 6 1.5可能用到的主要知識(shí)和技能 6 1.6需要自學(xué)的知識(shí)和技能 6 第二章 工作計(jì)劃 6 參 考 文 獻(xiàn) 7 第一章 課題介紹 1.1課題名稱(chēng) 輪式越野挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì) 1.2課題背景 挖掘機(jī)分為兩種：履帶式挖掘機(jī)和輪式挖掘機(jī)，他們都有各自的特點(diǎn)。履帶式挖掘機(jī)因接地面積大，所以在泥濘，濕地等容易陷進(jìn)去的地方比較好，因?yàn)橥诰驒C(jī)本身自重較大，所以這就使挖掘機(jī)可以去的地方比較廣泛，另外因履帶是金屬制品，在礦山或者工況惡劣的地方也能勝任,越野能力強(qiáng)。但是，相對(duì)來(lái)講投資比輪式要大，貴點(diǎn)，另外就是移動(dòng)性不好，最高設(shè)計(jì)時(shí)速才5-7KM/H，長(zhǎng)距離移動(dòng)依賴板車(chē)。而輪式挖掘機(jī)投資小，行動(dòng)速度快，一般時(shí)速可達(dá)40-50KM/H，但是其使用范圍狹窄，多以路政或者市內(nèi)工程為主，不能進(jìn)入礦山或者泥濘地帶，爬坡能力差。近年來(lái)，由于天災(zāi)人禍（戰(zhàn)爭(zhēng)、地震，雪災(zāi)）等因素導(dǎo)致許多地方都要重建，但是工作環(huán)境惡略，傳統(tǒng)的輪式挖掘機(jī)難以工作，而履帶式挖掘機(jī)移動(dòng)性能不好，移動(dòng)需要板車(chē)。為了適應(yīng)現(xiàn)代發(fā)展的需要，我們需要一種新型的輪式挖掘機(jī)——輪式越野挖掘機(jī)。相對(duì)于傳統(tǒng)的輪式挖掘機(jī)，它多了兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，能夠在礦山或者泥濘地帶等惡略環(huán)境中工作，而對(duì)于履帶式挖掘機(jī)，又有靈活，速度快等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今挖掘機(jī)發(fā)展的新方向。 工作裝置的結(jié)構(gòu)性能分析，特別是其動(dòng)靜態(tài)強(qiáng)度和剛度性能的分析關(guān)系到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)劣的重要因素，隨著液壓挖掘機(jī)向高速、重載和輕量化方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜態(tài)性能分析與優(yōu)化對(duì)提高液壓挖掘機(jī)的工作性能、降低其成本、提高其工作的可靠性和安全性以及縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期起著越來(lái)越重要的作用。 1.2.1挖掘機(jī)的發(fā)展史 當(dāng)前社會(huì)建設(shè)中，挖掘機(jī)已經(jīng)成為工程機(jī)械施工中的主力，挖掘機(jī)銷(xiāo)售量是最高的，挖掘機(jī)日漸融入我們的生活。最早的挖掘機(jī)是以人力或畜力為動(dòng)力，用于挖深河底的浚泥船，鏟斗容量一般不超過(guò)0.2~O.3立方米。第一臺(tái)手動(dòng)挖掘機(jī)問(wèn)世至今已有130多 年的歷史，期間經(jīng)歷了由蒸汽驅(qū)動(dòng)斗回轉(zhuǎn)挖掘機(jī)到電力驅(qū)動(dòng)和內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)挖掘機(jī)、應(yīng)用機(jī)電液一體化技術(shù)的全自動(dòng)液壓挖掘機(jī)的逐步發(fā)展過(guò)程。 　　1833~1836年，美國(guó)人奧蒂斯設(shè)計(jì)和制造了第一臺(tái)蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)、鐵木混合結(jié)構(gòu)、半回轉(zhuǎn)、軌行式的單斗挖掘機(jī)，生產(chǎn)率為35立方米/時(shí)，但 由于經(jīng)濟(jì)性差沒(méi)有應(yīng)用。19世紀(jì)70年代經(jīng)過(guò)改進(jìn)的蒸汽鏟正式生產(chǎn)并應(yīng)用于露天礦剝離。1880年又出現(xiàn)了第一批以拖拉機(jī)為底盤(pán)的半回轉(zhuǎn)式 蒸汽鏟。 　　20世紀(jì)初至40年代末，挖掘機(jī)進(jìn)入動(dòng)力和行走裝置多樣化的階段。1910年，出現(xiàn)了第一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的單斗挖掘機(jī)；1912年出現(xiàn)了汽油機(jī)和煤 油機(jī)驅(qū)動(dòng)的全回轉(zhuǎn)式單斗挖掘機(jī)；1916年出產(chǎn)了柴油發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的單斗挖掘機(jī)；1924年柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)開(kāi)始用于單斗挖掘機(jī)上；履帶式行走 裝置于1910年開(kāi)始采用。輪胎式行走裝置隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，廣泛用于小型挖掘機(jī)。30年代，出現(xiàn)了步行行走裝置。 　　由于液壓技術(shù)的應(yīng)用，20世紀(jì)40年代有了在拖拉機(jī)上配裝液壓反鏟的懸掛式挖掘機(jī)。1951 年，第一臺(tái)全液壓反鏟挖掘機(jī)由位于法國(guó)的 Poclain（ 波克蘭 ） 工廠推出，從而在挖掘機(jī)的技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域開(kāi)創(chuàng)了全新空間。20世紀(jì)50年代初期和中期相繼研制出拖式全回轉(zhuǎn)液壓挖掘機(jī) 和履帶式全液壓挖掘機(jī)。初期試制的液壓挖掘機(jī)是采用飛機(jī)和機(jī)床的液壓技術(shù)，缺少適用于挖掘機(jī)各種工況的液壓元件，制造質(zhì)量不夠穩(wěn)定 ,配套件也不齊全。從20世紀(jì)60年代起，液壓挖掘機(jī)進(jìn)入推廣和蓬勃發(fā)展階段，各國(guó)挖掘機(jī)制造廠和品種增加很快，產(chǎn)量猛增。1968-1970年 間，液壓挖掘機(jī)產(chǎn)量已占挖掘機(jī)總產(chǎn)量的83%,目前已接近100%. 中國(guó)挖掘機(jī) 　　我國(guó)開(kāi)始研制、發(fā)展液壓挖掘機(jī)產(chǎn)品是在上個(gè)世紀(jì)六十年代末，這與日本發(fā)展液壓挖掘機(jī)產(chǎn)品的時(shí)間大致相同。自1967年至1977年，這10年 我國(guó)有少數(shù)幾家工廠開(kāi)始研究，開(kāi)發(fā)液壓挖掘機(jī)，通過(guò)數(shù)年堅(jiān)持不懈的努力，克服一個(gè)又一個(gè)的困難，終于有少量幾種規(guī)格的液壓挖掘機(jī)產(chǎn) 品獲得初步成功，當(dāng)時(shí)有上海建筑機(jī)械廠的WY100;貴陽(yáng)礦山機(jī)器廠的W4-60;合肥礦山機(jī)器廠的WY60;長(zhǎng)江挖掘機(jī)廠的WY160和杭州重型機(jī)械 廠的WY250等（在此之前，個(gè)別工廠也曾試圖開(kāi)發(fā)液壓挖掘機(jī)，但因多種原因未能成功）；這為我國(guó)液壓挖掘機(jī)行業(yè)的形成邁出了重要的一步 2006年中國(guó)挖掘機(jī)市場(chǎng)銷(xiāo)量歷史性地突破45,000臺(tái)，同比2005年增長(zhǎng)58.6%,以大多數(shù)挖掘機(jī)制造商產(chǎn)銷(xiāo)量高速增長(zhǎng)完美收官，實(shí)現(xiàn)了歷史性 突破。1993年我國(guó)液壓挖掘機(jī)總銷(xiāo)量為2,349臺(tái)，15年后的2008年我國(guó)液壓挖掘機(jī)的總銷(xiāo)量高達(dá)83,000臺(tái)，15年增長(zhǎng)35倍。2009年中國(guó)挖掘機(jī) 市場(chǎng)與2008年相比可望增長(zhǎng)10%以上，全年新機(jī)銷(xiāo)售量將超過(guò)90,000臺(tái)，銷(xiāo)售額超過(guò)500億元人民幣。 2010年，我國(guó)挖掘機(jī)行業(yè)延續(xù)了上年發(fā)展態(tài)勢(shì)，在政府加大基建投資、推進(jìn)城鎮(zhèn)化建設(shè)等多種政策疊加效應(yīng)的作用拉動(dòng)下，實(shí)際累計(jì)銷(xiāo)售總量超過(guò)16.5萬(wàn)臺(tái)。2011年上半年，國(guó)產(chǎn)挖掘機(jī)在全行業(yè)制造企業(yè)中產(chǎn)銷(xiāo)量占有率有相當(dāng)大幅度上升。 　　目前中國(guó)挖掘機(jī)行業(yè)正處于高速增長(zhǎng)期，調(diào)控是過(guò)度增長(zhǎng)后的臨時(shí)措施，調(diào)控過(guò)后將帶來(lái)下一次更高增長(zhǎng)。“十二五”期間中國(guó)挖掘機(jī)將超過(guò)裝載機(jī)成為中國(guó)工程機(jī)械行業(yè)中銷(xiāo)售量最大的機(jī)種。同“十二五”期間中國(guó)國(guó)產(chǎn)挖掘機(jī)將全面超過(guò)外資品牌挖掘機(jī)，成為中國(guó)挖掘機(jī)市場(chǎng)的主角！中國(guó)挖掘機(jī)行業(yè)前途仍無(wú)限光明！ 1.2.2課題的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 輪式越野挖掘機(jī)的總體結(jié)構(gòu)主要由工作裝置、上部轉(zhuǎn)臺(tái)和行走機(jī)構(gòu)等三部分組成，其中工作裝置是直接參與工作的部分，承受的載荷巨大且變化頻繁，其結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性備受關(guān)注。目前，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)挖掘機(jī)工作裝置的性能分析主要研究工作集中在運(yùn)動(dòng)學(xué)、鏟斗軌跡規(guī)劃與控制、動(dòng)力學(xué)、工作裝置的結(jié)構(gòu)分析、靈敏度、振動(dòng)分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化與相關(guān)的試驗(yàn)研究方面。 工作裝置運(yùn)動(dòng)方程與挖掘區(qū)域 對(duì)液壓挖掘機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方面進(jìn)行研究，可以確定挖掘區(qū)域，通過(guò)研究其運(yùn)動(dòng)方程，從而可以對(duì)挖掘過(guò)程進(jìn)行規(guī)劃和控制等。相關(guān)研究工作如浙江大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)研究所的劉靜運(yùn)用機(jī)器人技術(shù)理論，推導(dǎo)了挖掘機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程，并用ADAMS開(kāi)發(fā)了挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，長(zhǎng)安大學(xué)的劉本學(xué)利用D-H法建立了工作裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，并在C++環(huán)境下得到了鏟斗齒尖。 鏟斗軌跡規(guī)劃與控制 對(duì)鏟斗的軌跡進(jìn)行規(guī)劃和控制能提高挖掘效率，并且有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)挖掘減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。季炳偉對(duì)挖掘機(jī)的鏟斗軌跡進(jìn)行控制和優(yōu)化研究，建立了數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，采用遺傳算法尋優(yōu)，通過(guò)對(duì)多種規(guī)劃策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明該規(guī)劃方法極大降低了液壓系統(tǒng)的振動(dòng)沖擊，提高了挖掘機(jī)操縱平穩(wěn)性；日本學(xué)者通過(guò)對(duì)經(jīng)驗(yàn)豐富的挖掘機(jī)操作人員操作挖掘機(jī)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行分析，而后進(jìn)行利用控制技術(shù)來(lái)模擬這種經(jīng)驗(yàn)操作人員駕駛技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高效挖掘的研究；利用全球定位系統(tǒng)對(duì)一個(gè)具有六自由度的液壓挖掘機(jī)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)控制通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)后用和軟件的仿真說(shuō)明了其方法的可行性。 動(dòng)力學(xué) 對(duì)液壓挖掘機(jī)工作裝置的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究可以確定其動(dòng)態(tài)特性，也是進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。于國(guó)飛等人運(yùn)用機(jī)械手的原理，將液壓挖掘機(jī)工作裝置機(jī)器人化，運(yùn)用拉格朗日功能平衡法推導(dǎo)了工作裝置的動(dòng)力學(xué)方程，為研究自動(dòng)控制和動(dòng)力學(xué)仿真奠定了基礎(chǔ)。 試驗(yàn)研究 液壓挖掘機(jī)的研制需要進(jìn)行各方面性能和可靠性試驗(yàn)包括強(qiáng)度、操縱、耐久性等，在經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的科學(xué)試驗(yàn)和用戶評(píng)價(jià)之后才能定型生產(chǎn)。試驗(yàn)研究是判斷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)劣最原始也是最可靠的方法。波蘭的J.Maciejewski等人通過(guò)試驗(yàn)研究了在挖掘過(guò)程中，挖掘機(jī)鏟斗不同形狀對(duì)挖掘效率的影響；通過(guò)實(shí)驗(yàn)并利用色彩、飽和值和顏色值空間對(duì)液壓挖掘機(jī)在挖掘過(guò)程非工作時(shí)間進(jìn)行了研究，從而通過(guò)控制設(shè)備的非工作時(shí)間提高了設(shè)備的使用效率。 1.2.3輪式越野挖掘機(jī)工作裝置的特點(diǎn) 挖掘機(jī)由鏟斗、鏟斗柱、回轉(zhuǎn)臂、支腳或支持輪和液壓系統(tǒng)等組成。鏟斗與鏟斗柱鉸接，鏟斗柱鉸接在回轉(zhuǎn)臂的末端。液壓系統(tǒng)通過(guò)各個(gè)專(zhuān)用油缸控制回轉(zhuǎn)臂的升降和在水平面內(nèi)的回轉(zhuǎn)，鏟斗柱在垂直面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)，支腳的升降，以及變換鏟斗的挖掘、提升和卸土狀態(tài)等，使鏟斗能在地面以上和以下3～4米處挖掘土方，并將土卸到指定的部位。 輪式越野挖掘機(jī)在實(shí)際工作過(guò)程中，工作裝置的運(yùn)動(dòng)和受力情況均較復(fù)雜，主要表現(xiàn)在：1工作對(duì)象的多樣性，挖掘機(jī)是通過(guò)顫抖與土壤建的相互作用事先挖掘的，在各種施工場(chǎng)地工作時(shí)，土質(zhì)條件較復(fù)雜，受力情況難以確定；2工作過(guò)程是通過(guò)驅(qū)動(dòng)三組液壓缸的復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)動(dòng)作要兩個(gè)以上的部件參與實(shí)現(xiàn)；3在挖掘過(guò)程中，工作裝置承受著拉力、扭轉(zhuǎn)和慣性沖擊等多重載荷的復(fù)合作用。 1.3.設(shè)計(jì)要求和工作內(nèi)容 1.3.1設(shè)計(jì)要求 最大挖掘半徑5400mm，最大卸載高度3760mm，最大挖掘深度4000mm，最大卸載高度時(shí)的作業(yè)半徑3000mm，鏟斗最大轉(zhuǎn)角185度，系統(tǒng)額定工作壓力30Mpa。 1.3.2工作內(nèi)容 1. 完成機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙A0x3； 2. 手繪總裝設(shè)計(jì)草圖A0x1； 3. 完成液壓控制系統(tǒng)原理圖； 4. 開(kāi)題報(bào)告1份； 5. 外文翻譯資料5000漢字； 6. 編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)1份（2萬(wàn)字以上）。 1.4課題的重點(diǎn)和難點(diǎn) 課題的重點(diǎn)： 動(dòng)壁采用整體式彎動(dòng)臂，這種結(jié)構(gòu)形式在中型挖掘機(jī)中應(yīng)用較為廣泛。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、廉價(jià)，剛度相同時(shí)結(jié)構(gòu)重量較組合式動(dòng)臂輕，且有利于得到較大的挖掘深度。都敢也有整體式和組合式兩種，大多數(shù)挖掘機(jī)采用整體式斗桿。在本設(shè)計(jì)中由于不需要調(diào)節(jié)斗桿的長(zhǎng)度，故也采用整體式斗桿。 課題的難點(diǎn)： 在實(shí)際挖掘作業(yè)中，由于土質(zhì)情況、挖掘面條件以及挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的不痛，反鏟斗裝置三種液壓缸在挖掘循環(huán)中的動(dòng)作配合可以使多樣的、隨機(jī)的上述過(guò)程 動(dòng)力學(xué)方程的建立。 模擬器電液控制部分的設(shè)計(jì)。全液壓制動(dòng)控制系統(tǒng)由單片機(jī)控制，制動(dòng)器以液壓缸為執(zhí)行元件、以伺服閥為控制元件，采用單片機(jī)來(lái)控制A/D、D/A信號(hào)轉(zhuǎn)換。 1.5可能用到的主要知識(shí)和技能 機(jī)器人學(xué) 液壓與氣動(dòng) 電液伺服控制 控制工程基礎(chǔ) 工程圖學(xué) 機(jī)械設(shè)計(jì) 機(jī)械制造基礎(chǔ) CAD Catia 1.6需要自學(xué)的知識(shí)和技能 Matlab軟件的應(yīng)用 AＮＳYS軟件的應(yīng)用 第二章 工作計(jì)劃 第七學(xué)期~第八學(xué)期第3周： 外文翻譯、完成資料收集整理、開(kāi)題報(bào)告 第八學(xué)期第4周~第八學(xué)期第8周： 方案設(shè)計(jì)及總體裝配圖 第八學(xué)期第9周~第八學(xué)期第11周： 確定各部分參數(shù)并繪制草圖 第八學(xué)期第12周~第八學(xué)期第13周： 繪制零件圖和控制原理圖 第八學(xué)期第14周~第八學(xué)期第15周： 撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第八學(xué)期第16周： 準(zhǔn)備答辯 答辯 參 考 文 獻(xiàn) 1. 成大先主編. 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 第2版. 機(jī)械工業(yè)出版社 2. 寇尊權(quán)主編. 《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》 吉林科學(xué)技術(shù)出版社 3. 馮辛安等主編. 《機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)》 機(jī)械工業(yè)出版社 4．《液壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》（上、下） 上?？萍汲霭嫔? 5．西南交通大學(xué)編. 《工程機(jī)械》（上、下） 中國(guó)鐵道出版社 6．楊占敏，王智明，張春秋等主編 《輪式裝載機(jī)》 化學(xué)工業(yè)出版社