机械式挖掘机工作装置机构性能研究与优化设计平台研发

我国幅员辽阔，矿藏资源丰富。随着国民经济的飞速发展，十二五期间，我国矿藏露天开采发展迅速，潜力巨大。机械式挖掘机是露天采矿作业的重要挖掘设备，主要用于采矿工程中的剥离表土、采掘矿石和装载以及土方施工中的挖土作业。我国机械式挖掘机的设计和生产起步较晚，缺少自主研发能力，核心技术受制于人。在机械式挖掘机的各个零部件中，工作装置是机械式挖掘机的重要部分。本文围绕国家 863项目75m3大型露天矿用挖掘机研制（NO.2012AA062001），对机械式挖掘机工作装置机构性能做了大量卓有成效的研究。 在广泛查阅国内外文献基础上，本文充分论述了机械式挖掘机工作装置机构性能研究背景和研究意义，综述了国内外关于机械式挖掘机工作装置机构性能的研究进展和研究方法，探讨了在研究中可借鉴的方法以及存在的问题。 本文论述了钢丝绳推压机械式挖掘机与齿轮-齿条推压机械式挖掘机工作装置结构和原理的区别，以及优缺点和适应范围，对钢丝绳推压机械式挖掘机工作装置机构性能进行了分析。提出从机构运动关系入手，建立工作装置的运动微分方程，模拟运动轨迹、计算挖掘体积和挖掘阻力，并对工作装置的力学性能进行了分析。在工作装置机构性能分析的基础上，利用坐标变换理论，创建了工作装置挖掘作业的运动学模型，对某大型机械式挖掘机工作装置挖掘作业进行了运动学仿真，对挖掘中存在的斗杆与鞍座干涉、铲斗斗底与料堆干涉等问题的原因，进行了论述，并给出了改进方法。 优化设计是最常用、最快捷和最有效的改进机械式挖掘机工作装置的设计方法。为了提高机械式挖掘机工作装置的动力性能、作业性能、经济性能和使用寿命，改进在设计中遇到的问题，选取了工作装置的结构参数和速度参数作为设计变量，选取切削后角、提升钢丝绳与斗杆中心线的夹角和推压功率与提升功率作为目标函数，其它性能和结构要求作为约束条件，创建了机械式挖掘机优化设计的数学模型，对某大型机械式挖掘机进行了优化设计，优化结果使机械式挖掘机工作装置的挖掘更平稳，斗杆与鞍座以及斗底与料堆的干涉问题得到解决，动力性、作业效率和经济性均有较大程度的提高，综合作业性能得到改善。 利用ADAMS软件创建了机械式挖掘机工作装置的虚拟样机，进行虚拟样机运动学仿真试验和研究，将虚拟样机的仿真结果与运动学数学模型的计算结果进行了对比，验证了机械式挖掘机工作装置的运动学数学模型的正确性。 在以上研究的基础上，应用Matlab软件的GUI设计，研发机械式挖掘机工作装置优化设计平台，该平台可以实现对机械式挖掘机工作装置挖掘范围求解、运动学仿真、挖掘轨迹模拟、挖掘阻力求解、整机配重计算、工作装置受力分析以及工作装置的优化设计等功能。