挖掘机工作装置的斗齿仿生及动臂优化研究

随着国家经济快速发展，国家增加了对能源开发、国防设施以及基础建设的投入，对工程机械产品的需求量变得越来越大。挖掘机是一种应用广泛的多功能的工程机械，其主要施工设备即工作装置的性能影响整个挖掘机的作业性能。优化挖掘机工作装置，提高挖掘机的整机工作性能，对于国民经济和工程机械的发展具有重要的意义。 挖掘机的工作装置主要包括：斗齿、动臂、斗杆、铲斗，其中斗齿的构型影响其挖掘性能。动臂的尺寸参数影响挖掘机作业范围。本文以典型反铲液压挖掘机的工作装置为原型，结合本实验室仿生斗齿研究成果，在对典型反铲液压挖掘机工作装置进行运动学和动力学分析的基础上，采用虚拟样机技术模拟设计出与其相应的虚拟工作装置；而后将传统型挖掘机工作装置与仿生斗齿研究成果进行整合，基于ADAMS优化设计了工作装置的动臂，扩大了工作装置的作业范围，显著提高了挖掘性能，从而提高了整机作业性能。 本文首先对工作装置的运动学和动力学做了理论分析，而后应用Pro/E软件对仿生斗齿及反铲液压挖掘机整体进行了三维建模；通过中间格式将其导入到ADAMS软件中，对创建的虚拟模型进行了运动学和动力学分析，获取了反铲液压挖掘机工作装置的最大挖掘半径、最大挖掘高度、最大挖掘深度、最大卸荷高度、最小回转半径等作业范围参数，得到装载有仿生斗齿的反铲液压挖掘机工作装置的斗杆最大挖掘力和铲斗最大挖掘力。 在上述研究的基础上，通过改变工作装置动臂的尺寸参数，包括将动臂外侧线与中线的夹角由67°分别改为65°和70°以及将动臂弯曲处的圆弧半径由200mm分别改为210mm和190mm，并对其进行了两两组合；利用ADAMS进行仿真测试，得出了包括工作范围参数和最大挖掘力等8组数据，并将其与之前动臂尺寸未变的工作装置的测量数据进行对比，得出了外侧线与中线夹角65°、动臂弯曲处的圆弧半径210mm这一最优方案。 通过对原型机的试验研究，得到反铲液压挖掘机工作范围参数及其工作装置的最大挖掘力。试验结果与基于ADAMS优化后结果的对比分析表明，基于ADAMS的优化显著提高了挖掘机工作装置的挖掘性能。研究结果为设计挖掘性能更加优良的反铲液压挖掘机工作装置提供基础数据和技术手段。