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本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 開題報告 學(xué)生姓名：劉軍偉 學(xué) 號：14081003 班 級：140810 專 業(yè)：機械工程及自動化 指導(dǎo)教師：陳偉 目 錄 第一章 課題介紹 1 1.1課題名稱 1 1.2課題背景 1 1.2.1挖掘機的發(fā)展史 1 1.2.2課題的國內(nèi)外現(xiàn)狀 3 1.2.3輪式越野挖掘機的工作特點 4 1.3工作內(nèi)容和要求 5 1.3.1設(shè)計要求 5 1.3.2工作內(nèi)容 5 1.4課題的重點和難點 6 1.5可能用到的主要知識和技能 6 1.6需要自學(xué)的知識和技能 6 第二章 工作計劃 6 參 考 文 獻 7 第一章 課題介紹 1.1課題名稱 輪式越野挖掘機工作裝置設(shè)計 1.2課題背景 挖掘機分為兩種：履帶式挖掘機和輪式挖掘機，他們都有各自的特點。履帶式挖掘機因接地面積大，所以在泥濘，濕地等容易陷進去的地方比較好，因為挖掘機本身自重較大，所以這就使挖掘機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。但是，相對來講投資比輪式要大，貴點，另外就是移動性不好，最高設(shè)計時速才5-7KM/H，長距離移動依賴板車。而輪式挖掘機投資小，行動速度快，一般時速可達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，不能進入礦山或者泥濘地帶，爬坡能力差。近年來，由于天災(zāi)人禍（戰(zhàn)爭、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)的輪式挖掘機難以工作，而履帶式挖掘機移動性能不好，移動需要板車。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——輪式越野挖掘機。相對于傳統(tǒng)的輪式挖掘機，它多了兩個轉(zhuǎn)動自由度，能夠在礦山或者泥濘地帶等惡略環(huán)境中工作，而對于履帶式挖掘機，又有靈活，速度快等優(yōu)點，是當(dāng)今挖掘機發(fā)展的新方向。 工作裝置的結(jié)構(gòu)性能分析，特別是其動靜態(tài)強度和剛度性能的分析關(guān)系到結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)劣的重要因素，隨著液壓挖掘機向高速、重載和輕量化方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)的動靜態(tài)性能分析與優(yōu)化對提高液壓挖掘機的工作性能、降低其成本、提高其工作的可靠性和安全性以及縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期起著越來越重要的作用。 1.2.1挖掘機的發(fā)展史 當(dāng)前社會建設(shè)中，挖掘機已經(jīng)成為工程機械施工中的主力，挖掘機銷售量是最高的，挖掘機日漸融入我們的生活。最早的挖掘機是以人力或畜力為動力，用于挖深河底的浚泥船，鏟斗容量一般不超過0.2~O.3立方米。第一臺手動挖掘機問世至今已有130多 年的歷史，期間經(jīng)歷了由蒸汽驅(qū)動斗回轉(zhuǎn)挖掘機到電力驅(qū)動和內(nèi)燃機驅(qū)動回轉(zhuǎn)挖掘機、應(yīng)用機電液一體化技術(shù)的全自動液壓挖掘機的逐步發(fā)展過程。 　　1833~1836年，美國人奧蒂斯設(shè)計和制造了第一臺蒸汽機驅(qū)動、鐵木混合結(jié)構(gòu)、半回轉(zhuǎn)、軌行式的單斗挖掘機，生產(chǎn)率為35立方米/時，但 由于經(jīng)濟性差沒有應(yīng)用。19世紀(jì)70年代經(jīng)過改進的蒸汽鏟正式生產(chǎn)并應(yīng)用于露天礦剝離。1880年又出現(xiàn)了第一批以拖拉機為底盤的半回轉(zhuǎn)式 蒸汽鏟。 　　20世紀(jì)初至40年代末，挖掘機進入動力和行走裝置多樣化的階段。1910年，出現(xiàn)了第一臺電機驅(qū)動的單斗挖掘機；1912年出現(xiàn)了汽油機和煤 油機驅(qū)動的全回轉(zhuǎn)式單斗挖掘機；1916年出產(chǎn)了柴油發(fā)電機驅(qū)動的單斗挖掘機；1924年柴油機直接驅(qū)動開始用于單斗挖掘機上；履帶式行走 裝置于1910年開始采用。輪胎式行走裝置隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，廣泛用于小型挖掘機。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年代有了在拖拉機上配裝液壓反鏟的懸掛式挖掘機。1951 年，第一臺全液壓反鏟挖掘機由位于法國的 Poclain（ 波克蘭 ） 工廠推出，從而在挖掘機的技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域開創(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 和履帶式全液壓挖掘機。初期試制的液壓挖掘機是采用飛機和機床的液壓技術(shù)，缺少適用于挖掘機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，液壓挖掘機進入推廣和蓬勃發(fā)展階段，各國挖掘機制造廠和品種增加很快，產(chǎn)量猛增。1968-1970年 間，液壓挖掘機產(chǎn)量已占挖掘機總產(chǎn)量的83%,目前已接近100%. 中國挖掘機 　　我國開始研制、發(fā)展液壓挖掘機產(chǎn)品是在上個世紀(jì)六十年代末，這與日本發(fā)展液壓挖掘機產(chǎn)品的時間大致相同。自1967年至1977年，這10年 我國有少數(shù)幾家工廠開始研究，開發(fā)液壓挖掘機，通過數(shù)年堅持不懈的努力，克服一個又一個的困難，終于有少量幾種規(guī)格的液壓挖掘機產(chǎn) 品獲得初步成功，當(dāng)時有上海建筑機械廠的WY100;貴陽礦山機器廠的W4-60;合肥礦山機器廠的WY60;長江挖掘機廠的WY160和杭州重型機械 廠的WY250等（在此之前，個別工廠也曾試圖開發(fā)液壓挖掘機，但因多種原因未能成功）；這為我國液壓挖掘機行業(yè)的形成邁出了重要的一步 2006年中國挖掘機市場銷量歷史性地突破45,000臺，同比2005年增長58.6%,以大多數(shù)挖掘機制造商產(chǎn)銷量高速增長完美收官，實現(xiàn)了歷史性 突破。1993年我國液壓挖掘機總銷量為2,349臺，15年后的2008年我國液壓挖掘機的總銷量高達83,000臺，15年增長35倍。2009年中國挖掘機 市場與2008年相比可望增長10%以上，全年新機銷售量將超過90,000臺，銷售額超過500億元人民幣。 2010年，我國挖掘機行業(yè)延續(xù)了上年發(fā)展態(tài)勢，在政府加大基建投資、推進城鎮(zhèn)化建設(shè)等多種政策疊加效應(yīng)的作用拉動下，實際累計銷售總量超過16.5萬臺。2011年上半年，國產(chǎn)挖掘機在全行業(yè)制造企業(yè)中產(chǎn)銷量占有率有相當(dāng)大幅度上升。 　　目前中國挖掘機行業(yè)正處于高速增長期，調(diào)控是過度增長后的臨時措施，調(diào)控過后將帶來下一次更高增長。“十二五”期間中國挖掘機將超過裝載機成為中國工程機械行業(yè)中銷售量最大的機種。同“十二五”期間中國國產(chǎn)挖掘機將全面超過外資品牌挖掘機，成為中國挖掘機市場的主角！中國挖掘機行業(yè)前途仍無限光明！ 1.2.2課題的國內(nèi)外現(xiàn)狀 輪式越野挖掘機的總體結(jié)構(gòu)主要由工作裝置、上部轉(zhuǎn)臺和行走機構(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，國內(nèi)外研究人員對挖掘機工作裝置的性能分析主要研究工作集中在運動學(xué)、鏟斗軌跡規(guī)劃與控制、動力學(xué)、工作裝置的結(jié)構(gòu)分析、靈敏度、振動分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化與相關(guān)的試驗研究方面。 工作裝置運動方程與挖掘區(qū)域 對液壓挖掘機的運動學(xué)方面進行研究，可以確定挖掘區(qū)域，通過研究其運動方程，從而可以對挖掘過程進行規(guī)劃和控制等。相關(guān)研究工作如浙江大學(xué)機械設(shè)計研究所的劉靜運用機器人技術(shù)理論，推導(dǎo)了挖掘機的運動學(xué)和動力學(xué)方程，并用ADAMS開發(fā)了挖掘機虛擬樣機的運動學(xué)和動力學(xué)模型，長安大學(xué)的劉本學(xué)利用D-H法建立了工作裝置的運動學(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 對鏟斗的軌跡進行規(guī)劃和控制能提高挖掘效率，并且有利于實現(xiàn)自動挖掘減輕操作者的勞動強度。季炳偉對挖掘機的鏟斗軌跡進行控制和優(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)，通過對多種規(guī)劃策略進行實驗對比，結(jié)果表明該規(guī)劃方法極大降低了液壓系統(tǒng)的振動沖擊，提高了挖掘機操縱平穩(wěn)性；日本學(xué)者通過對經(jīng)驗豐富的挖掘機操作人員操作挖掘機整個過程進行分析，而后進行利用控制技術(shù)來模擬這種經(jīng)驗操作人員駕駛技術(shù)來實現(xiàn)高效挖掘的研究；利用全球定位系統(tǒng)對一個具有六自由度的液壓挖掘機進行了運動控制通過現(xiàn)場實驗獲得數(shù)據(jù)后用和軟件的仿真說明了其方法的可行性。 動力學(xué) 對液壓挖掘機工作裝置的動力學(xué)進行研究可以確定其動態(tài)特性，也是進行動態(tài)設(shè)計的基礎(chǔ)。于國飛等人運用機械手的原理，將液壓挖掘機工作裝置機器人化，運用拉格朗日功能平衡法推導(dǎo)了工作裝置的動力學(xué)方程，為研究自動控制和動力學(xué)仿真奠定了基礎(chǔ)。 試驗研究 液壓挖掘機的研制需要進行各方面性能和可靠性試驗包括強度、操縱、耐久性等，在經(jīng)過嚴(yán)格的科學(xué)試驗和用戶評價之后才能定型生產(chǎn)。試驗研究是判斷結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)劣最原始也是最可靠的方法。波蘭的J.Maciejewski等人通過試驗研究了在挖掘過程中，挖掘機鏟斗不同形狀對挖掘效率的影響；通過實驗并利用色彩、飽和值和顏色值空間對液壓挖掘機在挖掘過程非工作時間進行了研究，從而通過控制設(shè)備的非工作時間提高了設(shè)備的使用效率。 1.2.3輪式越野挖掘機工作裝置的特點 挖掘機由鏟斗、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)通過各個專用油缸控制回轉(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，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。 輪式越野挖掘機在實際工作過程中，工作裝置的運動和受力情況均較復(fù)雜，主要表現(xiàn)在：1工作對象的多樣性，挖掘機是通過顫抖與土壤建的相互作用事先挖掘的，在各種施工場地工作時，土質(zhì)條件較復(fù)雜，受力情況難以確定；2工作過程是通過驅(qū)動三組液壓缸的復(fù)合運動來實現(xiàn)，每個動作要兩個以上的部件參與實現(xiàn)；3在挖掘過程中，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)計要求和工作內(nèi)容 1.3.1設(shè)計要求 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. 完成機械結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙A0x3； 2. 手繪總裝設(shè)計草圖A0x1； 3. 完成液壓控制系統(tǒng)原理圖； 4. 開題報告1份； 5. 外文翻譯資料5000漢字； 6. 編寫設(shè)計說明書1份（2萬字以上）。 1.4課題的重點和難點 課題的重點： 動壁采用整體式彎動臂，這種結(jié)構(gòu)形式在中型挖掘機中應(yīng)用較為廣泛。其結(jié)構(gòu)簡單、廉價，剛度相同時結(jié)構(gòu)重量較組合式動臂輕，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)挖掘機采用整體式斗桿。在本設(shè)計中由于不需要調(diào)節(jié)斗桿的長度，故也采用整體式斗桿。 課題的難點： 在實際挖掘作業(yè)中，由于土質(zhì)情況、挖掘面條件以及挖掘機液壓系統(tǒng)的不痛，反鏟斗裝置三種液壓缸在挖掘循環(huán)中的動作配合可以使多樣的、隨機的上述過程 動力學(xué)方程的建立。 模擬器電液控制部分的設(shè)計。全液壓制動控制系統(tǒng)由單片機控制，制動器以液壓缸為執(zhí)行元件、以伺服閥為控制元件，采用單片機來控制A/D、D/A信號轉(zhuǎn)換。 1.5可能用到的主要知識和技能 機器人學(xué) 液壓與氣動 電液伺服控制 控制工程基礎(chǔ) 工程圖學(xué) 機械設(shè)計 機械制造基礎(chǔ) CAD Catia 1.6需要自學(xué)的知識和技能 Matlab軟件的應(yīng)用 AＮＳYS軟件的應(yīng)用 第二章 工作計劃 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、開題報告 第八學(xué)期第4周~第八學(xué)期第8周： 方案設(shè)計及總體裝配圖 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： 撰寫設(shè)計說明書 第八學(xué)期第16周： 準(zhǔn)備答辯 答辯 參 考 文 獻 1. 成大先主編. 《機械設(shè)計手冊》 第2版. 機械工業(yè)出版社 2. 寇尊權(quán)主編. 《機械設(shè)計課程設(shè)計》 吉林科學(xué)技術(shù)出版社 3. 馮辛安等主編. 《機械制造裝備設(shè)計》 機械工業(yè)出版社 4．《液壓傳動設(shè)計手冊》（上、下） 上?？萍汲霭嫔? 5．西南交通大學(xué)編. 《工程機械》（上、下） 中國鐵道出版社 6．楊占敏，王智明，張春秋等主編 《輪式裝載機》 化學(xué)工業(yè)出版社