發(fā)布時(shí)間：2020-04-11 06:21

【摘要】：近年來,隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的推進(jìn),工程機(jī)械行業(yè)發(fā)展迅猛。液壓挖掘機(jī)作為一種多功能機(jī)械,在水利工程、交通運(yùn)輸、電力工程和礦山采掘等機(jī)械施工中應(yīng)用廣泛,特別是在礦山采掘中,常需要重量比較大的大型挖掘機(jī)來進(jìn)行作業(yè)。由于大型液壓挖掘機(jī)存在油耗高、排放差等問題,在能源短缺、油價(jià)上漲的時(shí)代背景下,挖掘機(jī)節(jié)能技術(shù)得到了重點(diǎn)研究。工作裝置是挖掘機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),負(fù)責(zé)完成各種挖掘作業(yè),對(duì)工作裝置進(jìn)行輕量化研究對(duì)實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)節(jié)能具有重要意義。大型液壓挖掘機(jī)在進(jìn)行礦山采掘等作業(yè)時(shí),由于其挖掘工況比較復(fù)雜,隨時(shí)要面臨多變的工況,所以工作裝置上各個(gè)鉸點(diǎn)的受力也更加復(fù)雜。因此在對(duì)工作裝置進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí),必須保證作業(yè)過程的安全。針對(duì)上述問題,本文首先對(duì)工作裝置的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行研究,對(duì)其強(qiáng)度、剛度進(jìn)行校核,然后根據(jù)分析結(jié)果對(duì)工作裝置進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),最后對(duì)輕量化設(shè)計(jì)前后的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行對(duì)比分析。主要研究內(nèi)容如下:(1)工作裝置三維模型的建立。在分析挖掘機(jī)整機(jī)與工作裝置的結(jié)構(gòu)組成及工作原理的基礎(chǔ)上,參考本文研究機(jī)型的尺寸等相關(guān)參數(shù),利用Solidworks建立7個(gè)參數(shù)的動(dòng)臂參數(shù)化模型和5個(gè)參數(shù)的斗桿參數(shù)化模型,建立其他部件的簡化模型,最后完成整個(gè)工作裝置的裝配模型。(2)工作裝置各部件鉸點(diǎn)力的計(jì)算。首先,研究液壓挖掘機(jī)工作裝置的運(yùn)動(dòng)工況,在分析常見的危險(xiǎn)工況基礎(chǔ)上選擇鏟斗挖掘、斗桿挖掘和復(fù)合挖掘三種危險(xiǎn)工況并建立三個(gè)工況的各部件位置圖作為后文的分析依據(jù);然后,根據(jù)液壓系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算出各理論挖掘力并施加到對(duì)應(yīng)挖掘工況上;最后,依據(jù)力矩平衡和力平衡原理計(jì)算出三個(gè)工況下各鉸點(diǎn)的受力,為后文有限元分析和輕量化設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。(3)工作裝置的有限元分析。建立Solidworks與ANSYS Workbench之間的無縫連接,對(duì)工作裝置中動(dòng)臂、斗桿進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析,根據(jù)分析得到的應(yīng)力云圖和位移云圖分析其強(qiáng)度和剛度。根據(jù)分析結(jié)果得到三個(gè)工況下動(dòng)臂的最大應(yīng)力為239.88MPa,最大位移為14.164mm,斗桿的最大應(yīng)力為178.17MPa,最大位移為4.6420mm,均小于許用應(yīng)力和許用位移,強(qiáng)度和剛度均符合設(shè)計(jì)要求。驗(yàn)證了模型的正確性,證明了存在輕量化的空間。(4)工作裝置的輕量化研究。根據(jù)優(yōu)化理論分別建立動(dòng)臂和斗桿的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,依據(jù)響應(yīng)面優(yōu)化原理利用ANSYS Workbench中的響應(yīng)面優(yōu)化模塊分別對(duì)動(dòng)臂的7個(gè)板厚和斗桿的5個(gè)板厚進(jìn)行尺寸優(yōu)化,根據(jù)優(yōu)化得到的最優(yōu)解選擇一組進(jìn)行圓整取值,得到板厚的最優(yōu)尺寸,優(yōu)化后的動(dòng)臂質(zhì)量減少了8.1%,斗桿質(zhì)量減少了7.2%。(5)輕量化前后工作裝置有限元分析結(jié)果對(duì)比。根據(jù)優(yōu)化得到的最優(yōu)解分別在Solidworks對(duì)動(dòng)臂、斗桿進(jìn)行尺寸參數(shù)修改建立新的動(dòng)臂和斗桿模型,對(duì)輕量化設(shè)計(jì)后的動(dòng)臂、斗桿再次利用ANSYS Workbench進(jìn)行有限元分析,并與原模型有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。研究發(fā)現(xiàn)輕量化后的動(dòng)臂和斗桿最大應(yīng)力和最大位移變化不大,且強(qiáng)度和剛度仍符合設(shè)計(jì)要求,驗(yàn)證輕量化設(shè)計(jì)的正確性。根據(jù)以上研究結(jié)果,總結(jié)出一套適用于挖掘機(jī)工作裝置輕量化設(shè)計(jì)的研究方法。
【圖文】：

功率達(dá)3360KW[18,19]。圖1-2分別為日立的EX8000(機(jī)重780t)和卡特彼勒的6120BHFS（機(jī)重1270t）。日立EX8000(機(jī)重780t) 卡特彼勒6120BHFS（機(jī)重1270t）圖1-2 超大型液壓挖掘機(jī)Figure1-2 Super large hydraulic excavator根據(jù)不同的形式，挖掘機(jī)分為多斗挖掘機(jī)和單斗挖掘機(jī)，也可以分為機(jī)械傳動(dòng)和液壓傳動(dòng)兩類，，大型液壓挖掘機(jī)主要由底盤行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)、挖掘工裝機(jī)構(gòu)三個(gè)部分組成[20]。根據(jù)整機(jī)質(zhì)量的不同又有以下分類[21]：表1-1 液壓挖掘機(jī)整機(jī)質(zhì)量分類Table1-1 Quality classification of hydraulic excavator質(zhì)量 小于6t 6t~13t 13t~20t 大于50t機(jī)型 小型機(jī) 中小型機(jī) 中型機(jī) 大型機(jī)

2.1.1 反鏟液壓挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)組成反鏟液壓挖掘機(jī)主要由行走裝置、回轉(zhuǎn)平臺(tái)和工作裝置三部分組成，其具體組成如圖2-1所示：圖2-1 普通反鏟液壓挖掘機(jī)的基本結(jié)構(gòu)組成Figure2-1 Basic structure composition of general backhoe hydraulic excavator
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TD422.2

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本文編號(hào)：2623254