机械式挖掘机工作与行走装置机构性能研究

摘要

在露天矿的开采中，大型矿用机械式挖掘机得到了广泛的应用。本文结合国内近年来对机械式挖掘机开发的迫切需要，在与一重集团联合项目的支持下，对大型矿用机械式挖掘机的工作装置机构和履带行走装置进行了详细的分析。本文的研究主要包括以下五个方面：1挖掘轨迹与挖掘阻力的分析在相同的工况条件下，挖掘机铲斗斗齿尖所走的轨迹不同，导致土壤的挖掘阻力也不尽相同，则挖掘机克服的阻力做功也不一样。挖掘轨迹选取的好坏，直接关系到工作装置的能耗大小。为保证挖掘阻力最小化提出了等后角的挖掘轨迹——对数螺旋线轨迹方程，并分析了和挖掘轨迹相关的一些基本问题，如挖掘体积的计算，初始挖掘角和终了挖掘角的确定，挖掘过程中最大挖掘厚度的计算。对挖掘阻力作了一定的分析，提出了一个比较能全面反映挖掘特性的挖掘阻力公式。2工作装置机构运动学分析针对工作装置的机构特性，将工作装置机构简化为一个二自由度的双变长摆杆机构。由铲尖的挖掘轨迹方程反解得到机构各杆件主要参数如质心坐标，质心速度，加速度，角加速度等随斗杆转角的变化，为后续的动力学分析作基础。其中铲斗质心坐标的求解是难点，因为挖掘过程中由于物料的不断增加导致铲斗的质心坐标和转动惯量不断变化，通过铲斗坐标系和机构坐标系之间的转换解决了此问题。3工作装置机构驱动力的简单求解及机构动态静力分析求解提升和推压机构是工作装置中的主要机构，由挖掘机的几个极限工况位置对其进行推压力和提升力的求解计算，得到这2个驱动力的粗略值，由此选取驱动电机并作了校核。由于挖掘机质量巨大，运行过程中的惯性力和惯性力矩不容忽视，将惯性力和惯性力矩加到构件上进行动态静力分析，得到一个12元的线性方程组，将其整理为矩阵的形式便于求解。最后用数学软件得到了挖掘过程中推压驱动力和提升驱动力的变化曲线图。4工作装置机构ADAMS仿真为验证前面运动学与动力学方程求解的正确性，同时有个参照作用，利用ADAMS这个多刚体系统仿真软件的强大仿真能力，对工作装置机构进行仿真。将工作装置的PRO/E三维模型导入ADAMS中并作了适当简化，对模型施加约束和力载荷，通过spline函数定义了驱动，得到了机构的运动学和动力学仿真结果，并对仿真结果做了分析和解释。5履带行走装置计算履带行走装置是矿用挖掘机的承重和行驶底盘，本文介绍了履带行走装置的基本构造和工作原理，并以PH2300挖掘机为算例对履带行走装置的牵引力及行驶阻力作了计算。本文的研究为大型矿用机械式挖掘机的工作装置机构设计特别是提升电机和推压电机的选取提供了依据，同时对矿用挖掘机履带行走装置的设计提供了借鉴与参考。

目录

摘要

Abstract

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 机械式挖掘机国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 机械式挖掘机工作与行走装置机构性能研究的意义

1.4 本文的研究内容

第二章 挖掘轨迹与挖掘阻力分析

2.1 引言

2.2 合理挖掘轨迹的确定

2.3 挖掘过程中挖掘体积的分析求解

2.4 铲斗初始挖掘角和出料挖掘角的求解

2.5 挖掘过程中最大挖掘厚度的确定

2.6 挖掘阻力分析

2.7 小结

第三章 挖掘机工作装置机构运动学建模

3.1 引言

3.2 工作装置机构分析

3.3 工作装置机构运动学建模

3.4 各构件的质心坐标、速度及加速度分析求解

3.5 各构件的角速度及角加速度分析求解

3.6 小结

第四章 挖掘机工作装置机构动力学建模

4.1 引言

4.2 工作装置主要机构的计算

4.2.1 提升机构的计算

4.2.2 推压机构的计算

4.3 动力学方程的建立

4.4 动力学方程的求解

4.5 各构件质心至运动副的矢量求解

4.6 各构件质量及转动惯量的确定

4.7 线性方程组的求解结果及分析

4.8 小结

第五章 挖掘机工作装置机构ADAMS 算例仿真

5.1 引言

5.2 工作装置运动学仿真建模

5.2.1 挖掘机构建模

5.2.2 施加约束

5.2.3 钢丝绳模拟

5.2.4 驱动输入

5.3 工作装置动力学仿真建模

5.3.1 工作装置受力分析

5.3.2 施加力

5.3.3 仿真分析

5.4 小结

第六章 履带行走装置计算

6.1 引言

6.2 履带行走装置介绍

6.3 履带行走装置的基本参数

6.4 履带行走装置对地面的比压力

6.5 履带行走装置的牵引力和行驶阻力计算

6.6 小结

第七章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间已发表或录用的论文

攻读硕士期间参与的科研项目

上海交通大学硕士学位论文答辩决议书